火力控制計算機:相關知識,火力控制系統,計算機的發展,硬體系統,硬體系統的發展趨勢

航空火力控制系統中用於數據計算和指令處理的計算機統稱為火力控制計算機。

人類自發明計算機至今己經歷了四代:第一代的模擬計算機構、第二代的數字式電子計算機、第三代的大規模積體電路計算機、第四代的超大規模積體電路計算機。而計算機被套用到航空火力控制系統中的時間則要追溯到20世紀60年代，從第二代戰機使用計算機進行簡單的武器瞄準計算到第三代戰機使用的綜合任務計算機，再到目前的計算機網路系統，其發展速度令人膛目，計算機技術的每一次重大進步，都促使整個航空火力控制系統技術的突飛猛進，促使航空作戰的模式發生質的改變。

基本介紹

中文名：火力控制計算機
外文名：fire control computer
用於：火力控制系統

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硬體系統

受硬體技術的制約，一些老式的飛機上可能有很多計算機，比如老式的B-52戰略轟炸機，其機載計算機的數量超過200台，而隨著超大規模積體電路的設計和製造工藝的進步，新近研發的載機上，其計算機的數量、質量和體積顯著下降，而各項性能卻大幅上升。

硬體系統的發展趨勢

1)計算機的架構體系逐漸向高度綜合化的中央處理機形式發展
美國的F-22和俄羅斯的T-50戰機均採用中央處理機的架構，以下以T-50飛機的任務計算機為例說明。
T-50為俄羅斯研製的第五代空中優勢戰鬥機，其火力控制計算機採用中央處理機架構，即由一套中央處理機(BVS-1)處理全機數據，從而使計算機硬體規格化、各種航電邏輯可公用許多運算邏輯，提高綜合化程度，有效降低空間尺寸、質量、檢修和維護成本等。
BVS-1綜合了數個通用數據處理模組MPON-2(主CPU模組或主機模組)、信號處理模組(專用計算模組)、數據交換模組MK-15、電源轉換模組、寬頻ARINC-64匯流排或ARINC-818光纖匯流排接口模組(模間通信)、雙向多模光纖通信模組(對外通信)以及個別傳統的接口模組(離散量接口模組、RS-232, 100Mb/s區域網路等)，採用一個機箱，整體結構簡單，體積小巧，質量只有15kg，並且採用氣冷方式，安裝使用都非常方便。

2)計算機的信息處理能力呈幾何倍數增長
根據美軍的統計，自20世紀70年代中到90年代的20年內，對機載任務計算機的性能參數要求增長了兩個數量級，處理器件和存儲器件性能年增長速度也遠遠大於50%。例如，70年代研製的F-18戰鬥機是當時裝備航空電子設備性能最完善的戰鬥機，然而其任務計算機的數據處理能力不過為1 MIPS，而在90年代為下一代F-2戰鬥機所研製的CIP(通用綜合處理機)為32位精簡指令(RISC )並行處理機，處理能力為400 MIPS，為早期的F-8戰鬥機的400倍，F-8戰鬥機的信號處理能力幾乎為零，而CIP的信號處理能力為8000MOPS(百萬次定點運算/秒)和2350MFLOPS(百萬次浮點運算/秒)。

3)計算機通信效率大幅提高
隨著寬頻、大容量、高速數據交換技術的發展，使得航空火力控制系統的通信效率大幅提高，並極大地推動了C4ISR系統內各種信息的機內、機間和機站之間的交換速率。

硬體系統的關鍵技術

從上述發展趨勢可以看出，當前形勢下機載任務計算機的關鍵技術主要包括以下三項。
1)硬體綜合技術
計算機硬體綜合技術是指以最少量的硬體功能模組、配以適當的內部和外部接口形式，構建完整的計算機架構體系，用以完成最大量的計算和指令處理功能的技術。若計算機的綜合化水平高，則可以有效降低機載任務計算機的數量，降低機內占有空間和質量，同時，合理調度各模組的功能更有利於提高計算機整體性能的發揮。
2)高性能晶片技術
使用更高性能的晶片可使計算機的各項性能大幅提高，包括數據和指令處理能力、存儲容量、信息傳輸能力等，可以說，計算機從出現到今天的狀態，最大的技術進步就是晶片技術。後續計算機晶片研發可能採用的途徑包括：

a)繼續提高電路模板及元器件的集成度，如減小電路內部線寬，降低電路內部極間電容，提高電子遷移速度，從而提高器件運算速度;
b)採用新材料製造元器件，比如採用砷化稼材料製造的線路，可以使電子遷移的速度成數倍增長;
c)研究光處理機。光子在光纖中的傳輸速度是電子在傳統電路中傳輸速度的上千倍，而且不受電磁干擾的影響、不易發生故障，該技術目前己成為美軍的重點研究項目。

3)信息交換技術
信息交換技術是指計算機內部功能模組之間以及計算機與外部設備之間以數據形式相互傳輸各種信息的能力。高速數據匯流排被稱為信息的高速公路，是目前及今後最廣泛採用的信息傳輸方式，在後續的機載匯流排技術發展中，光纖技術將成為重點。採用光纖數據匯流排的優勢在於:

a)光信號在光纖中傳輸速度是電子在金屬線路中傳輸速度的上千倍;
b)光纖匯流排具有較高的頻寬，同時可採用時分制(TDM) ，頻分制(FDM)和波長分制(WDM)技術，能夠大幅提高傳輸頻寬和速率;
c)光纖匯流排功耗低、體積小、質量輕，套用後可減少載機質量;
d)光纖匯流排的數據傳輸距離遠，可達到公里級。

e)光纖匯流排具有高強度的抗電磁和多頻譜電磁輻射干擾性能，這一點具有特別重要的意義，如在飛機上都採用光纖數據匯流排和光傳操縱系統，僅禁止材料就可能使現代的作戰飛機減少數百至上千公斤的質量。

軟體系統

飛機航電系統的軟體稱為作戰飛行軟體(OFP)。隨著現在飛機多任務、多功能、高智慧型和自動化處理等要求的提出，使得航空火力控制系統己從電子和機械密集型過渡到了軟體密集型，如前所述，航空火力控制系統的任
務計算機數量在減少、硬體大綜合，但軟體的規模卻在不斷膨脹，這對軟體的質量、可靠性、研發速度等提出了史無前例的高要求。

軟體系統發展趨勢

1)軟體規模及開發工作量增長快速
據美國軍方的統計，作戰飛機的軟體需求量大概4一5年增長一倍，而軟體的生產能力每年只增長3%-4%，遠遠達不到需求；OFP在戰鬥機成本中所占的比重和研製難度越來越大，美國空軍的軟體費用己超過總研製預算的10%，但在各關鍵技術中，軟體卻是頭號困難和落後的問題，對系統研製進度的拖累最為嚴重。據統計，僅美軍F-6飛機的一個導航和瞄準吊艙的軟體就達到4 000 G條指令，需要花費120人/年才能編寫完這些軟體。

2)軟體複雜度大幅提高
軟體的複雜度一般與軟體規模增長倍數的平方成正比，航空火力控制系統軟體規模的大幅增長使得軟體的複雜度急劇增加，對軟體的可靠性、可維護性等帶來極大挑戰。據統計，在20世紀90年代初，由於軟體故障導致
計算機系統失效的比例己達到50%左右，到21世紀初，這一比例己達到70%左右。軟體故障所帶來的後果往往是很嚴重的，例如1996年歐洲阿麗亞娜火箭由於控制計算機軟體錯誤導致火箭升空後爆炸事故、1976年紐西蘭一架民航客機因飛控軟體錯誤導致飛機撞山事故、20世紀出現的全球計算機千年蟲問題、F-2飛機由美國本土飛至日本時出現時鐘錯誤導致機載導航系統故障問題等，每一個事故都帶來了巨大的損失，一些小的軟體故障則更多，只不過未導致嚴重後果而未被人們關注。為了提高軟體的各項性能，各種軟體工程、軟體測試的理論和方法在近些年逐漸被提出，並逐漸得到套用和完善，這在很大程度上提高了軟體的可靠性和可維護性等指標。

軟體系統的關鍵技術

以下分析的兩大類功能中的關鍵技術，也可以看做是火控系統總體技術，但其最終實現方式是軟體，因此，本文將其劃分為軟體關鍵技術。

1)超視距攻擊、越肩發射、多目標攻擊、近實時的遠程精確目標軌跡跟蹤指示等新型攻擊方式。現代空戰中，先發制人、將敵人消滅在己方安全區外的超視距攻擊、多目標攻擊等成為主要的空戰方式;在對地、對海攻擊
時，遠程、防區外精確打擊時敏目標成為主要攻擊方式，在這些攻擊方式中，火控系統軟體完成目標參數解算、飛彈裝訂參數解算、載機發射引導參數解算等，需研究的關鍵技術是火控解算原理，即常說的數學模型，包括超
視距攻擊火控原理、多目標攻擊火控原理、越肩發射火控攻擊原理以及遠程防區外空面飛彈實時航路規劃模型、高精度圖像匹配處理等。
2)飛行員助手。在偵查、決策、打擊和評估的察打一體過程中，最關鍵和困難的環節就是由飛行員執行的決策功能，此項功能是未來智慧型火控系統的核心功能之一。該項功能要求火控系統任務計算機主要完成以下工作:
綜合收集戰場態勢信息、進行數據融合、自動目標識別和分類、威肋、排序、綜合態勢信息顯示、戰術決策、自動分配火力、自動瞄準、任務規劃、毀傷效果評估等，為飛行員快速準確地作出決定提供支持，從而縮短對目標從偵查到摧毀的時間，並提高攻擊準確性，大大減輕飛行員工作量和決策難度。

火力控制計算機

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火力控制系統

計算機的發展