基于能力的航空电子系统飞行试验设计

李靖; 张兴国; 李拓

doi:10.15892/j.cnki.djzdxb.2020.03.003

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弹箭与制导学报 ›› 2020, Vol. 40 ›› Issue (3) : 9-12. DOI: 10.15892/j.cnki.djzdxb.2020.03.003

基于能力的航空电子系统飞行试验设计

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Design of Flight Test for Avionics System Based on Capability

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摘要

针对军用飞机航空电子系统的实战化性能试验要求,提出以自底向上装备工作特性分析、自顶向下装备作战运用研究两条主线为牵引的航空装备飞行试验设计思路。并针对装备工作特性分析,从系统工程角度阐述了装备工作特性分析的3个视角及其具体方法,建立了“完整被试对象”的分析概念,所形成理论及方法具有良好的工程应用意义。

Abstract

According to the requirements of operational test for avionics system of military aircraft, this paper puts forward the design ideas of the flight test for avionics system, which are based on the analysis of the working characteristics of the equipment from the bottom up and the research of the equipment operation from the top down. According to the analysis of the working characteristics of equipment, this paper expounds three perspectives and specific methods of the analysis of the working characteristics of equipment from the perspective of system engineering, establishes the analysis concept of "complete object", and the formed theory and method have good engineering application significance.

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李靖, 张兴国, 李拓. 基于能力的航空电子系统飞行试验设计[J]. 弹箭与制导学报, 2020, 40(3): 9-12 https://doi.org/10.15892/j.cnki.djzdxb.2020.03.003

LI Jing, ZHANG Xingguo, LI Tuo. Design of Flight Test for Avionics System Based on Capability[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2020, 40(3): 9-12 https://doi.org/10.15892/j.cnki.djzdxb.2020.03.003

中图分类号： V217;V243

0 引言

近几年,为满足航空武器装备的国防需求,解决装备验证试验条件偏向友好、静态,试验结果实战意义不强等问题,针对航空电子系统飞行试验提出了实战化考核要求。按照业界基本共识,需贴近实战,以装备的作战使命为牵引,开展作战任务分析,将作战任务需求逐级分解转化为装备的试验需求,实现对待检验装备的能力验证考核。

但在飞行试验工程实践中,由于实际作战环境、过程、战术极其复杂,作战态势千变万化,仅仅依托自顶向下的作战任务分析开展需求分析,存在思维发散、难以聚焦、深度不够的现实问题;另外,由于航空电子系统功能逻辑复杂,如何开展有效、全面、深入的装备工作特性分析也缺乏统一、系统的指导方法,过于依赖试验人员的工程经验与专业知识。

文中从“试验”本质出发,提出以自底向上装备工作特性分析、自顶向下装备作战运用分析两条主线为牵引的航空装备飞行试验设计思路,并从系统工程角度阐述具体的方法及步骤,以指导基于能力的航空电子系统性能试验设计开展。

1 基于能力的装备性能试验设计

试验的本质就是通过给定、控制被试系统输入(试验条件或称试验变量X),通过测试相应参数观察被试系统的响应(应变量Y),从而对被试系统的功能、性能进行评估的过程。而飞行试验就是在真实飞行环境下,对航空装备进行评估的过程,属于开放环境下的真实飞行,尤其对于雷达、电子战、通信、导航等分系统,除人为设置试验变量外,还存在气象环境(雨衰、大气环境)、地理环境(海杂波、地杂波、遮挡效应)、背景电磁环境(民用设备无意干扰、自然环境干扰、己方装备电磁干扰)等环境变量。必须强调,对于任何系统,系统在环境中生存,系统与环境交换信息和能量,环境影响系统工作,环境时时都在变化。因此,环境变量的正确辨识与描述至关重要。另外,设备之间的工况交联逻辑也是影响试验结果的重要变量。

但考虑试验周期、经费、安全、可行性等原因,试验不可能覆盖所有的试验条件,因此,对于复杂系统的验证,试验设计的难点在于确定充分且必要(典型)的X以及X量值。

达到上述目标,需解决以下问题:

a)确定哪些变量是实际可能遭遇的;初步建立疑似试验条件。

b)确定哪些变量对响应Y影响最大;对疑似试验条件进行确认。

c)确定有影响且可遭遇的变量X设置在何处,可使Y接近于期望的额定值;探索X与Y之间的应变关系。

d)确定有影响的X设置在何处,Y的变异性最小;探索X与Y之间的应变关系。

e)确定有影响的X设置在何处,可使不可控变量Z影响最小。

f)确定多X之间的交互效应;探索多X之间的耦合关系。

基于能力的装备性能试验要求从作战使用出发对系统进行验证,可从以下方向出发解决上述问题:

a)研究装备的工作特性:不管哪一类型的X,要探索其与Y之间的关系模型,都可以归为到工作机理分析的范畴。一般情况下,利用系统的基本工作原理,可以轻易的识别部分X(例如,距离对于无线电通信的影响,目标RCS对于雷达的影响),但完整、正确、深入的了解被试对象才是试验设计的基础和关键。

b)研究装备的作战运用:不了解被试对象的作战运用,就很难了解被试对象的应用场景及系统间耦合关系,进行试验变量分析,就有可能遗漏重要的X或导致设计的X在作战运用层不合理或不典型,偏离工程应用。

上述两项工作可融会贯通:一方面以被试对象工作特性作为基础,进行自底向上设计;一方面以作战运用分析为手段,进行自顶向下分析,通过两条主线的上、下牵引,最终确定实际所需的X。以无线电高度表为例,基于雷达测距原理,当在丘陵、孤立山岳、倾斜地形和水陆混合地形等不规则地形上空飞行时,下方地形反射系数的起伏、多径等均可能对测高过程产生影响,而上述地形均为作战飞机典型的作战地理环境,飞行时就必须予以考虑。

能力验证试验设计的示意见图1。

图1 基于能力的性能试验设计示意图

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2 基于系统工程的装备工作特性分析

航空装备是一个大系统,系统具有层次性原则,在系统多层次结构中,高层次支配着低层次,并决定系统的性质,低层次支撑着高层次,根据系统层次性原则,在验证低层次设备时,既要站在高层次的角度了解事物所处的环境和关系,还要走近事物观察细节信息。

因此,装备工作特性分析,需建立“完整被试对象”的概念及系统工程理念:对任何对象或问题进行分析,视角不同时,获取的信息差异也大相径庭,所谓“完整被试对象”,主旨就是强调要从多层视角观察被试对象,不再将被试对象限定于最低层次的具体设备。例如,针对雷达系统的验证,当以装备整体视角分析被试对象时,被试对象可以是“配装在作战飞机上的雷达系统”,作战平台作为被试对象的承载平台也将对雷达性能带来不同的影响因素(例如天线孔径布局)。研究以“先整体、后局部”顺序开展,也可以“先局部后整体”,但研究工作应包括以下几个方面:

a)正确定义系统的边界范围;以不同视角开展研究,首先要正确定义“系统”的边界,系统边界以外均可以视为环境。当将“雷达和载机平台”视为一个大系统时,环境就是系统之外的所有范围;而当观察对位为雷达本体时,载机平台也是雷达重要的载体环境。

b)建立“完整被试对象”的概念及系统研究理念:研究强调系统观点,既要站在高层次的角度了解系统所处的环境和关系,还要走近系统观察细节信息,从高层次的角度即自上向下看待系统。研究时,首先注意大系统与环境相互作用;其次关注下层子系统如何综合完成系统目标;最后关心单独组件/设备,系统的层级描述见图2所示,在所有相关功能关系中应从层级角度关注大系统、子系统、组件。

图2 系统的层级描述

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c)一般来讲,航电武器装备验证层级包括3层:系统所在的航空电子系统与平台组成的大系统、系统航空电子系统、子系统,这3个层级不可或缺,相互补充,通过3个层级分析,才能掌握被试对象的内部机理和外部特性。对航电武器系统的观察视角可以分解为:

1)以“外部视角”观察,研究对象为“包含作战飞机在内的大系统”,分析应着重研究:①装备作战所处的典型环境,包括典型电磁环境、典型地理环境、典型气象环境、典型作战对象环境等,以高原直升机为例,其所配装的航空电子系统验证必须要考虑高原地理环境及气象环境特点;②平台与系统相互作用所产生的新属性,对于以射频系统为主的航空电子系统,尤其要注意装机后天线孔径布局,因为天线孔径布局直接影响机体遮挡程度、天线隔离度以及方向图畸变程度(尤其在高机动飞行条件下);③体系接口:信息化作战中体系接口越来越重要,体系接口包含通信接口以及保障接口。

2)以“系统视角”观察,研究对象为“分系统及其交联子系统”, 分析应着重研究:①系统之间的接口关系,接口关系应包含功能逻辑接口关系以及信息传递接口关系。②全机电磁频谱分布,由于航电系统大部分为射频系统或基于射频系统工作,试验前需要了解全机系统电磁频谱分布图,有助于掌握射频设备之间的频谱资源的使用、竞争及潜在冲突。③装机环境:装机环境对航电系统工作影响较大。装机环境一般包括载机飞行环境、振动环境以及机内电磁环境、载机飞行包线限制条件等。航电系统必须适应平台所营造使用环境,例如歼击机除正常稳定飞行外,作战中还会进行横滚、盘旋、筋斗等各类垂直或水平机动,如果装备效能下降,则需要评估降级程度。

3)研究对象为“子系统本体”。在这个层次,以内部视角观察子系统,目的在于观察系统细节信息。分系统是构建整体的基础,该视角侧重各分系统工作特性、机理及分系统内部接口关系,包括:①系统的工作特性及主要机理。以通信系统为例,首先要研究对应频段电波传播特性,因为不同频段电磁波信道特性差异较大,试验需系统分析被试对象与环境如何进行能量交换并相互影响。②天线的技术特性,包括其极化方式、波束宽度、尺寸、天线方向图等,例如,窄波束雷达可以提高功率密度,从而提高角度分辨率。③系统各功能模式的技术原理及其技术局限性,包括不同功能模式或状态的定义,工作流程,设计逻辑,人机交互关系。④系统灵敏度、增益、带宽等典型技术指标。⑤系统内部接口关系,以指令/响应逻辑以及数据传递接口分析。

对装备工作特性3个视角分析示意图详见图3、图4、图5。