苗軍民，史志釗，毛春城，史兆明

(光電控制技術重點實驗室，河南 洛陽 471000)

0 引言

隨著航空技術的進步，機載平臺及武器種類越來越多，使用范圍越來越廣[1]。機載平臺在壽命周期內，需要根據(jù)軍事需求的變化，不斷地整合新武器到平臺上。機載平臺和武器之間互用性差造成了機載武器的集成周期長、集成成本高、所需的集成與保障人員多以及所需的保障設備種類多且數(shù)量大等問題，嚴重遲滯了裝備戰(zhàn)斗力的形成。

為了改善機載平臺和武器之間的互用性，國外在制定并不斷完善飛機/懸掛物電氣接口標準MIL-STD-1760之后，提出了即插即用武器(PnPW)集成的概念。

北約第2航空小組開展了飛機、發(fā)射裝置及武器互用性(ALWI)研究項目，研究的最終目的是期望實現(xiàn)武器系統(tǒng)集成的即插即用能力。美國國防部正在全面推行的通用武器接口(UAI)項目是即插即用武器集成的第一次實踐性嘗試，使軍機集成新型武器并形成戰(zhàn)斗力的時間周期和成本均降低25%以上[2]。

我國的即插即用武器集成研究尚處在起步階段。本文通過研究基于開放式體系結構的武器集成框架，提出了一種武器即插即用集成的配置方法，并在機載武器即插即用集成仿真驗證平臺上進行了驗證。

1 即插即用武器集成

1.1 基本概念

即插即用武器集成是一種全新的武器系統(tǒng)集成概念，是指通過建立開放式的系統(tǒng)構型及軟件框架，制定標準化的飛機/懸掛物互聯(lián)接口，提高飛機武器控制系統(tǒng)與武器之間的互用性和通用性，實現(xiàn)由設計時段武器集成轉變?yōu)閼脮r段武器集成[3]。理想情況下，飛機平臺和武器在集成之前是獨立開發(fā)完成的。將一種新武器集成到飛機平臺上時，以標準的機械和電氣接口為前提，兩者采用標準的邏輯接口發(fā)現(xiàn)并識別對方，然后重新配置飛機對武器的操作，最終使飛機獲得使用新武器的能力。并且，為了不更改飛機的軟件及硬件，對飛機的重新配置僅采用數(shù)據(jù)交換的方法完成。實際上，PnPW集成關注解決的是機載武器系統(tǒng)邏輯功能集成方面的問題，并不能解決諸如風洞測試、安全分離測試等方面的問題。

通用開放體系結構框架(GOA)和通用飛機-懸掛物接口框架(GASIF)為包括懸掛物管理系統(tǒng)在內的飛機航電子系統(tǒng)實現(xiàn)即插即用武器集成提供了開放式的技術參考模型。GOA是一種分層的面向服務的體系結構模型[4]；GASIF為飛機/懸掛物之間通信協(xié)議提供了合適的接口模型[5]。結合上述兩種技術參考模型，即插即用武器集成規(guī)定了通用ICD、任務數(shù)據(jù)交換格式[6]、通用攻擊區(qū)算法和顯示控制接口。

1.2 武器集成過程

飛機集成新武器時，具備了標準的邏輯接口、任務數(shù)據(jù)接口和顯示控制數(shù)據(jù)接口后，重新配置飛機對武器的操作，完成武器的發(fā)現(xiàn)、識別、準備和任務數(shù)據(jù)裝訂，并采用系數(shù)可配置的通用攻擊區(qū)算法，為飛行員提供武器操作提示并正確引導飛機進入攻擊區(qū)內，安全發(fā)射武器并最終命中目標。新武器的集成和使用過程，不需要更改飛機的作戰(zhàn)飛行程序(OFP)軟件，這就要求用于武器控制和攻擊區(qū)火控解算的計算機平臺都是可配置的，因此，配置文件成為了即插即用武器快速集成的一個關鍵?；诰C合模塊化航電(IMA)系統(tǒng)的即插即用武器集成的典型過程如圖1所示。

圖1 即插即用武器集成過程Fig.1 Process of plug-and-play weapon integration

圖1所示為對飛機配置的武器集成活動的主要參與者及主要功能。

1) 懸掛物管理單元：調用配置文件數(shù)據(jù)中的參數(shù)和程序，完成對武器的識別與控制。

2) 火控解算單元：調用配置文件數(shù)據(jù)中的攻擊區(qū)系數(shù)，完成攻擊區(qū)解算并為飛行員提供操作提示。

3) 大容量存儲單元：存儲并管理配置文件。

4) 任務規(guī)劃系統(tǒng)：將配置文件集成到任務規(guī)劃數(shù)據(jù)庫中，并上傳至飛機。

5) 數(shù)據(jù)傳輸設備：加載配置文件至大容量存儲單元。

6) 座艙顯示器：為集成人員提供配置文件數(shù)據(jù)庫瀏覽及操作的用戶界面。

7) 武器集成人員：獲得配置文件管理權限后，管理和維護配置文件數(shù)據(jù)庫。

2 開放式武器集成框架

懸掛物管理單元是集成一種新型即插即用武器的核心功能部件，如圖2所示，它上面運行的懸掛物管理軟件采用基于服務的開放式架構。采用該架構的武器集成框架與武器不相關，可以脫離武器支持服務獨立運行。把飛機對武器的操作抽象成武器支持服務模型，這樣就可以通過集成插入式的武器支持服務實現(xiàn)新武器的集成。

圖2 即插即用武器集成GOA框架

應用平臺是指飛機提供的軟硬件計算平臺，包括物理資源(處理器、存儲器、輸入/輸出設備和總線收發(fā)器等)、資源訪問服務(設備驅動軟件)和操作系統(tǒng)服務(為應用軟件提供可以直接訪問的4D API及藍圖管理等)。

應用軟件通過4D API訪問操作系統(tǒng)服務，實現(xiàn)懸掛物數(shù)據(jù)通信、懸掛和發(fā)射裝置(S&RE)控制、清單管理、武器選擇及配置文件管理服務功能，這些功能的服務對象是任務領域應用服務和懸掛物支持服務。任務領域應用負責監(jiān)視機上輪載等飛行狀態(tài)和來自火控任務系統(tǒng)的命令消息事件，給出頂層的武器控制指令，并向武器傳輸任務數(shù)據(jù)，同時還要實現(xiàn)BIT控制等健康管理服務功能。任務領域服務功能是通過訪問擴展的4X API提供服務的。

懸掛物支持服務包含多個獨立的武器支持服務，這些武器支持服務獨立于飛機計算平臺，可以增加和刪除，且不會影響整個武器集成框架的完整性和可執(zhí)行性。獨立的武器支持服務是成功實現(xiàn)即插即用的關鍵因素，它通過兩種4X API(懸掛物控制API和懸掛物開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)API)為任務領域應用提供武器初始化、準備和發(fā)射/投放等服務功能。

圖2所示的武器集成框架是一個飛機武器控制系統(tǒng)的抽象模型，建立可復用的、標準化的即插即用式武器支持服務模型是必要的。采用面向對象的原則對武器控制功能進行抽象層次的建模，從而能夠用數(shù)據(jù)來定義實際的武器控制行為，數(shù)據(jù)就來自配置文件。因此，在開放式的武器集成框架基礎上，為了將新武器集成到飛機平臺上，根據(jù)需要加載武器相關的配置數(shù)據(jù)文件。

3 配置

配置數(shù)據(jù)是一個獨立于飛機平臺的用于描述武器控制行為特性的數(shù)據(jù)集合。配置數(shù)據(jù)相對于飛機平臺來說是外部數(shù)據(jù)，可以被加載到飛機文件系統(tǒng)中，也可以很容易地被添加和刪除。添加一種武器的配置數(shù)據(jù)后，飛機就具備了該武器支持服務能力；刪除一種武器的配置數(shù)據(jù)，并不影響飛機武器系統(tǒng)其他武器支持服務能力的可用性。配置數(shù)據(jù)是武器專有特性的抽象，主要描述武器的懸掛物標識、重量、對載機的資源需求、控制相關時間特性、控制程序及攻擊區(qū)算法程序。

配置數(shù)據(jù)格式可以是文本格式或者二進制格式。文本格式的數(shù)據(jù)信息不能包含可執(zhí)行邏輯，僅能夠存儲初始化參數(shù)；二進制格式可以包含可執(zhí)行邏輯。

配置數(shù)據(jù)文件根據(jù)格式不同，分為文本格式的參數(shù)配置文件和二進制格式的程序配置文件(采用動態(tài)鏈接庫形式的插件)。

3.1 參數(shù)配置文件

參數(shù)類型的配置文件是特定武器的總體描述文件，主要用于飛機與武器的相互識別和提供武器的描述信息、顯示菜單位置信息以及與插件的映射信息。具體的配置參數(shù)見表1。

表1 配置參數(shù)

標準格式的即插即用參數(shù)配置文件采用電子數(shù)據(jù)表格的形式進行設計[7]。鑒于可擴展標記語言(XML)的數(shù)據(jù)可重用、可擴展性強及便于有效性驗證等特性[8]，采用XML格式作為參數(shù)配置文件的傳輸與存儲格式。以配置參數(shù)電子數(shù)據(jù)表格為輸入，開發(fā)XML格式的參數(shù)配置文件。圖2中的參數(shù)配置文件管理服務功能模塊打開并讀取XML配置文件，解析成SMS軟件和攻擊區(qū)算法軟件可用的數(shù)據(jù)類型。

3.2 程序配置文件

程序類型的配置文件是可執(zhí)行的二進制代碼文件。將實際的武器控制行為和攻擊區(qū)算法封裝成面向對象的類，編譯并連接成動態(tài)鏈接庫文件，用來定義圖2中所示的武器支持服務。武器即插即用集成GOA框架作為宿主程序，可以調用這些具有標準化API接口的動態(tài)鏈接庫文件。所以，武器支持服務實際上是一個武器控制插件，程序配置文件管理服務功能充當了插件管理器的角色[9]。

將SMS軟件中的武器初始化、準備和發(fā)射/投放功能封裝成武器控制類，并編譯連接成武器控制插件文件。將攻擊區(qū)算法軟件中的攻擊區(qū)計算公式封裝成攻擊區(qū)類，并編譯連接成攻擊區(qū)插件文件。

武器控制插件提供給武器集成框架的接口除了懸掛物控制API和懸掛物OSI API以外，還有插件管理API接口。圖2中通用武器支持服務和特定武器支持服務均采用統(tǒng)一的接口規(guī)范，分別建立通用武器控制類和特定武器控制類，對應地封裝成通用武器控制插件和特定武器控制插件。集成一種與飛機現(xiàn)有武器相類似的新型武器時，調用通用武器控制插件，僅需要單獨設計表1的內容即可。集成一種未知的差異較大的新型武器時，還需要開發(fā)特定的武器控制插件，但其接口滿足標準規(guī)范。規(guī)范化的武器控制插件API接口見表2。

表2 武器控制插件API接口

3.3 配置文件管理

在機載網(wǎng)絡文件系統(tǒng)中，開辟獨立的存儲空間作為配置文件系統(tǒng)。配置文件系統(tǒng)是飛機所支持的即插即用武器配置文件的存儲中心。配置文件系統(tǒng)的結構如圖3所示。

圖3 配置文件系統(tǒng)的結構Fig.3 Structure of configuration file system

只要飛機所支持的某種武器滿足即插即用接口規(guī)范，在配置文件系統(tǒng)中就有一個唯一的參數(shù)配置文件與其相對應。武器的控制插件和攻擊區(qū)插件既可以使用文件系統(tǒng)中已有的插件，也可以隨參數(shù)配置文件一起，在集成時單獨加載至配置文件系統(tǒng)中。通過表1中的控制類名稱和攻擊區(qū)類名稱建立武器和插件的映射關系。通過向配置文件系統(tǒng)中添加配置文件，即可完成新武器的集成而且不用更改飛機的軟硬件。

配置文件系統(tǒng)存儲在大容量存儲單元中，SMS軟件可以訪問武器目錄，通過讀取武器的參數(shù)配置文件，在本地建立支持的武器清單表和武器控制類清單表，以這兩個表為入口，即可實現(xiàn)對武器的操作與控制。

4 分析與驗證

利用機載武器即插即用集成全數(shù)字仿真驗證平臺，對上述配置技術進行驗證。其分布式配置如圖4所示。

圖4 即插即用武器集成仿真驗證平臺分布式配置Fig.4 Distributed configuration of simulation system of plug-and-play weapon integration

在PnPW武器集成驗證試驗過程中，懸掛物管理模擬器是仿真驗證的核心。為了集成一種新型武器，在任務規(guī)劃系統(tǒng)模擬器上創(chuàng)建其配置文件并更新配置文件系統(tǒng)。懸掛物管理模擬器上電后掃描最新的配置文件系統(tǒng)，建立系統(tǒng)支持的PnPW武器清單表和武器控制類清單表。武器模擬器掛載將要集成的新型武器后，武器把懸掛物描述上報給懸掛物管理模擬器，根據(jù)武器的懸掛物描述，查找PnPW武器清單表和武器控制類清單表，獲得武器屬性信息并創(chuàng)建武器控制類對象。此時，即可根據(jù)座艙顯示模擬器上輸入的武器控制指令，調用武器控制類對象的懸掛物控制API函數(shù)，完成武器的上電、初始化、任務數(shù)據(jù)加載及發(fā)射?；鹂亟馑隳M器通過加載配置文件，獲得攻擊區(qū)系數(shù)并創(chuàng)建攻擊區(qū)解算類對象，完成攻擊區(qū)解算并在座艙顯示模擬器上給出操作提示。

5 結論

本文主要開展了即插即用武器集成概念、開放式武器集成框架和配置技術的研究。經(jīng)過分析與驗證，用于機載武器即插即用集成配置技術的機理、流程及配置文件的設計方案合理可行，達到了快速集成和使用滿足即插即用接口規(guī)范的新型武器且不用修改飛機OFP軟件的研究目標。本文的研究內容可為開放式的新型機載武器集成方法的工程轉化提供技術基礎，對提高航空武器裝備的互用性、縮短機載武器集成周期和降低集成成本等研究工作具有重要意義。