劉志鵬， 王 軍， 趙永庫(kù)

(航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，西安 710089)

0 引言

傳統(tǒng)的機(jī)載武器集成采用面向過(guò)程的開(kāi)發(fā)手段，模塊化和封裝性差，載機(jī)所掛的武器型號(hào)、數(shù)量、掛點(diǎn)等在設(shè)計(jì)階段就已確定[1]，加裝新武器時(shí)需對(duì)武器接口、懸掛物管理、攻擊流程、人機(jī)界面和數(shù)據(jù)流等進(jìn)行較大改動(dòng)，甚至重新設(shè)計(jì)，致使武器集成過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)、成本高，很難在短期內(nèi)形成戰(zhàn)斗力。

隨著續(xù)航時(shí)間和載彈量的增加，飛機(jī)需要攜帶多種類(lèi)型的武器以應(yīng)對(duì)日趨復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，武器的快速集成能力成為提升飛機(jī)戰(zhàn)斗力的關(guān)鍵。為此，美國(guó)、歐洲等提出了“即插即用武器”的集成技術(shù)，希望在不修改系統(tǒng)軟、硬件的前提下將新武器集成到任何一架飛機(jī)上[2]。本文在梳理和對(duì)比分析國(guó)外即插即用機(jī)載武器集成技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，針對(duì)國(guó)內(nèi)機(jī)載武器集成技術(shù)的現(xiàn)狀提出了未來(lái)的發(fā)展方向。

1 即插即用武器集成技術(shù)理念的發(fā)展

即插即用武器集成技術(shù)的內(nèi)涵并非是一成不變的，而是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了一個(gè)從初期的為有效提高飛機(jī)/懸掛物兼容性到即插即用，再到即插即戰(zhàn)概念的發(fā)展歷程[3]。

1) 初級(jí)階段，提高兼容性。目的是提高飛機(jī)/懸掛物間機(jī)械和電氣接口的兼容性，技術(shù)成熟的標(biāo)志是MIL-STD-1760C標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，目前已升級(jí)至E版。

2) 中級(jí)階段，即插即用理念的出現(xiàn)。2003年后，隨著MIL-STD-1760系列標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充完善和開(kāi)放式架構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用，美國(guó)開(kāi)始推廣通用武器接口技術(shù)，有效提高了飛機(jī)和武器之間的互用性。該階段關(guān)注點(diǎn)為飛機(jī)及其武器系統(tǒng)，因此稱(chēng)為狹義上的即插即用，支持武器系統(tǒng)在不同平臺(tái)間的快速移植。

3) 高級(jí)階段，即插即戰(zhàn)理念的出現(xiàn)。隨著近年來(lái)網(wǎng)絡(luò)和信息化技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)成為網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)體系下的戰(zhàn)斗單元之一，需要根據(jù)作戰(zhàn)需求靈活變更加載的武器[4]。該階段利用超系統(tǒng)的概念，著眼于面向服務(wù)的作戰(zhàn)體系，故稱(chēng)為廣義的即插即用，也就是即插即戰(zhàn)，不僅支持快速移植其他飛機(jī)的武器系統(tǒng)，也提高了本機(jī)的新武器集成速度。

2 國(guó)外機(jī)載武器集成技術(shù)現(xiàn)狀

早在1998年，北大西洋公約組織(NATO)就開(kāi)始讓北約工業(yè)顧問(wèn)組織(NIAG)的第二航空小組專(zhuān)門(mén)研究解決載機(jī)、發(fā)射裝置與武器間的互用性(ALWI)問(wèn)題，這項(xiàng)研究包括收集載機(jī)武器信息，確認(rèn)需要協(xié)同工作的方面，列出在未來(lái)需要增強(qiáng)協(xié)同能力的地方等3個(gè)ALWI專(zhuān)題研究[5]。

ALWI系列研究確認(rèn)了航空領(lǐng)域“即插即用”概念和目標(biāo)的正確性，ALWI-1專(zhuān)題研究提出了關(guān)于規(guī)范飛機(jī)/武器間的通用接口的建議，并由此產(chǎn)生了美國(guó)的通用武器接口UAI方法；ALWI-CI專(zhuān)題在此基礎(chǔ)上對(duì)飛機(jī)/懸掛物接口框架進(jìn)行了研究，提出了基于MDA的武器集成方法。這兩種方法分別以飛機(jī)/武器電氣連接系統(tǒng)技術(shù)和開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)為技術(shù)基礎(chǔ)，是目前主流的兩種即插即用武器集成實(shí)現(xiàn)方式，下面將對(duì)這兩種方法的技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。

2.1 通用武器接口方法

通用武器接口(Universal Armament Interface，UAI)方法的目的是通過(guò)制定飛機(jī)-懸掛物的通用接口標(biāo)準(zhǔn)，為平臺(tái)、精確打擊武器和任務(wù)規(guī)劃提供標(biāo)準(zhǔn)化的軟硬件接口，提高飛機(jī)和武器間的互用性，從而實(shí)現(xiàn)武器即插即用集成。

2.1.1 飛機(jī)/武器電氣連接系統(tǒng)技術(shù)-通用武器接口方法技術(shù)基礎(chǔ)

以MIL-STD-1760標(biāo)準(zhǔn)為代表的飛機(jī)/武器電氣連接系統(tǒng)技術(shù)是武器接口實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)[6]。如圖1所示，1760標(biāo)準(zhǔn)對(duì)飛機(jī)/懸掛物電氣接口進(jìn)行了規(guī)范化，提高了現(xiàn)代飛機(jī)/懸掛物產(chǎn)品接口的互用性，取得了舉世矚目的成果。美國(guó)通過(guò)不斷實(shí)踐總結(jié)、升級(jí)完善，于2007年發(fā)布了相對(duì)穩(wěn)定的1760E版；近幾年又補(bǔ)充了小型任務(wù)懸掛物接口AS5725、微型彈藥接口標(biāo)準(zhǔn)AS5726 及一系列的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)[7]，逐步形成以1760標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的系列化標(biāo)準(zhǔn)體系。

雖然1760標(biāo)準(zhǔn)有效地減少了接口的類(lèi)型和數(shù)量，提高了現(xiàn)代飛機(jī)/懸掛物產(chǎn)品接口的互用性，但仍不能滿(mǎn)足機(jī)載武器系統(tǒng)快速集成、快速打擊能力的需求。具體來(lái)說(shuō)，就是當(dāng)載機(jī)在加裝任何一種新型武器時(shí)，均需重新簽訂接口控制文件，并據(jù)此對(duì)機(jī)載武器系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

圖1 MIL-STD-1760標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的接口

2.1.2 實(shí)現(xiàn)原理

UAI方法是為了克服MIL-STD-1760不能適應(yīng)不同飛機(jī)結(jié)構(gòu)差異巨大的固有缺點(diǎn)而產(chǎn)生的，該方法主張通過(guò)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的飛機(jī)/武器間物理、電氣和邏輯接口，定義通用飛機(jī)/懸掛物接口、通用接口控制文件(ICD)格式、通用控制和顯示接口、通用任務(wù)數(shù)據(jù)交換和傳輸格式、通用允許發(fā)射區(qū)(LAR)算法/系數(shù)5種基本的通用接口和通用配置文件的格式[8]，從而為飛機(jī)/武器集成提供了即插即用的、標(biāo)準(zhǔn)化的軟硬件接口，縮短新型武器系統(tǒng)的集成時(shí)間，降低系統(tǒng)集成的成本。

2.1.3 應(yīng)用現(xiàn)狀

2003年，美國(guó)啟動(dòng)了UAI研究計(jì)劃，于2004年正式開(kāi)始開(kāi)發(fā)，2006年左右結(jié)合聯(lián)合制導(dǎo)攻擊武器(JDAM)的使用推廣而開(kāi)展驗(yàn)證工作，目前已經(jīng)在空軍和海軍的10余種型號(hào)的飛機(jī)上(F-16，F(xiàn)-15E，F(xiàn)-35A/C/D，B-2，AV-8B) 得到應(yīng)用[9]。

通過(guò)多年驗(yàn)證，該方法取得了巨大的成功，實(shí)踐表明：新型機(jī)載武器集成并形成戰(zhàn)斗力的時(shí)間周期和成本均減少85%以上。目前美軍正在全面推行UAI標(biāo)準(zhǔn)，北約組織也在UAI標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制定并推行北約組織通用武器標(biāo)準(zhǔn)(NUAI)，使各成員國(guó)的軍機(jī)能夠快速和經(jīng)濟(jì)地集成本國(guó)和盟國(guó)的機(jī)載武器。

2.2 模型驅(qū)動(dòng)架構(gòu)方法

模型驅(qū)動(dòng)架構(gòu)(Model Driven Architecture，MDA)方法是一種利用模型進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的方法，目的是提高武器系統(tǒng)的互用性和移植性，利用模型易于改進(jìn)和重新驗(yàn)證的優(yōu)點(diǎn)，極大地降低了武器集成的成本。

2.2.1 開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù)-MDA方法技術(shù)基礎(chǔ)

開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)是MDA方法實(shí)現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)之一。開(kāi)放式系統(tǒng)是指將符合標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范的不同部件連接在一起而構(gòu)成的系統(tǒng)，先后出現(xiàn)諸如IMA/DIMA綜合模塊化電子技術(shù)、通用開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)框架(GOA)、ASAAC架構(gòu)、FACE2.0未來(lái)能力環(huán)境[9]等多種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

其中，GOA框架是美國(guó)在SAE AS4893《通用開(kāi)放式結(jié)構(gòu)(GOA)框架》中提出的一種通用的開(kāi)放式航電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，是開(kāi)放式架構(gòu)的重要標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 通用開(kāi)放式結(jié)構(gòu)(GOA)框架

GOA框架規(guī)定了應(yīng)用軟件層、系統(tǒng)服務(wù)層、資源訪問(wèn)服務(wù)層和硬件資源層4個(gè)系統(tǒng)層次以及如圖2所示的9類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)接口[10]，將軟件系統(tǒng)劃分為一系列具有標(biāo)準(zhǔn)接口的功能模塊，每個(gè)模塊都可獨(dú)立升級(jí)和擴(kuò)展，極大地提高了系統(tǒng)的開(kāi)放性和可移植性。

從2015年初到現(xiàn)在，美國(guó)諾格公司和洛·馬公司已在多型軍機(jī)上開(kāi)展符合美國(guó)空軍開(kāi)放式任務(wù)系統(tǒng)(OMS)標(biāo)準(zhǔn)要求的開(kāi)放式架構(gòu)試飛，這些軍機(jī)包括諾格公司的RQ-4“全球鷹”高空長(zhǎng)航時(shí)偵察無(wú)人機(jī)和B-2A“幽靈”隱身轟炸機(jī)，以及洛·馬公司的U-2“龍女”高空偵察機(jī)等[11]。試飛結(jié)果表明，開(kāi)放式系統(tǒng)具有好的互操作性、移植性、擴(kuò)展性，為即插即用武器集成技術(shù)的發(fā)展鋪平了道路，大幅降低了集成成本和時(shí)間。

2.2.2 實(shí)現(xiàn)原理

MDA方法是北約組織借鑒了美國(guó)UAI的成功經(jīng)驗(yàn)，在開(kāi)放式架構(gòu)技術(shù)和模型驅(qū)動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上形成的基于通用懸掛物控制服務(wù)的即插即用方式，發(fā)展了即插即用的概念，更適合于今后的系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)空間戰(zhàn)方面的應(yīng)用服務(wù)。

如圖3所示，MDA方法是一個(gè)基于不同抽象級(jí)別的系統(tǒng)框架模型的軟件開(kāi)發(fā)方法[12]，該方法摒棄了傳統(tǒng)的編碼方式，改變了以文件為中心的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程，以模型的定義開(kāi)發(fā)作為軟件開(kāi)發(fā)的驅(qū)動(dòng)因素。北約組織ALWI研究首次提出將MDA方法應(yīng)用于武器即插即用集成，該方法主要從以下3個(gè)方面入手實(shí)現(xiàn)即插即用武器集成：

1) 將模型應(yīng)用到具體問(wèn)題設(shè)計(jì)過(guò)程中，從不同的視角對(duì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過(guò)工具完成代碼的自動(dòng)轉(zhuǎn)換；

2) 采用開(kāi)放式航電系統(tǒng)架構(gòu)，開(kāi)發(fā)了通用飛機(jī)-懸掛物接口框架架構(gòu)(GASIF)[13]，提供了合適的接口模型實(shí)現(xiàn)飛機(jī)/懸掛物間的接口協(xié)議；

3)設(shè)計(jì)通用的武器控制接口API,通過(guò)配置技術(shù)實(shí)現(xiàn)SMS軟件的功能重構(gòu)，在不修改軟件的前提下實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同武器的管理。

圖3 基于MDA的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

2.2.3 應(yīng)用現(xiàn)狀

MDA方法的最終目標(biāo)是開(kāi)發(fā)人員只需建立平臺(tái)無(wú)關(guān)模型，就可由工具完成平臺(tái)相關(guān)模型和代碼的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。其中，武器集成領(lǐng)域的技術(shù)人員負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)的分析和建模，模型和代碼的轉(zhuǎn)換工具由軟件工具商負(fù)責(zé)研發(fā)和提供。

目前存在的MDA工具主要是針對(duì)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境和JAVA語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的[14]，轉(zhuǎn)換得到的代碼無(wú)法滿(mǎn)足機(jī)載軟件高安全性和高可靠性的要求，還需大量的代碼修改和測(cè)試工作。由于模型轉(zhuǎn)換機(jī)制和工具都還不太成熟，MDA方法尚無(wú)具體型號(hào)應(yīng)用。

2.3 UAI方法和MDA方法對(duì)比

UAI方法與MDA方法的對(duì)比如圖4所示。UAI方法和MDA方法同源，都是從對(duì)北約組織的飛機(jī)、發(fā)射裝置及武器互用性ALWI研究中催生出的概念，這兩種方法并非嚴(yán)格對(duì)立的，而是互為補(bǔ)充，從不同的角度提供了武器即插即用集成的實(shí)現(xiàn)思路[15]。

圖4 兩種即插即用方法的對(duì)比

UAI方法是美國(guó)投資的，目前經(jīng)過(guò)驗(yàn)證、相對(duì)成熟的技術(shù)，也是美國(guó)正在大力推廣和實(shí)現(xiàn)的技術(shù)；MDA方法是從UAI開(kāi)發(fā)中分離出來(lái)的方法，在借鑒了UAI的成熟經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，允許設(shè)計(jì)人員從系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的整體角度分析飛機(jī)和懸掛物的互用性問(wèn)題，因而能提供更高程度的靈活性。

相比UAI方法，MDA方法的轉(zhuǎn)變主要表現(xiàn)在以下4個(gè)方面：1)由開(kāi)發(fā)平臺(tái)ICD轉(zhuǎn)變?yōu)檫x擇平臺(tái)所需的功能；2)由定義作戰(zhàn)飛行軟件的需求轉(zhuǎn)變?yōu)槎x配置文件的需求；3)由開(kāi)發(fā)軟件編碼轉(zhuǎn)變?yōu)檠邪l(fā)配置文件；4)由開(kāi)發(fā)軟件編碼轉(zhuǎn)變?yōu)殚_(kāi)發(fā)系統(tǒng)模型。

3 國(guó)內(nèi)機(jī)載武器即插即用集成技術(shù)發(fā)展的建議

在飛機(jī)/懸掛物接口標(biāo)準(zhǔn)化研究方面，目前國(guó)內(nèi)新研和改研的戰(zhàn)機(jī)，其武器、發(fā)射裝置及武器管理系統(tǒng)，基本上都已經(jīng)貫徹或部分貫徹GJB 1188A《飛機(jī)/武器電氣連接系統(tǒng)接口要求》和GJB 1B/C《機(jī)載武器和懸掛裝置結(jié)合部位的通用設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》[16]，飛機(jī)/懸掛物通用邏輯接口標(biāo)準(zhǔn)的制定也在逐步推行之中。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定和貫徹降低了武器集成難度，節(jié)約了集成成本，加快了武器集成進(jìn)度，已經(jīng)取得一定程度的效果。

在開(kāi)放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究方面，國(guó)內(nèi)還處于理論探索階段，尚缺乏明確的工程化實(shí)現(xiàn)方法，沒(méi)有在具體型號(hào)中的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)飛機(jī)仍采用緊耦合的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，飛機(jī)/懸掛物間的邏輯接口尚未規(guī)范[17]，尚無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)面向服務(wù)的作戰(zhàn)體系需求。

參照國(guó)外即插即用機(jī)載武器集成技術(shù)的發(fā)展歷程，國(guó)內(nèi)可以按照以下4個(gè)方向展開(kāi)研究工作。

1) 采用開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。參考美國(guó)最新推動(dòng)的FACE架構(gòu)，采用“系統(tǒng)資源層+平臺(tái)服務(wù)層 +應(yīng)用層”3層結(jié)構(gòu)形式，系統(tǒng)資源層為航電系統(tǒng)上層功能提供硬件環(huán)境，平臺(tái)服務(wù)層對(duì)應(yīng)軟件能力環(huán)境，通過(guò)平臺(tái)服務(wù)功能組件化和接口標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)航電任務(wù)系統(tǒng)分層解耦，支持功能的組合和配置，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的接口協(xié)議，將應(yīng)用軟件與硬件資源、網(wǎng)絡(luò)通信解耦，使應(yīng)用功能易于實(shí)現(xiàn)、擴(kuò)展、移植、重構(gòu)及維護(hù)。

2) 開(kāi)展新版飛機(jī)/懸掛物電氣連接接口標(biāo)準(zhǔn)的制定。隨著載機(jī)掛載武器數(shù)量的增加和傳輸數(shù)據(jù)類(lèi)型的變化以及新型武器的不斷出現(xiàn)，GJB1188A已不能滿(mǎn)足要求，需對(duì)其進(jìn)行重新修訂，特別是對(duì)高速光纖傳輸技術(shù)和高速1553B總線(xiàn)技術(shù)的研究。

3) 開(kāi)展通用武器接口技術(shù)研究。制定飛機(jī)/懸掛物邏輯接口標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)通用顯示控制接口、通用接口控制文件格式、通用任務(wù)數(shù)據(jù)交換及傳輸格式和LAR算法/系數(shù)進(jìn)行定義，從掛架、懸掛物管理、火控解算、顯示控制及數(shù)據(jù)流傳輸?shù)雀鱾€(gè)層面，建立標(biāo)準(zhǔn)的接口和流程，打通武器懸掛、投放、顯示控制的各個(gè)環(huán)節(jié)。

4) 開(kāi)展基于MDA的航電系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證方法的研究。針對(duì)機(jī)載軟件的高可靠性和高安全性要求，一方面要開(kāi)展基于UML等建模語(yǔ)言的復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)建模方法，探索可靠性和安全性等非功能行為的形式化描述和驗(yàn)證機(jī)制；另一方面要對(duì)模型轉(zhuǎn)換規(guī)范和算法進(jìn)行研究及優(yōu)化，開(kāi)發(fā)專(zhuān)用于機(jī)載軟件模型轉(zhuǎn)換和代碼生成的工具，確保可以通過(guò)自動(dòng)轉(zhuǎn)換得到可用的高質(zhì)量代碼。

4 結(jié)論

即插即用機(jī)載武器集成技術(shù)是開(kāi)發(fā)新一代戰(zhàn)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，美國(guó)和北約組織分別從接口的標(biāo)準(zhǔn)化和開(kāi)放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)兩種視角出發(fā)，制定了互為補(bǔ)充的UAI方法和MDA方法，搭建了即插即用機(jī)載武器集成的理論和標(biāo)準(zhǔn)體系。我國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域的研究還較為缺乏，急需開(kāi)展相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定和技術(shù)研究工作，逐步形成國(guó)內(nèi)的即插即用機(jī)載武器集成方法。