1  前言

   現代武器裝備的信息化、智能化無不與武器裝備系統具有某些計算機的功能相關聯。但是，在第二次世界大戰之后的相當長的一段時間里，武器裝備和計算機大多是“各行其是、自行系統”。電子數字計算機誕生于1946年，在其后漫長的歷史進程中，計算機始終是安置在特殊的機房中，實現數值計算的大型昂貴設備。直到20世紀70年代，微處理器的出現，計算機才出現了歷史性的變化，計算機開始出現兩種不同的發展方向：(1) 以微處理器為核心的微型計算機以其小型、價廉、高可靠性特點，迅速走出機房；基于高速數值解算能力的微型機，表現出的智能化水平引起了控制專業人士的興趣，要求將微型機嵌入到一個對象體系中，實現對象體系的智能化控制。(2) 要求高速、海量的數值計算的通用計算機系統，技術發展方向是總線速度的無限提升，存儲容量的無限擴大。隨著計算機技術和產品對各個行業的廣泛滲透，以“應用為中心”的分類方法變得更為切合實際和科學合理，也就是說按計算機的嵌入式應用和非嵌入式應用將其分為嵌入式計算機和通用計算機。換言之，始于微型機時代的應用，造就了嵌入式計算機。嵌入式計算機通常由嵌入式微處理器，相關的硬件支持設備以及嵌入式軟件系統等3個部件組成。其中，微處理器是嵌入式系統的核心部件，其它硬件還包括內部總線、接口以及外部總線。

   同時武器裝備和計算機系統越來越緊密地融合在一起。換句話說，就是計算機系統緊緊地“嵌入”到武器裝備里面去了。由此人們斷言：武器裝備已經進入“嵌入式”時代了！特別是美軍更是在嵌入式技術的研究和應用方面走在各國軍隊的前面，本文對此做了一個概要的闡述。

2 “需求牽引、技術推動”促使計算機技術兩極分化

   電子計算機出現以來，人們傳統的分類方法是按照計算機的體系結構、運算速度、結構規模、適用領域，將計算機劃分為大型計算機、中型計算機、小型計算機和微計算機。這種分類方法沿襲了大約40多年。近些年來，隨著半導體技術、微電子技術和計算機技術的快速發展，情況已經發生了根本性的變化，例如在70年代末定義的微計算機基礎之上，演變和發展出來的個人計算機(PC)，如今已經占據了全球計算機工業90 %的市場，其處理速度也超過了以往大、中型計算機的處理速度。

   武器裝備系統里面使用的計算機系統出現了軍用嵌入式計算機和軍用通用計算機的分類方法。軍用嵌入式計算機就是指以插件或芯片形式嵌入到武器裝備或武器裝備系統的內部，智能地完成武器系統功能的專用計算機。這類計算機通常以芯片、模板組件或控制器等形式埋藏于武器內部，以機箱形式表現出來，執行一種或多種特定任務，具有體積小、重量輕、功耗低、適應工作環境能力強、實時性強、可靠性高等特點，主要用于武器控制，指揮控制和通信系統，仿真等作戰與保障系統中。一方面是作戰需要武器裝備更精確、更可靠、更聰明，因而需要將計算機的功能更多地“嵌入”到武器裝備里面去，使武器裝備更加智能化；另一方面則是技術的發展已經能夠讓計算機更小型、更輕型、更方便地“嵌入”到武器裝備里面去。換句話說，“需求牽引、技術推動”促使計算機技術產生兩極分化，其中一支則出現了從“自成系統，各自為戰”到“嵌為一體，緊密融合”的情況。

3  軍用嵌入式系統的廣泛應用

   嵌入式計算機系統，最早出現在20世紀60年代的武器控制系統之中，后來逐步用于軍事指揮控制和通信系統，現在則廣泛地用于軍民兩用的機電一體化產品和工業自動化控制系統中，嵌入式系統主要用于各種信號處理與控制。用于軍用各種武器控制（從火炮控制、導彈控制、智能炸彈到制導引爆裝置等）、坦克、艦艇、轟炸機等陸海空三軍的各種軍用電子裝備，雷達、電子對抗等軍事通信裝備，野戰指揮作戰用的各種專用設備等。軍用嵌入式系統在第一次海灣戰爭到最近的阿富汗戰爭和伊拉克戰爭中都有廣泛地應用。

   目前，嵌入式計算機系統已在國防、國民經濟及社會生活各領域普及應用，用于企業、軍隊、辦公室、實驗室以及個人家庭等各種場所。以下舉出若干“嵌入式”系統在軍事領域里面應用的例子來說明軍用“嵌入式”系統的廣泛應用：

(1)   嵌入式低價格慣性導航系統(Embedded low cost inertial navigation system，INS)
INS使用慣性測量部件(IMU)、數字羅盤、GPS和嵌入式計算機系統。INS能夠連續估計作戰平臺的位置與方向。傳統與典型的IMU是十分昂貴的系統，然而，如果INS采用低價格的組件，則低的價格帶來低的性能，這就是慣性導航系統常常必須包括GPS、羅盤與卡曼濾波器的主要原因。然而，發展中的嵌入式系統則是將導航的重大綜合體融合在一起。結果是呈現出整個系統具有突出的工作優點和多面性的應用，而且價格十分便宜。

(2)   美國陸軍作戰指揮系統中的“21世紀”旅及旅以下戰斗指揮系統(Force XXI Battle Command Brigade-and-Below，FBCB2)

   該系統將給從旅到旅以下最低級別的戰術單位（班）提供戰場態勢和指揮控制。該系統主要包括5個部分：特種用途的嵌入式計算機系統、數字化部隊指揮軟件系統、“嵌入式”位置定位導航裝置(Embedded Position-Navigation，POSNAV)和報告系統、全球通信系統接口和數字化部隊戰斗識別環境。

   此外，還有一種“改良的數據調制解調器”(Improved Data Modem，IDM)。該裝置主要用于通信和目標系統里面。IDM在陸海空三軍裝置中都有應用。典型的應用是將其嵌入到陸軍21世紀部隊旅及旅以下系統的軟件里面去。

(3)   武器試驗數據采集與實時處理系統

   軍隊靶場承擔著三軍各種新型武器系統的試驗與評估任務，目的是為了檢驗新型武器系統或裝備的設計性能指標是否達到預期的設計要求。衡量武器裝備的性能指標能否達到要求，而使用試驗數據給予證明。試驗數據采集設備的任務就是要完成對被試品輸入輸出參數和部分中間運算結果的采集。為了實現武器裝備系統試驗數據的實時采集和實時處理，艦載武器系統試驗數據采集與實時處理系統的軟、硬件均可以采用嵌入式技術。

   據報道，我國的研祥智能科技股份有限公司曾運用其嵌入式產品“EVOC擫CD顯示工作站 EWS-843P為海軍研制過“艦載武器試驗數據采集與實時處理系統”。該系統可用于完成艦載導彈武器系統、艦炮武器系統、導航系統及各相關武器系統（或單機）與各參試設備海上和陸上試驗輸出直流電壓信號，同步機及旋轉變壓器信號，脈沖頻率信號，導彈發控指令信號，并行數字量，RS-232、RS-422/485串行總線數據的采集、 錄取與實時處理。該系統具備同時接收靶場系統信號、外同步信號控制系統采樣的能力，也可通過接收IRIG-DC/B碼和模擬標記信號與其它測控設備同步工作。 經過實際應用證明，該系統技術先進、設計合理、切實可行、性能價格比高。

(4)   軍用掌上型智能設備（軍用PDA產品）

   軍用PDA產品根據不同的應用場合有不同的功能要求，涉及多種當前最先進的技術，如嵌入式CPU應用、多任務操作系統RTOS、GIS應用、衛星定位系統定位、無線通信、藍牙技術、CCD技術、圖像處理技術等。

   隨著現代戰爭的信息化和電子化，功能多樣而又精巧實用的軍用PDA日益受到軍方的重視。由于軍用PDA需要將衛星定位、無線通信、圖像攝取傳送等功能集于一體，對于高科技戰爭中各作戰個體至關重要，一些國家早已開始從事相關技術的研究和開發，并將此類產品裝備到特定的作戰場合。
例如，衛星定位系統(GPS)是PDA的一個十分重要的基礎部分，在戰爭中的作用已是有目共睹的。除導彈的制導等功能，在軍用PDA產品中，配合軍用地圖，衛星定位系統技術能夠讓各作戰個體精確地確定自己的位置，為特殊地形下的部隊集結或特定目的的行進提供保證。

   又如，GIS（地理信息系統）作為軍用PDA的重要應用，通常是將特定的軍用電子地圖嵌入到PDA中，并能夠縮放、旋轉和拖動，能夠以此為平臺隨時標識作戰個體的精確地理位置。

   隨著科技的不斷發展，軍用級別的PDA 有著廣闊的發展前景。如軍用/警用PDA，因其具有GIS系統、衛星定位系統和靈活的通信方式，能有效地應用于單兵作戰系統、聯絡指揮系統、巡邏和追捕系統等系統中。 還有，航空中的調度指揮系統等等。

(5)  嵌入式戰術訓練系統(Embedded Tactical Training System)

   典型的例子有美國海軍的作戰部隊戰術訓練系統(Battle Force Tactical Training(BFTT) System) AN/USQ-T46。

   AN/USQ-T46是一個高柔性、交互式的裝置，用于部隊的戰術作戰訓練。其任務是訓練艦艇人員完成水面與水下艦艇維修與戰備的能力，在大西洋艦隊和太平洋艦隊里面使用。該裝置支持聯合/聯盟的協同作戰能力和司令部的作戰演習。

   AN/USQ-T46具有監測艦艇訓練系統數據、記錄以往事件過程和動態重復被援助的能力。它能夠評定作戰系統的團隊與操作員對于作戰態勢的反應，以及裝置在多種戰爭環境里幫助合成作戰指揮官執行命令、編制計劃、協調行動與部署展開的能力。

(6)   AN/UYK-43嵌入式戰術計算機

   AN/UYK-43嵌入式戰術計算機主要用于各種艦載戰術系統：包括“宙斯盾”系統、先進作戰指揮系統(ACDS)、“三叉戟”潛艇、海軍戰術數據系統（Navy Tactics Data System，NTDS）和多用途登陸艦(LHD)計劃等。UYK-43是海軍新的標準艦載數據處理系統，用于代替斯佩里公司從1969年開始生產的UYK-7計算機。UYK-43基本上是UYK-7的改進型，主要改進是大量使用VLSI，減少了互連數和功耗，增加了速度和存儲能力，需要的單位是美海軍海洋司令部，生產廠商是斯佩里尤尼瓦克公司防御系統部。

   NTDS系統可以根據不同艦艇進行適當地修改，它既可以適應于航空母艦、巡洋艦、藍嶺號指揮艦，也可滿足驅逐艦、護衛艦以及小型護衛艦的作戰要求。

   先進的計算機處理系統將用商用流行產品（COTS，Commercial-Off-The-Shelf）計算機來取代AN/UYK-43一類美國海軍標準計算機。上述技術上的革命性進展保證了“宙斯盾”作戰系統以世界領先地位進入21世紀。

   從以上所舉出的例子來看，嵌入式系統大都是圍繞著通信、控制、監視、數據檢測、數據搜集、數據處理等功能。換言之，只要武器裝備需要這些功能的地方，嵌入式系統就會大有用武之地！

(7)   在“網絡傳感器融合技術”中的應用

   美國國防高級項目研究計劃局（DARPA）在空軍研究實驗室（AFRL）等單位的幫助下，成功地驗證了能夠準確確定敵方目標位置的網絡傳感器融合技術。這項驗證工作是DARPA信息開發辦公室投資的網絡嵌入式系統技術（Network Embedded System Technology，NEST）戰場應用實驗的一部分。網絡嵌入式系統技術項目將實現系統和信息處理融合。該項目應用了大量的微型傳感器、微電子、先進傳感器融合算法、自定位技術和信息技術方面的成果。該項目的長期目標是實現傳感器信息的網絡中心分布和融合，顯著提高作戰態勢的感知能力。網絡嵌入式系統技術節點將可以通過空投、自動放置和人工分發等方式植入到作戰環境中。目前進行的城市作戰試驗包括軍事行動協調柵格和利用傳感器網絡定位射手兩個不同的驗證。軍事行動協調柵格戰場驗證的概念是通過手持和便攜式計算機實時提供網絡區域內的敵軍、我軍和中立部隊的蹤跡。應用傳感器網絡定位射手技術驗證采用廉價音頻傳感器無線移動網絡準確定位敵方射手方位。目標標志將顯示在所有參戰人員的個人計算機中。驗證工作取得了圓滿成功，驗證過程中沒有出現任何問題，觀察員們也向項目組提供了有用的反饋意見。美國軍方對將射手定位技術應用到戰場中表現出濃厚興趣。

(8)   嵌入式因特網的應用

   因特網最初是出現于軍事領域，并且在第一次海灣戰爭中，發揮了巨大的作用。因此，嵌入式因特網必然在軍事領域里有著廣泛地應用。

  嵌入式片上系統將成為瘦服務器。在目前，將會產生比PC時代多成百上千倍的瘦服務器和超級嵌入式瘦服務器，這些瘦服務器將與這個世界人們能想到的各種物理信息、生物信息相聯接，通過Internet網自動的、實時的、方便的、簡單的提供給需要這些信息的對象。如何設計和制造嵌入式瘦服務器、嵌入式網關和嵌入式因特網路由器已成為嵌入式Internet時代的關鍵和核心技術。嵌入式計算機發展的目標是專用電腦，實現“普遍化計算”，因此可以稱嵌入式智能芯片是構成未來世界的“數字基因”。專家預言，未來十年將會產生針頭大小、具有超過1億次運算能力的嵌入式智能芯片，這將為人們創造新武器、新裝備提供無限的創造空間。

4  美軍軍用嵌入式計算機系統發展

   20世紀60年代，美軍開始為武器系統設計各種類型的嵌入式計算機，到80年代，其先進的武器系統基本裝備了嵌入式計算機，如雷達、衛星、導彈以及靈巧炸彈的鼻翼或尾部所裝的制導系統中均有嵌入式計算機。80年代后，為了不斷地升級改造其嵌入式計算機，美國各軍種提出了多項計劃，如陸軍的“空—地一體化指揮控制計算機”計劃，海軍的“E-2C飛機預警系統用計算機”計劃以及空軍的“HAWK-32計算機技術計劃”等。這些計劃的實施，極大地提高了嵌入式計算機的發展，保證了美軍在這一領域的優勢地位。經過幾十年的發展，嵌入式計劃已得到廣泛應用，幾乎“無處不在”。美軍新型武器裝備的研制以及現有武器的改造都會涉及到嵌入式計算機的開發與升級。

   縱觀美軍嵌入式計算機的發展歷程，是從最初的各軍種獨立的“煙囪”式發展，到發展統一的嵌入式計算機標準化軟硬件；從必須采購符合軍用規格的計算機，到采用商用成熟技術和開放系統。

(1)   規范各軍種嵌入式計算機的發展

   美軍在最初研制嵌入式計算機時，各軍種往往都是根據自身的需要，研制適合自身需求的計算機，結果造成各軍種間計算機的硬件，軟件“煙囪”式發展，品種型號繁多，兼容性差，難于取得統一標準。

   為改變這種各自為政的局面，在20世紀60年代末，美軍軍用嵌入式計算機的硬件確定了指令系統結構標準。該標準對計算機結構作了描述，規定了軟硬件接口標準。美國國防部還發布了DODI5000.5X指令，規定了空軍、陸軍和海軍的軍用指令系統的標準。

   指令系統結構標準化后，大大減少了硬件和軟件的種類，降低了由于使用多種語言而引起的軟件研制、移植等諸多問題。從此，美軍各軍種使用的嵌入式計算機被限制在符合軍用指令系統結構標準的范圍之內。

(2)   大力推廣Ada語言

   為使各軍種嵌入式計算機使用相同的軟件，統一硬件結構和編程語言，美國防部和總審計局在20世紀80年代指定Ada語言為嵌入式計算機唯一的編程語言，并制定了Ada計劃，以改變由于各軍備使用不同的編程語言（如空軍使用JOVLAL語言，陸軍使用NEBULA語言，海軍使用CM2語言）使得軟件的可移植性、兼容性大大降低的問題。

   Ada語言是專為用于武器系統、飛機、艦船和C3I等系統的嵌入式計算機開發的計算機編程語言。1980年美國國防部成立Ada聯合編程辦公室（該辦公室現已取消），負責實施Ada的開發。國防部規定所有硬件和軟件到1987年7月1日必須符合Ada的要求，廠商若無國防部認可的Ada編譯程序，就不能參加任何軍用計算機市場合同的競標。

   90年代中期，美國調整了采辦政策，不再強制使用Ada語言，Ada語言從此脫掉了嵌入式計算機國防部唯一指定的編程語言外衣，但經過了20多年的發展，Ada現已成為通用的標準編程語言，不但美軍使用，北約也使用。隨著美軍對軟件要求的放松，C++及Java等語言也逐漸用于嵌入式計算機領域。

(3)   積極地采用商用成熟技術(COTS)和開放系統結構

   以往，美軍在軍事應用的計算機一直由專門廠商研制符合軍用規格的軍用計算機。這種計算機條件要求非常嚴格，尤其是環境要求特別苛刻，而且價格一般也是商用計算機的兩倍。但到了20世紀90年代后，商用計算機在技術上已遠遠超過軍用計算機，同時，美軍認為苛刻的環境在實際中極少遇到，COTS計算機在進行溫度、濕度、振動和沖擊等加固后，一般能夠滿足軍方需求。為此，1994年美軍前國防部部長佩里提出了COTS倡議，即采用商用現代技術或產品，這樣在引進最先技術的同時，可以縮短研制周期，降低產品或價格。現在美軍新研制的嵌入式計算機已廣泛使用了COTS產品。

   同時，美軍取消了DODI5000.5X指令后，軍方采購軍用計算機的政策由原來符合軍用規格計算機轉向非研制項目和COTS產品，并特別注重開放體系結構，要求在芯片、總線和操作系統選擇上遵循開放系統標準，提高計算機的互聯、互通、互操作性，易于升級。

(4)   軍用嵌入式計算機發展的趨勢

   由于信息技術的高速發展和在軍事領域的重要作用，美軍近幾年來不斷加大對計算機的投資，而且預計還將以每年9%的速度增長，嵌入式計算機就是其中最大的增長點。未來嵌入式計算機的發展趨勢主要呈現以下幾個特點：

   第一是體積更小、重量更輕、性能更高。美軍未來部隊裝備轉型將趨于輕型化和微型化，易于部署，因此嵌入式計算機在武器裝備里面能夠利用的空間是十分有限的。這就要求設計者必須減小嵌入式計算機的體積，減輕其重量，同時必須不斷提高其性能來滿足日益增長的需要。為此，超高速微處理機的電路板設計，高可靠性/高組裝密度的通用模塊化設計與組裝技術，人工智能技術，并行處理技術等關鍵技術正在不斷開發。模塊化設計基于低成本，商用現貨，互用和重復使用的硬件和軟件模塊，可大大降低成本，提高產品性能。新的嵌入式計算機基本都采用了整體中央模塊設計。系統級芯片由于可在單片上實現全電子系統的集成，具有信號采集、轉換、存儲、處理及輸入/輸出等功能，植入嵌入式軟件的系統級芯片，能夠降低成本、縮小產品體積、提高產品的可靠性，因此已被稱為“未來嵌入式計算機”的基礎。

   第二是實現武器裝備的網絡化。未來戰爭將會是網絡化的戰爭，任何武器作戰人員都可能是網絡中的節點，因此嵌入式計算機在未來戰場上是無處不在的。無論是在外層空間，還是天地一體化聯網，最終都是通過信息手段實現嵌入式計算機聯網。分布式的嵌入計算機聯網后，將發揮戰斗力“倍增器”的作用，在戰場偵察，環境監控，人員與裝備定位，人員健康狀況監控，戰場人員訪問信息及部隊防護等諸多方面都要比目前的計算機強大得多。

   第三是武器裝備將會更加智能化。美軍目前推廣的通用訪問卡，就是使用嵌入式計算機芯片的智能識別卡，能夠對訪問軍用計算機網絡和系統的人員進行識別和授權。未來，嵌入式計算機將更加智能化和自動化。

   第四是軟件功能將會更加強大。未來嵌入式軟件的功能將越來越強大，執行的功能將越來越多。如美軍第二代戰斗機F-111的航空電子系統功能有20%是通過軟件實現的，武器裝備的功能將會越來越多的由軟件實現的。

   綜上所述，可以斷言：武器裝備已經進入到“嵌入式”時代了！

   為了繼續擴大與發展中國家在技術上的“時代差”，美軍明顯地在嵌入式技術的研究和應用方面走在了世界各個國家軍隊的前面，這就給我軍新時期軍事斗爭準備和未來作戰帶來了巨大壓力，使得盡快地消除“時代差”成了中國國防和中國軍隊建設面臨的最大問題。軍事科技專家預言：嵌入式系統將會成為振興我國武器裝備的突破口！因而，了解、熟悉和掌握軍用嵌入式系統與技術的發展變化，并為我所用是十分必要的！