未来无人机航空电子设备发展趋势

未来无人机航空电子设备发展趋势

1第二代武器装备15.2005年12月，美国陆军第一支武装部队第27个职业公司的编号在联邦弗吉尼亚州兰利空军基地正式成立，这表明世界上第一支第四战斗手已经正式服役。此时正值伊拉克和阿富汗这两个国家的战火连绵不断。虽然F-22战斗机暂无机会参战,但是,战争的经验教训,也仍在不断推动着新一代武器装备技术的发展。2007年1月15日,美国国际武器装备市场预测公司专家安德鲁·达尔丁先生明确提出,“最近的伊拉克战争和阿富汗战争表明,现代航空电子系统深深地改变了最近十年空中作战的样式,军用航空电子系统将进入新的时代”。2空间作战未来战斗机面临的空中作战包括空-空作战和空-地作战两方面。2.1(1)战斗机的飞行速度正在增加，飞行速度正在越来越快例如,美军未来发展的亚轨道高超音速战斗机的飞行高度可能在40km以上,飞行速度在6Mach以上;(2)苏-27陆表达例如,目前美军F-16、F-22等战斗机现役装备的AIM-120C和俄罗斯“苏-27”等战斗机现役装备的R-77中程空空导弹,射程分别在50km和80km以上;印度目前正在研制的“阿斯特拉”空空导弹射程将达到100km;欧洲在研的“流星”中程空空导弹的射程将超过120km;(3)探测距离的提高例如,F-35装备的AN/APG-81雷达探测距离为145km,而F/A-22装备的AN/APG-77雷达的探测距离达到了232km,将来还有可能提高到400km以上;(4)数据链应用程序越来越多除了正在不断发挥作用的16号链等态势感知数据链以外,正在发展和应用各种侦察监视数据链、机间协同数据链和航空武器数据链等。2.2防区外的距离攻击(1)随着各种防空武器的探测距离和攻击距离进一步提高,战斗机空-地攻击将由防区内的攻击向防区外的远距离攻击发展;(2)采用精确打击的方式,实施对地面目标的打击,大幅度提高对地攻击的效率;(3)提高对“时敏目标”的打击能力,以有效地打击“打了就跑”的重要军事目标,过去,战斗机在空中作战中打击“时敏目标”的能力明显不足。3相应分系统的设计美空军发展的F-22和F-35是目前世界上最典型的两种“四代机”,但它们采用的是两种不同的航空电子体系结构,代表了当今世界“四代机”航空电子系统的发展现状:F-22采用的是第三代航空电子综合系统,即“宝石柱”计划的体系结构,它由8个分系统组成,包括AN/APG-77雷达、电子战(EW)/电子侦察(ESM)分系统、通信导航识别(CNI)分系统、光电分系统、综合化通用处理分系统(由2个CIP组成)、显示分系统、飞行器管理分系统和武器分系统等。F-35战斗机虽然有3种型号,其平台的性能尺寸有所不同,但是,航空电子系统是完全相同的,都是采用第四代航空电子综合系统,“宝石台”计划的体系结构,它由6个分系统组成,包括AN/APG-81雷达、综合化电子战/通信导航识别(CNI)和光电分系统、综合化通用处理分系统(由2个ICP组成)、显示分系统、飞行器管理分系统和武器分系统等。但是,无论第三代航电系统技术还是第四代航电系统技术,它们都是20世纪90年代“以平台为中心”的航电系统的设计思想,针对上述未来战斗机所面临的空中作战特点,难以满足未来“以网络为中心”的作战需要。据美国著名的《军事与航空航天电子》报道:“20世纪末期提出的陆、海、空一体化的作战理论,在21世纪正在发展成一支真正意义上的一体化联合作战部队,这对航空电子系统提出了新的要求。虽然F-22已经在2005年12月开始在美空军服役,但是,其航空电子系统也同样面临更新改造的问题;F-35战斗机的服役时间确定在2013年以后。但是,即使如此,其航空电子系统的设计也必须采用开放式体系结构,以便能够与快速发展的电子信息技术保持一致。”美军F-35战斗机项目办公室F-35空中系统设计集成项目主管沙乌·山勒中校说,“现在的作战环境是以网络为中心的作战,因此,需要更先进的战术数据链和机载网,才能满足未来国防部以及美国盟军提出的以网络为中心作战的需要”。4网络化航空组成1994年8月9日,美空军怀特实验室(后与其它实验室一起,在1997年10月组建了美空军研究实验室—AFRL,直属负责美空军武器装备发展项目管理的空军器材司令部)首次提出“第四代航电”的发展思路,并将其应用于1995年8月美国国防部提出的F-35战斗机的研制计划中。10年以后,2004年10月24日,美空军器材司令部布里安·希克根据美国防部提出的未来“网络中心战”转型的需要,在美国IEEE协会举办的“第23届数字航空电子系统会议”上,首次明确提出,“要将航空电子系统改造成能够支持网络中心战的体系结构”;2004年12月,美国《军事与航空航天电子》杂志也载文指出,“(美国)空军希望发展下一代网络化航空电子系统”;2008年1月,布里安·希克又明确指出,“目前,我们主要的改进要求,就是给每架战斗机配备使不同的飞机能够在以网络为中心作战的环境下协同作战所需要的设备,提高我们执行任务的灵活性和实时性”;同时,美空军空中作战司令部罗伯尔·特洛斯上校也指出,“早期战斗机航空电子系统的作战能力,是根据以平台为中心作战的思想独立开发的,在基础设施方面继续存在着严重的差距,我们必须减小这方面的差距,提高系统之间的互连互通能力”。这表明,进入21世纪以后,美空军认识到,在航空电子系统完成了从“第三代综合化”向“第四代综合化”转变以后,战斗机仅仅依靠平台内航空电子系统“综合化”的实现,是不足以应对未来网络中心战的作战需要的,必须将航空电子系统的发展重点由平台内向平台外延伸,由解决平台内的问题扩展到解决作战空间内的网络化、一体化联合作战等问题方面,即在现役第四代战斗机航电的基础上,发展能够支持网络中心战所需要的“网络化”航空电子系统,这是美军在航空电子系统装备发展动向方面在新时期出现的一个重大的变化。这种“网络化”是战斗机航空电子系统在更高意义上的“综合化”的体现,是战斗机航空电子系统最新的一种发展趋势。55.1对外提供更灵活的信息为了满足未来“以网络为中心”作战的需要,必须将作战空域内的各种战斗机形成一个无缝的、大容量的、采用IP协议的“机载网”,并要求网络内每一战斗机的座舱都必须配有一个IP地址,这样才能将分布在各处的信息源获取的各种信息(包括指挥控制信息、态势感知信息、目标图像信息、话音信息等)送到每一作战平台(节点),使每一参战飞机的飞行员都有同一战场态势图、同一作战思路。同时,“机载网”也是美全军“全球信息网格”(GIG)的一个子网,网内各战斗机既可以向GIG提供信息,也可以从GIG中获取信息,这样就使美空军战斗机的出击能够做到更加灵活,可以在战斗过程中,随时通过“机载网”接收到最新的作战命令,改变其作战任务。因此,美空军认为,“机载网”将成为美空军未来“以网络为中心”的空中作战的核心。5.2多传感器融合处理在“以网络为中心”的作战环境下,机内与机外的信息网络必定会产生大量的信息,任何一架战斗机在利用本机多传感器系统获取战场态势信息的同时,必须做到既可以接收网络内其它作战平台获取的战场信息,也可以向这些作战平台发送本机所获取的多传感器战场信息。因此,战斗机需要对机外多平台送来的各种光电、雷达、IFF等数据以及本机多传感器信息进行融合处理,将大量无序的信息简化成一个全面准确的战场态势图,以提高战斗机飞行员的态势感知能力。美空军认为,这种经“融合处理”后所提供的信息必须满足网络中心战对信息质量的要求,这包括:(1)信息内涵丰富度,即信息内所含情报的“数量”;(2)信息传送可用度,即信息传送到所需用户的“数量”以及信息共享的“程度”;(3)信息共同认知度,即“认知域”内所有参与人员对可用信息达成“共识”的“程度”,即“所有人员对形成作战态势的信息都有同一种理解的程度”。5.3洛马公司的f-33机动卫星通信的问题,直接影响了战斗机之间信息系统的互连互通能力,因此,在美军第1架F-35战斗机完成组装以前,美国洛·马公司就考虑发展F-35信息系统互连互通的改进问题,即在战斗机的座舱留好了相应的卫星通信终端设备接口(包括软件和硬件)位置,以实现与美军2004年开始研制的MUOS(“移动用户目标系统”)通信卫星星座的通信。5.4武器数据链现状进入21世纪以后,美空军吸取几次局部战争的经验教训,开始着手发展几种新型的网络化航空武器数据链,准备装备在战斗机、对地攻击飞机、无人机和无人作战飞机等飞机上。这些网络化航空武器数据链主要有空-空导弹双向数据链、WDLA航空炸弹组网数据链、WDLN空地组网武器数据链和QNT多平台组网武器数据链等4种:(1)空-空导弹双向数据链可将机载武器的射程提高1倍以上,并可提高打击目标的灵活性和信息共享的能力,满足未来在网络中心战条件下遂行中、远距空战的需要;(2)WDLA航空炸弹组网数据链采用AdHoc网络技术,可在战斗机投放的多枚航空炸弹之间快速建立数据传输和交换网络,提高多弹同时突防和摧毁目标的能力等。这种数据链已经在2003年10月10日开始研制;(3)WDLN空地组网武器数据链可在侦察机、航空武器、机上/地面武器操作手、地面指挥中心等三者之间快速建立数据传输和交换网络,形成一个“以网络为中心”的武器控制、武器打击和战损评估的“环路”。WDLN数据链2005年开始研制,将来可应用于多种机载武器(包括“杰达姆”炸弹、JASSM导弹、SDM-2型炸弹以及JSOW导弹等),美空军希望,WDLN数据链能够在2010年左右形成初步作战能力。(4)QNT多平台组网武器数据链可在机载航空武器、单兵、无人机、战斗机、无人作战飞机等5个节点之间实现无缝的组网,提高对时敏活动目标精确打击的能力。这种数据链2005年开始研制,希望2008财年进行试飞。5.5高清生物图像联网bpnBACN系统是一种采用IP协议的机载通信中继和信息服务器,主要功能有:一是将目前相互不能通信的各种数据链进行转换,实现互连互通;二是提供话音中继,能够在战术话音通信系统和蜂窝移动通信系统之间进行桥接;三是作为一种机载服务器使用,用来存放数据,并通过将战术级和战役级的空中作战图像进行相关,提供更好的战场态势感知信息,使“处于不利条件的”的作战部队能够共享这些高质量的战场态势信息。美国格鲁曼公司吉姆·拜洛夫先生解释说,“采用网关的最大好处,就是可以进行波形的转换,使每架飞机之间可以进行相互通信。例如,BACN能够在‘空中’设置一个可接受多种波形的网关,利用这个网关,链接其它飞机的其它波形。同时,这个网关还可以从F-22战斗机上取出数据,然后将数据转换成16号链的数据,送到其它飞机上。这样,其它飞机采用的网关不一定是需要与F-22战斗机上的网关是一致的。这是解决不能实现后向兼容的一种好办法”。5.6u3000车载高速总线为了使未来战斗机适应“以网络为中心”作战的需要,必须将现役的机载1553B总线从1Mbit/s的传输速率提高到若干Gbit/s,根据现役飞机机载总线的使用情况,美军对未来机载高速数据总线的发展思路,主要采用“两条腿”的方式:一是对新研的战斗机(例如F-22或者F-35),要求采用新的机载高速总线;二是对现役飞机,重点是在原1553B总线的基础上提高其传输速率。目前,美空军主要发展的4种机载高速总线有:(1)E1553B总线,这是在现有1553B总线基础上发展而成的一种高速总线,传输速率从原先1Mbit/s提高到400Mbit/s,它既可以与老式的1553B总线兼容,也可以传输宽带高速数据。这种总线主要用于现役飞机的改造;(2)LTPB总线(“线性令牌传递总线”),这是美国自动化工程协会(SAE)于1993年12月1日发布的星型总线标准,传输速率为50Mbit/s,现已应用在F-22战斗机和A-12对地攻击飞机上;(3)IEEE1394总线,这是美国苹果公司1986年开发、美国IEEE学会1995年接受的总线标准,数据传输速率为400Mbit/s,现已应用在F-35战斗机上;(4)“光纤通道”总线(FC),这是美国国家标准委员会(ANSI)X3T11小组1988年开发的一种商用高速串行协议标准,2004年4月,该小组又提出将光纤通道标准应用到航空电子领域,协议标准定为“FC-AE-1553协议”。这种总线可支持多种传输介质,串行传输速率为133Mbit/s~1.0625Gbit/s,现已应用在F-35战斗机、F/A-18战斗机、B-1B轰炸机和AN-64D“长弓”阿帕奇武装攻击直升机上。5.7多平台组网的madl-在未来的信息化战争中,战斗机利用机间数据链,快速动态地建立战斗机编队内用的局域信息传输网,并通过该网与整个战场海、陆、空、天广域信息网链接,使战斗机既成为机间局域信息传输网的一个组成部分,又是整个广域信息网络的一个节点,使得单一战斗机既可以从编队内组网的其它战斗机中获取信息,也可以及时从海、陆、空、天广域信息网络中获取、处理、传输和综合利用战场信息,从而可以最大限度地了解作战态势,以最隐蔽的方式接敌,以最有利的方式实施攻击,以最安全的方式回避敌方探测,最大程度地保存自己,从而最有效地提高战斗机的作战效能,并有利于充分地提升战斗机多机协同多目标攻击的能力。目前,美空军发展了4种机间数据链,即IFDL数据链、MADL数据链、TTNT数据链和“战术目标网络”数据链。(1)F-22战斗机编队内组网专用的IFDL数据链,这种数据链是一种可旋转的窄波束天线阵,由3副分别安装在机身不同之处的天线组成,可支持全双工的数据传输,利用小功率低截获概率的通信手段,在同一编队的多架F/A-22战斗机之间形成一个连续不断的网络,使编队内的各战斗机在飞行过程中可直接进行数据的交换,自动共享编队内的各种目标数据,实时了解编队内友机的飞行信息与战术信息等,并进行编队内的战术协调,使编队内的战斗机可同时攻击多个空中目标。所有这些信息的传输,都是在“话音静默”的状态下进行的。(2)F-35战斗机编队内组网专用的MADL数据链,这种数据链是美军在2006年10月才公开的一种新型数据链,是一种由6副相控阵天线组成的机间数据链,具有低截获概率/低探测概率的能力,且具有很强的AdHoc组网能力,用于在F-35战斗机之间交换战场态势信息。(3)多平台组网协同作战用的TTNT数据链,这种数据链主要用于空-空作战平台之间、空-地作战平台之间的联网,并通过IP协议,使这些平台链接到美全军的“全球信息网格”(GIG)中去,从而使得各种作战平台既可以共享平台间的态势信息,也可以直接访问美军的GIG,获取更全面、更详细的战场态势信息。TTNT数据链的特点主要是动态组网能力强(组网时间只需要5s)、传输速率高(为10Mbit/s)、传输容量大(可容纳的用户数为200~1000个)、延迟时间短(小于2ms)等,并采用先进的调制技术(例如宽带扩谱技术、OFDM技术),采用全分布式的、实时的、完全动态性的扁平网络管理方法,灵活性很强,无单点故障的问题,且使用操作简单。这种新型数据链采用美军TADIL-J系列消息格式,完全与16号链兼容,相互之间不会产生干扰。按照计划,TTNT数据链在2010年左右首先应用到空军的F/A-22战斗机上,以后将逐步推广应用到空军、陆军和海军的各种战斗机上(包括F-35、F-15、F-16和F-18等型号的战斗机以及预警机、侦察机、无人侦察机、无人作战飞机等),并使其能够与美海军的CEC(“协同交战能力”)网络中心战系统联网。(4)F-22战斗机编队内/编队外组网用的一种具有“隐身”能力的“战术目标网络”数据链,2007年1月23日,美空军空中作战司令部司令罗纳德·奇斯将军指出,F-22战斗机在演习中表明,需要对F-22战斗机的信息传输系统尽快进行改进。目前,多架F-22A战斗机之间可以通过IFDL数据链自动地共享数据,其数据只能由其它的F-22A战斗机接收,但是该机若要与F-22战斗机之外的其他空中平台交换信息,