綜合性航空電子傳感器研究

劉鵬

摘 要：闡述了航空電子傳感器的發(fā)展歷程，分析了綜合性航空電子傳感器的重要意義，提出了綜合性航空電子傳感器的技術(shù)路徑和實(shí)現(xiàn)途徑。希望通過文章的分析，為相關(guān)工作人員提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：綜合性；航空電子傳感器；研究

中圖分類號(hào)：TP212.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）24-0064-02

Abstract： This paper expounds the development course of the avionics sensor， analyzes on the important significance of the integrated avionics sensor， and puts forward the technical path and the realization way of the comprehensive avionics sensor， so that through the analysis of the article， for the relevant staff to provide reference.

Keywords： synthesis； avionic sensor； research

引言

航空電子傳感器包括雷達(dá)、通信、導(dǎo)航等多種電子設(shè)備，主要以射頻收發(fā)設(shè)備為主。近些年，各國紛紛加強(qiáng)對(duì)航空電子傳感器研究，致力于縮小其體積、重量、空間及成本，提高其性能和質(zhì)量。云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)的飛速發(fā)展，為綜合化航空電子傳感器提供了技術(shù)支撐和實(shí)現(xiàn)路徑。文章重點(diǎn)研究了航空電子傳感器的發(fā)展，提出了綜合性航空電子傳感器的意義，以期為綜合化航空電子傳感器提供理論和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 航空電子傳感器的發(fā)展歷程

航空電子傳感器的綜合化歷程是伴隨著航空電子系統(tǒng)的綜合化而逐步推進(jìn)的。近半個(gè)世紀(jì)以來，美國航空電子系統(tǒng)一直處于領(lǐng)先地位，先后經(jīng)歷了4個(gè)發(fā)展階段，分別是分立式階段、聯(lián)合式階段、綜合化階段、高度綜合化階段。

1.1 第1代航空電子系統(tǒng)

主要處于分立式結(jié)構(gòu)階段。通信、雷達(dá)、導(dǎo)航等設(shè)備均有各自獨(dú)立的天線、傳感器、處理器等，相互之間連接的方式為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。

1.2 第2代航空電子系統(tǒng)

主要處于聯(lián)合式結(jié)構(gòu)階段。與第一代航空電子系統(tǒng)比較，相同點(diǎn)是各個(gè)系統(tǒng)仍采用獨(dú)立的專用傳感器，不同點(diǎn)是，采用綜合控制與顯示，使用幾個(gè)數(shù)據(jù)處理器通過多路數(shù)據(jù)傳輸總線交聯(lián)完成對(duì)通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、武器投放、顯示器等航空電子系統(tǒng)設(shè)備的控制和顯示等功能。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢是，連接關(guān)系進(jìn)一步簡化、系統(tǒng)體積和重量進(jìn)一步縮小，飛機(jī)的性能得到提高，但資源共享只發(fā)生在信息鏈后端的控制與顯示環(huán)節(jié)。

1.3 第3代航空電子系統(tǒng)

主要處于綜合化結(jié)構(gòu)階段，以“寶石柱”為典型，以F-22為代表。與第二代航空電子系統(tǒng)比較，綜合化程度進(jìn)一步提高，通過共享綜合核心處理器，采用不同模塊在不同的階段發(fā)揮不同的功能，完成導(dǎo)航計(jì)算和管理、座艙顯示、外掛管理調(diào)度、火控計(jì)算、系統(tǒng)完好性監(jiān)視等調(diào)度計(jì)算和管理工作。但第三代電子系統(tǒng)仍未完全實(shí)現(xiàn)航空電子傳感器的綜合化。

1.4 第4代航空電子系統(tǒng)

主要處于高度綜合化結(jié)構(gòu)階段，以“寶石臺(tái)”為典型，以聯(lián)合攻擊機(jī)為代表。與第三代航空電子系統(tǒng)比較，采用模塊化、外場可更換的設(shè)計(jì)思路，進(jìn)一步將傳感器系統(tǒng)的綜合推到了射頻、孔徑以及光電領(lǐng)域，硬件配置中沒有單獨(dú)的雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)功能，而是通過加載不同的軟件，以多種共享的資源模塊實(shí)現(xiàn)各種功能。至此，航空電子系統(tǒng)在一個(gè)功能區(qū)中實(shí)現(xiàn)了資源共享。

2 綜合性航空電子傳感器的重要意義

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展以及飛機(jī)對(duì)航空電子系統(tǒng)的要求愈來愈多，通過綜合化航空電子傳感器，可以使其具備更多的功能、更好的適應(yīng)性、更強(qiáng)的生存能力和更高的可靠性。

2.1 減少飛機(jī)的重量及成本

飛機(jī)上的外掛區(qū)、發(fā)動(dòng)機(jī)高溫區(qū)、進(jìn)排氣區(qū)、起落架區(qū)、座艙區(qū)、減速板、機(jī)體與機(jī)翼整體油箱區(qū)、前后襟翼與尾舵區(qū)和各類維護(hù)口蓋等區(qū)域不能布局天線，其余留下可供布局機(jī)載天線的區(qū)域非常有限。隨著飛機(jī)電子傳感器增多，相應(yīng)的天線也越來越多，而且大部分采用窄帶天線，相互之間功能分離、作用單一、占用空間和重量比較大。采用共享通用模塊，實(shí)現(xiàn)綜合性航空電子傳感器，可以縮減成本及重量的二分之一以上。

2.2 提高飛機(jī)的性能

航空電子傳感器覆蓋的頻段比較寬、且采用保形設(shè)計(jì)，如果不對(duì)其進(jìn)行綜合化處理，大部分天線布局工作困難，會(huì)對(duì)飛機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性等帶來不利影響。另外，飛機(jī)上每根天線都反射電磁波，隨著天線數(shù)量的增多，會(huì)形成難以消除的多散射中心，無形中降低了飛機(jī)的隱身性能。因此，通過綜合化電子傳感器，不僅可以避免電子傳感器各個(gè)功能在時(shí)間域、空間域、頻率域的沖突，還可以提高飛機(jī)的可靠性、穩(wěn)定性以及隱身性等性能。

2.3 減輕飛行員的負(fù)荷

飛機(jī)原有電子傳感器，相互分離，功能單一，顯示器數(shù)量較多，飛行員要操作多個(gè)面板。對(duì)雷達(dá)、通信、光電等不同類別的傳感器進(jìn)行綜合后，重新整合各個(gè)子系統(tǒng)的功能，將傳感器前端組件、數(shù)據(jù)處理組件等整合成資源共享、可通用的新型電子傳感系統(tǒng)，從而為飛行員提供更為精準(zhǔn)、高效、完整的戰(zhàn)場態(tài)勢，減輕飛行員的操作負(fù)荷。

3 綜合性航空電子傳感器的技術(shù)路徑

科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力。實(shí)現(xiàn)綜合性航空電子傳感器有賴于多種關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

3.1 軟件無線電技術(shù)

軟線無線電的概念是由Mitola首次提出，它的核心理念是用軟件算法來實(shí)現(xiàn)無線電設(shè)備的大多數(shù)功能，它的核心技術(shù)是采用高速、高精度DAC和ADC、可編程邏輯器件和DSP等來構(gòu)造一個(gè)開放、標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的硬件平臺(tái)，并通過開發(fā)新的軟件模塊來實(shí)現(xiàn)各種功能需求。軟件無線電允許直接在平臺(tái)之間移植波形，可以實(shí)現(xiàn)一種通用的多模式、多頻段電臺(tái)，因而很大程度上降低了系統(tǒng)開發(fā)、部署和升級(jí)的成本，提高了隨時(shí)隨地的無縫通信需求。目前存在的主要問題是濾波和線性，可重構(gòu)天線必須是線性的。

3.2 總線技術(shù)

數(shù)據(jù)總線是航空電子傳感器系統(tǒng)的信息傳遞樞紐，主要采用ARINC429、ARINC629、MIL-STD-1553B和高速數(shù)據(jù)總線等數(shù)字式數(shù)據(jù)傳輸總線標(biāo)準(zhǔn)，其中，ARINC429是廣泛應(yīng)用于民用飛機(jī)的單向數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)；MIL-STD-1553B是廣泛應(yīng)用于軍用飛機(jī)的總線結(jié)構(gòu)；HSDB傳輸速率高并且能實(shí)現(xiàn)分布式存取控制。但是上述總線技術(shù)的帶寬有限，不能滿足綜合性航空電子傳感系統(tǒng)高速、大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，也不支持高清視頻通信，更無法滿足將數(shù)據(jù)總線與傳感器數(shù)據(jù)分布以及交換網(wǎng)絡(luò)綜合為一體化的高要求。當(dāng)前，系統(tǒng)互連正向高速化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，高速光纖總線、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)高速光纖傳輸總線等為更加優(yōu)化的綜合性電子傳感器提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.3 綜合核心處理系統(tǒng)技術(shù)

高度綜合核心處理系統(tǒng)是一個(gè)比較典型的分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是航空電子傳感器的核心處理系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)傳感器輸入數(shù)據(jù)的處理、計(jì)算、融合、管理等綜合功能。綜合性航空電子傳感器的實(shí)現(xiàn)依賴綜合核心處理系統(tǒng)技術(shù)。為滿足機(jī)載處理能力和計(jì)算能力飛速發(fā)展的要求，技術(shù)上它可以利用共享模塊、并行處理多機(jī)系統(tǒng)以及分布實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性，共享核心處理資源，達(dá)到傳輸大容量信息、處理大量信號(hào)和數(shù)據(jù)以及改善系統(tǒng)性能的目的。

3.4 低成本及可靠性技術(shù)

隨著航空飛機(jī)性能的提升，需要電子傳感系統(tǒng)具備容錯(cuò)、降級(jí)等處理能力，因而電子傳感器結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，對(duì)應(yīng)配套的軟件系統(tǒng)數(shù)量也在增多，而且需要定期維護(hù)保養(yǎng)，相應(yīng)的成本在不斷提高。在不降低航空飛機(jī)性能的前提下，如何降低電子傳感器成本、提高電子傳感器可靠性，是具有重大挑戰(zhàn)的研究課題。這就要求設(shè)計(jì)者在綜合性航空電子傳感器中緊跟形勢發(fā)展，更新思維理念，對(duì)航空電子傳感器的技術(shù)結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)做進(jìn)一步優(yōu)化處理。

3.5 信息融合技術(shù)

信息融合技術(shù)是根據(jù)多種信息資源進(jìn)行檢測、互聯(lián)、估計(jì)、信息與數(shù)據(jù)聯(lián)系的多層次、多方位、多界面信息處理，獲取更豐富、更精確和高質(zhì)量的有關(guān)狀態(tài)和屬性的估計(jì)，進(jìn)而獲得完整的戰(zhàn)場態(tài)勢的方法和手段，它是綜合性電子傳感器系統(tǒng)信息處理的關(guān)鍵技術(shù)。伴隨著航空電子系統(tǒng)的發(fā)展，數(shù)據(jù)融合技術(shù)將向多平臺(tái)、多傳感器、智能化方向發(fā)展。通過電子傳感器與各類信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息互換，實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)間的信息互通互聯(lián)和信息共享，可以提高航空器協(xié)同共享信息能力。

4 綜合性航空電子傳感器的實(shí)現(xiàn)途徑

頻段綜合、天線孔徑綜合、射頻前端綜合等技術(shù)的發(fā)展，為綜合性航空電子傳感器提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)方式也越來越多。

4.1 頻段綜合

航空電子傳感器使用的頻段比較寬，射頻模塊在不同頻段的設(shè)計(jì)和傳輸都有嚴(yán)格且特殊的要求，國際太空合作計(jì)劃提出，在2MHz-400MHz、0.5GHz-2GHz、2GHz-18GHz等三個(gè)頻段上進(jìn)行射頻綜合。

4.2 天線孔徑綜合

充分考慮各類天線在空域、頻域、時(shí)域、調(diào)制域等方面的特性，對(duì)天線進(jìn)行整合，最大程度壓減天線的數(shù)量，使其共享成為傳感器前端，實(shí)現(xiàn)各類傳感器功能的空間電磁波能量與高頻電磁波能量進(jìn)行互換，達(dá)到發(fā)揮最優(yōu)功能和效率的目的。

4.3 射頻前端綜合

傳統(tǒng)模式的電子傳感器系統(tǒng)，由獨(dú)立且具有不同功能和頻段的設(shè)備完成的射頻功能。綜合性航空電子傳感器，將不再按功能劃分系統(tǒng)的射頻組件，而是按信號(hào)特性劃分系統(tǒng)的射頻組件。它采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的方法，將雷達(dá)、通信、導(dǎo)航和識(shí)別等多個(gè)傳感器系統(tǒng)的射頻部分進(jìn)行融合，形成資源共享、可重構(gòu)和通用化的新型綜合系統(tǒng)。

4.4 網(wǎng)絡(luò)化綜合

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，最大限度地利用整個(gè)信息網(wǎng)絡(luò)的信息資源必將是綜合電子傳感器的重要發(fā)展方向之一?？梢灶A(yù)見，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，綜合性航空電子傳感器將更加智能化、模塊化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化。

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