预警机的大脑与灵魂计算机与软件系统

大多数对预警机情有独钟的读者说起“费尔康”的时候，总是会对它的有源相控阵雷达系统以及贴在机身表面的共形天线(天线的外形与天线所在飞机表面的外形基本相符)津津乐道，其实，它所采用的基于以太网总线的开放式网络体系结构，也奠定了现代预警机任务电子系统(即集成在载机上的用以完成各种作战任务的电子系统总称)体系架构的基础这种架构与它的有源相控阵和共形天线一样，令世界的预警机技术专家为之眼前一亮。它以计算机为核心，以网络为纽带，以软件为灵魂。那么，什么是总线，什么是以太网，预警机的计算机、网络与软件究竟在预警机中完成什么样的功能，在预警机中的计算机和软件到底和民用的计算机和软件有什么样的差异，特别是计算机和软件技术一直在如此迅速地发展，它们在预警机上又是如何更新换代的，这都是我们今天的话题。

“觥筹交错”的宴席与总线结构

总线为网络中的各种计算机之间传送信息提供了公共通道。为了理解总线所带来的好处，让我们来看一个生活中的例子。当宴席上的人们需要集体表示庆祝时，大家常常一起从座位上站起来互相碰杯，正所谓“觥筹交错”。进入了21世纪，科技的概念越来越多地进入人们的生活。现在的很多宴席上，人们为了避免围着餐桌同时站起互相碰杯的情况，每个人只需拿着酒杯坐在座位上敲碰餐桌即可，这种方式就被戏称为“上总线”。之所以有这样的称呼，就在于这种方式省却了餐桌上每个人两两之间的碰杯过程(这种情况就是“点对点”)。想想两两之间的相互碰杯，真的是一件很麻烦的事，如果餐桌上有10个人，每个人都必须做9次这样的动作，而且在伸出酒杯去碰杯的路上，还常常会碰到别人的酒杯或手臂的遮挡。这种简化，大概也可以算是小小的“移风易俗”和“科技改变生活”的例子。而简化设备之间的连接关系，这正是采用总线技术所获得的主要好处。

“费尔康”的开放式网络体系结构，第一次在预警机上利用基于以太网的总线技术组成一个开放式的局域网，极其便于系统的拓展、升级和维护。这首先是以太网和总线技术在当今的计算机与网络中得到了极其广泛的应用，几乎所有种类的计算机都支持与以太网总线网络的连接。其次，如果要增加设备，只需要把设备通过它的控制计算机连接到这个局域网上就可以了，新增加的设备同原有体系架构的连接关系非常简单。这种情况下，采用总线技术的任务电子系统体系架构，就像一个“巴士”，乘员的上下进出都非常方便。实际上，“总线”这个词所对应的英文单词(Bus)就是“公共汽车”。

以太网总线

以太网总线诞生于1973年。1985年，美国电子与电气工程师协会(IEEE)制定了802.3局域网标准后，以太网技术的应用越来越广泛，目前已成为最成功也是应用最广泛的局域网技术。在以太网中，与其它所有的总线一样，如果一个计算机要发送数据，它就要把这个数据放到总线上，挂在总线上的所有计算机都能“收听”到这个数据信号，这叫作广播。所以，以太网是一种广播网。与点对点的情况不同，网络中所有计算机都可以利用总线发送数据，这样会碰到多个计算机想同时发送数据的情况，难免产生冲突。那么，以太网如何解决这种冲突呢?

我们还是回到宴席上敬酒的例子。当一个人想给另一个人敬酒时，很可能碰到冲突，也就是你准备起身时，却有另外一个人也已起身，并且选择了和你一样的目标。产生冲突的原因是，宴席上没有一个总指挥，去安排在每一个时刻到底应该由谁来向谁敬酒。为避免冲突，某人在起身之前，会先进行观察，如果发现存在冲突，只能推迟进行。

以太网中的情况与此类似，也没有一个计算机专门协调组织和解决冲突以往为了避免冲突，计算机在准备发送数据的一开始，也需要观察，就是要将它准备发送的信号波形与总线上已经存在的信号波形进行比较。如果某个计算机在发送数据时没有检测出冲突，在发送结束后进入正常结束状态；如果在准备发送时检测出冲突，它将停止发送数据，随即延迟后重发。以太网采用的这种避免冲突的办法叫作“带有冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA／CD)”。实际上，凡是遵循这种避免冲突的方法的局域网，都可以称为以太网。

随着局域网的深入应用，对其带宽或者说是传输速率提出了更高的要求、用户面临两个选择，要么重新设计一种新的局域网体系结构与介质访问方法，取代传统的局域网技术，要么保持传统的局域网体系结构，设法提高其传输速率。对大量已存在的以太网来说，采用后一种思路是更为明智的选择，这就是快速以太网技术，它的传输速率是普通以太网的10倍，达到了100Mbit／s，保留了传统的10Mbit／s速率以太网的所有特征，即相同的数据格式、冲突控制方法和组网方式，只是将每个比特的发送时间由100ns减少到了10ns，又称百兆快速以太网

通过将每个比特的发送时间由10ns进一步减少到1ns，这样就产生了千兆高速以太网。

细数预警机上的计算机家族

预警机上应用到的计算机，包括服务器、工作站、PC机、工控微机以及各种嵌入式计算机等等，市面上能见到的计算机，在预警机上基本可以看到。这是因为近二十年来，预警机上的计算机及其它设备已普遍从市面上采购到，即采用所谓的COTS(商用货架产品)技术。

服务器是预警机里计算机中的“老大”，要为其它“兄弟”提供各式各样的服务，综合性能最高。人们通常在两个意义上谈到服务器。一个是指在网络中为其它计算机提供服务(如数据库查询、文件存储和打印等)的计算机系统。在另一种场合，服务器专指某些高性能计算机。相对于普通PC来说，它在稳定性、安全性等性能方面要求更高，因此，CPU、芯片组、内存和硬盘等硬件和普通计算机有所不同。服务器之所以具备这两种意义，原因在于，既然要求某个计算机能够为其它计算机提供服务，那么功能上的这种高要求也必然导致计算机的高配置，所以，这两种意义常常是一致的。

以色列“费尔康”为代表的新型预警机普遍采用了COTS技术。它的服务器采用了“康柏”(COMPAQ)公司(后并入“惠普”)的ES40 ALPHA计算机，最多可以配置4块CPU板，采用对称多处理(SMP)并行结构，时钟频率最高达833兆赫兹，内存容量不多于8G，硬盘容量在40G以内。

美国的E-2D预警机采用了Fast Cluster2942“刀片式”服务器，每一个刀片上集成了4个Power-PC芯片，提供了32G浮点运算能力。所谓刀片服务器，是指在机架式机箱内可插装多个卡式的服务器单元，每一块“刀片”就是一块系统主板，也是一个独立的服务器。它们可以通过主板搭载的硬盘启动自己的操作系

统，每一块主板运行自己的系统，服务于不同用户群，相互之间没有关联。也可以使用系统软件将这些主板集合成一个服务器的集群，此时，所有的主板可以连接起来提供高速的网络环境，并同时共享资源，为相同的用户群服务。在集群中插入新的“刀片”，就可以提高整体性能。每块“刀片”都是热插拔的，系统可以轻松地进行替换，并且将维护时间减至最少。

最早的E-3A上使用的任务计算机CC-1运算速度为74万次／秒，主存储器的容量为114k，之后CC-2的运算速度为100万次／秒，主存储器容量为665k。20世纪90年代，IBM公司用超大规模集成电路和磁泡存储新技术，将CC-2改进为CC-2E，计算机能力提高4倍，主存储器容量增加到3145k。这些数据现在看起来不免令人唏嘘。

操作员操作预警机的主要界面是显示控制台，它们都是自主式的，即除了显示器以外，自身还配置有计算机，称为操作员工作站(OWS)，它可以是工作站也可以是PC机。工作站是介于PC机和小型机之间的计算机，具有较高的运算速度和较强的网络通信能力，有大型机或小型机的多任务和多用户功能，同时兼有微型计算机操作便利和人机界面友好的特点。工作站很重要的一个特点，就是具有很强的图形交互能力。但是，随着计算机技术的进步，服务器、工作站、PC机甚至大型机和小型机的概念正在弱化，几年前必须通过工作站实现的功能，现在在PC机上就能轻而易举做到。而由于PC机所采用的以WINDOWS为代表的桌面操作系统使得人机界面更为友好，所以，在预警机所要求的性能得到满足的同时，使用PC机作为人机界面用的计算机，可能会是一个方向。

除了服务器、工作站和PC机以外，在预警机中，还广泛使用工控微机以及单板机、单片机等嵌入式计算机。单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统，具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统、外部存储器和外部接口等等。单板机则是将一个完整的计算机系统集成在一块电路板上，相比于单片机，可以接更多的外部设备，如显示器、打印机。单板机和单片机都是嵌入式计算机，仅限于完成特定的功能，并且硬件和软件(包括操作系统和应用软件)捆绑在一起，功耗小、集成度高、价格便宜，不像PC机、服务器和工作站那样，能完成很多通用功能，可以在已有的硬件和操作系统平台上开发更多的应用程序。嵌入式计算机系统在预警机上也是随处可见。例如，对于采用相控阵雷达体制的预警机来说，为充分发挥相控阵波束扫描的灵活性，就必须靠计算机来控制，无论是无源相控阵中的移相器的控制，还是有源相控阵中在波束扫描中对收发组件的功率和相位的控制，都可以通过嵌入式计算机来实现，称作“波束扫描控制器(BSC)”。

工控机是专门为工业应用而单独设计的计算机，因为工业环境下常常有更多的防尘、防冲击和防电磁干扰等要求。“费尔康”的任务导航中的主控计算机就是用工控机实现的，把LTN-92惯导／GPS组合导航设备通过ARINC 429总线送来的姿态、时间、位置等基准信息经加工并转换为以太网格式后送上总线，广播至雷达、ESM和通信等控制计算机。

虽然预警机上的计算机选型目前有采用COTS技术的趋势，但是，预警机上的计算机与市场上的计算机又不完全一样，主要是考虑到预警机上的温度环境、振动环境及电磁环境都与办公室有很大的差别，因此，商用货架产品买回来后通常需要进行“加固”。也就是通过对计算机进行一些修改，以适应苛刻的温度、振动和电磁环境要求。即使是工控微机，可能也需要加固，但要付出重量增加、可靠性下降等代价。

预警机上的操作系统

如果我们需要利用计算机完成特定的功能，一是需要计算机硬件(包括相应的外部设备)，二是需要操作系统，三是需要完成特定功能的应用程序。而操作系统，就是应用程序和硬件平台之间的桥梁。

就操作系统来说，服务器和工作站可以选用UNIX操作系统，因为其稳定性、可靠性和安全性较好。在E-2D的“刀片”式服务器中，运行的则是LINUX操作系统。LINUX和UNIX操作系统比较接近，稳定性和安全可靠性也较高，而且源代码开放，可以本土化，即使原有的应用程序是基于UNIX的，移植到LIN-UX操作系统上工作量也比较少。

预警机的微机平台上的操作系统则可以选用Windows NT／2000。它有较强的支持图形应用的功能，又兼顾桌面操作系统易于使用的优点，系统性价比高，对使用人员和维护人员的技术要求较低，在军事部门应用广泛。嵌入式计算机则可以选用实时多任务操作系统pSOSys－tem或VxWorks。pSOSystem是专门为嵌入式微处理器而设计的模块化、高性能、实时的操作系统，与VxWorks相比，前者的特点是可根据需要，对操作系统的功能和存储器的大小进行剪裁，而后者则支持更多的工业标准，在不同硬件环境上的可移植性和通用性更好。

让国产预警机拥有跳动的中国“芯”

对于国产预警机来说，选用现成的商用计算机进行加固，可能会面临三个问题。一是厂商出于利润最大化的考虑，不断地提高性能，就像市面上的手机总在更新换代一样，不管使用上是否已经足够满足需要，都会造成产品淘汰过快，甚至是已选定的货源难以为继。二是由于计算机多由国外生产，售后服务是个问题。三是基于商用计算机所进行的后天加固，会受到计算机本身的一些电讯、结构或工艺方面的限制，难以保证加固效果，在使用中因环境恶劣而故障频繁。

因此，国产预警机要立足选用国产化的计算机系统。国产的服务器和工作站可以在出厂前甚至在设计时就结合预警机的使用条件进行先天加固，重量和体积大幅度减少，而可靠性还会提高。CPU的国产化道路则要曲折一些。

2000年，我国开始自行研制具有自主知识产权的CPU——龙芯一号，2002年9月，龙芯一号研制成功，标志着我国在曾被视为禁区的通用CPU领域实现了零的突破。五年后，龙芯二号研制成功，并开始百万片量级的生产。短短的五年间，龙芯从32位到64位，从0.18微米到90纳米工艺，从266M到1G主频，从片内400万晶体管到5100万只晶体管，性能提高近50倍(相当于奔腾4)，远远超过摩尔定律预测的集成电路每18个月性能翻一番的规律，而功耗却是奔4芯片的1／10。大家不要小看功耗，有人认为，随着芯片的集成度越来越高，芯片处理器已经做到了原子层，再提高集成度的话，芯片局部会达到核反应堆的温度，将来芯片的温度就跟火箭喷射出的气体温度一样高，甚至接近太阳表面的温度，这就没法做了。所以，功耗(减少用电量

和发热)是芯片设计的瓶颈之一。

龙芯二号的研制成功，将我国同世界先进国家的芯片设计水平的差距缩小到3-4年，也就是2代的差距。随着我国芯片水平的飞速发展，在不远的将来，国产预警机的计算机一定能够有一颗跳动的中国芯。

功能强大的预警机软件

预警机上的软件，其主要功能有五个方面：一是完成对雷达、ESM、通信等不同设备的控制；二是进行情报综合，形成战场统一态势；三是提供数据库服务：四是给出指挥引导战斗机的方法：五是输入、输出和显示命令。

第一个功能是设备级的控制功能比如，希望雷达在多大的范围内扫描，雷达扫描一圈的周期设定为多少(对有源相控阵雷达，比如说是10秒还是20秒扫描360°)，让雷达看飞机还是看船(看飞机是脉冲多普勒模式，而看船则不是)，通信设备采用哪几个频点工作、各个通信链路对应的目的地址(是传往战斗机还是指挥所)以及各个分系统工作状态和健康状况(故障或正常)等等。这个功能主要由分系统对应的控制计算机来完成。但对于各个分系统的工作方式的指令，却是操作员通过显控台上的人机界面，由键盘、鼠标或摸球输入到操作员工作站，进而通过以太网送往服务器，再由服务器将控制指令发往分系统的控制计算机。

第二、三、四个功能是系统层次上的功能，由服务器来完成。情报综合中的“情报”有几个来源。一是预警机自身配备的雷达、IFF和ESM等“耳目”所感知到的信息，也有通过数据链从地面指挥所、战斗机或其它预警机送来的信息。以雷达为例，一方面，雷达每扫描一圈就会形成一个点，这个点指示了可能存在目标的位置，称为点迹，用以指明目标的位置(如距离、方位和高度)：而经过连续的几圈扫描，就会形成一系列点迹，雷达计算机要判断这些点迹分别对应哪些目标，要把对应同一目标的点迹连起来，这样，就能观测到目标的飞行轨迹，也就是航迹。把众多的对应不同目标的“点”各归其类，需要采用一定算法。另一方面，有些目标，不仅雷达看到了，其它传感器，如ESM、IFF甚至地面雷达也看到了。地面雷达看到的结果可以由地面指挥所通过数据链上传到预警机，预警机要把来自不同“耳目”的观察结果统一起来，做到对于一个目标，最终只有一个观测结果；对于不同目标，必须有不同的观测结果，并且通过数据链分发出去，这就是形成战场统一态势。当然，统一态势的形成是要由所在战区内的最高指挥机构来完成，一般不会是预警机来做最高层次上的情报综合。

数据库服务主要包含了作战区域内的我方和敌方指挥所、雷达、高炮阵地的分布及其威力覆盖范围，以及参与作战的我方战斗机或其它武器系统的配置情况，还有机场分布情况等等。通过这些数据库，预警机可以估计敌我态势，并根据威胁情况，在地面指挥所授权的情况下进行指挥，也就是选定战斗机，并告诉战斗机怎样进行拦截或攻击，专业上叫“引导解算”。对于ESM，在侦察到新的情报后需要与放到其主控计算机中的电子侦察数据库进行比对。对于通信系统，各条链路加密所使用的密钥，也是放在通信分系统的主控计算机中的。

对操作员的命令的输入、输出和显示，主要由操作员工作站完成。操作员输入的主要手段是键盘和摸球，很多场合下并不使用鼠标，因为飞机上的振动相比办公室静止的桌面环境，会产生鼠标光标因振动而产生不需要的移动。为方便地进行输出和显示，通常采用图形输出功能比较强大的工作站。

形形色色的人机界面

预警机上的人机界面主要指显控台，而显控台上的人机界面是指显示器配置的数量和种类。

预警机上早期的显控台，一般只有一个显示屏。20世纪90年代以后开发的预警机，一般为一个态势显示屏和一个表格显示屏，两个显示屏尺寸相当，都是液晶显示；或者是“一大两小”显示器，即1个大的态势显示屏(如20英寸)，2个触摸的液晶显示小屏(如12英寸)。所谓态势显示屏，可以看到战场对应的地图、预警机录取到的或者从别的作战单元传送过来的情报(如雷达情报，以一个小飞机符号表示飞机目标，飞机距预警机距离、方位和速度等信息以标牌的形式出现在小飞机符号旁边；ESM情报则用“萝卜线”表示)，预警机自身的以及叠加在地图上的敌我作战单元的符号表示，包括它们的一些参数。在采用表格显示屏后，可以以表格的形式列出关于目标的航迹数据和引导指令等信息的细目。2个小屏，一个显示菜单，另一个显示表格。

预警机显控台上，除显示器、键盘、摸球、耳机以及用于紧急情况下的吸氧设备等等以外，还有一部分人机界面也是不能忽视的，那就是操作员控制电台和内部通话设备的界面，一般称为音频控制面板(ACP)，它包括对战斗机或地面指挥所的人员进行通话的操作界面，以及预警机上各个操作员之间进行通话的界面。

到这一期，关于预警机能飞起来的空中部分，包括硬件和软件，都介绍完了。但是，预警机是一个体系，不仅包括它自身，还有与它协同作战的其它单元，也离不开其地面配套设备、而地面配套设备是预警机系统不可或缺的一部分，只不过人们在说起预警机的时候，很少给予足够的关注。那么，地面配套设备到底包括哪些组成部分，它的功能是什么样的呢?请看下一期：空地一体——预警机的地面配套设备。

编辑／何　懿