无人预警机系统架构及关键技术分析

叶海军， 潘舟浩， 秦国杰， 马亚辉

(1.北京邮电大学, 北京 100876; 2.中国电子科学研究院,北京 100041)

0 引 言

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核心骨干作用。而有人预警机未来发展的产品形态之一是轻型的、无人的、网络的无人预警机的前出距离远、任务时间长、经济性好、费效比低、生存能力强等满足特定作战任务需求的特点是无人预警机全寿命周期装备研制与使用的重要优势。近年来，随着网络化的体系作战需求不断增强，无人预警机技术已逐步成为研究热点[1-3]，发展先进的无人预警机系统有着重要的战略意义。由于无人预警机受无人平台载重、供电、散热等载荷资源限制，如何设计一种满足先进、合理和可靠的无人预警机是工程设计师的重要目标。系统架构设计及其关键技术研究是目前无人预警机设计和工程实现的重点难题之一。文献[4]基于总线与局域网理论，提出了传统的以信息互联互通为基础的技术架构模型。文献[5]提出了面向战斗机的新一代综合化航空电子系统架构，暂未考虑以预警机为代表的无人化、网络化的大型综合电子信息系统装备的架构设计技术。本文从分析总结美军机载航空电子系统架构设计出发，研究其系统架构实现方案、技术特点及实现途径，提出一种可实时感知、并行处理的综合一体化系统架构，并在此系统架构设计下，分析提出了射频综合、传感器管理、多源情报实时处理等系统级关键技术及关键点，为无人预警机系统总体设计等奠定工程实现基础。

1 机载航空电子系统架构设计与分析

美军机载航空电子系统经过近70余年的技术发展，已从具有单功能的松散型系统发展到综合化、通用化、模块化、标准化、信息高度密集的一体化综合型系统。表1对比分析分立式、联合式、综合式和先进综合式四种[6-10]不同的航空电子系统架构设计思路与方案，总结形成系统架构设计技术特点及差异性对比分析。

表1 四种航空电子系统架构设计技术特点及差异性对比分析表

从表1中的对比分析可以看出，系统架构设计及实现由单设备单功能逐步演进为单设备多功能、综合化设备多功能的系统级产品形态。机载平台受载荷、空间等条件限制，开放的综合式系统架构是技术演进推动，更是必要趋势。

2 无人预警机系统架构与基本原理设计

预警机是一种具有机动优势以及低空超低空、远距离、大范围目标探测、跟踪和识别等功能于一体的综合电子信息系统平台。世界上首型有人预警机TBM-3W自1945年3月列装使用以来，历经了70余年的装备发展与技术进步。世界预警机的发展历史，就是一部世界预警机的技术发展史，也是一部由机械化向信息化、无人化转变的特种飞机演进史。20世纪40年代至今，世界三代有人预警机功能及技术特征详见表2。

表2 世界三代预警机系统功能作用、系统架构特点及技术特征对比表

随着信息化、无人化等技术的进步，装备发展和作战形态的演进，有人预警机会向无人预警机发展。无人预警机一般是满足某种特定作战任务的、无人的、预警的特种飞机平台，受无人载机平台载重、供电、散热等载荷资源限制。无人预警机作为未来的第四代预警机的重要装备形态之一，如何设计一种满足任务需求的先进性、合理性、可行性和可靠性的无人预警机系统架构是重点难题之一。本文在分析研究机载航空电子系统架构技术基础上，充分借鉴前三代预警机系统设计，按照“平台载荷结构功能一体化、射频通道资源一体化、存储计算资源一体化”的综合化、通用化、模块化和数据、应用完全共享的系统综合一体化化设计思路，提出了一种“综合射频系统+通用计算系统”的综合一体化系统架构技术。在无人预警机受无人平台载重、供电、散热等资源限制条件下，实现了无人预警机感知记忆、资源管控、快速生成情报等系统能力，这也是实现系统减重减耗保能的唯一途径。系统架构设计，详见图1所示。

图1 无人预警机系统构架设计框图

从图1可以看出，系统采用“综合射频系统+通用计算系统”的综合一体化系统架构，以实现无人预警机系统强实时并发多任务的实时感知和并行处理。综合射频系统，是无人预警机信息感知的眼睛，是实现无人预警机射频信号发射与接收的宽带化、数字化系统，用于精确感知、精确控制、精确应用电磁场。射频资源按照“孔径综合，通道共用”的总体设计思路，根据作战任务进行射频资源分配，通过功能分配、射频通道管理、射频资源分配等流程设计实现从作战任务到射频资源参数指令和工作时序的分解，构建射频资源局部或全局共享、可重构的射频信号收发通道。通用计算系统，是无人预警机信息处理的大脑，目标是实现数据与应用软件/智能处理算法、数据与通用计算平台/存储平台、应用软件/智能处理算法与通用计算平台/存储平台分离。利用通用化处理资源，在系统管理和任务管理控制下，按照功能进行资源分配，实现无人预警机系统各功能的信号处理和数据处理一体化。

从图1可以看出，相比分立式、联合式、综合式和先进综合式架构设计，本文提出的无人预警机综合一体化系统架构设计，突出了面向作战任务需求，将射频资源通道化、计算存储资源通用化、功能应用软件化，通过系统管控实现作战任务与系统资源合理、动态的自动调配与调度，实现系统应用需求的整体设计优势。

3 无人预警机系统关键技术

在图1无人预警机系统设计架构下，围绕实现“实时感知+并行处理”的系统作战任务需求，研究提出了射频综合、传感器管理、多源情报实时处理、任务管理与监视、作战任务与系统资源动态调度等五项无人预警机系统关键技术。

3.1 射频综合技术

载机平台与雷达、电子侦察主传感器等结构与功能的一体化设计[11]，天线孔径综合，射频通道通用/共用方案的设计与工程实现技术，是射频综合技术关键点。综合天线孔径[7]重点实现包括有源通道、无源通道等众多无线电传感器功能的空间电磁波能量的发射和接收。按照射频资源的通道化，对各类发射和接收天线进行综合化、分布式设计，最大限度减少天线数量，使其共享成为传感器硬件前端资源，最大程度地发挥其功能和效率，最终达到综合利用天线孔径的设计目的。多任务射频综合化设计，射频通道硬件共用乃至通用是设计的目标，一般瞄准通道资源实现共用，也就是借助同一的射频通道资源，可考虑按照通道带宽、灵敏度、动态范围、时序关系等分类综合设计射频通道系统，以实现单通道多功能的射频资源动态管理与频谱资源使用控制。

3.2 传感器管理技术

传感器是无人预警机实现海空态势感知，完成作战任务的重要手段。以雷达技术为代表的主要传感技术将向体系化、协同化、一体化、无人化等方向发展。根据作战任务，无人预警机可设计并选装满足特定作战任务的多种类传感器资源。根据作战场景和目标环境的变化，实现传感器及传感器资源有效协同、高效管控，选择合适的传感器，以及相应的数据融合处理算法和流程，建立传感器反馈机制，依据作战环境、情报质量和传感器能力的变化，优化传感器资源分配，实现从情报到传感器的闭环控制。突破基于反馈机制的多源异类传感器数据融合架构设计，应用一体化联合检测、估计、识别和传感器管理等关键技术，是提高综合态势情报的准确性、可靠性和稳定性并形成一致的空中战场态势的基础。而多源传感器协同探测与调度策略是传感器管理技术的核心关键，传感器能够根据战场环境和作战任务需求，自动地在各种协同工作模式之间转换，以满足情报感知与收集的需要。同时，可考虑满足无人预警机单一任务和多用途任务需要，选配不同的传感器资源进行统一管控，满足单机多能的任务需求。

3.3 多源情报实时处理技术

多源情报实时处理是无人预警机系统的心脏，无人预警机上无实时操作的任务操作人员，因此对多源情报的实时处理能力、情报质量、情报融合速度提出了更高的要求。将无人预警机、无人预警机控制站的情报处理进行分级、分工、协作的一体化设计，以满足在数据链网络资源及通用计算平台计算资源等受限条件下实现情报实时的、自动化/智能化的信息处理、系统自动综合识别，并且根据作战任务需要，实施定制化的情报设计，这也是解决多源情报实时处理和满足作战使用的关键技术点。

3.4 任务管理与实时监视技术

任务管理与实时监视是指无人预警机在执行任务过程中对任务目标、任务空域、飞行航线、传感器使用策略、任务过程评估等信息进行统一管理与监控。并且，按照任务预案对任务执行过程进行实时监视、实时评估和实时调整，使操作人员能够按照计划实现任务目标，使操作人员在了解无人预警机载机平台性能、传感器性能、系统综合性能等能力基础上充分发挥出作战能力。任务过程中，无人预警机系统应将实时执行的任务与预先加载的任务预案进行对比实时分析、系统评估，判析无人预警机任务预案中规定的计划关键节点是否被正确、实时的执行，如没有正确执行，系统将对任务偏差进行实时监视、评估并提示操作人员及时纠偏。

3.5 作战任务与系统资源动态调度技术

作战任务与系统资源动态调度是无人预警机系统完成作战任务的大脑。无人预警机前出距离远、作战范围广、作战任务复杂时变，科学合理地选择、调配和调度平台内部有限系统资源，建立复杂任务序列与平台系统资源之间的关系模型，是提高无人预警机资源的有效使用性和完成作战任务准确性的关键。文献[12]提出了一种作战任务与系统资源动态映射关系原理图，在此基础上，可综合考虑任务、时间、资源多约束条件下，建立作战任务与系统资源之间的优化调度数学模型，再通过任务管理与实时监控，对作战任务进行动态调整，以达到作战任务与系统资源理论最优匹配。关于任务资源调度问题，常用的算法[13-14]：分支定界法、动态规划和动态列表调度等最优化方法，也可以根据作战场景、系统资源特性等多约束条件进行综合优化。

4 结 语

本文尝试着从分析机载航空电子系统架构设计和世界预警机系统架构特点及技术特征出发，研究提出了无人预警机系统综合一体化架构设计，给出了无人预警机系统架构下的射频综合、传感器管理、情报实时处理、任务管理与监视、作战任务与系统资源动态调度等系统级关键技术和技术实现途径等，为无人预警机系统需求论证、总体设计和工程技术实现奠定了工程实施基础。