當前位置 :  > 內容

美國未來戰斗系統的車輛電子技術

來源:互聯網 責編:大嘴 作者:佚名 時間:2009-02-17

美國陸軍新一代陸戰武器—FCS是世界上第一套真正的網絡化系統之一,可共享數據和傳感器信息,以提供整個戰場的態勢感知。

目前,車輛電子包括用于控制導航、通信和武器等系統的車載電子系統。從狹義上講,車輛電子包括從芯片和電路板到顯示器和功率電子元件。多年來,工程技術人員一直在研究輕量化、高功率使用率和可靠性能的最佳匹配。

我們現在生活在一個瞬息萬變的時代,設計人員正在把這些分離的系統集成在一起,以得到一個統一的車輛電子網絡系統,從而能夠在系統、相鄰車輛甚至是相鄰士兵和遠程指揮官之間共享數據。

分散布置于戰場上的士兵、車輛、飛機、海軍艦船和太空飛船等的系列傳感器與網絡相連,數據將通過無線戰場網絡傳輸,從而為每一名作戰人員提供相同的態勢感知。

新一代戰場上的車輛電子將首次應用于FCS系統的有人地面平臺、無人地面平臺和無人機,并通過無線分布式網絡把這些系統連接在一起。

裝備FCS的部隊能夠與聯合部隊協同作戰,其機動性強,可部署到C-130運輸機能夠降落的任何地方,通過間接交戰替代直接交戰以增強其殺傷力和生存力。

系統的關鍵組成部分包括連接到車輛節點的網絡傳感器,這些傳感器使得作戰人員能夠看到統一的綜合戰場態勢圖像。

車輛電子的供電

據波音公司FCS項目指揮、控制、通訊、計算機與情報、監視和偵察(C4ISR)系統和軟件集成方面的負責人稱,網絡化車輛電子系統的挑戰之一是管理車輛電子的電能。波音公司和科學應用國際公司是FCS項目的主系統集成商。

8種FCS有人地面車輛和幾種無人系統將采用混合電驅動結構,用柴油機給驅動車輪的電池充電。電動機產生的轉矩要比內燃機大,在柴油機停止運轉時,電動機能夠驅動車輛在接近靜默的狀態下行駛。 據稱,這些車輛與現有車輛不同,將是第一個混合電驅動車族。由于C4ISR系統屬于車載系統,因而需要復雜的電能管理和計算。在裝備FCS的作戰系統中的士兵能夠使用自動裝填機槍摧毀8km之內的裝甲目標。

車輛電子對電能管理系統的依賴是目前面臨的挑戰。當車長以隱身模式驅動車輛時,將關閉系統的某些子系統以節省電能。根據任務不同,用戶將C4ISR系統優先權清單輸入計算機,因此計算機明白哪些子系統可以暫停運行。

依據車輛任務不同,來選擇需要暫停運行的部件,未來戰斗系統傳感器組件包括短波紅外、非制冷長波紅外、凝視雙色紅外、多功能Ka波段雷達、核生化探測器、激光成像儀、光學放大器、光電器件、夜視護目鏡、全球定位系統、直視光學設備和圖像增強充電耦合設備。

這些傳感器分布在4種無人機、6種無人地面車輛和8種有人地面車輛上。據稱,未來戰斗系統的網絡必須與20多個獨立的系統相連,其中包括18種運載工具、網絡和士兵。

網絡的建立

據波音公司FCS項目有人地面車輛的負責人稱,車輛電子是大型系統中的一個獨立部分,當每一輛車在運行時,車輛將一直向指揮人員報告一些變量數據,如燃油、水和彈藥供給等。

為確保數據傳輸到正確的位置,設計人員正在創建一個分布式網絡,其中每一輛車和每一個士兵都作為網絡中的一個節點,如果任何一個節點失效,則傳輸數據將繞過此節點傳輸。設計人員也承認,這將是一個很艱難的挑戰。

據波音公司FCS項目C4ISR系統集成方面的負責人稱,FCS將是部隊裝備的首個完全網絡化的系統,它的所有的車輛和士兵都將成為無線網絡上的節點,集成網絡并建立數據流是下一個新的工作重點。

當聯合戰術無線電系統(JTRS)項目在其結構調整以后進入研發階段時,工程技術人員將采用初期的JTRS來完成此項任務,目前該項目處于暫停狀態。FCS的一種主干網將是JTRS“簇”(Cluster)1電臺和其相關的寬帶網絡波形。對于更多的局域網,設計人員將采用JTRS “簇”5為士兵、小型無人地面車輛和無人機傳輸數據。

反過來,數據將通過戰術作戰人員信息網(WIN-T)建立衛星通信連接,并通過全球信息柵格(GIG)把數據傳輸給美國本土指揮官。

 陸軍負責人迫切希望把FCS的相關子系統應用于戰場。2004年7月,陸軍負責人宣布加速把某些FCS系統交付現役部隊的計劃。從2008年開始,他們將采用以兩年時間為間隔的四次螺旋發展計劃。到2014年,陸軍將擁有一個由18種核心系統和具有部分功能的其他模塊化單元組成的行動單元(包括網絡)。

每一個行動單元將由三個裝備FCS的合成兵種營(CAB)、一個非瞄準線火炮營、一個偵察、監視和目標捕獲(RSTA)中隊、一個前方支援營(FSB)、一個旅級情報通信連(BICC)和一個直屬連組成。

陸軍將采用模塊化旅級作戰部隊,所以通用性至關重要。研發人員將在有人地面車輛和無人車輛中采用集成計算機系統(ICS)。

ICS是一個基于商用現貨供應(COTS)的系統,主要用于控制傳感器、地面車輛、無人機和處理器、網絡和數據存儲。ICS的樣品將最早于2007年裝備現役“布雷德利”戰車、M1坦克、“斯特賴克”車和“悍馬”車。為生產ICS,波音公司正與美國通用動力先進信息系統公司和羅克威爾-克林斯公司(Rockwell Collins)聯合研發。

對于不同車型,車輛電子和傳感器的計算要求是不同的。與空間寬敞的步兵輸送車相比,布滿電線的指揮控制車有特殊的計算要求,如內存和信息安全。

 為了充分利用商用現貨供應硬件,工程技術人員將把ICS設計為混合主板,包括Intel和PowerPC微處理器。多樣性至關重要,這是因為ICS必須執行各種任務,從車輛電子到作戰規劃,再到單兵的電子郵件,以及從硬實時應用到核心任務的執行。

軟件平臺

把所有這些分散的軟件集成為一個軟件平臺將是一項巨大工程。解決方案是采用多系統之系統通用操作環境(SOSCOE)。SOSCOE是允許多種應用軟件同時運行的中間層,這些軟件之間以及與操作系統本身是獨立的,所以設計人員能夠在不改變整個系統結構的條件下增加新程序。

SOSCOE體系結構將采用商業現貨供應硬件、陸軍聯合技術體系結構(JTA)適應操作環境來為實時、接近實時和非實時操作建立通用結構。

早期系統,如21世紀旅及旅以下部隊作戰指揮(FBCB2)系統,非常冗長,如果需要重新編碼,則需廢掉整個模塊。但是SOSCOE中具有操作系統抽象層,所以易于改變操作系統。

FBCB2系統是21世紀部隊旅及旅以下部隊作戰指揮系統,是一個指揮控制和傳感器融合的網絡,該網絡可確保小型戰術單元以水平和垂直的方式集成于數字化戰場共享數據。

士兵將采用FCS非瞄準線火炮來抵御網絡遠程精確攻擊。

設計人員將設計一個具有分布式軟件和處理技術的新型網絡,以緩解計算工作量。為管理大量的共享數據,他們將采用一個已發布的授權模型,該模型的每一個節點向網絡傳輸信息,但是接收人員僅接收與作戰任務相匹配的數據。

另一種減輕計算工作量的方法是采用局部處理。 從網絡的傳感器末端開始進行壓縮和處理。如果發送所有原始數據,則會造成網絡阻塞。為此,必須采用各種工具管理分配的頻段,如流動視頻等,依靠服務質量,準確傳輸數據。

車輛電子的控制

每輛車上的一個重要的車輛電子部件就是人機接口(WMI),其計算機程序具有如下特征:網絡作戰功能、無人車輛控制、運動中連通和具有可反饋信息至網絡系統的嵌入式訓練。

WMI是未來戰斗系統作戰指揮軟件的四種應用之一,它與任務規劃和準備、態勢理解、作戰指揮與任務執行并駕齊驅。

這些軟件的顯示圖像與每一個士兵的任務相匹配,所以FCS車輛駕駛員將看到360°的全景圖像,并增加了實時提示、發動機狀態、車速和其他測量儀器。同時,車長將看到一幅顯示威脅、友軍、地形、目標、沿途導航點和傳感器位置的三維地圖。另一名士兵將用WMI來監視威脅告警系統的維修日志和備份顯示器的狀態。

通過共享系列車輛電子數據,士兵可調節FCS的實際能力,以便通過改進態勢感知來避免與敵軍遭遇;通過隱藏聲學和紅外信號來避免探測;通過采用誘騙和干擾器來避免信號捕獲;通過車輛電子對抗來避免被擊中;通過較好的裝甲來避免被擊穿以及通過采用備用系統來避免車輛被摧毀。

車輛電子由硬件向軟件演變

目前,車輛電子的發展呈現出由硬件向軟件的發展趨勢。這種趨勢在商業領域也存在,據通用汽車公司稱,軟件成本占車輛總成本的1/3,至2010年,每一輛車的軟件代碼將達到1億行。

FCS正在遵循同樣的設想,這是因為軟件比硬件電路更靈活,后者易因溫度或者空氣質量改變而出現故障。軟件能夠提供更多功能,過去車輛僅能確保正常的道路行駛,而現在車輛可提供天氣、交通和導航等功能。在軍事領域,車輛是通信系統的一部分,這對于敵我識別至關重要。

FCS網絡將把18種有人和無人運載工具與士兵和指揮官相連接。 同樣,最新的車輛電子系統依賴車輛外的網絡連通性。事實上,在商業應用領域,裝備OnStar網絡的車輛允許駕駛員請求指示或者要求派遣救護車,在軍事應用領域,則可把單獨車輛連接進行集中指揮和控制。

車輛內部網絡也很重要。如果FCS平臺的部分電子設備被摧毀,則車輛能夠自救,還可繼續執行任務,這是因為車輛具有可執行不同任務的多種車載計算機,每一輛FCS車在制造時都設有備用的計算中心。

航空電子設備的設計人員采用相同的方法。據海軍稱,他們已限制了作戰飛機的空間和電池功率。過去,通常是一臺計算機用于執行X功能,另一臺計算機用于執行Y功能,而現在則使用少量可執行任何工作的通用計算機。

噴氣式戰機可在空戰中動用所有計算機資源來執行關鍵任務,如識別目標和避開來襲導彈,而在作戰之后也將應用所有的資源來計算最佳作戰路線,以對地面目標投放彈藥。

未來戰斗系統的維修

網絡化的車輛電子通過提高訓練和維修,也能提供作戰之外的其他重要用途。

FCS車輛乘員能夠在用于作戰的同一輛車上進行訓練,并在前往作戰地點的途中演習特殊任務。之所以如此,這是因為訓練系統已嵌入FCS平臺,從仿真傳感器數據和各種儀器使用到可通過網絡進入的外部訓練仿真,允許乘員在演習中與其他車輛,如陸軍的“近戰戰術訓練器”(CCTT),或者士兵仿真器等,一起進行訓練。

同樣,網絡化的車輛電子將提高每一輛車的后勤和維護能力。維護人員將能夠使用更多的通用部件、通用電子連接器、嵌入式診斷傳感器、易接近的模塊化部件和嵌入平臺的維修手冊等。由于每一輛車能夠監視其自身系統并通過網絡共享數據,基地的維修人員將能夠準確預測需要更換的零件。

車輛電子的輕量化

 FCS車輛將通過無線網絡共享實時傳感器數據和戰場態勢感知,但是車輛電子設計人員也面臨更多的設計挑戰,其中針對于每一種有人地面車輛的車輛自身控制就是設計人員所面臨的工程挑戰。

據美國通用動力公司地面系統分部FCS項目有人地面車輛主要負責人介紹,FCS車輛要求能夠用C-130運輸機空運是其面臨的巨大挑戰,所以設計人員需要縮減結構、機械系統甚至發動機以滿足要求,其研發團隊原準備于2005年8月授予一項有關牽引驅動系統的合同,混合電驅動能夠把傳統柴油機的機械能轉換為電能,然后由此驅動車輛。同時,他們正與供應商聯合開發一種新型鋰離子電池,要求其能量密度足夠高以提供600V電壓,并具有2kWh的容量,其重量僅為350kg。此電池將被用于啟動發動機,并且不進行功率分配,這是因為電池在本質上而言是用于靜默行駛的大型電容器,可提供車輛靜默行駛時需要的推進能量。

FCS車輛設計為由高效柴油機和電池驅動,可以僅使用靜默電池,或者在需要提速時采用這兩種能源。車輛車速一般規定為72km/h,而在需要加速時,則車速可達到80~90 km/h。

車輛電子設計人員將采用用于功率分配的新型功率伸縮總線(Power Flex Bus),來縮減車輛電子的重量和體積。

該電子部件將采用扁平電纜而非圓形電纜,作為感應系數小的長壽命電容器,可提供固有的噪聲抗干擾性能,這對于FCS車輛非常重要,這是因為這些車輛采用了很多電動伺服電動機,造成大量電磁干擾。

 這些電子部件就是基于金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)的高密度配電設備,本質上而言是電路短路器,其重量和體積是用在“艾布拉姆斯”坦克和“布雷德利”戰車上的配電箱的重量和體積的1/4。

 FCS車輛的車輛電子將主要采用600V電纜,也包括采用28V電纜的舊電子部件。車輛電子設計人員更傾向于采用600V電纜,通過采用高壓電線以較少的電流來輸送相同的功率,以降低重量。

广东十一选5走势图