武器信息处理技术

武器信息处理技术中北大学机电工程学院机电控制工程系主讲人：焦国太教授第二章军用计算机技术主要内容：§1、嵌入式计算机§2、军用计算机§1、嵌入式计算机一、嵌入式计算机的定义1、什么是嵌入式计算机2、军用嵌入式计算机的分类二、军用嵌入式计算机的特征及关键技术1、军用嵌入式计算机的特征2、嵌入式计算机的关键技术3、军用嵌入式计算机的重要相关技术三、嵌入式计算机应用的典型实例四、研制发展和应用前景一、嵌入式计算机的定义嵌入在宿主系统中使用的计算机嵌入式计算机军用嵌入式计算机作为武器和武器系统组成部分的计算机军用嵌入式计算机嵌入式计算机的分类按使用领域分类：嵌入式计算机军用民用军用嵌入式计算机的分类按装载平台区分为：车载计算机舰载计算机机载计算机弹上计算机星上计算机军用嵌入式计算机军用嵌入式计算机的特征(1)功能嵌入与结构嵌入；(2)直接与传感器及执行机构相连接；(3)高可靠性、高安全性；(4)实时性；(5)程序固定、界面简单、整体更替、脱机维护；(6)性能指标与宿主系统相适应；(7)单片机、单板机的用武之地。嵌入式计算机嵌入在武器或武器系统之中，是其重要的组成部分，不独立于该宿主武器系统运行。因此，嵌入式计算机的体积、质量、形状等物理结构参数要适应宿主武器系统所能提供的嵌入环境和条件。相比较而言，导弹、卫星、坦克、潜艇武器或平台所能提供的环境或条件往往极为苛刻，而舰船、指挥基地则较为宽松。功能嵌入与结构嵌入由于嵌入式计算机多作为武器或武器系统的一个组成部分，因此其输入端多与传感器相连接以获取各种实时信息，这些信息经处理而产生的输出信息多用于控制驱动各种执行机构，或被输出显示，以供辅助决策。直接与传感器及执行机构相连接高可靠性、高安全性多数嵌入式计算机将在其宿主武器系统的运行、存储和运输过程中经历高低温、高湿、盐雾、尘埃、振动、加速度、剧烈冲击等恶劣环境，甚至还有辐射、电磁脉冲以及人为强电磁干扰的侵袭，因而都需按其使用环境要求进行加固，以确保其恶劣环境下可靠运行，因为其可靠性直接关系到武器系统的安全和作战效能。由于嵌入式计算机是武器的作用距离、精度、自动搜索能力、杀伤能力、机动性、灵活性以及自我保护能力的主要技术基础，因而也是敌人的主要攻击目标。所以，除可靠性外，安全性也同样重要。必须采取诸如防计算机病毒、防信息泄漏、防非授权入侵等安全性措施。实时性嵌入式计算机有很强的实时性约束。从接收传感器的输入信号，对信号进行处理，到输出信号的产生，都受实时因素约束。海湾战争中，作战双方大量使用了爱国者导弹和飞毛腿导弹。爱国者导弹在侦知飞毛腿导弹发射后，必须在飞毛腿导弹击中有效目标前，实时作出反应。爱国者导弹防空系统从其相控阵雷达截获目标到打出导弹只有15s的时间窗口。离开实时性，其它性能就无从说起。程序固定、界面简单、整体更替、脱机维护嵌入式计算机的应用程序往往固定不变，虽然亦可以修改和扩充，但是一旦投入使用，将长时间不作变更，因此其操作系统和应用程序往往被固化。而且嵌入式计算机一般没有用作人机界面的输入键盘和显示输出设备。因而，其软件的开发调试，需有另外的开发环境。由于嵌入使用，不独立运行，以及牢固组装和缺少人机界面等因素，往往小小的故障在现场亦很难排除。如星载嵌入式计算机一旦投入轨道运行，就不能现场维护。因此，嵌入式计算机在设计时，除尽可能提高可靠性以减少维护要求外，亦要尽可能考虑整体更替和脱机维护的方便。嵌入式计算机虽然在提高武器自动寻的能力、自动化作战指挥、控制等重要功能上起着核心作用，然而从整个武器系统的角度看，它仅仅是提高武器性能的一个重要组成部分，是武器系统的一个部件(虽然可能是核心部件)，而不是武器的主体。因此，嵌入式计算机的性能指标应适应宿主武器系统的水平和要求。现代武器系统的每个组成部分在运行环境中都要互相配合和制约。某一单个环节性能特别优越未必能增加系统的整体功能，而往往只是一种不必要的奢侈。但某个单个环节的性能低下，必定会造成系统的功能下降，成为制约整个系统功能的薄弱环节。性能指标与宿主系统相适应从数量上看，武器系统中使用嵌入式计算机最多的是单片机和单板机，尤其是单片机。数量巨大的灵巧炮弹、灵巧地雷、巡航导弹等武器中都使用单片机、单板机。现在单片机芯片内还嵌埋有嵌入式控制器。当前8位、16位、32位的单片机用量最多，而且64位市场增长亦很快。单片机性能随着微电子技术的进展亦提高很快，主频增加、集成度提高，RAM、ROM及外存容量增大，信息交换形式多样。特别是植入嵌入式软件的，在单片上实现系统集成的，具有信号采集、A／D和D／A转换、存储、处理及输入／出等功能的系统级芯片在武器系统中大有用武之地。单片机、单板机的用武之地军用嵌入式计算机所特有的关键技术主要包括以下几种：1)军用加固技术2)容错技术3)数据融合技术4）实时软件技术—实时操作系统和实时应用程序嵌入式计算机的关键技术专门设计军用嵌入式计算机无疑是一种浪费，因此它们很多都是以民用机为基础经加固而成的。按军用标准(在美国为MIL—STD一810C(D))加固的嵌入式计算机能承受战场环境中冲击、振动、湿度、温度、加速度、泥水烟雾和尘埃以及太空自然辐射的考验。军用加固技术容错技术容错技术可在超大规模集成电路(VLSI)等芯片器件一级实施，也可在印制板模块或部件一级实施，还可在系统一级来实施。其最基本的技术手段是冗余和重组。数据融合技术是利用多源数据的互补性、目标与环境及其它诸多制约因素的相关性，通过计算机综合的、智能的信息处理技术来提高目标识别和定位的精度、态势和威胁评估的正确性、优化决策方案质量的一种技术。数据融合技术嵌入式计算机的实时性由其硬件、软件的综合性能保证，其中硬件运算速度、实时操作系统以及实时应用程序起主要作用。由于嵌入式计算机所承担的任务相对固定，其应用程序可以固化在芯片上，可以周而复始地使用。在嵌入式计算机中，往往是实时操作系统和实时应用程序结合为一体化的实时运行程序。实时软件技术嵌入式计算机的相关技术：网络技术多媒体技术信息安全技术智能接口技术等。和武器的嵌入式系统更直接相关技术是：传感器总线技术。军用嵌入式计算机的重要相关技术20世纪80年代中期以前美军主要采用具有标准指令系统结构(ISA)的嵌入式计算机，例如陆军的NEBULA系列，空军的AYK-14，海军的UYK-43和UYK-44。嵌入式计算机应用的典型实例嵌入式计算机应用的典型实例1984年陆军转而大量使用以民用机为基础的加固机以及MIL-SPEC计算机，如以PDPII和VAX系列为基础的加固机，以Honewell公司的DPS-6为基础的加固机和Rolm公司加固的NOVA机等。空军和海军没有终止标准指令系统结构的计算机，而是仍致力于用先进的微电子技术—超高速集成电路(VHSIC)来改造它们，使这些标准指令系统结构的计算机不仅又轻又小，而且性能指标成数量级地提高。与此同时，空军和海军也逐步开始采用加固机以及MIL-SPEC计算机，海军开始大量使用Rolm公司的NOVA加固机UYK-19、MIL-SPEC计算机和HoneyweIl公司的DPS-6加固机。嵌入式计算机应用的典型实例嵌入式计算机应用的典型实例嵌入式计算机应用的典型实例嵌入式计算机应用的典型实例一些典型的嵌入式计算机应用情况：1）美国的B-1B多用途战略飞机2)美国M-1坦克3)F-15E鹰式战斗机4)陆基巡航导弹美国的B—1B多用途战略飞机B-1B飞机是多用途战略武器系统，能充当普通轰炸机、巡航导弹发射平台以及战术和战略任务中的核武器发射系统。以1985年的价格计，B—1B飞机每架约2亿美元，安装有进攻性航空电子设备和防御性航空电子设备。在这些电子设备中嵌入有6台IBMAP101F计算机，航空电子设备用4条具有A、B冗余通道的MIL-STD-1553B总线相连。IBMAP101F计算机是MIL—STD一1750A标准指令系统结构的计算机，使用J73语言编程。J73语言是一种可改造成适合Ada语言的语言。美国M—1坦克M—l坦克火控系统的核心是嵌入式计算机，该嵌入式计算机由TISBP9900型16位单片微处理机和高可靠性的半导体存储器组成，还配以乘法器、信号处理器、模拟／数字转换器、电源以及接口电路等。F一15E鹰式战斗机20世纪70年代初期F一15E战斗机上用AP—1计算机，1986年后改用IBM在1983年开发成功的32位AP—IR中央计算机，而从1992年6月开始，新的F—15E飞机上又采用新的超高速集成电路的16位VHSIC微计算机，其速度达到每秒3兆条指令，内存容量为3MB～6MB。这些都是MIL—STD—1750A标准指令系统结构的计算机，并且其性能仍然在不断地提高。陆基巡航导弹用6个Z8001微处理器构成松耦合多重处理器结构的嵌入式计算机装备了一种陆基巡航导弹，进行飞行参数处理、中段制导、末段制导、存储管理、自动寻的等处理。研制发展和应用前景1、美军嵌入式计算机的发展过程2．嵌入式计算机的应用前景美军嵌入式计算机的发展过程这些军事应用包括以下几方面：(1)军事情报系统；(2)密码系统；(3)武器系统整体的一部分—武器系统实时作业的基础，亦用于武器系统的专门训练、诊断测试和维护、仿真校准以及研制开发；(4)直接履行军事或情报任务——各类传感器、战斗任务的布置、作战设计、气象环境的测量、电子战、军事通信、后勤等；(5)军事力量的指挥控制。美军嵌入式计算机的发展过程美军在嵌入式计算机的应用上主要采取了以下政策：①规范各军种嵌入式计算机的烟囱式发展。②普及Ada语言。③采用商用现货(COTS)和开放系统结构。嵌入式计算机的应用前景1)电子战武器2)C4ISR系统3)精密制导的智能化武器嵌入式计算机的应用前景就嵌入式计算机而言将会有以下发展前景：(1)追求小而轻(2)提高可靠性(3)提高性能指标(4)模块化的可灵活拼接的硬件和软件。(5)高智能化(6)防核辐射和防核电磁脉冲(7)分布式应用(8)研制新的统一的编程语言§2军用计算机一、军用计算机的应用、技术与特点二、军用计算机的分类三、军用计算机的系统结构四、军用计算机的发展趋势军用计算机的应用、技术与特点1、军用计算机的应用2、军用计算机技术3、军用计算机特点军用计算机的应用军用计算机的主要用途有四个方面：(1)用于科学计算。例如：核爆模拟计算，人造卫星与弹道导弹运动轨迹计算等。(2)用于军事信息处理。如对高速飞行目标的各种信息进行分析综合；对战场预警、雷达搜索与跟踪、遥感探测的各种数据进行处理；对大型武器系统的位置、射速、目标分配进行调整；对战场上敌我双方态势信息的处理、显示及威胁评估与决策方案的优化等。军用计算机的应用3)用于自动控制和过程控制。例如导弹的制导控制和武器系统的火力控制，飞机、舰艇、地面战斗车辆的自动驾驶以及军工部门的生产自动化管理。(4)用于发展智能武器。即用于发展能有意识地寻找、辨别、跟踪、打击敌方目标的武器。军用计算机的应用典型的军事应用系统例如：美军的全球指挥控制系统(GCCS)，是为美军提供战略指挥控制功能的计算机系统。在战术指挥控制系统方面，海军在航空母舰、巡洋舰、驱逐舰和两栖登陆舰上安装有海军(战术)先进作战指挥系统(ACDS)陆军的21世纪部队旅及旅以下战斗指挥系统(FBCB2)是一个数字化的作战指挥信息系统，已装备于美国第一个数字化步兵师——第四步兵师，该师装备了约1200台APPliqu’e+标准计算机以及大量车载的“野战2000(FW2000)”系列计算机。军用计算机技术现代计算机技术组成：硬件技术、软件技术和网络技术。硬件技术主要包括：体系结构、处理器、存储器、输入与输出设备、总线和接口等技术。软件技术主要包括：系统软件(如操作系统、数据库、编程语言)支撑软件和应用软件等技术。网络技术主要包括：网络体系结构、网络协议、网络管理、网络互连、网络安全、网络服务和网络融合等技术军用计算机技术通常军用计算机技术主要涉及以下几个方面：(1)为适应军事应用环境所采用的技术例如计算机加固技术，包括抗恶劣环境的加固技术和