航电系统简介.ppt

航电系统 能够完成一种或者几种生理功能的多个器官按照一定的次序组合在一起的结构叫做系统 系统一词创成于英文system的音译 对应外文内涵加以丰富 系统是指将零散的东西进行有序的整理 编排形成的具有整体性的整体 综合航空电子亦称航空电子 其英文 avionics 是由 aviation 航空 和 electronics 电子学 两词相结合 而派生出来的 自二次世界大战后的几十年来 美国 德国 法国 英国 前苏联 俄罗斯 先后开展航空电子系统技术的研究 航空电子已经成为一门独立的学科 航电系统全称 综合航空电子系统 是现代化战斗机的一个重要组成部分 战斗机的作战性能与航空电子系统密切相关 一 航电系统的简介 多传感器综合 MSI 的目标是改变目前各种传感器分立的状态 实现互为补充 互为备份 扬长避短 综合使用各传感器提供的信息 对多传感器实现综合的控制和管理 在现有的硬件和软件水平上获得比任何单独的传感器性能更高的传感器系统 一 航电系统的简介 航空电子设备走过了漫长的发展道路 经历了几次大的变革 每一次变革都使飞机的性能获得提高 并且进一步推动航空电子技术的发展 在航空电子系统发展中系统结构不断演变 因此航空电子系统的 结构 成为划时代的主要依据 二 航电系统的历史 早期的航空电子系统为分立式结构 系统由许多 独立的 子系统组成 每个子系统必须依赖于驾驶员的操作 输入 驾驶员不断从各子系统接收信息 保持对武器系统及外界态势的了解 二 航电系统的历史 一 分立式结构 F 100是美国原北美航空公司 已并入罗克韦尔国际飞机公司 研制的世界上第一种实用化的具有超音速平飞能力的喷气式战斗机 也是首种广泛利用钛合金制造的战机 主要作为战斗轰炸机使用 1953年9月开始装备部队 主要型别有 A C D F等 各型共生产2350多架 1959年全部停产 F 100最初是作为接替F 86的高性能超音速战机而设计的 曾在越南战争中执行战斗轰炸任务 双座 巫毒 首机 编号NF 101B 序列号56 232 在1957年3月27日首飞 比1955年初预计的时间晚了近1年 与可承受7 33g过载的生产型F 101B不同 NF 101B的机身过载限制在了6 33g 混合式结构是向综合化过渡的一种结构形态 它出现了部分子系统之间的综合 例如火控计算机 平显 火控雷达等之间的综合 大气数据计算机 高度表 空速表 垂直速度表 攻击传感器 大气温度传感器的组合 飞行指引计算机 航姿系统 塔康等结合 各分系统通过广播式数据传输总线 如ARINC429 连接 二 航电系统的历史 二 混合式结构 联合式结构 也称综合化结构 是美国DAIS研究计划的主要成果 它通过1553总线将大多数航空电子分系统交联起来 实现信息的统一调度 这一时期的另一重要特点是电子技术开始应用于飞行的关键部位 如飞行控制及地形跟随 同时 传感器和分系统的能力不断增加 如雷达的能力 红外传感器 激光测距 电子战设备等 二 航电系统的历史 三 联合式结构 F 16C D是经过整体规划 改进设计的全新型号 性能大大提高 C D型是第二阶段MSIP 多国阶段改进计划 的产物 其原型为Block25 C D型与A B型外表上最明显的区别是C D型的垂尾根部加宽了 其前端的延长段上有一个小天线 C D使用了诺斯洛普 格鲁曼AN APG 68 V 雷达 增加了探测距离 工作模式增多 抗干扰能力更强 LANTIRN前视红外电视和激光制导吊舱 仙童 公司的任务传输系统 C D型使用了 玻璃 座舱 包括两个座舱大型显示器 GEC马可尼大视角平视显示器 F 18 大黄蜂 战斗机 F 18Hornet 编号亦作F A 18 是美国诺斯罗普公司为美海军研制的舰载单座双发超音速多用途战斗第四代战斗 攻击机 美国军方第一种兼具战斗机与攻击机身份的机种 基于这个原因 作为美国海军最重要的舰载机 F 18的用途广泛 它既可用于海上防空 也可进行对地攻击 于1978年首飞 1983年进入美国海军服役 2006年7月28日F 14 雄猫 战斗机退役后 F 18成为美国航空母舰上唯一的舰载战斗机 机体是按6000飞行小时的使用寿命设计的 机载电子设备的平均故障间隔为30飞行小时 雷达的平均故障间隔时间为100小时 电子设备和消耗器材中有98 有自检能力 F 18战斗机引入了 玻璃 座舱概念 淘汰了许多表盘式仪表 并将原先表盘式仪表的信息显示在阴极射线显示器上 安装了抬头显示器 HUD 仪表面板上安装了两个多功能阴极射线显示器和一个水平阴极射线显示器 座舱内安装了手不离杆 HOTAS 油门杆和操纵杆 作战中需要使用到了控制开关都集成在了油门杆和操纵杆上 F 15鹰式战斗机是美国麦克唐纳 道格拉斯公司为美国空军研制生产的双引擎 全天候 高机动性空中优势重型战斗机 是世界上第一种成熟的第四代战斗机 根据苏联传统分类和美国2009年后分类方式两者已统一 所以以上就是唯一的国际第四代战斗机标准 F 15是由1962年展开的F X Fighter Experimental 计划发展出来 1969年由麦道 McDonnellDouglas 公司得标 1972年7月首次试飞 1974年首架量产机交付美国空军使用 平显和双杆操纵系统 HOTAS 中抬头显示器会显示出由航电系统整合提供的飞行相关资料 它可以在任何飞行环境下判读 提供飞行员飞行 追纵及猎杀敌机或其它目标的必要而即时的资讯 而不需要低头看座舱内的仪表 大大减轻了飞行员搜索 跟踪 攻击目标时的操纵负担 并简化了操纵程序 新一代航空电子系统结构 即更高程度的综合化结构 是以美国 宝石柱 PavePillar 计划为基础建立起来的结构概念 该计划完成于八十年代 实现 宝石柱 系统结构的第一架战斗机是美国的F 22战斗机 RAH 66轻型攻击 侦察直升机也使用了这种结构 各分系统间以1553和HSDB 高速数据总线 相连接 三 新一代航空电子系统 一 新一代航空电子系统结构 F 22 猛禽 英语 F 22Raptor 战斗机是由美国洛克希德 马丁和波音联合研制的单座双发高隐身性第五代战斗机 F 22是世界上第一种进入服役的第五代战斗机 由于F 22的制造成本过高 俄罗斯和中国的第五代战斗机的计划延迟导致的缺乏清晰空对空作战任务 猛禽的出口禁令和其它使用计划 包括F 35和无人机 都使得F 22的生产计划提前终止 2009年4月 美国国防部建议停止新订单 经国会批准最终采购187架战斗机 继 宝石柱 计划后 美国正在推行 宝石台 PavePale 计划 在纵深方向上继续推行综合化 一方面 系统中实现了各系统处理功能的综合 通用处理模块 动态重构 并进而实现传感器功能及信号处理功能的综合化 另一方面 综合化的范围也在扩展 包括了以前相对独立的飞行控制 发动机控制 通用设备控制 形成了飞机管理系统的概念 这种结构将应用于二十一世纪的美国军用飞机 三 新一代航空电子系统 一 新一代航空电子系统结构 F 35 闪电 英语 F 35LightningII 联合攻击战斗机是一款由美国洛克希德 马丁设计及生产的单座单发战斗攻击机 几十年来 航空电子系统经历了分立式 混合式 联合式向综合化 高度综合化方向发展 综合化的航空电子系统不仅实现了机上的信息综合 而且能够有效地综合C3I和预警机发送的信息 由此可以满足现代和未来战争的需求 现以美国的 宝石柱 结构 F 22 宝石台 计划为例 综述新一代航空电子系统的特点 三 新一代航空电子系统 二 新一代航空电子系统的特点 1 在功能划分上 新一代系统已明显从纵向划分过渡到横向划分 提出了功能区分的概念 功能区分是整个系统中功能特性相近 任务关联密切的部分 在同一功能区中可以实现资源共享 容易互为余度而实现动态的重构及容错 三 新一代航空电子系统 二 新一代航空电子系统的特点 宝石柱 结构将系统分为任务管理区 传感器管理区 飞机管理区 任务管理区由任务数据处理机 任务航空电子多路传输总线 块多路传输总线 系统大容量存储器 武器管理系统和任务航空电子总线接口组成 该区的功能为 任务计算与管理 如火力控制 目标截获 导航管理 防御管理 外挂管理 地形跟随 TE 地形回避 TA 障碍回避 OA 座舱管理 与其它两个功能区交联等 三 新一代航空电子系统 二 新一代航空电子系统的特点 三 新一代航空电子系统 二 新一代航空电子系统的特点 整套综合机载无线电电子设备包括 中央数据综合处理系统 综合通讯 导航和识别系统ICNIA和包括无线电电子对抗系统的全套电子战设备INEWS 具高分辨力的机载雷达AN APG 77和光电传感器系统EOSS 两个激光陀螺仪的超黄蜂LN 100F惯性导航系统 HHC 传感器管理包括通用信号处理机 传感器数据分配网络 数据交换网络 视频数据分配网络 传感器控制网络组成 该区的功能为 传感器数据分配 传感器信号处理 处理后信号的分发 传感器控制 飞机管理区是由飞行控制 发动机控制 推力矢量控制 通用设备控制等几部分功能综合而形成 又称为飞机管理系统 VMS 其功能为支援与控制功能有关的飞机的飞行 三 新一代航空电子系统 二 新一代航空电子系统的特点 2 综合化进一步向深 广方向发展 宝石柱 结构虽然提出了信号处理通用模块及相应处理群集器的一般结构 但 宝石柱 实验室演示系统和F 22的综合化深度只达到数据处理资源一级 而 宝石台 计划的任务之一就是试图进一步在传感器信号处理及传感器天线孔位上实现综合 在信号处理群集器中使用通用信号处理模块 三 新一代航空电子系统 二 新一代航空电子系统的特点 另一方面 飞机管理系统 VMS 本身就是综合化向更广范围发展的例证 传统的飞控系统是相对独立的分系统 四余度系统 且一般不和通用设备等有关系 VMS使多种功能综合起来 并置于整个系统的管理之下 综合化的范围实际上已覆盖每个功能 三 新一代航空电子系统 二 新一代航空电子系统的特点 3 以外场可更换模块 LRM 代替了外场可更换单元 LRU 为基础构成综合航空电子系统 LRM是系统安装结构上和功能上相对独立的单元 故障定位可以达到LRM一级 通过更换LRM而排除故障 LRM 智能化的机内自检 二级维修体制是构成新一代系统维修概念的要素 使维修成本大大降低 三 新一代航空电子系统 二 新一代航空电子系统的特点 F 22的航空电子系统采用 宝石柱 计划的系统构形研究成果和许多新技术 在这种可重构的系统构形中 用外场可更换模块 LRM 取代了外场可更换部件 LRU 各模块分别承担整个航电系统的一部份工作 各模块承担的工作与飞机执行任务时的飞行阶段密切相关 4 在LRM一级上实现硬件资源共享和硬件余度 通过动态的程序加载 根据任务需要动态地组织LRM硬件 出现故障后则可进行动态重构 使系统继续维持原有功能 即达到容错的目的 三 新一代航空电子系统 二 新一代航空电子系统的特点 三 新一代航空电子系统 F 35的主要承包商是LockheedMartin 另外主要的合作伙伴包括BAE和NorthropGrumman BAE和NorthropGrumman除了重要的子系统以外 也分别负责中部和后部机身的生产 F 35主要用于前线支援 目标轰炸 防空截击等多种任务 并因此发展出3种主要的衍生版本 包括采用传统跑道起降的F 35A型 短距离起降 垂直起降机种F 35B型 与作为航空母舰舰载机的F 35C型 F 35有四大关键机载AN AGP 81型主动电子扫描阵列雷达电子系统 诺思罗普 格鲁曼公司的AN APG 81有源相控阵雷达和光电分布式孔径系统 EODAS 英航宇系统公司的综合电子战系统及洛 马公司的光电瞄准系统 EOTS 美国联合攻击战斗机 JointStrikeFighterJSF 是20世纪最后一个重大的军用飞机研制和采购项目 5 向智能化发展 当代的航空电子系统只能将各种数据提供给驾驶员 或者经过处理后给出引导性的指示信号 有时变换成易理解的直观图示方式 但最终的判定 决断要驾驶员给出 美国正在研制的驾驶员助手系统 即专家系统 可以完成收集数据 推理和判断并作出决断 可以直接给出控制指令 也可以向驾驶员提出处理建议 由驾驶员决断及实施控制 三 新一代航空电子系统 二 新一代航空电子系统的特点 神经网络的研究也取得很大进展 应用到机载后可以使航空电子系统具有自学习和自适应能力 人工智能的方法可以在航空电子系统中找到很多应用 例如目标的识别 分类 电子战信息分析 威胁制定 突防路线的实时建立 攻击目标优先级分类 武器选择 智能人机接口 本机完好情况监视及应急处理等 智能化系统使驾驶员从过量的任务负担中解脱出来 集中精力于高层次的判断 并可避免人脑在某些方面的能力不足 三 新一代航空电子系统 二 新一代航空电子系统的特点 JAS39 鹰狮 为瑞典萨博公司 SAAB SvenskaAeroplanAB 为中心所开发用以取代Saab 37战斗机 在战机世代上属于第四代战斗机 JAS 39在续航距离的妥协 汰换运用上的容易性与高效能低价位的实现使得其成为当今世界最具关注度 最畅销的轻型战斗机 且和中国与巴基斯坦共同研制的FC 1战斗机定位相同 亦为FC 1枭龙战斗机在国际上最大的竞争对手 JAS 39是作为空中优势战斗机进行设计的执行反舰任务的JAS 39挂载AGM 65和RBS 15 但在首次进入服役时却是作为攻击机使用的 执行对地攻击任务的时候 鹰狮 飞机可以携带多种武器 主要是Hughes公司的AGM 65A B 幼畜 Rb75 空 地导弹和DWS 39防区外子母小炸弹散布器 从2003年开始生产的3批飞机改进更服役于匈牙利空军 主要改进包括 爱立信公司D96 Macs任务计算机 总线1553以太网航电系统 GPS导航系统和新型仪表着陆系统 JAS 39C D型的报价在4千万 6千万美元之间 相对于其他新一代战机有明显价格优势 以色列幼狮战斗机的研制背景和过程比较复杂 可以说是 偷 来的 60年代以色列购买了法国达索公司 幻影 IIIC战斗机 在1967年阿以战争中 幻影 IIICJ起了重要作用 1967年阿以战争后 法国为保持中立 于1968年对以色列实行禁运 以色列空军得不到飞机补充 原已定购的50架 幻影 5也被撤消 以色列决定依靠自己力量制造 幻影 飞机的零部件 并以此为基础研制新的战斗机 1 通用模块技术是系统综合及更高程度综合的基础 整个航空电子系统实现模块化的结构 不仅能适应航空电子系统的各种应用 而且系统发生故障时便于检测和重构 通用模块由VHSIC芯片集构成 并包括完成接口控制和健康诊断等全部数字处理组合后可构成任何一种功能的航空电子系统 同时采用通用模块后 不仅使机上的电缆连接器减少90 取消了中间维修 维修成本大大降低 而且MTBF提高了近4倍 三 新一代航空电子系统 三 新一代航空电子系统的特点 2 高速多路传输总线技术是新一代航空电子系统的关键技术之一 航空电子综合系统的实现主要取决于更通用的数据传输机制 并要求数据总线具有高度的分布式处理能力和高吞吐率 三 新一代航空电子系统 三 新一代航空电子系统的特点 3 软件技术是航空电子综合系统的基础和核心 八十年代初 由于MIL STD 1750A 1589C和1553B军标的相继制定 美国军方多年来推行数字化航空电子综合系统的成果已经展现 代表了军用计算机软 硬件及总线的发展方向 但是 现代航空电子系统已从电子机械密集型向软件密集型过渡 因此对软件的需求量越来越大 约4 5年增长一倍 而目前的软件生产能力每年仅增长3 4 远不能达到作战环境对航空电子系统的要求 软件规模的增长是航空电子系统成本在飞机中所占比例不断增大的主要原因之一 三 新一代航空电子系统 三 新一代航空电子系统的特点 4 数据融合技术是当今传感器数据处理的发展方向 宝石柱 计划中已将数据融合列为关键技术之一 所谓数据融合就是根据多种信息资源进行检测 互连 相关 估计 信息与数据联系的多层次 多界面的信息处理 从而获取精确的有关状态和属性的估计 获取完整的实时态势及威胁程度评估的方法和手段 三 新一代航空电子系统 三 新一代航空电子系统的特点 通过传感器的数据融合可以带来如下特殊效益 1 扩大时空覆盖范围 2 增加置信度 3 减少模糊性 4 提高空间分辨力 5 改善系统可靠性 6 增加 电磁谱 的侦察范围 可在 全景 电子战环境中执行有源和无源探测任务 三