机载武器系统集成技术与实现分析

叶又东，卜亚军，王 鑫，邹 强

(1. 中国舰船研究设计中心，武汉 430064;2. 海军航空工程学院，山东 烟台 264001)

0 引 言

机载武器是以飞机为载体，向地面或者空中目标投射的具有破坏杀伤作用的武器弹药。作为最直接的空中打击力量，机载武器在战争中占有极其重要的地位。从第一次海湾战争、科索沃战争、阿富汗战争到第二次海湾战争，机载武器无不起到了决定性作用。从最初的机载射击武器发展到今天的先进制导武器，机载武器在战场上发挥着越来越显著的作用，并日益受到重视。

在机载武器系统中，武器系统和载机系统共同组成一个复杂的系统。载机为机载武器发射提供初始条件和参数设定，机载武器的最终命中精度很大程度上受到发射时载机初始状态的影响。机载武器也对载机控制系统和飞行状态起着关键影响作用。因此，将载机和机载武器系统进行合理、有效的集成，是确保作战飞机和机载武器能很好地配合以发挥最佳作战效能的关键。

1 机载武器系统集成概况

1.1 机载武器系统集成概念

载机与武器之间数据传输、接口管理、操纵控制等无不依赖于武器与载机之间的集成。由于机载武器种类繁多、功能各异，难以为某型现有或新型武器设计专用的悬挂管理系统。因此，集成系统应当可与一系列战机及武器兼容，提供通用或相近的挂载及操控能力。

总体来说，机载武器系统集成就是要通过适当的组件整合和集成，将载机系统与武器系统进行有效对接，保证载机更换武器时仅做简单的物理或数据上的改动即可实现对武器的有效操控，而无需重新设计系统的硬件或软件。

1.2 机载武器系统集成意义及特点

机载武器系统集成的目的在于通过先进的设计思想和技术，实现武器与载机系统物理、接口和协议上的兼容。机载武器系统集成可以极大地提高武器系统的互换性、互用性、可移植性，进而提高战机作战灵活性和武器自动化程度。

与舰载武器和地面武器相比，机载武器的系统集成有着其独特的性质，主要包括:

(1)受载机起飞重量和机动性能要求限制严格，要求集成系统体积更小、重量更轻;

(2)集成系统要与载机气动外形设计和其他分系统位置安排相适应;

(3)机载武器集成系统需要具备在恶劣空战环境下稳定工作的能力;

(4)集成系统可靠性与载机可靠性密切相关，集成系统的可靠工作是保证机载武器发挥作用的决定性因素。

1.3 机载武器系统集成实现分析

1.3.1 机载武器系统集成的工程实现流程

机载武器系统集成工程实现流程分为技术流程和技术管理流程两部分。技术流程是与集成实现部分直接相关的活动，包括需求定义、分析及分解、方案设计、实现和评价认证等环节。集成中需对所有活动进行必不可少的规划、分析和管理，即技术管理流程。上述流程及其进程关系通常表示为图1 所示的V 型图。

技术流程从总体需求的采集和定义开始，通过需求分析与逻辑分析，对需求进行详细分解。根据最终划分的子需求设计集成方案，将硬件和软件的各要素融入到具体的子系统和总系统方案中。同时，集成实现需通过一系列评价和认证过程，以评估其是否合理有效。如图1 右支所示，评价和认证过程的主要活动包括核实、批准和认证。评价与认证过程与需求定义、分解与分析过程相辅相成，互为补充。

V 型图的下部为技术管理流程，主要包括技术规划、管理和分析评估，为集成实现和验证进行风险、接口管理，为进程管控提供分析决策工具。

1.3.2 机载武器系统集成过程

整个机载武器系统集成从需求采集和定义开始，对需求进行分析及分解，然后划分到各个子系统进行相应的工程实现，最后通过系统评价完成资格认证。如图2 所示。机载武器系统集成必须按照合理的步骤规范、有序进行。

图2 机载武器系统集成过程

(1)需求采集与定义。需求的采集和定义过程需要综合考虑载机和武器系统的多个方面。定义系统需求时可能会在几个或几种需求之间产生矛盾。可采用系统工程的方法，权衡每一种定义方案的利弊，找出最优方案，避免集成方案顾此失彼而难以实现。

在需求采集和定义时，需要评定需求的优先级，在进行需求调整时作为参考。需求定义应遵循的基本要求是明确性、清晰性和适宜性。

(2)需求分解与实现。需求分解同样可能存在多种方案，工程实现中应对这些方案进行建模及择优。在需求分解时，每一个高层次的需求会产生一些子系需求，这反过来会要求对系统架构进一步的分解和划分，从而产生更细层次的需求。分解时根据需要，可能派生其他暂时性的需求。

需求分解过程中应明确每个子系统必须实现的具体要求。划分到子系统的需求指标通过硬件和软件两个方面进行实现。对于每个子系统的元素，需要确定各自可行、高效的解决方案，再整合成总系统方案。

(3)集成评价与认证。在分解和划分过程中，需继续进行方案成熟度评价，以确保设计进展及集成任务如期完成。在飞机集成层次上，应进行初步设计评价和关键设计评价。

2 机载武器系统集成的关键技术

2.1 悬挂物管理系统(SMS)设计

悬挂物管理系统用于对载机携带的多种外挂物实施控制，减轻飞行员工作负荷。作为协调武器与机上子系统的中间环节，悬挂物管理系统对机载武器的集成和管理作用最为直接，对载机加挂和操控新型武器有着重要意义。

悬挂物管理系统应满足以下基本要求:

(1)控制方便。只用少量开关即可控制所有武器和外挂物。

(2)有较好的灵活性、适应性、通用性。

(3)输出简单，便于飞行员掌握武器状态。

(4)安全可靠、体积小、重量轻。

随着GJB1188A－1999《飞机/悬挂物电气连接系统接口要求》的贯彻实施，国内机载SMS 技术得到了快速的发展，但仍不能满足未来作战对快速集成的要求。尚存在以下几个问题:

(1)现有SMS 中，武控发射程序是在设计时搭建的，多采用嵌入式架构。飞机携带武器种类、型号在设计时便已固定，加装新型武器需对载机及SMS 进行软、硬件的更改。

(2)各机种武器接口尚未完全实现标准化。没有统一的接口控制文件标准可遵循。

(3)开放系统互连技术和光纤通道技术尚未得到有效应用。

上述问题涉及到如开放系统互连、通信与网络等专业技术。待研究的方向有开放式体系架构、通用武器接口(UAI)设计、采用MDA 设计方法等。

2.2 武器初始化及目标瞄准

不同的武器需要不同的瞄准方式。武器瞄准前必须将飞机和武器的参考坐标系初始化，以消除位置和速度误差。为尽量减小瞄准误差，导航系统必须确定飞机的精确位置。

现有集成系统进行目标瞄准时，武器瞄准计算机不断计算武器从当前位置发射后的落点。当结果显示目标位置被连续计算弹着点(CCIP)覆盖时即发射武器。由于系统不可避免地会产生处理延迟、数据传输延迟，实际瞄准中需将发射位置提前。设计中还可采用统计分析方法确定所需发射点与首次计算结果之间的误差，并考虑进去，进一步降低系统误差。目标瞄准速度和精度在很大程度上依赖于武器瞄准计算机的处理能力，提高武器瞄准计算机处理速度、改进算法精度是需要不断深入解决的问题。

2.3 武器接口标准化

现有飞机上存在着大量不同的接口系统，造成武器系统之间互用性差、不同型号之间可移植性差、同系列系统之间复用性差的状况。因此，采用标准化武器接口，提高武器通用性是各国都在努力解决的问题。标准化的首次尝试以美国MILSTD－1760 的形成为代表，它使飞机无需提供大量的连接插头即可满足不同武器的需求，提高了互操作性并降低了集成成本。

随着接口标准的逐渐完善与发展，越来越多的集成标准被开发出来，如可提高飞机计算系统互操作性的协议标准等等。但是现有机载武器集成系统的飞行/悬挂物互用问题并未完全解决。现阶段及今后研究中应公开接口控制文件，使各方研究时可以共同协商，制定统一的接口标准。

2.4 接口管理

由于集成接口数量和种类繁多，集成中需要建立一个结构化的管理组织，即接口控制工作组(ICWG)。机载武器系统集成的飞机设计组和武器设计组之间需要建立健全的接口管理进程。接口管理数据记录在同一个接口控制文件(ICD)中，并由飞机设计组和武器设计组一致通过。

欧美国家在管理集成方案上的方法差别较大，但管理原则都是基于ICWG 的某种形式。ICWG 在本质上是一个技术和方案管理组织，所以还需要专业的子工作组进行配合。这样的技术子工作组不仅要分别涉及空气动力学、电气系统、机械设计等不同的专业领域，同时还应具备一定的其他集成领域的分析能力。

3 机载武器系统集成面临的挑战

自机载武器投入实战以来，就面临着如何与载机有效集成的问题。现有大多数机载武器系统集成程度较低，飞机与武器之间接口的通用性和互换性较差，导致飞机起飞准备时间长、准备流程繁琐、起飞重量增加、飞行可靠性降低等问题，使新型武器在短时间内难以形成战斗力。

随着技术的发展，在信息化作战条件下，机载武器地位和作用更加重要，机载武器系统集成也面临许多新的挑战，主要是:

(1)作战环境复杂化。在信息化作战条件下，载机面临的作战环境复杂多变。海洋、陆地、空中飞行状态迥异，地形、气流、电磁干扰等多重自然、人工环境因素同时影响着武器和载机性能。

(2)作战任务多样化。未来战场，海、陆、空、天一体化的联合作战将成为主要对抗形式，战机需具备多任务、全天候作战能力，承担对空、对地、对舰等多重作战任务。任务多样化导致武器多样化，集成系统也需进行相应的改进和更新。

(3)作战节奏快速化。未来作战条件下，敌对双方力量构成复杂多样，战术复杂多变，空间跨度巨大，态势瞬息万变。以多机、多机型、多机种、多军兵种协同为主要形式的体系对抗大大加快了战争节奏，缩短了任务转换间隔，要求载机必须具备快速装填和更换武器的能力，并提高与其他载机系统的武器通用性。

(4)作战飞机无人化。与有人机相比，无人机可承担的作战任务更加多样化，需携带的任务载荷种类多且功能多样。无人机种类多样、重量尺寸相差大、快速集成需求等问题对机载武器系统集成提出了新的要求。

综上所述，在新的作战背景下，现阶段有人作战飞机通常配备数量极其有限的飞行员(通常为单座或双座)，依靠一两名飞行员同时完成操控飞机和发射武器的任务，必须使机载武器系统高度集成，逐步达到可以即时显示所有武器状态，“一键准备好”这样的武器自动化水平。同时，无人机越来越多地投入战场，对机载武器集成系统提出来新的要求。因此，针对新的作战环境对现有机载武器集成系统进行改进和重新设计是一个亟待解决的问题。

4 需要突破的核心技术问题

针对机载武器系统集成面临的作战环境复杂化、作战任务多样化、作战节奏快速化、作战飞机无人化等问题，应发展相应的核心技术以提高集成系统的标准化、开放性和通用性。

4.1 即插即用(Plug and Play)武器集成

即插即用武器集成是指通过建立开放式的系统构型和软件框架，制定通用化、标准化的系统互连接口，提高武器接口之间的互用性及通用性。其构想是:新武器的研制只需开发一套包含该武器特点的驱动程序，飞机加挂该武器除装订这套驱动程序以外，不需要对飞机任何部分进行修改。

显然，即插即用只是对未来武器集成水平的一种构想，目前尚无法完全实现。达到这一目标还需许多重大的技术突破。考虑到现有SMS 集成水平，即插即用武器集成研究应分步实施:

(1)实现已有机载武器系统的通用化集成。采用统一的开放式体系结构和电气接口标准，按照功能分层的方法设计SMS 体系结构，使系统应用与软件驱动、数据传输等功能分离。

(2)实现新武器的即插即用武器集成。设计新武器及SMS 时，贯彻即插即用武器集成的接口标准、文件传输标准、系统体系结构与集成标准。

(3)实现武器集成的网络化应用。在新一代战斗机、UAS(无人机系统)、制导武器之间的武器制导数据链、机间数据链、战场广域数据链中贯彻MIL－STD－3014 等文件传输标准，消除任务数据内容对传输的耦合关系，使之能够在军事数据链路和飞机外挂总线中进行传输。

4.2 开放式结构悬挂物管理系统

飞机的作战需要使得开放式体系结构SMS 成为发展的必然趋势。开放式结构SMS 架构见图3，分为3个嵌套的环境。最宽的环境覆盖了功能接口的所有方面，为真实系统环境(RSE);涉及飞机和悬挂物之间应用进程数据的通信环境为开放系统互连环境(OSIE);网络环境(NE)为终端系统之间传输数据和协议控制信息服务。

图3 开放式结构悬挂物管理系统架构

目前，针对开放式结构悬挂物管理系统已经制定了部分标准，如通用开放体系结构框架(AS 4893)，飞机/悬挂物接口通用框架(AIR 5532)，飞机/悬挂物通用接口控制文件格式(AS 5609)等。但是，关于如何设计开放式结构悬挂物管理系统却没有公认有效的解决方法。现阶段及今后的研究可能朝向模型驱动体系架构(MDA)方向发展。

4.3 无人机载武器系统集成

由于作战任务和方式的特殊性，无人机武器系统集成与常规系统集成相比有着显著的不同。首先，取消了座舱显示和座舱控制组件。其次，悬挂物管理不依赖于飞行员的指令，而是直接受地面或自主控制指令的支配。再次，载机不再将悬挂物状态信息报告给飞行员，而需反馈给地面控制系统。无人机的一般系统架构如图4 所示。

图4 无人机系统架构

针对无人机系统架构的特殊性，其武器集成系统应在以下几个方面做出改进:

(1)武器接口的互用性与通用性。出于无人机对快速打击能力的要求，其地面保障需做到时间短、过程简单、失误率低，因此，必须进一步提高武器接口的互用性与通用性，简化保障流程。

(2)重量和体积要求。一般来说，相比有人作战飞机，无人机的尺寸更小、负载能力更弱，对集成系统的重量和体积要求更为严格。

(3)通信与控制系统的可靠性和稳定性。无人机飞行及作战对地面系统的控制依赖性强，通信强度大大提高，通信控制系统的稳定工作对作战起着至关重要的作用。因此，其系统集成还需着力提高通信与控制系统的可靠性和稳定性。

5 基于开放式体系结构的即插即用武器集成

针对现阶段悬挂物管理系统和武器系统集成面临的一些问题，现考虑从以下方面实现武器系统的即插即用悬挂物管理。

5.1 开放式的悬挂物管理系统设计实现

在进行系统设计时，应采用通用的体系结构和软/硬接口标准，建立开放式的悬挂物管理系统。即应采用分层设计的概念，通过建立所需的接口标准，使硬件接口标准实现武器和平台物理接口之间的一致性，使软件接口满足通用武器的要求，尽可能地实现系统功能与软件应用和数据传输等功能的分离，有效保证系统的灵活性、通用性和互操作性。悬挂物管理系统开放式体系结构的实现如图5 所示。

图5 悬挂物管理系统开放式体系结构

其中，系统功能层和飞机航电系统连接，可以实现悬挂物管理功能;武器访问层具有武器的具体性能参数和功能实现，负责完成对具体武器的访问，向上为系统功能层提供武器的控制接口，向下调用物理介质层的硬件接口;物理介质层具备包含悬挂物管理系统和飞机/武器之间的所有硬件接口，实现电气信号的发送和接收。

5.2 基于MDA 的武器即插即用集成

即插即用集成要求无需更改系统的软/硬件，只需动态变化的平台相关模型(PSM)以及其他任务参数就可以实现武器的集成。下面应用模型驱动的体系结构方法(MDA)实现平台独立模型(PIM)向平台相关模型(PSM)的转化。飞机系统软件研发生命周期的简化视图见图6。

在模型驱动架构进程中，从PIM 通过PSM 到PSI 的转换是为飞行系统体系结构定义的。新的服务组件一旦已经定义，就被赋予了新的功能，此时新的功能就会添加到PIM 中，并通过具有相应转化说明的映射和转换工具迅速转化为源代码。这种即插即用的模型转化比更新系统要求规范，比手动改变每个飞机实施的源代码更为有效。

图6 “即插即用”PIM 到PSM 转化

完整的模型驱动架构方法，不同专家构建系统实施的不同部分如图7 所示。

图7 PIM 到PSI 的转化

一旦模型和映射都已经存在，引入的新功能(例如，引进新型武器或改进武器)将植入到PIM中。进而其他所有的转换都可以通过现有的映射自动生成，无需改变其他的功能。因此，即插即用的武器集成方法实现了平台相关模型的动态绑定和生成，使任务参数和武器的配置数据能够实时加载到模型中，也就使得任务规划的实时制定成为可能。MDA 的引入可以实现更高程度的互用性，为武器系统的即插即用集成提供了一种更为可行有效的方法。

6 结 束 语

机载武器系统集成可以大大提高飞行员操作飞机和武器的灵活性和通用性，对新形势下飞机作战具有重要意义。机载武器系统集成是一个复杂的系统工程问题，涉及的问题层次多、范围广、技术复杂，必须按照合理的工程流程完成实现。

现阶段武器系统集成的程度仍较低，武器接口的通用性和互用性较差。随着新形势下作战条件的改变，机载武器系统集成面临许多新的问题，必须对原有集成系统做出相应改进，寻求核心技术突破，以满足作战需求。通用化开放式悬挂物管理系统架构应成为机载武器系统集成研究和发展的重点。

［1］LaCerte Y. AADL and MDA-Early Experience Applied to Aircraft－Weapon Integration［C］//AADL Standardization Meeting，Seal Beach，2005.

［2］王旭峰，丁其伯，舒振杰. 即插即用武器集成及其相关标准体系初探［J］. 航空标准化与质量，2009 (4):4－8.

［3］徐科华，陈谋，吴庆宪. 先进的民用飞机机载系统集成流程分析［J］. 电光与控制，2012，19(10):92－96.

［4］段采宇. 武器装备需求建模、量化、集成的理论与方法研究［D］. 长沙:国防科学技术大学，2008.

［5］于心一，冯金富，胡俊华，等. 机载悬挂物管理系统的硬件划分［J］. 电光与控制，2012，19(8):50－53.

［6］Moir I，Seabridge A. Aircraft Systems:Mechanical，Electrical and Avionics Subsystems Integration［M］. John Wiley ＆ Sons，2011.

［7］潘勃，冯金富，李骞，等. 飞机/悬挂物通用化开放体系结构研究［J］. 飞机设计，2009，29(2):51－56.

［8］Douglas G. Air Weapons Integration-Plug and Play Weapon［R］. London:SAE Aerospace ASD，2006.

［9］沈培顺，蒋俊辉，史兆明，等. 即插即用武器综合技术在悬挂物管理系统设计中的实现［J］. 电光与控制，2013，20(5):77－80.

［10］王朝阳，季晓光，丁全心. 机载SMS 技术发展分析［J］. 电光与控制，2009，16(3):1－5.

［11］彭志专，冯金富，鲁卿，等. 飞机/悬挂物电气接口标准发展方向探讨［J］. 电光与控制，2008，15(4):59－62.

［12］李海军，李国林.飞机悬挂物智能管理系统研究［J］.电光与控制，2001，8(3):53－56.

［13］冯金富. 悬挂物管理系统［M］. 北京:国防工业出版社，2009.

［14］史兆明. 标准接口武器悬挂物管理系统［J］. 电光与控制，1997，4(2):11－19.

［15］李国柱. 机载武器控制系统的发展分析［J］. 舰船电子工程，2014，34(7):51－55.