当前位置 :  > 内容

美国未来战斗系统的车辆电子技术

来源:互联网 责编:大嘴 作者:佚名 时间:2009-02-17

美国陆军新一代陆战武器—FCS是世界上第一套真正的网络化系统之一,可共享数据和传感器信息,以提供整个战场的态势感知。

目前,车辆电子包括用于控制导航、通信和武器等系统的车载电子系统。从狭义上讲,车辆电子包括从芯片和电路板到显示器和功率电子元件。多年来,工程技术人员一直在研究轻量化、高功率使用率和可靠性能的最佳匹配。

我们现在生活在一个瞬息万变的时代,设计人员正在把这些分离的系统集成在一起,以得到一个统一的车辆电子网络系统,从而能够在系统、相邻车辆甚至是相邻士兵和远程指挥官之间共享数据。

分散布置于战场上的士兵、车辆、飞机、海军舰船和太空飞船等的系列传感器与网络相连,数据将通过无线战场网络传输,从而为每一名作战人员提供相同的态势感知。

新一代战场上的车辆电子将首次应用于FCS系统的有人地面平台、无人地面平台和无人机,并通过无线分布式网络把这些系统连接在一起。

装备FCS的部队能够与联合部队协同作战,其机动性强,可部署到C-130运输机能够降落的任何地方,通过间接交战替代直接交战以增强其杀伤力和生存力。

系统的关键组成部分包括连接到车辆节点的网络传感器,这些传感器使得作战人员能够看到统一的综合战场态势图像。

车辆电子的供电

据波音公司FCS项目指挥、控制、通讯、计算机与情报、监视和侦察(C4ISR)系统和软件集成方面的负责人称,网络化车辆电子系统的挑战之一是管理车辆电子的电能。波音公司和科学应用国际公司是FCS项目的主系统集成商。

8种FCS有人地面车辆和几种无人系统将采用混合电驱动结构,用柴油机给驱动车轮的电池充电。电动机产生的转矩要比内燃机大,在柴油机停止运转时,电动机能够驱动车辆在接近静默的状态下行驶。 据称,这些车辆与现有车辆不同,将是第一个混合电驱动车族。由于C4ISR系统属于车载系统,因而需要复杂的电能管理和计算。在装备FCS的作战系统中的士兵能够使用自动装填机枪摧毁8km之内的装甲目标。

车辆电子对电能管理系统的依赖是目前面临的挑战。当车长以隐身模式驱动车辆时,将关闭系统的某些子系统以节省电能。根据任务不同,用户将C4ISR系统优先权清单输入计算机,因此计算机明白哪些子系统可以暂停运行。

依据车辆任务不同,来选择需要暂停运行的部件,未来战斗系统传感器组件包括短波红外、非制冷长波红外、凝视双色红外、多功能Ka波段雷达、核生化探测器、激光成像仪、光学放大器、光电器件、夜视护目镜、全球定位系统、直视光学设备和图像增强充电耦合设备。

这些传感器分布在4种无人机、6种无人地面车辆和8种有人地面车辆上。据称,未来战斗系统的网络必须与20多个独立的系统相连,其中包括18种运载工具、网络和士兵。

网络的建立

据波音公司FCS项目有人地面车辆的负责人称,车辆电子是大型系统中的一个独立部分,当每一辆车在运行时,车辆将一直向指挥人员报告一些变量数据,如燃油、水和弹药供给等。

为确保数据传输到正确的位置,设计人员正在创建一个分布式网络,其中每一辆车和每一个士兵都作为网络中的一个节点,如果任何一个节点失效,则传输数据将绕过此节点传输。设计人员也承认,这将是一个很艰难的挑战。

据波音公司FCS项目C4ISR系统集成方面的负责人称,FCS将是部队装备的首个完全网络化的系统,它的所有的车辆和士兵都将成为无线网络上的节点,集成网络并建立数据流是下一个新的工作重点。

当联合战术无线电系统(JTRS)项目在其结构调整以后进入研发阶段时,工程技术人员将采用初期的JTRS来完成此项任务,目前该项目处于暂停状态。FCS的一种主干网将是JTRS“簇”(Cluster)1电台和其相关的宽带网络波形。对于更多的局域网,设计人员将采用JTRS “簇”5为士兵、小型无人地面车辆和无人机传输数据。

反过来,数据将通过战术作战人员信息网(WIN-T)建立卫星通信连接,并通过全球信息栅格(GIG)把数据传输给美国本土指挥官。

 陆军负责人迫切希望把FCS的相关子系统应用于战场。2004年7月,陆军负责人宣布加速把某些FCS系统交付现役部队的计划。从2008年开始,他们将采用以两年时间为间隔的四次螺旋发展计划。到2014年,陆军将拥有一个由18种核心系统和具有部分功能的其他模块化单元组成的行动单元(包括网络)。

每一个行动单元将由三个装备FCS的合成兵种营(CAB)、一个非瞄准线火炮营、一个侦察、监视和目标捕获(RSTA)中队、一个前方支援营(FSB)、一个旅级情报通信连(BICC)和一个直属连组成。

陆军将采用模块化旅级作战部队,所以通用性至关重要。研发人员将在有人地面车辆和无人车辆中采用集成计算机系统(ICS)。

ICS是一个基于商用现货供应(COTS)的系统,主要用于控制传感器、地面车辆、无人机和处理器、网络和数据存储。ICS的样品将最早于2007年装备现役“布雷德利”战车、M1坦克、“斯特赖克”车和“悍马”车。为生产ICS,波音公司正与美国通用动力先进信息系统公司和罗克威尔-克林斯公司(Rockwell Collins)联合研发。

对于不同车型,车辆电子和传感器的计算要求是不同的。与空间宽敞的步兵输送车相比,布满电线的指挥控制车有特殊的计算要求,如内存和信息安全。

 为了充分利用商用现货供应硬件,工程技术人员将把ICS设计为混合主板,包括Intel和PowerPC微处理器。多样性至关重要,这是因为ICS必须执行各种任务,从车辆电子到作战规划,再到单兵的电子邮件,以及从硬实时应用到核心任务的执行。

软件平台

把所有这些分散的软件集成为一个软件平台将是一项巨大工程。解决方案是采用多系统之系统通用操作环境(SOSCOE)。SOSCOE是允许多种应用软件同时运行的中间层,这些软件之间以及与操作系统本身是独立的,所以设计人员能够在不改变整个系统结构的条件下增加新程序。

SOSCOE体系结构将采用商业现货供应硬件、陆军联合技术体系结构(JTA)适应操作环境来为实时、接近实时和非实时操作建立通用结构。

早期系统,如21世纪旅及旅以下部队作战指挥(FBCB2)系统,非常冗长,如果需要重新编码,则需废掉整个模块。但是SOSCOE中具有操作系统抽象层,所以易于改变操作系统。

FBCB2系统是21世纪部队旅及旅以下部队作战指挥系统,是一个指挥控制和传感器融合的网络,该网络可确保小型战术单元以水平和垂直的方式集成于数字化战场共享数据。

士兵将采用FCS非瞄准线火炮来抵御网络远程精确攻击。

设计人员将设计一个具有分布式软件和处理技术的新型网络,以缓解计算工作量。为管理大量的共享数据,他们将采用一个已发布的授权模型,该模型的每一个节点向网络传输信息,但是接收人员仅接收与作战任务相匹配的数据。

另一种减轻计算工作量的方法是采用局部处理。 从网络的传感器末端开始进行压缩和处理。如果发送所有原始数据,则会造成网络阻塞。为此,必须采用各种工具管理分配的频段,如流动视频等,依靠服务质量,准确传输数据。

车辆电子的控制

每辆车上的一个重要的车辆电子部件就是人机接口(WMI),其计算机程序具有如下特征:网络作战功能、无人车辆控制、运动中连通和具有可反馈信息至网络系统的嵌入式训练。

WMI是未来战斗系统作战指挥软件的四种应用之一,它与任务规划和准备、态势理解、作战指挥与任务执行并驾齐驱。

这些软件的显示图像与每一个士兵的任务相匹配,所以FCS车辆驾驶员将看到360°的全景图像,并增加了实时提示、发动机状态、车速和其他测量仪器。同时,车长将看到一幅显示威胁、友军、地形、目标、沿途导航点和传感器位置的三维地图。另一名士兵将用WMI来监视威胁告警系统的维修日志和备份显示器的状态。

通过共享系列车辆电子数据,士兵可调节FCS的实际能力,以便通过改进态势感知来避免与敌军遭遇;通过隐藏声学和红外信号来避免探测;通过采用诱骗和干扰器来避免信号捕获;通过车辆电子对抗来避免被击中;通过较好的装甲来避免被击穿以及通过采用备用系统来避免车辆被摧毁。

车辆电子由硬件向软件演变

目前,车辆电子的发展呈现出由硬件向软件的发展趋势。这种趋势在商业领域也存在,据通用汽车公司称,软件成本占车辆总成本的1/3,至2010年,每一辆车的软件代码将达到1亿行。

FCS正在遵循同样的设想,这是因为软件比硬件电路更灵活,后者易因温度或者空气质量改变而出现故障。软件能够提供更多功能,过去车辆仅能确保正常的道路行驶,而现在车辆可提供天气、交通和导航等功能。在军事领域,车辆是通信系统的一部分,这对于敌我识别至关重要。

FCS网络将把18种有人和无人运载工具与士兵和指挥官相连接。 同样,最新的车辆电子系统依赖车辆外的网络连通性。事实上,在商业应用领域,装备OnStar网络的车辆允许驾驶员请求指示或者要求派遣救护车,在军事应用领域,则可把单独车辆连接进行集中指挥和控制。

车辆内部网络也很重要。如果FCS平台的部分电子设备被摧毁,则车辆能够自救,还可继续执行任务,这是因为车辆具有可执行不同任务的多种车载计算机,每一辆FCS车在制造时都设有备用的计算中心。

航空电子设备的设计人员采用相同的方法。据海军称,他们已限制了作战飞机的空间和电池功率。过去,通常是一台计算机用于执行X功能,另一台计算机用于执行Y功能,而现在则使用少量可执行任何工作的通用计算机。

喷气式战机可在空战中动用所有计算机资源来执行关键任务,如识别目标和避开来袭导弹,而在作战之后也将应用所有的资源来计算最佳作战路线,以对地面目标投放弹药。

未来战斗系统的维修

网络化的车辆电子通过提高训练和维修,也能提供作战之外的其他重要用途。

FCS车辆乘员能够在用于作战的同一辆车上进行训练,并在前往作战地点的途中演习特殊任务。之所以如此,这是因为训练系统已嵌入FCS平台,从仿真传感器数据和各种仪器使用到可通过网络进入的外部训练仿真,允许乘员在演习中与其他车辆,如陆军的“近战战术训练器”(CCTT),或者士兵仿真器等,一起进行训练。

同样,网络化的车辆电子将提高每一辆车的后勤和维护能力。维护人员将能够使用更多的通用部件、通用电子连接器、嵌入式诊断传感器、易接近的模块化部件和嵌入平台的维修手册等。由于每一辆车能够监视其自身系统并通过网络共享数据,基地的维修人员将能够准确预测需要更换的零件。

车辆电子的轻量化

 FCS车辆将通过无线网络共享实时传感器数据和战场态势感知,但是车辆电子设计人员也面临更多的设计挑战,其中针对于每一种有人地面车辆的车辆自身控制就是设计人员所面临的工程挑战。

据美国通用动力公司地面系统分部FCS项目有人地面车辆主要负责人介绍,FCS车辆要求能够用C-130运输机空运是其面临的巨大挑战,所以设计人员需要缩减结构、机械系统甚至发动机以满足要求,其研发团队原准备于2005年8月授予一项有关牵引驱动系统的合同,混合电驱动能够把传统柴油机的机械能转换为电能,然后由此驱动车辆。同时,他们正与供应商联合开发一种新型锂离子电池,要求其能量密度足够高以提供600V电压,并具有2kWh的容量,其重量仅为350kg。此电池将被用于启动发动机,并且不进行功率分配,这是因为电池在本质上而言是用于静默行驶的大型电容器,可提供车辆静默行驶时需要的推进能量。

FCS车辆设计为由高效柴油机和电池驱动,可以仅使用静默电池,或者在需要提速时采用这两种能源。车辆车速一般规定为72km/h,而在需要加速时,则车速可达到80~90 km/h。

车辆电子设计人员将采用用于功率分配的新型功率伸缩总线(Power Flex Bus),来缩减车辆电子的重量和体积。

该电子部件将采用扁平电缆而非圆形电缆,作为感应系数小的长寿命电容器,可提供固有的噪声抗干扰性能,这对于FCS车辆非常重要,这是因为这些车辆采用了很多电动伺服电动机,造成大量电磁干扰。

 这些电子部件就是基于金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的高密度配电设备,本质上而言是电路短路器,其重量和体积是用在“艾布拉姆斯”坦克和“布雷德利”战车上的配电箱的重量和体积的1/4。

 FCS车辆的车辆电子将主要采用600V电缆,也包括采用28V电缆的旧电子部件。车辆电子设计人员更倾向于采用600V电缆,通过采用高压电线以较少的电流来输送相同的功率,以降低重量。