COTS技术的应用 - 军用航空电子系统几大关键趋势

　　COTS技术的应用

　　自1976年以来，集成电路的销售量由于它们在计算机、电信设备和电子消费品中应用的增多而增加了40倍。这些集成电路的绝大多数（98%）是塑料封装的微电路（PEM）。PEM首先是在60年代引入的，由于它们的低成本、小尺寸和轻重量而得到广泛应用。随着它们的应用及可靠性的增加，导致它们也用在航空电子、汽车和其他长寿命的设备中。在这同一个时期，集成电路在航空电子设备中的应用保持平稳，引起其市场份额从17%跌到不到1%，使军事部门再也不能影响电子器件的发展。军用级部件市场的萎缩以及要对它们进行筛选以满足MIL-STD-883所需的费用已导致许多大制造商，如摩托罗拉、英特尔和飞利浦关闭了它们的军用电子元件生产线。这显著减少了密封封装的军用规范部件的供应量，特别是最新的和技术上最先进的集成电路紧缺，迫使防务工业考虑采用商业技术的PEM部件。美国国防部已于1994年制订政策，鼓励采用最好的商业部件，以便在军用设备中早日使用经济上负担得起的前沿电子技术产品。

　　美国国防部把COTS（commercia-l of-f the-shelf），即商业货架器件定义为是在市场上销售的产品，并在制造商的产品目录中以确定的价格出现，而且可直接从制造商或通过制造商的销售网供应给任何公司或个人使用。COTS器件有标准的件号和描述其机械、电气和环境性质与极限的技术规范。COTS产品可分成消费品/工业用、军用和航天用等类。在PEM中，半导体芯片采用模压塑料技术被封装在一个壳体中。

　　尽管PEM具有显著的优点（如新产品，性能好，投放市场的时间短和首批成本低），它们也有一些缺点，如密封性差，抗热循环和冲击的性能差及较小的工作温度范围。制造工艺的变化，甚至制造商和批量的变化，可导致其性能变化越出规定的性能数据。

　　未来战斗机的设计人员正在全力对付航空电子设备过时的问题。这个问题因防务预算减少以及军机市场萎缩而造成的研制和生产时间延长而变得更加严峻。在军用航空电子系统中，采用民用0开放0型系统硬件和软件被看作是对付日益增长的电子元部件过时的重要措施。如果改用COTS技术，航空电子产品将不再一成不变， 其处理器芯片每过18个月就有改进。

　　在航空电子和计算机方面，商业货架（COTS）技术已是很有市场。单是美国军用机的处理机改进项目就包括：F-14和F/A-18的AN/AYK-14任务计算机采用COTS 技术的改进，F-16的新的模块式任务计算机（MMC），供另一些F-16使用的M372通用处理火控计算机，F-15新的大气数据处理机和新的IBM CP-1075C VH-SIC中央计算机及F-14新的GEC-马可尼公司的数字式飞行控制系统。

　　美国海军陆战队在其0开放系统民用航空电子设备要求0（OSCAR）计划中准备用民用处理机来代替AV-8B中的任务计算机，在航空电子设备改用COTS 技术方面起了带头作用。麦道公司（现已被波音公司收购）是OSCAR计划的主承包商，其转包商CDI公司正在采用PowerPC民用处理器研制AV-8B 的AYK-14任务计算机的代用计算机。新计算机的研制型定于1997年3月初交付并在实验室中进行试验，生产将于1997年年底前开始，而对AV-8B 的改进将在1998年初开始。民用处理机的性能将比AYK-14提高两个数量级。美国海军也在寻找代替F-18上使用的AYK-14的民用处理机。

　　OSCAR改进计划将采用具有商业标准接口（VME底板和符合POSIX的操作系统）的公共模块，最初的作战能力预定在2001年实现。某些OSCAR硬件和软件将被用于F-15新的先进显示核心处理机（ADCP）中。它将与F-15E的多用途显示处理机（MDPD）和VHSIC综合在一个电子箱内，用在 F-15C/D上的组装中将有一些不同。

　　诺斯罗普#格鲁门公司的工程师们正在修改美空军E-8C飞机上的电子设备，以容纳数量增加的COTS元部件。在过去3年里，E-8C的航空电子设备已从采用专门技术，如DEC公司的VAX计算机和国际器件公司的可编程信号处理机发展为采用开放系统部件，如DEC公司的Alpha微处理器，VME底板数据总线和FDDI（光纤分布数据接口）。进一步采用COTS技术可能将包括Windows NT操作系统，模拟器件公司的21060 SHARC数字信号处理机、水银计算机系统公司发明的工业标准的Raceway高速微处理器互联装置。

　　F-22的研制人员已在对付可能要到2004年以后才能投入使用的F-22的电子零件过时的问题，虽然在2004年以前，该机不会进入美国空军服役。洛克希德#马丁/波音集团已编了一个在F-22投入使用时，很可能不再生产的400多个部件的目录，以便用购买零件的生产线和插入新技术等方法来解决这个问题。

　　洛克希德#马丁/波音已为改进F-22的CIP制订了一个发展规划，这个计划准备引入民用技术来代替已经停产的零件，并利用民用航空电子设备的迅速发展来提高性能。其第一步称为CIP 2000，将增加存储容量和可靠性，同时减轻重量和降低费用。CIP2000将保留现有的1960处理器，但将引入开放系统数据总线及3伏电源，以允许以后采用民用处理器。CIP 2000将由CIP 2005来取代，后者简单地通过在F-22的CIP机架中更换插入模块来实现。

　　JSF使军方在转向以COTS为基础的航空电子设备方面走到登峰造极的地步。为JSF航空电子设备规定的四大指标是：负担得起，性能，可改进性和重新使用能力。JSF项目的管理人员试图扭转航空电子设备成本在飞机总成本中所占比例不断上升，即从F-4的12%上升到F-18的30%的发展势头。JSF航空电子结构将在各方面尽最大可能采用COTS技术，包括处理和网络结构。这种结构的主要设计目标是降低成本，将采用网络、操作系统和应用程序接口的开放系统标准，以增加应用软件及某些硬件的可移植性和扩充能力，以便应用于另一些飞机。采用COTS和开放系统标准的主要目的是增加软件的寿命，使系统不受硬件技术过时的影响，而且容易改进。采用这种技术允许在研制周期更晚的时候作出如何实现处理机和网络的决定，以便更多地采用最新技术，降低寿命期研制费用。

　　洛克希德#马丁公司声称它已获得技术突破，可帮助美国空军对付F-22和其他军用飞机的电子零件过时问题。数字元件的商业寿命可能只有18个月，而采用这些元件的武器系统的寿命有几十年。零件过时的问题增加了系统的运行和保障费用，约为整个寿命期投资的三分之二。洛克希德#马丁的技术革新通过采用协调的工具和电子规范，首先用仿制的样件更换过时的机载印刷电路组件，公司估计这种仿制更换将在今后一二年内降低维修费用10%~15%。这种使用建模和仿真技术重新设计过时的电子装置的方法，不仅可用于F-22，还可用于JSF。用于研制样件的过程基于VHSIC硬件描述语言（VHDL）模型，代替过时的印刷电路板的样件研制出来之后，就对这个样件对照原先过时的印刷电路板在虚拟研制环境中采用商用的软件和硬件进行符合性测试。在这种仿真环境中，对过时硬件的重新设计将主要采用现代元件技术。由于设计是按照电子规范进行的，重新设计的费用可大为节省。

　　仿制技术的优点是，重新设计的电子装置的嵌入软件和保障设备可保持不变，故不需要重新开发软件和保障设备，这样就节省了费用。美国空军与洛克希德#马丁公司已签订一个用于传统电子装置的VHDL设计环境（VDELE），VDELE采用目前的技术克服了过时问题。

　　洛克希德马丁公司已用VHDL语言来严格描述F-16外挂管理系统（SMS）中已停产电路板的外形、安装和功能，并将它仿制出来以后进行验证。