预警机载机航电系统网络与任务系统网络差异性分析研究

叶海军，刘晓敏

(中国电子科学研究院，北京　100041)



工程与应用

预警机载机航电系统网络与任务系统网络差异性分析研究

叶海军，刘晓敏

(中国电子科学研究院，北京100041)

预警机作为军事信息系统中的重要装备，在现代网络中心战中发挥着重要作用。本文从总线、网络的基本概念和机载航电系统的发展历程出发，分析总结出预警机的载机航电系统网络与任务系统网络的异同点和网络选型的差异性。同时，根据信息技术发展趋势牵引，提出机载网络发展的关键技术，为后续预警机发展奠定理论基础。

预警机；航电系统；任务系统；机载网络

0　引　言

预警机是集情报探测、指挥控制、战场管理等于一体的大型综合电子信息系统，是空中信息化平台和信息化体系作战中的信息攻防装备。随着电子技术和信息科学快速发展，现代战争已从“平台中心战”转变为“网络中心战”[1]，预警机作为C4ISR系统的重要组成部分之一，在现代“网络中心战”担任着传感器网络、指控网络以及网络传输通信网络的空中核心枢纽作用。预警机系统作为“网络中心战”的核心装备，完成预警探测、情报侦察、资源管理、通信中继、指挥控制等多项战略任务和战术任务，预警机载机在正常、安全飞行到指定的任务巡逻空域后，由预警机任务系统完成作战效能的发挥和实现，保障任务系统战术技术性能是预警机完成作战任务的关键。

当前，关于预警机载机航电系统与任务系统网络架构的内涵以及之间的差异性研究较少，为正确理解载机航电系统网络架构和任务系统网络架构的本质，本文从总线、网络的基本概念和网络的分类、拓扑结构出发，分析提出载机航电系统网络与任务系统网络在应用场景、性能需求和安全性保障三个方面的异同点，为两者的网络选型、效能分析等提供参考。同时，结合当前和后续技术发展，提出机载网络的发展趋势。

1　总线和网络的定义[2-4]

1.1总线定义

总线是单台计算机内部的概念，是指计算机内部各种功能部件之间信息传输的公共通信线路，计算机功能部件包括CPU、内存、输入和输出设备，总线是连接这些功能部件的通道，同时，计算机的外围设备也能通过相应的接口和总线实现和计算机的通信，由此，共同组成计算机的硬件系统。计算机总线包括用于传输数据的数据总线，传输数据地址的地址总线以及传输控制信号的控制总线。

1.2网络定义

针对具体系统和设备来看，网络是由若干端节点和连接这些端节点的链路所组成。网络中的端节点包括计算机、打印机、移动设备等终端设备，交换机、集线器或路由器等交换设备，当前的网络通常是指计算机网络。计算机网络是由多台计算机互连而形成的，指将地理位置不同的具有独立功能的计算机，通过通信链路连接，使网络中不同的计算机具备资源和信息共享，互连互通的能力。因特网(Internet)是将多种不同的网络组成一个更大的网络，也被认为是一种网络的网络，也是一种特殊的计算机网络。

1.3网络分类

按照作用距离可将网络分为广域网，城域网，局域网和个人区域网。其中，机载网络就属于一种特殊的局域网[5]。

广域网(Wide Area Network，WAN)的作用范围通常为几十到几千公里。广域网是因特网的核心部分，完成长距离的信息和数据传输。连接广域网各个节点的通信链路通常都是高速链路，具有较大的通信容量，满足信息的远距离传输。

城域网(Metropolitan Area Network，MAN)的作用范围通常是一个城市，距离从几公里到几十公里。城域网是宽带局域网，可以是一种公用设施，用来将多个局域网进行互连。目前很多城域网采用的是以太网技术，因此有时也常并入局域网的范围进行讨论。

局域网(Local Area Network，LAN)的作用范围在几公里以内，可以应用于距离范围较小的地理环境中，在一个区域内多台计算机互连。一个学校或工厂往往只拥有一个局域网，但现在局域网已非常广泛地使用，一个学校或企业大都拥有多个相互连接的局域网，此类网络常称为校园网或企业网。

个人区域网(Personal Area Network，PAN)的作用范围约10m。PAN是在个人工作地方把属于个人使用的电子设备用无线互连技术连接起来的网络，因此也常称为无线个人区域网(Wireless PAN)。此外，若中央处理机之间的距离很近，如仅1m数量级或甚至更短，则一般就称之为多处理机系统不再称其为计算机网络。

1.4网络拓扑结构

计算机网络拓扑结构是指网络中各个节点相互连接的形式。最主要的拓扑结构包括总线型网络拓扑结构、星型网络拓扑结构、环形网络拓扑结构、交换式网络拓扑结构。其中，总线型网络拓扑结构是一种基于多点共享互连的拓扑结构，网络中的所有设备通过相应的硬件接口直接连接在共同的传输介质上。总线网络拓扑结构使用一条所有节点都可以访问的公共通道，每个节点只要连接一条线缆即可。其中，采用单根传输线作为总线，所有的工作节点都共用一条线实现消息的互连传输。

2　机载航电系统发展历程

军用特种飞机自上个世纪出现以来，已经历了百年的历史。航空电子系统的概念是从20世纪30年代提出，航空电子系统指飞机上所有电子系统的总和，航空电子系统的研究范围包括支持飞机完成飞行任务以及其它任务使命的所有与电子学相关的系统和设备。航空电子系统架构的发展经历了分立式、联合式、综合式和先进综合式四代典型架构四个阶段[5]，见图1。

图1　航电系统架构演变历程[5]

(1)20世纪40至50年代，航电系统架构设计属于分立式的系统架构，如图1(a)所示。分立式航电系统架构的各个功能区是分开和独立的，所有完成各功能的航电子系统都具有从传感器采集信号、信号与数据处理和显示控制这一套完整的系统功能设备与流程，各设备之间通过点对点的互连方式进行通信。系统是分散化的，各子系统和设备间的资源不能共享，系统资源利用是相互独立的，导致系统资源的浪费，系统的体积和重量大，操作员的负担重，系统的可靠性低。

(2)20世纪60年代至70年代，美国空军莱特实验室提出了“数字式航空电子信息系统(Digital Avionics Information System，DAIS)”计划，这标志着联合式航电系统架构的起步，如图1(b)所示。联合式航空电子系统多采用MIL-STD-1553总线式数据传输方式，总线的使用改进了分立式系统分散并独立的结构，实现了信息与资源的部分共享，相比于分立式系统减少了电缆的重量和体积，完成各项任务的功能子系统通过总线式结构实现通信过程以及综合显示与控制。虽然联合式架构实现了系统的集中控制和信息共享，但系统的集成化程度较低，总线的带宽仅有1Mb/s，不能满足所有信息的传输需求，系统的容错能力和可维护性较低。

(3)1987年，美国空军莱特实验室又提出了“宝石柱(Pave Pillar)”计划，表明航电系统功能综合的起步，如图1(c)所示。综合化航电系统由通用的数据处理机组成航电系统的综合核心处理系统，完成系统传感器采集信息的数据处理功能以及系统任务管理功能。综合核心处理系统将不同子系统的信息处理功能综合在同一处理系统中完成，有效的减少了航电系统的处理资源。综合化航电系统将航空电子系统划分为不同的功能分区，包括传感器区、数字信号处理区、任务管理区和飞机管理区，以超高速集成电路和通用模块为基础，加强了系统综合信号处理的能力，实现了更高的综合化水平，降低了系统的设计成本，提高了系统的可靠性。

(4)20世纪90年代初，美国空军莱特实验室针对2000年以后的航空电子系统需求，提出了“宝石台(Pave Pace)”计划。“宝石台”计划将“宝石柱”计划中综合化和模块化的概念推广到天线孔径和传感器信号预处理的功能领域。以“宝石台”计划为基础，美军方于1994年颁布联合攻击战斗机(JSF，Joint Strike Fighter)航空电子结构定义，称为先进综合航空电子系统，也被认为是第四代航空电子系统，如图1(d)所示。“宝石柱”与“宝石台”计划也被称为综合模块化航电系统(Integrated Modular Avionics，IMA)架构，先进的综合化航电系统的特征表现在采用开放的系统架构，统一的航空电子网络互连[17]，以及商用货架产品与技术应用。

航电总线是航电系统发展到第二代联合式系统架构所采用的新技术，机载电子系统各设备间通过标准的数据总线互连，实现了设备间的信息共享，如图2所示。所采用的数据总线是MIL-STD-1553B(飞机内部时分制指令/响应式多路传输数据总线)。联合式航电系统是通过数据总线将分系统集成，名字上称为为多路输数据总线，但实际上此架构是一种线性的总线型网络拓扑结构。

图2　联合式系统架构示意图

从第二代联合式航电系统架构之后，航电系统经历的综合式系统架构，先进综合式系统架构中系统集成技术使用了多种网络拓扑结构。随着多种拓扑结构的网络以及多种网络协议在机载环境的应用，航电系统的集成手段应被称为航电系统网络或机载网络。机载网络是将飞机平台内部的机载设备、模块和关键部件连接起来的通信传输载体，是实现航空电子综合化的一项核心技术，因此，机载网络也被认为是飞机系统关键的“中枢神经”。飞机平台内部由机载网络所连接的机载设备、模块和部件通常嵌入相应的处理器，因此，由于距离限制和飞机平台内部网络完成的相应功能，机载网络实质上是一种专用的计算机局域网络。

3　预警机载机航电系统网络与任务系统网络差异性分析

预警机主要由载机和任务系统组成[6-7]。载机是为预警机任务系统的安装和工作提供升空、机动平台，提供足够的载荷能力、机舱容积和续航能力。载机主要包括机体结构、航电系统、动力装置、燃油系统、飞控系统、环控系统、液压系统、防火系统、生活设施系统、氧气系统、电气系统、任务支持系统等；任务系统是指完成作战功能的各种软硬件的集合，包括获取特定信息的传感器、用于支持信息传送的各种通信链路和用于信息处理的各种电子设备。典型的预警机任务系统主要有机载预警雷达分系统、敌我识别/二次雷达分系统、电子侦察分系统、通信分系统、导航分系统、计算机及软件系统组成。现代的预警机已经广泛采用基于计算机以太网的开放式局域网体系结构。在这种体系结构下，计算机是预警机的大脑，软件是预警机的灵魂。预警机的各个分系统演变为网络的终端设备，其主控计算机与操作员所使用的工作站一起，构成了客户端，服务器称为主任务计算机。预警机上的功能软件，主要完成对预警雷达、电子侦察、通信等不同设备的管理和控制，进行情报综合，形成战场统一态势图，提供数据和信息服务等。航电系统是基于飞行安全而完成一系列工作，要确保飞机的实时性、安全和可靠飞行；而任务系统是为满足军用特种飞机的特殊作战任务而集成的军事电子信息系统，要保证系统的高性能、可靠性和可扩展性。

机载网络是将预警机平台内的系统、子系统(模块)和元素(部件/元器件)连接起来的载体，是实现任务系统综合化的关键技术。预警机的任务系统与载机航电系统由不同的分/子系统所组成，在系统的任务功能、处理的数据量、数据的类型和数据的处理能力方面均不同。因此，连接分/子系统间的任务系统与航电系统的网络构型也有所区别。下面分别从应用场景需求、使用性能需求和安全性保障需求三方面分析两个系统网络选型的差异性。

3.1应用场景需求

预警机任务系统在实现预警探测、指挥控制自身的作战使命外，同时服务于作战体系，与其他作战单元协同作战，共同完成现代网络中心战的作战任务。预警机任务系统作为军事信息系统的重要组成部分，广泛应用于机群编队、航母编队等信息系统，是实现大信息系统互连、互通、互操作的核心节点。军事信息系统是指集天基系统、空基系统、地基系统的互连式信息系统平台，是集指挥、控制、通信、计算机(C4)和情报(I)、监视(S)、侦察(R)能力于一体的复杂系统，属于综合化信息网络，作战信息链将军事信息系统的多个子系统以及传感器和武器平台互连起来，连成一体，成为战场各类信息的采集、处理、传输和控制平台[8]。为了克服传统的“烟囱式C4ISR(Command,Control,Communication,Computer,Intelligence,Surveillance,Reconnaissance)系统”的缺点，美军提出了“全球信息栅格(Global Information Grid，GIG)”的概念，旨在将美国国防部所有的信息系统、服务及应用集成为一个无缝隙的、可靠的和安全的网络[9]。

综合化信息网络的要求之一是IP化，预警机任务系统遵循IP化的通信需求，与机载数据链共同构建满足全军信息系统互连、互通、互操作的系统架构模型，能够无缝的接入综合化信息网络。以太网是IP化最成熟的网络协议，采用以太网技术既满足当前任务系统的需求，又满足未来任务系统在全军信息系统中的作战作用；载机航电系统网络服务于预警机载机自身，遵循自身发展多采用专用的网络标准，需要通过协议转换才能接入信息网络，降低了系统运行效率，增加了系统研制成本。

表1　航电系统与任务系统的应用场景分析

3.2使用性能需求

预警机任务系统作为空中移动的指挥所，配置了多种类型的传感器系统和信息传输系统，系统交互的数据量大，数据类型多。预警机载机航电系统是基于飞行安全而完成的一系列电子系统的集成，为任务系统提供稳定的升空平台，载机航电系统是为完成正常飞行任务所必须装备的电子系统，要满足安全、稳定、可靠飞行需求，需要确保系统的实时性和可靠性，载机航电系统多为控制信号，数据量小，数据类型相对单一。

表2　航电系统与任务系统的传输需求分析

预警机任务系统的信息多为“任务关键(mission-critical)”信息，而载机航电系统的信息多为“时间关键(time-critical)”信息。因此，为了保证预警机在战场环境中能够充分发挥作用，任务系统设计需要保证系统的高性能，航电系统的设计要侧重保证系统的实时性。需明确的是，实时性与高性能不完全相同，实时性属于高性能的指标需求之一，实时强调系统网络时延的可预测性、确定性。高性能是指以较少的资源消耗，包括空间、时间、功耗，完成相同功能或以相同的资源完成更多的任务，是服务质量的需求内容。因此，在网络选型的论证过程时，任务系统需要高带宽、高处理能力、高容错能力和高扩展能力的网络，航电系统需要强实时和高可靠的网络。

3.3安全性保障需求

保障信息系统安全，实现核心基础软硬件国产自主可控，被提高到国家战略高度，自主创新已成为国家战略方针。

信息技术的飞速发展促进着以太网技术不断进步，IEEE于1982年正式发布了IEEE 802.3以太网协议，在以太网技术出现至今30多年，以太网技术成为了大众广泛使用的非常成熟的局域网标准。我国很多通信设备商已掌握此项技术，能够设计并制造出商用和军用以太网产品，具有很强的可靠安全保障，为预警机任务系统国产道路打下了坚实的基础。而当前航电系统采用的专用网络遵循的网络架构和协议标准等核心技术我国暂时并没有完全掌握，在安全性方面和技术层面存在一定的使用风险。

4　机载网络发展趋势

4.1开放式系统

开放式系统是航电系统未来的发展方向之一，开放式系统是由模块化的硬件及软件所组成，组成系统的各个组件及子系统之间松散耦合，采用统一的、正式的接口规范来对关键的接口进行定义，并以此作为信息交互的基础[10]。开放式系统是未来电子系统架构发展的需求之一。综合化、模块化、标准化和COTS技术是实现开放式系统的关键技术。综合化是保证系统资源高度利用的有效手段，通过系统射频前端综合化、处理综合化，实现系统性能的最优化。解决综合电子系统采用开放式系统结构既要节省费用又要提高作战任务性能的矛盾，方法之一是模块化[11]。组成任务系统的子系统都采用模块化设计方法，能够降低系统的维护成本与开发周期。开放式系统需要采用标准的硬件与软件接口，完成系统的互连互通。当前军用航空设备研发时间周期长，更新速度缓慢，许多设备供应商转向了民用产品，由此造成了军用设备配件价格高、技术支持短缺等问题，给军用设备的日常维护和换件带来麻烦。因此，系统设计时应考虑采用COTS产品。

以太网是目前应用最为广泛的计算机局域网技术，其开发工具和环境成熟；由于基础环境健全，基于以太网的应用设计相对方便；同时，以太网硬件设备供应商众多，成本较低；带宽10Mbps、100Mbps和1000Mbps的以太网产品已被广泛使用，万兆以太网产品也将被普及应用；以太网的多年应用发展积累了丰富的软硬件经验，相应设计开发人员较多，其产品是成熟的COTS产品技术。因此，任务系统中应用的以太网技术满足开放式系统架构需求，并具有COTS技术能力，是任务系统机载网络选型的有效方案。

4.2统一网络

未来机载网络立足于在同一个平台上综合一体化设计是发展趋势，网络选型是以一种网络满足机上航电系统和任务系统综合的互连、使用需求，减少使用连线的种类和数量，提高信息使用交互效率，节省系统的空间，同时降低系统的重量。但统一网络对系统网络选型的需求要求较多，需要网络具有高传输速率、扩展能力强、容错能力高等特性。对任务系统来说，统一网络要支持多种信息类型的传输需求，包括传感器信息、控制信息、载荷数据信息、视频信息、音频信息等。同时，航电系统需要实时、可控的航电系统统一网络；在战场环境下，任务系统采集的数据量较大，因此需要网络具有高带宽的特点，信息处理能力强，传输速度快，网络可扩展。最后，航电系统和任务系统统一网络需要具有容错能力，在某些节点出现故障时，不影响任务系统的正常工作，网络支持故障检测与故障恢复功能，并且具备动态重构能力。

4.3网络资源管理

任务系统在信息的采集、处理、传输与存储过程中，需要保证系统的高性能。实现系统高性能的关键解决方案是系统资源的有效利用，即高效的网络资源管理能力。尽量在有效的资源约束下，提高系统的资源利用能力。目前一般采用“被管对象”来表示网络中的资源。通用管理协议(Common Management Information Protocol, CMIP)封装了网络被管对象，包括：被管对象的属性说明被管对象的特性，现在其数据类型是否可写等；被管对象的行为定义被管对象可能有的行为操作；被管对象的通知说明被管对象在某时间发生时发出的通知[12]。任务系统网络的所有对象都能抽象为被管对象以及被管对象的具体描述，因此，网络资源能够统一管理。资源管理可以分为资源发现、资源调度、任务提交和任务监控这几个部分，其中，资源发现、任务提交和监控功能可以由中间件系统完成[12]。面向不同的工作场景，任务系统的资源调度方法不尽相同，实现资源的有效管理最重要的是网络资源调度研究。

因此，尽量采用更高效的资源调度算法优化系统的性能。网络资源调度要保证调度的高效性，调度高效性是指系统在资源调度的过程中，尽可能让更多的任务分配到合适的资源上去执行，以减少资源出现闲置的情况，尽量保证系统资源的负载均衡能力[13]。网络资源调度应满足应用需求的QoS保证，尽量减小系统资源的执行时间，优化资源的优先级分配方法，最小化资源的效费比，降低系统的全生命周期成本。任务系统网络资源调度方法要基于采用QoS保障的相关网络资源调度算法，例如，将优先级调度算法、加权循环调度算法以及通用处理器共享调度算法进行优化，从而提高任务系统网络资源的有效管理，实现任务系统网络设计的高性能需求。

4.4网络可靠性

飞行器工作在严酷的环境下，需要执行很多飞行关键和任务关键的机载任务，因此需要系统具有高可靠性、安全性与很强的容错能力[3]。同时，机载系统的高可靠性，诊断和预测，简化的维修都有助于提高飞机的出勤率[5]。机载网络作为连接模块之间的关键互连技术，其网络的可靠性影响着机载系统的正常工作能力，机载网络承载着飞机平台的大量数据信息，因故障导致的通信中断将会对飞机造成灾难性的后果。在航电系统和任务系统的机载网络设计过程中，需要中电考虑网络的可靠性能力，不断预测和评估网络的可靠性来优化机载网络的设计方案。机载网络的可靠性也是网络管理与维护的基础，通过对网络可靠性的分析计算，能够得到设备重要性指标和运行可靠性指标[15]。

为了保证机载电子系统以及机载网络的可靠性能力，机载网络的设计要着重考虑网络容错能力。机载网络的容错设计目标是要确保航电系统在执行飞行关键任务的安全性以及任务系统在执行侦察、监视和打击任务的准确性。容错系统的设计包括满足系统对性能的需求和对可靠性的需求。容错系统提供连续、安全的操作性能。具有容错性能的任务系统和航电系统是面向任务关键与飞行关键的系统结构，容错系统包括容错计算系统、传感器及其接口、执行器、以及分布式系统的数据通信设备[16]。同时在机载网络容错能力设计过程中，网络的关键设备采用备份的方法实现容错能力，同时，机载网络可以采用预留资源或重配置的方法保证系统的容错能力。全系统设计要考虑系统的故障预测、故障监测、故障告警、故障定位与故障恢复的能力来满足全系统的可靠性需求。

5　结　语

预警机作为国家战略发展的重要装备，对国防信息化建设起着重要的作用。预警机任务系统是保证预警机实现任务使命的关键组成，载机为任务系统加装提供平台。本文针对预警机的载机航电系统与任务系统作用的差异性研究，给出了两者在应用场景需求、使用性能需求和安全性保障需求三方面对网络选型影响，同时提出了未来机载网络的发展方向，为预警机系统的研制提供了重要的理论保障。

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叶海军(1979—)，男，安徽人，高级工程师，主要研究方向为平台信息系统；E-mail：yehaijun.gd.ah@163.com

刘晓敏(1986—)，女，辽宁人，主要研究方向为综合化航空电子系统设计、机载网络研究等。

Difference Analysis between Mission System Network and Avionics System Network in AEW

YE HAI-jun，LIU XIAO-min

(China Academy of Electronics and Information Technology，Beijing 100041，China)

AEW is the important equipment of military information systems, and plays a crucial role in modern network-centric operations. The paper explains the concept of data bus and network, and summarizes the development history of avionics system. The different system architectures and network selections between mission system and avionics system are analyzed. Meanwhile, with the development of information technology, this paper depicts the key technologies of development trends in mission system network. These technologies provide the theoretical basis for future AEW engineering development.

AEW；Avionics system；Mission system；Airborne network

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.04.018

2016-06-09

2016-07-06

中国电子科学研究院创新基金项目

V271.4+7

A

1673-5692(2016)04-437-07