【装备理论与装备技术】

国外装甲车辆电子体系结构的最新发展

赵媛媛，刘川，陈姝，阳亮

(中国北方车辆研究所，北京10072)

摘要：论述了开发新一代车辆电子体系结构的必要性，指出了新一代车辆电子体系结构的标准将最大限度地采用开放式标准，介绍了在新一代车辆电子体系结构领域几种具有代表性的研究成果和产品实例，就我国装甲车辆未来新一代车辆电子体系结构的发展提出了建议。

关键词：车辆电子系统；坦克；装甲车辆

收稿日期：2014-10-19

作者简介：赵媛媛(1979—)，女，副研究员，主要从事车辆信息研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.05.001

中图分类号：F416.48

文章编号：1006-0707(2015)05-0001-06

本文引用格式：赵媛媛，刘川，陈姝，等.国外装甲车辆电子体系结构的最新发展[J].四川兵工学报，2015(5):1-6.

Citation format:ZHAO Yuan-yuan, LIU Chuan, CHEN Shu, et al.Development of Foreign Armored Vehicle’s Electronic Architecture[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(5):1-6.

Development of Foreign Armored Vehicle’s Electronic Architecture

ZHAO Yuan-yuan, LIU Chuan, CHEN Shu, YANG Liang

(China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072, China)

Abstract:The essentiality of developing the new generation of vehicle electronic architecture had been addressed, which indicates that the open standards are farthest used for the new generation of foreign vehicle electronic architecture. Several typical researches and products at this area were introduced as well, and proposals for the development of the future new generation electronic architecture of our armored vehicles were presented.

Key words: vehicle electronic system; tank; armored vehicle

自20世纪90年代以来，西方主要军事强国的车辆综合电子系统技术发展迅速，继在其第三代主战坦克或改进型上引入车辆综合电子系统技术之后，又逐步将其应用范围推广到步兵战车、装甲人员输送车及轮式战术车辆等多种车型上。车辆综合电子系统不仅成为装甲车辆领域的一项重要关键技术，也成为现代先进装甲车辆的一项标准特征。由于车辆电子体系结构对车辆综合电子系统的性能具有极其重要的影响，车辆电子体系结构的演示验证和研究开发得到高度重视。

1现役装甲车辆的电子体系结构

就现役装甲车辆而言，大部分车辆的综合电子系统采用的是基于MIL-STD-1553B总线或MilCAN总线或CAN总线的车辆电子体系结构，将车内安装的电子、电气、指挥、控制、计算机、情报、监视、侦察等部件或子系统综合起来，但随着战场要求的变化，上述装甲车辆的车辆电子体系结构显现出两个主要问题：一是现役装甲车辆以MIL-STD-1553B总线或MilCAN总线或CAN总线为核心的电子体系结构无法满足网络中心战或网络使能战的视频信号传输要求；二是为了满足战场需要，现役装甲车辆加装越来越多的C4ISR/EW(指挥、控制、通信、计算机、情报、监视&侦察/电子战)子系统，这些缺乏相关性的子系统通过栓接方式加装到现役装甲车辆的电子体系结构上，每种子系统都有其自己的控制装置和电力需求，可能还有其自己的显示器，结果引发严重的SWaP-C(尺寸、重量&功率-冷却/费用)问题，不仅使车辆损失空间和有效载荷能力，还引发过度电力需求和电子不相容性[20-24]。

2开发新一代车辆电子体系结构的必要性

就地面作战平台而言，一方面，迫切需要地面作战平台的综合电子系统实现现代化，以增强网络存在和C4ISR/EW能力，但同时另一方面，又存在严格的SWaP-C约束[21]。为了满足未来网络中心战或网络使能战的数据、音频、视频信息传输要求以及实现更为集成的解决方案和低的SWaP-C目标[25]，有必要开发新一代开放式车辆电子体系结构。西方军事强国已开始研究以Ethernet为主干的新一代开放式车辆电子体系结构，面向新型装甲车辆研制计划和现役装甲车辆改进计划，最具代表性的实例包括英国的SV(专用车辆)计划以及美国的GCV(地面战车)计划和HBCT(重型旅战斗组)现代化改进计划。

在西方军事强国研究开发新一代开放式车辆电子体系结构的工作中，有两点值得重点关注：增多COTS的应用，这可快速应用最新商用技术，使硬件具备更多的功能；启动互操作性的研究，这可实现现有装置的更有效使用，避免平台内装置的重复使用[22]。

3开放式标准的新一代车辆电子体系结构

除了模块化、开放性、可缩放性的特点之外，新一代车辆电子体系结构的最主要特征实质上体现在标准化方面。就面向新一代车辆电子体系结构的标准而言，具有代表性的包括英国的GVA(通用车辆体系结构)标准和美国的VICTORY(C4ISR/EW互操作性的车辆集成)标准。两者的最大共同特点是最大限度地利用开放式标准、采用Ethernet为主干、注重互操作性、面向车辆所有子系统(机动系统和任务系统)。此外，英国的GVA标准与美国的VICTORY标准具有顺应性。

3.1英国GVA标准

英国国防部在2010年8月颁布了第一版的GVA标准。它为英国车辆电子体系结构的发展提供了指南，旨在以标准化的形式在未来将各种系统集成到车辆平台之内[15]。GVA标准没有提供具体方案，确定了通用接口、功率标准、传输数据的方法以及数据的格式[13]。图1为GVA标准的平台体系结构内接口和边界的示意图。

GVA标准适用于所有未来地面平台的采购计划和现有平台的改进计划，适用于简单(复杂的所有类型地面平台。按照GVA标准开发的车辆电子体系结构能够接纳未来技术、降低集成风险性、提高通用性和减少车队费用[12,14]。

3.2美国VICTORY标准

美国陆军在2011年7月29日颁布了第一版VICTORY标准——VICTORY 1.0。VICTORY标准是VICTORY初步研究计划的产物。这项研究计划旨在开发在地面平台上集成C4ISR/EW和其他电子任务装置的体系结构，以便于将现有的和先进的C4ISR/EW装置集成到美国陆军的地面平台之上。为了营造一个开放的竞争环境，VICTORY确定部件和系统接口的标准并使之成熟。VICTORY通过接口标准来实现互操作性的目标，接口标准被确定在部件和系统的接口层。在VICTORY范围之内的接口被指定使用Ethernet技术在C4ISR、EW和平台系统之间传送信息[23]。

图1　GVA标准的平台体系结构内接口和边界的示意图

VICTORY计划的产品包括计划的介绍材料；标准的开发&成熟计划；体系结构文件；标准规范文件；标准规范的附录；参考设计文件；初步验证人工制品；参考软件库；VTK验证工具组件；顺应性要求文件。

VICTORY计划将提供分阶段推出的一套标准技术规范，涉及集成C4ISR/EW任务装置和平台应用程序所需的各种能力。VICTORY的总体技术途径包括数据总线中心设计；可共享的硬件部件，在不增加硬件的情况下来使用软件；开放的标准的物理接口和逻辑接口，应用在系统与C4ISR/EW部件之间；一套共享的数据总线服务；共享的硬件和软件的信息安全部件，使系统集成商能够构建安全的设计，保护和控制信息的访问。

3.2.1VICTORY数据总线

车辆网络通过VDB(VICTORY数据总线)来体现。VDB是遵循VICTORY标准的、被作为地面车辆一个组成部分的一个概念结构，它实质上是一个提供域特定特征的Ethernet网络。图2是VDB示例，它提供网络基础结构功能——在各个数据源之间传送、路由和传递数据，而且嵌入了不同特质的服务层。除了网络基础结构之外，VDB还提供共享的服务(定时、位置、方位和行军方向)和共享的硬件装置(处理资源、显示器、用户接口装置)。此外，VDB还提供数据保护功能，保护数据在传送中和在休止中的机密性。存取控制服务功能包括实体身份验证和授权控制，以保护资源。最后，管理服务也被嵌入VDB，管理服务为全面配置、控制和监视VDB的状态以及VDB所连接的部件和系统的状态提供接口。

C4ISR系统和EW系统在图2的左侧。含义是这些系统通过VDB来集成，这意味着其部件彼此之间的相互通信是通过在VDB网络上传送信息。就这些系统而言，VICTORY确定和指定部件级和系统级的网络接口。平台系统组合在图2的右侧，表示这些系统或是车辆平台的一个组成部分或是与平台系统紧密集成。例如，武器系统和推进系统总线。就这些系统而言，VICTORY仅确定和指定系统级的网络接口。例如，推进系统可以利用1个CAN网络来将发动和变速器的控制器与传感器连接起来，而且一种实时控制算法可以与CAN网络上的装置紧密集成。VDB并不是旨在取代CAN网络。代之以，VICTORY确定VDB与CAN网络之间能够作为桥接器的接口，借此，数据提供给位于动力传动系紧密控制环路之外的VDB。这个概念使机动性能数据能够发布在VDB上供其他用途(例如维护和其他后勤功能)使用，而不会干扰CAN网络的定时。就平台系统而言，这是信息使用的概念。

图2　VICTORY数据总线(VDB)的关系示意图

3.2.2系统类型和部件类型

VICTORY定义的基于网络的体系结构除了确定一套概念模块以及对应的接口技术规范之外，还确定系统类型和部件类型。按照2012年1月16日颁布的“VICTORY体系结构—A1版”，VICTORY体系结构是组成以一个能够被例示&集成来形成设计的类型集合。这个集合包括系统类型、部件类型及其接口。VICTORY体系结构还确定功能+接口的VDB结构。

美国陆军TRADEC(坦克机动车辆研究、开发&工程中心)2011年4月启动VICTORY系统集成实验室的建设，根据2011年7月29日公布的VICTORY 1.0标准规范建成了一个用来演示、发展&验证VICTORY 1.0标准及标准未来执行的环境。按照计划，这个集成实验室在2012年6月实现初步使用能力(IOC)，2012年9月实现全面任务能力(FMC)，做好支持“艾布拉姆斯”和“布雷德利”系列车辆的工程修改建议(ECP)的准备[3]。

英国的GVA标准和美国的VICTORY标准均面向车辆所有子系统(机动系统和任务系统)确定一套通用开放式标准，这些标准独立于具体硬件解决方案或软件解决方案。执行GVA标准和VICTORY标准将使地面战斗系统和战术轮式车辆能够：降低重量、节省功率、恢复可用空间；平台系统实现信息共享和给乘员提供综合图像；提供一种开放式体系结构，平台在无需进行重大重新设计情况下即可接纳未来技术。GVA标准和VICTORY标准都将随着新研究成果的获得和技术的发展，不断推出新版本。

4研究成果和产品实例

到目前为止，西方军事强国已推出数种以Ethernet为主干的新一代开放式车辆电子体系结构和取得诸多研究成果。下面，简要介绍几个具有代表性的研究成果和产品实例。

4.1CIDS核心基础结构分布系统

通用动力(英国)公司开发了满足GVA标准的CIDS(核心基础结构分布系统)[4]。CIDS提供贯穿车辆的1个数据环路以及电力线路和离散信号线路，其布线的体积和重量大大低于传统布线[7]。

CIDS的密封壳体内含有1个电力单元和1个数据单元。它“进入”一系列的连接长度，以易于故障发现和故障修理。数据单元提供1个20 Gbit/s以太网。在一定的间隔上，即有1个CIDS节点，为各种所连接装置提供电力连接器和数据连接器。

例如:在Scout-SV(侦察型专用车辆)上，有1个车体的CIDS环路和1个炮塔的CIDS环路。两者通过Moog公司的旋转连接器来实现连接，可在炮塔与车体之间发生相对运动时确保炮塔与车体之间的不断连接。连接到这些环路上的有：车长、炮长、驾驶员的乘员站；火控系统；防御机构，例如激光告警系统和烟幕弹发射器；主要武器和辅助武器的瞄准具以及LSAS(本地态势感知系统)；驾驶和导航辅助装置，例如后视摄像机和惯性导航系统； Bowman通信系统和战斗管理系统；车辆状态&使用监视系统(HUMS)。在随后的SV车型中，例如在C2(指挥&控制)车型中，CIDS将能够在指挥站的人员之间实现更高效的数据共享。

动态数据分配系统的工作方式如同发布&订阅系统。任何一个用户都能够订阅数据流，但所有数据都是被存储在连接到CIDS的1个视频服务器和1个数据服务器之中。这些服务器不仅能够借助硬件加密来处理不同密级的数据，而且能够同时被电子清除。

CIDS还可以通过电力需求优先排序和智能电力截断，实现响应性较高的电力管理。这能够减少不需要运行的具体功能的电力消耗。此外，还可以实现管理启动&关闭以及在电路出现故障时适度的降级使用。

4.2Battlenet Inside开放式电子体系结构

雷诺卡车防务公司推出了它与塔尔斯公司合作，以Volvo 公司开发的电子体系结构为基础所研制的Battlenet Inside 开放式电子体系结构。Battlenet Inside以Ethernet网络和所有现有协议为基础，面向传送图像、视频和音频信息。在其上面能够集成各种模块。将机动性平台与这些装备项实现联网可实现新的协作功能，同时还可提高任务系统在行动、训练和维护中的总体效能。

以应用Battlenet Inside的VAB Mk3装甲车为例来说，VAB Mk3装甲车实现了多项新的能力：每个乘员站均可完全按照任务类型来进行配置，显示来自炮塔安装摄像机的实时图像，给3名主要操作人员提供一个共享的战术环境；炮塔随动于敌军射击探测系统，使乘员能够更快速、更高效地对威胁做出响应；无线电系统，连同车辆核心电子设备，能够确保与数字化战场的其他空间(特别是其他装甲车辆)保持音频和数据链接；内部通信网络扩大了徒步作战的距离，使步兵能够在最远距离车辆 1 000 m 保持无线电联系；引入有路线轮廓和地形信息的导航辅助系统，再加上混合型GPS/惯性导航系统，不仅能够确保车辆高水平的地理定位精度，而且还能够连接到目标指示系统，而且进一步的能力包括借助昼夜视频反馈的辅助驾驶能力；车辆后勤数据(燃料和弹药等)能够中继到高级指挥部，使乘员能够自主管理其能量使用，从而实现车辆的长时间持续作战任务能力的最大化。

所有这些服务都集成在雷诺卡车防务公司和塔尔斯公司开发的互补性的开放式体系结构之中[8]。Battlenet Inside系统连接车辆的所有系统，使系统能够协同工作。

4.3SiVAN和ST6800 SuperneT [10]

诺斯罗普(格鲁曼公司推出了一个类似CIDS的发展成果——SiVAN(智能型综合车辆局域网)，它为车内的数据分配提供1个公用的以太网总线。ST Electronics公司推出了ST6800 SuperneT车辆综合通信系统,其核心是1个基于IP的、连接所有通信系统和显示器的吉位以太网双环超级总线[9,11]。

4.4HBCT通用VICTORY开放式电子体系结构 [2]

Curtiss-Wright公司在过去几年一直在专门针对HBCT(重型旅战斗组)车辆电子系统来研究网络中心方法，以满足HBCT的需求，例如VICTORY使能网络交换。Curtiss-Wright公司研究的网络中心方法已成熟到：可具体表明如何利用开放式标准COTS产品(即使是跨越多个保密级别)合成满足要求的车内网络体系结构。下面是Curtiss-Wright公司开发的一种基于开放式标准的车内网络设计，它适用于采用一套车辆通用不可知论部件、充分利用VICTORY标准的多种HBCT平台。

图3示出了Curtiss-Wright公司开发的一种车内高级网络体系结构。数据通信网络是以太网，它采用VICTORY数据总线(VDB)。这个网络的核心是以太网交换机，不仅便于子系统之间的数据通信，而且还是一个将VICTORY信息桥接到传统协议的便利地方，从而使系统能够是VICTORY友好的。

VICTORY赋能交换机，或是一个独立单元[例如Curtiss-Wright公司的“数字桥头堡“(Beachhead)]，或是一个装在系统机箱内的交换机模块(一个交换机LRM，例如VPX3-683/-5)。这是一个COTS解决方案，基于硬件和软件领域的开放式标准。

这个网络概念在设计上是通用的。根据平台的需求，能够相应地采用模块(子系统)。成为这种网络的理想居民的唯一准则：能够在以太网上通过平台VDB进行通信；能够与VICTORY信息和协议通信。

图3　Curtiss-Wright公司的一种概念性的

VICTORY已经确保期望支持任何一种子系统的服务和协议都是100% COTS的。例如，VDB本身即是通用的以太网。期望子系统提供的任何服务也是具有代表性的。子系统可以是处理装置、网络交换机、直接或网络连接存储器、防火墙、路由器、用于静态数据和联机加密的装置等。这些装置的管理，以及健康&状态信息的交换，均是利用COTS服务和基于开放式标准的服务来实现。

具体的车辆相关服务和子系统，通过将C4ISR/EW领域的各种车辆具体唯一性桥接到VICTORY环境的网关，保持在VDB网络的外围。

就Curtiss-Wright公司开发的系统总体构成而言，为了开发一种完全通用的HBCT体系结构，车辆的计算&网络基础结构必须被模块化成为一套通用模块+一套车辆具体模块。

通用体系结构将被分为下述主要项：通用网络基础结构模块，用以构成VICTORY数据总线；通用VICTORY共享处理单元，标准化到VITA48 LRM波形因数和仔细选择的OpenVPX(9VITA65)Module Profile；通用LRU子集，带有供通用LRM和关键车辆具体连接(例如TPU Ⅲ)使用的卡槽。

在Curtiss-Wright公司开发的HBCT通用开放式电子体系结构的实现方式中，没有任何东西抵触VICTORY规范，也没有任何东西需要专用标准。

5结论

要确保装甲车辆在网络中心战或网络使能战中的作战效能，同时降低装甲车辆的全寿命周期费用，需要能够确保车载装备项互操作性的开放式电子体系结构。同时，因为装备是不断变化的，还需要选择可长期存在的开放式标准，确保能够在不改进其基本体系结构的情况下改进整个系统。开放式电子体系结构，连同车辆核心电子设备，是确保装甲车辆在未来战场上的作战效能和发展潜力的关键之一。下面，就未来一代车辆电子体系结构的发展提出以下几点建议：

1) 重视新一代车辆电子体系结构的研究与开发工作。为了满足未来网络中心战或网络使能战的数据、音频、视频信息传输要求以及实现更为集成的解决方案和低的SWaP-C目标[5]，应重视以Ethernet为主干的新一代开放式车辆电子体系结构的相关研究与开发工作，其中包括标准的制订。在这方面，英国在制订GVA标准，特别是美国在制订VICTORY标准过程中所进行的研究开发工作，具有极其重要的参考意义。

2) 新一代车辆电子体系结构的标准中应最大限度地利用开放式标准。为了满足SWaP-C约束要求，以及为了实现商用技术能够快速应用于军用系统，在开发标准时，应鼓励采用开放式标准[19]。最大限度地利用开放式标准，目前已成为西方军事强国针对所有重大军事采购项目的一个要求。开放式标准可实现互操作性，从而能够减少集成工作和风险，而且能够在计划的全寿命周期内在COTS供应商之间保持竞争[6]。涉及开放式标准的几个级别是：硬件互操作性；子系统互操作性；软件互操作性。

3) 充分利用商用技术和COTS产品。随着商用技术呈指数律地发展，再加上推向市场的时间缩短，军方用户日益希望获得其私生活所习惯的类似性能。充分利用COTS技术是一个经过证实的途径，能够快速、高效地将商用技术注入军事工业。这里的COTS意味着在最基础层面上充分利用商用技术[16-18]。

4) 注重电子体系结构系统集成实验室的建设。在最初版本的标准制订完成之后，甚至是早在标准提案出台之后，应尽快进行系统集成实验室的建设。系统集成实验室不仅是推进标准化的新一代开放式地面车辆体系结构所需要的一种关键能力，也是获得降低SWaP-C和促进互操作性方面的知识以及支持研发工作的一种重要工具。系统集成实验室的作用包括：演示、发展&验证标准规范及标准规范未来实现；标准规范的独立验证试验；标准规范的成熟化；评定标准规范所确定的技术解决方案的适用性；独立验证试验供应商所提供的实现标准规范的部件和产品(硬件和软件)；标准规范的独立实现之间的互操作性试验；建立自用环境和知识库，支持有关车辆电子和体系结构的未来研究与开发能力；开发测试工具，支持标准规范的测试。需要强调指出，车辆电子体系结构集成实验室在开发先进的开放式电子体系结构方面具有重要的作用，受到西方军事强国的普遍重视。

参考文献：

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(责任编辑周江川)