面向新一代通用教练机航空电子系统综合化技术

王国庆

（中国航空工业第六一五研究所，上海 200233）

0 引言

随着新一代战机任务、功能和性能快速的增长和提升，如何发展新一代教练机满足新一代战机任务训练的需求越来越受到当前世界四代机需求国家极大地关注。特别是以F-35为代表的第四代战机的出现，针对高度综合化航空电子系统，构建面向四代机综合化航空电子系统教练机已成为新一代教练机研究的重要方向。由于四代机综合化航空电子系统是基于任务合成、信息融合和结构化综合，如何让飞行员感受和掌握飞机基于应用空间的任务合成效能，基于信息空间的信息融合品质和基于能力空间的结构化综合能力，实现任务组织与决策，信息组织与合成，系统组织与管理是四代机教练机研究的主要内容。

已知教练机按飞机训练方式分类为通用教练机和同型教练机。通用教练机一般采用通用飞行平台构建通用飞机任务管理系统，其主要目标是训练飞行员态势感知、任务组织、功能处理和系统管理的能力，主要是面向飞机的作战任务能力的培训；同型教练机一般采用同型双座飞机构建同一飞机飞行操纵平台，其主要目标是训练飞行员飞行操纵、飞行载荷、超音速巡航和飞行品质等能力，主要是面向飞机的飞行管理能力的培训。

本文是针对四代机作战任务和目标需求，针对四代机综合化复杂航空电子系统架构，通过构建通用教练机平台，研究面向通用教练机培训和训练目标的综合化航空电子系统组织和技术，支持飞行员四代机综合化航空电子系统的任务、功能和系统能力的培训和训练。

1 航空电子系统综合技术

航空电子系统综合化技术是增强飞机任务能力、提升系统效能、降低系统成本的重要途径。针对新一代飞机任务能力不断提升的需求，航空电子系统组成日趋复杂。综合化技术是面向航空电子系统发展呈现复杂系统特征而快速发展起来的。对于日趋复杂性系统，首先，系统规模越来越大，涉及的信息越来越宽，从而对资源能力和配置需求急剧增加；第二，由于系统专业组织面越来越多，技术构成越来越杂，过程组织不唯一、活动与行为不确定，从而导致系统过程组织与操作活动效能大幅度降低；第三，系统功能种类增多、系统状态不透明、活动交联关系不明确、从而导致系统有效性无法保证等现象。这种资源需求急剧增大,操作效能大幅度降低、系统有效性无法保证的现象对航空电子系统发展形成了严峻的挑战。

航空电子系统综合化是系统一体化思维最优化过程。航空电子系统综合化的目标是针对航空电子系统的复杂性特征，通过采用系统综合化技术，实现系统应用效能的最大化、系统专业组合协同的最优化、系统资源组织配置的最小化、系统功能处理效率的最大化和系统运行有效性最大化目标。

已知系统构成一般分为：系统应用组织、信息组织和能力组织。系统的应用组织是依据系统应用需求和目标，确定系统任务组织和应用收益；系统信息组织是依据系统功能组织和处理方式，确定系统处理品质和结果性能；系统能力组织是依据系统构成元素和操作模式，确定系统的组成能力和有效性。因此，针对航空电子系统的目标，根据系统构成分类，航空电子系统综合划分为三大空间：应用空间、信息空间和能力空间。通过系统应用空间综合，实现应用任务行为、组织和目标的合成，形成系统应用最大应用效能和应用最优效果；通过系统信息空间综合，实现系统处理信息品质的融合，形成系统不同目标、环境、状态下系统最佳信息品质、最大信息能力、最高信息有效性；通过系统能力空间综合，实现系统操作能力的综合，形成最大资源利用率 （最小的资源配置），最大的处理效率，最高的结果置信度。因此，航空电子系统综合化模式化描述为：

F（综合化目标）=f（f1（应用效能），f2（处理性能），f3（系统能力））

其中：

f1（应用效能）=g1（应用效果，任务效能，结果置信度）

f2（处理性能）=g2（输入品质，过程品质，结果性能）

f2（系统能力）=g2（资源能力，处理效率，结果有效性）

针对航空电子系统综合化空间和要求，根据航空电子系统的构成与特征，航空电子综合化实施技术途径为（如图1所示）。

1)面向系统应用目标的系统任务的效果、效能和置信度能力综合—任务合成技术 （Mission Synthesis）；

2)面向系统任务组织的系统信息的输入数据品质、处理过程品质和功能结果品质能力综合—信息融合技术（Information Fusion）；

3)面向系统处理结构的系统资源能力、处理效率、结果有效性能力的综合—结构化综合技术（Structural Integration）。

系统任务合成是基于系统应用的感知、组织、优化和管理综合技术。系统任务合成根据航空电子系统应用任务目标需求，构建基于任务应用合成的任务管理、任务模式和决策组织的合成；根据航空电子系统应用任务管理的需求，构建基于任务能力合成的任务计划、任务评估和任务能力的合成；根据航空电子系统应用任务组织的需求，构建基于任务态势合成的态势感知、态势识别和态势推测的合成。系统任务合成有效提升了系统应用任务和目标响应、能力优化和组织、结果效能与有效性，实现了航空电子系统应用组织、系统感知、系统决策能力的效能、效率和有效性。

系统信息融合是基于系统信息能力、成分和重要性融合的综合技术。系统信息融合根据航空电子系统任务的功能架构和品质需求，构建基于系统功能信息能力的系统功能目标、品质和基线的信息融合；根据系统处理要素组织的能力需求，构建基于系统要素信息能力的逻辑要素目标、品质和基线的融合；根据系统传感器配置的能力需求，构建基于系统传感器目标、品质和基线的融合。系统信息融合是基于系统信息能力、成分和重要性融合的综合技术，系统信息融合有效地提升系统处理过程的信息能力、品质和有效性，实现了航空电子系统信息的能力组织、品质改进和结果有效性。

结构化综合是基于系统资源能力、处理过程和系统状态的综合技术。结构化综合根据系统资源使用模式和能力需求，构建基于系统资源组织、操作、共享综合；根据系统处理效率和能力需求，构建基于系统处理模式的功能构件、复用和共享的功能综合；根据系统可靠性和能力需求，构建基于系统管理模式的任务/故障、功能/错误、资源/缺陷管理的综合。结构化综合是面向系统自身能力组织和管理，有效提升了系统的能力、效能和有效性，是系统能力组织、处理效率、结构有效性的保障。

图1 现代航空电子系统综合技术构架

2 新一代通用教练机任务合成技术

针对四代机任务合成的组织与能力，新一代教练机航空电子系统采用相关的任务架构和任务合成技术，构建基于系统使命任务、任务组织和态势感知的合成，支持系统任务合成的组织和能力。新一代教练机系统任务合成技术主要分为（如图2所示）：

1)基于系统任务能力的信息感知、识别和推测的合成；

2)基于系统任务目标的任务能力、评估和计划的合成；

3)基于系统任务应用的任务决策、组织和管理的合成。

图2 航空电子系统任务合成构架

系统任务合成是面向系统应用任务能力、组织、决策、管理组织优化技术。系统任务合成技术是针对航空电子系统应用需求，根据系统当前的能力支撑，依据系统当前的信息品质，通过系统态势感知，形成系统的支撑能力；通过系统任务组织，形成系统目标能力；通过系统使命合成，形成系统应用效能。系统态势感知是基于任务使命的需求，获取与任务使命相关的功能信息，识别与任务使命相关的支撑目标，形成与任务使命相关支持能力任务使命态势感知能力合成。系统任务合成综合化主要目标和任务为：首先，针对飞机的飞行任务模式，合成飞机的态势感知状态，合成飞机当前系统态势，即面向飞行员的综合显示（按照重要度优先级合成视景）；合成飞机当前预警态势，即飞行威胁态势、环境威胁态势和任务告警态势合成；合成飞机当前任务组织态势，即飞机当前任务目标、任务环境和任务状态合成。第二，针对飞机任务模式能力的需求，合成基于不同专业目标的任务能力。即基于单项任务的目标能力、专业和结果；针对飞机任务组织需求，通过飞机单项任务的效果合成，支持飞机使命任务组织，确定飞机使命任务目标能力，形成飞机使命任务目标组织合成；针对飞机使命目标需求，依据当前任务模式能力，合成飞机各种任务效果的组织合成，构建面向使命任务的计划组织，形成飞机使命任务目标的任务计划合成。第三，针对飞机使命任务组织需求，通过系统任务组织和优化，构建系统使命任务决策组织，即基于任务态势的飞机任务优化、基于使命效果的任务优化和基于飞行员指令（合成视景）的任务优化合成；针对飞机任务决策，合成飞机当前任务决策环境和状态，形成飞机任务组织决策能力和品质提升，即任务能力决策、任务功能决策和任务结果决策合成。

新一代教练机系统任务合成技术是航空电子系统态势感知、任务组织和使命合成的综合技术，是基于系统环境、任务状态和系统能力组织的综合技术。首先，通用教练机航电系统应根据四代机任务使命的需求，构建系统态势感知能力。即通过任务使命态势感知能力合成，获取与任务使命相关的功能信息；通过任务使命态势识别能力合成，识别与任务使命相关的支撑目标；通过任务使命态势推测能力合成，形成与任务使命相关支持能力。第二，通用教练机航电系统应根据四代机任务组织合成的需求，构建支撑系统应用活动的任务组织。即通过任务专业模式，依据应用专业的相关性，根据任务组织计划，形成基于系统专业能力模式合成；通过系统能力模式组织，依据系统能力状态，根据任务组织优化，形成基于系统能力模式组织合成；通过系统管理模式组织，依据系统管理需求，根据系统状态组织，形成基于系统状态管理模式合成。第三，通用教练机航电系统应根据四代使命组织合成的需求，构建支撑系统作战活动的任务组织。即通过面向任务使命系统状态管理，依据任务使命需求，针对系统当前状态，形成支撑任务使命的系统状态管理合成；通过面向任务使命组织管理，依据任务使命需求，针对当前任务状态，形成支撑任务使命的任务组织管理合成；通过面向任务使命显示组织管理，依据任务使命需求，针对当前状态和任务，形成支撑任务使命的系统显示管理合成。

3 新一代通用教练机信息融合技术

针对四代机信息融合的组织与能力，新一代教练机航空电子系统采用相关的信息架构与信息融合技术，构建基于系统功能结果目标、要素处理组织和传感器数据状态的输入、处理和结果信息品质和性能的组织与保障，支持系统信息融合的组织和能力。新一代教练机系统信息融合技术主要分为 （如图3所示）：

1)基于系统输入传感器数据信息的融合；

2)基于系统独立处理过程元素信息的融合；

3)基于系统独立功能结果信息的融合。

图3 航空电子系统信息融合构架

系统信息融合技术的目标是根据系统任务环境与品质的需求，针对系统输入基线品质基线、过程处理元素品质基线和功能结果品质基线要求，通过信息的非对称信息冗余组织，针对确定信息提升的目标，降低信息缺陷的影响，提高信息支撑能力，增强信息活动效率，降低信息重叠与冲突，提升信息的品质。因此，基于系统信息能力、品质和有效性的信息融合主要任务为：根据系统任务能力组织需求，针对功能结果能力和功能结果品质与性能基线要求，依据多元专业功能结果品质和性能差异性冗余配置，解决功能信息缺陷问题，提升功能结果品质能力和有效性，满足面向任务能力目标需求；根据系统功能处理过程需求，针对功能处理过程元素组织结构和元素品质与性能基线要求，依据系统内外品质和性能元素差异性冗余配置，解决元素品质和性能与基线要求的差异，实现功能过程的信息相关处理与优化，提升处理品质和性能，满足功能处理品质和性能要求；根据系统当前传感器性能和输入数据品质，针对系统输入数据品质与性能基线的要求，依据传感器资源性能和冗余能力，同时或交替使用不同传感器输入和工作方式，实现传感器参数能力和性能的互补融合，提升输入信息品质。

新一代教练机系统信息融合技术是航空电子系统信息组织与管理过程综合化技术，是针对系统信息架构和组织和不同层级信息架构基线的要求，面向系统信息品质、性能和有效性信息融合组织。已知信息融合的目标是根据信息组成的内在特征和因素的差异性冗余，依据相关关系与相关规则，加强信息特征因素，增强信息的有效因素，抑制信息的错误因素，排除信息的噪声影响，提升信息有效性。信息融合综合技术主要突出以下几个方面：首先，通用教练机航电系统应根据四代机系统输入信息的组成，构建系统输入信息性能和能力的品质基线。即通过系统信息获取特征，形成面向系统应用布局与组织传感器分区，优化传感能力与信息组织，实现基于传感器信息获取与组织的数据融合，减少非完整、非关键、非正常信息的能量，提升获取有效信息的效能；第二，通用教练机航电系统应根据四代机系统处理信息的组成，构建系统元素和外部信息处理基线。即通过系统处理元素信息能力与效能组织，形成处理元素信息融合与提升有效性信息效能，减少干扰信息和非正常信息的影响，提升系统处理过程有效性的能力；第三，通用教练机航电系统应根据四代机系统功能能力的组成，构建系统功能目标和品质能力基线。即通过系统功能构架结果信息组织，形成基于系统差异性功能之间权衡的信息融合，减少系统独立功能信息有效性的缺陷，提升系统功能区域和能力的信息聚合能力；第四，通用教练机航电系统应根据四代机系统任务目标的组成，构建系统任务目标和品质基线。通过系统状态的分解与结构，形成系统当前任务状态、功能状态和资源状态有效性的信息组织，实现面向任务过程、功能过程和资源过程使用、监控和需求的信息融合，提升系统任务组织、功能组织和资源组织的可用性。

4 新一代通用教练机结构化综合技术

针对四代机系统能力的组织与结构，新一代教练机航空电子系统采用相关的系统结构组织和综合技术，构建基于系统资源配置结构、功能处理结构和系统管理结构的系统内部能力、效率和有效性组织与管理的综合，支持系统结构化的综合和能力。系统结构化综合技术主要分为（如图4所示）：

1)基于系统资源结构组织的物理综合；

2)基于系统功能结构组织的功能综合；

3)基于系统管理结构组织的管理综合。

图4 航空电子系统结构化综合化构架

系统结构综合化主要目标和任务是：首先通过系统资源平台结构组织，形成面向通用过程的平台的资源综合，实现资源共享，减少资源闲置时间，提高资源利用率，提升资源使用效率，降低资源配置需求；其次通过系统功能架构组织，形成面向过程平台的功能综合，采用功能独立和标准方式，建立面向应用任务的功能规范组织，实现功能结果共享和功能过程复用，降低系统重复活动，减少功能处理结果专用现象，实现功能结果的共享，提高系统处理效率，提升系统处理能力和有效性；同时通过系统统一状态管理组织，根据系统当前任务、功能和资源需求，依据系统不同任务状态与能力、功能状态与能力、资源状态与能力，通过系统任务构建、功能组织、资源配置，形成系统分类组织的状态管理，提供当前系统具备的支撑能力，并依据任务故障、功能错误和资源缺陷状态，实现基于状态监控的任务、功能、资源有机组织，实现系统状态有效性组织，减少环境与状态变化对系统影响，提升系统有效性。

新一代教练机综合技术是通过构建航空电子系统结构化组织，实现系统资源、功能和管理的综合。首先，通用教练机航电系统应根据四代机系统资源类型与组成，构建系统资源能力和组织结构。即通过建立功能分区、系统分级、资源分类，形成系统能力优化组合，实现系统区域与系统资源优化配置、能力优化组合，提升区域与系统能力，降低区域与系统能力配置与复杂性；第二，通用教练机航电系统应根据四代机系统功能类型与组成，构建系统功能处理方式和组织结构。即通过建立资源平台、功能平台和系统平台，支持基于资源共享的物理综合、基于结果共享的功能综合和提升系统有效性的管理综合；第三，通用教练机航电系统应根据四代机系统环境的组成，构建系统环境状态和组织结构。即根据航空电子系统中各子系统和核心处理平台建立的综合化组织架构，通过物理综合，提升资源共享率，降低资源需求；通过功能综合，提升功能结果共享和过程复用率，提升处理效率；通过管理综合，提升系统有效性，增强系统能力。

5 结语

面向新一代四代机教练机是目前新一代教练机热点研究领域。美国的F-22和F-35均放弃发展同型双座机，美空军目前用F-15和F-16的双座解决训练问题，准备通过T-X项目解决双座三代机退役后四代机飞行员培养这一棘手问题。本文通过对四代机综合化航空电子系统技术和构成的分析，通过基于通用教练机的平台，构建与四代机综合化航空电子系统相适应的任务合成、信息融合和结构化综合环境，深入研究通用教练机航电系统综合化技术，为构建面向四代机综合化航空电子系统通用教练机航空电子系统研究奠定基础。

[1]Moir,Ian,Allan Seabridge,2003,Civil Avionics Systems,AIAA Education Series.

[2]Al-Nayeem,A.,M.Sun,X.Qiu,L.Sha,S.P.Miller,D.D.Cofer,Dec 2009,A Formal Architecture Pattern for Real-Time Distributed Systems,Proceedings of IEEEReal-Time Systems Symposium,pp.161-170.

[3]RTCA Inc.,2005,Integrated Modular Avionics(IMA) Development Guidance and Certification Considerations,Washington,DC,RTCA Inc.Chapter 4.2.10.

[4]Olivier,Baud,Gomord Pierre,2004,Multi Sensor Data Fusion Architectures for Air Traffic Control Applications,Haptic,Audio and Visual Environments and Their Applications

[5]Airlines Electronic Engineering Committee,Oct.2003,Avionics Application Software Standard Interface,ARINC Specification 653-1,Annapolis,Aeronautical Radio Inc.