艦載機衛(wèi)星導航天線設計要點

彭旭飛

(中國航空工業(yè)集團公司西安飛行自動控制研究所，陜西 西安 710065)

0 引 言

衛(wèi)星導航天線是實現(xiàn)衛(wèi)星導航的重要設備，它將接收到的GPS、北斗系統(tǒng)(BDS)、全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GLONASS)等衛(wèi)星發(fā)射的電磁波信號轉(zhuǎn)變成電壓或電流信號，以供接收機處理解算[1]，最終輸出位置、速度、時間等信息。衛(wèi)星導航天線通常安裝于飛機頂部的蒙皮上，而艦載機停放的區(qū)域電磁環(huán)境復雜，執(zhí)行飛行任務時會面臨有意或無意的干擾，影響衛(wèi)星導航系統(tǒng)正常收星定位。艦載機彈射時，在2 s～3 s加速到接近300 km/h的速度，縱向加速度峰值可能達到4g～5g[2]；而在著艦時，下沉速度是陸基飛機的2倍以上，攔阻平均航向過載超過3g[3-4]，天線要承受巨大的沖擊。此外，衛(wèi)星導航天線長時間暴露于高溫、高濕度、高鹽霧的海洋大氣環(huán)境中，經(jīng)受不同海域的風浪、海霧、鹽霧和不同空域的溫差、光照、雨雪以及艦船、母艦排放物等綜合環(huán)境的侵蝕作用[5]。

由此可知，艦載機特殊的使用環(huán)境對衛(wèi)星導航天線提出了更為嚴苛的要求，在對飛機任務需求及海洋環(huán)境影響的研究分析之上，提出功能性能、結(jié)構(gòu)重量、腐蝕防護等方面的設計要點，以期作為艦載機衛(wèi)星導航天線的研發(fā)設計及工程應用的參考借鑒。

1 天線的主要功能

1.1 衛(wèi)星導航的脆弱性

在信息化條件下的現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，衛(wèi)星導航的作用越來越突出。2003年伊拉克戰(zhàn)爭中，95%以上的精確制導武器使用了GPS。然而衛(wèi)星導航存在抗干擾能力弱的固有缺陷。以GPS為例，衛(wèi)星軌道距離地球表面20 230 km，L1頻點的C/A碼和P碼到達地球表面的最小功率電平為-159.06 dBW和-162 dBW[6]。據(jù)英國國防研究局試驗表明，使用1 W的干擾機可使22 km范圍內(nèi)的GPS接收機不能工作；干擾功率每增加6 dB，有效干擾距離就增加1倍。因此，對衛(wèi)星導航信號進行干擾與反干擾的“導航戰(zhàn)”應用而生。

1997年12月30日，在美國新澤西地區(qū)一空軍基地進行GPS發(fā)射機測試，連續(xù)2周發(fā)射功率為5 W、頻率為1 227.6 MHz的信號，導致300 km范圍內(nèi)16架飛機完全丟失GPS信號；2003年伊拉克戰(zhàn)爭，伊軍使用俄制GPS干擾機使美軍精確制導武器受到威脅，至少有8～10枚“戰(zhàn)斧”巡航導彈落入沙特阿拉伯和土耳其境內(nèi)；2011年發(fā)生的RQ-170“哨兵”無人機事件，伊朗方面稱是通過導航干擾手段使無人機迫降。

艦載機在海域上空執(zhí)行偵察、巡視、作戰(zhàn)任務時，作為其重要導航手段的衛(wèi)星導航極易受到干擾。美俄等國已研發(fā)多種干擾機安裝于艦艇、海上浮標、艦載直升機、無人機、系留氣球等多種平臺實施壓制及欺騙干擾[7]，形成立體式干擾網(wǎng)，如圖1所示。

圖1 各種干擾平臺對艦載機的干擾

1.2 增加北斗軍碼接收功能

天線是衛(wèi)星導航系統(tǒng)處理接收信號的首個設備，直接影響著衛(wèi)星導航的功能性能。早期的航空型衛(wèi)星導航天線僅具備接收GPS、GLONASS信號的功能。以GPS為例，L1中心頻率為1 575.42 MHz，調(diào)制在載波上的C/A碼及導航電文內(nèi)容公開，因此除了壓制干擾外，還容易受到轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾及生成式欺騙干擾。另外，民用C/A碼的碼速率為1.023 Mcps，碼寬約977.5 ns；軍用P(Y)碼的碼速率為10.023 Mcps，碼寬約97.75 ns；數(shù)據(jù)碼的碼速率為50 bps，碼寬20 ms。當數(shù)據(jù)碼通過直接序列擴頻而調(diào)至偽碼上時，產(chǎn)生的擴頻增益能增強信號的抗干擾能力。理論上講，調(diào)制到C/A碼的數(shù)據(jù)碼的擴頻增益為：

Gc=TD/TC=20/(977.5/106)=20 460

(1)

約為43 dB。而調(diào)制到P(Y)碼的數(shù)據(jù)碼的擴頻增益為：

GP=TD/TP=20/(97.75/106)≈204 600

(2)

約為53 dB。另據(jù)測算，當天線后端的衛(wèi)星導航接收機載波環(huán)跟蹤門限取為18.5 dB/Hz時，所能容忍的壓制干擾的干信比見表1[8]。

表1 所能容忍壓制干擾的干信比

另外，P(Y)碼是序列X1與序列X2的模2和。序列X1由2個十二級反饋移位寄存器產(chǎn)生，長為15 345 000碼片，序列X2由2個十二級反饋移位寄存器產(chǎn)生，長為15 345 037碼片，序列X1和X2異或相加后，所得序列的周期長度為：15 345 000×15 345 037=235 469 592 765 000碼片或者235 469 592 765 000碼片/10.23 Mcps=23 017 555.5 s≈266.4 d≈38 W。

即使P碼發(fā)生器對周期約為38星期長的序列進行截短，得到周期為一星期的P碼，仍然非常長。P(Y)碼幾乎不會被破解，抗欺騙干擾能力非常強。

北斗軍碼功能與GPS P(Y)碼功能類似，因此為了提升整個衛(wèi)星導航系統(tǒng)的抗干擾能力，需要天線具備接收北斗軍碼頻點的功能。

1.3 空時自適應抗干擾技術(shù)

為了對抗艦載機使用環(huán)境中對衛(wèi)星導航有意或無意的干擾，通常使用自適應抗干擾陣列天線，同時要考慮北斗軍碼信號接收功能。自適應陣列天線原理如圖2所示。

圖2 自適應陣列天線

天線中使用一個陣子接收GNSS信號(GPS與GLONASS)，不進行抗干擾處理。另配置4個BD B3陣子用于接收北斗軍碼信號，BD信號經(jīng)過下變頻變?yōu)橹蓄l，送入抗干擾中頻單元中進行處理。處理器通過抗干擾處理算法，控制每個BD B3陣元信號的加權(quán)值。

目前常用的抗干擾技術(shù)主要有時域抗干擾技術(shù)、頻域抗干擾技術(shù)、空域抗干擾技術(shù)和空時抗干擾技術(shù)等[9-11]。時域濾波器可以以較低成本產(chǎn)生抑制多個窄帶的干擾能力，而空間調(diào)零天線可以抑制所有類型的干擾，但是成本較高。由于時域濾波和空域濾波都可以在數(shù)字中頻上實現(xiàn)，將時域與空域結(jié)合起來，即為空時抗干擾技術(shù)。如圖3所示，每個天線陣元后面的若干個時間延遲單元組成有限沖激響應(FIR)時域濾波結(jié)構(gòu)，抑制窄帶干擾；若干個天線陣元組成了空域濾波結(jié)構(gòu)，在空域上進行干擾抑制。該方法將一維域內(nèi)的自適應抗干擾技術(shù)拓展到空間與時間的二維域中，能夠抑制多個種類、更多數(shù)目的干擾，具有更多的處理自由度。因此，艦載機的衛(wèi)星導航天線可采用具備空時自適應抗干擾技術(shù)的天線。

圖3 空時自適應抗干擾技術(shù)原理框圖

設M為天線陣元個數(shù)，N為時間延遲單元的個數(shù)，時間延遲單元的時延間隔為τ(τ≤1/B)，B為有用信號帶寬。

用MN×1維矢量W表示處理器的權(quán)矢量，則：

(3)

其接收信號可表示為MN×1維接收矢量：

(4)

則經(jīng)過空時自適應濾波后的數(shù)據(jù)輸出為：

y(n)=WHX(n)

(5)

最優(yōu)準則是確定空時抗干擾技術(shù)最優(yōu)權(quán)值的根據(jù)，不同準則會得出不同的最優(yōu)權(quán)系數(shù)，主要有最大干信比準則(MSINR)、最小均方誤差準則(MMSE)、最小方差準則(MV)、最大似然準則(ML)和線性約束最小方差準則(LCMV)。在實際中，衛(wèi)星信號強度十分微弱，淹沒在噪聲之中，而干擾信號很強。本文采用LCMV準則，在滿足某些線性約束條件的情況下，使輸出信號的功率達到最小值。這樣當存在干擾信號時，由LCMV準則求出的權(quán)值能夠在干擾信號方向形成較深的零陷，達到抗干擾目的。

LCMV準則用數(shù)學表達式表示為：

(6)

式中：C為約束矩陣；Rxx為接收信號(包括噪聲、干擾信號和有用信號)的自相關(guān)矩陣；g為約束響應向量。

為使輸出信號功率最小，約束衛(wèi)星導航有用信號空時方向上的響應g=1。另S為空時二維導向矢量[12]：

S=Ss?St

(7)

式中：?為Kronecker積；Ss=(1,ejωs,…,ej(M-1)ωs)T；St=(1,ejωt,…,ej(M-1)ωt)T，ωs=2πdsinθ/λ(d為陣元間距，λ為波長，θ為入射角，即入射方向與陣列法向的夾角)，ωt=2π/Ts(Ts為采樣延遲間隔，Ts≤1/B，B為工作帶寬)分別表示空間與時間頻率。

可以推導出最優(yōu)空時自適應濾波器的解為：

Wopt=μR-1S

(8)

式中：μ=[SHR-1S]-1，為一個常數(shù)。

另外，使用空時自適應抗干擾技術(shù)能定出干擾源的位置。由于空間加權(quán)值是干擾信號到達角的函數(shù)，一旦算出了這些加權(quán)值，便能夠把方程倒過來，算出正對其做空間調(diào)零處理的干擾機的到達角。這個到達角代表在天線坐標系中干擾機的仰角和方位角，再將其轉(zhuǎn)換到地球固連坐標系中，即定出了干擾機的位置，有利于在戰(zhàn)場環(huán)境中將干擾源摧毀。

2 天線的結(jié)構(gòu)重量

2.1 結(jié)構(gòu)重量的影響因素

艦載機的使用環(huán)境與陸基飛機相比存在很大不同，因而對機載衛(wèi)星導航天線的結(jié)構(gòu)重量存在特殊影響。

(1) 艦面運動的影響

由于受到海面風浪的影響，艦船會產(chǎn)生包括縱搖、橫搖、沉浮等6個自由度的連續(xù)不規(guī)則運動。通?？汕蟪鲞\動能量譜的函數(shù)來描述航空母艦在隨海上航行時的運動特性，該能量譜是運動的各正弦分量幅度平方變化的度量，表示遭遇頻率和波浪方向的函數(shù)[13]。

艦載機停放在航空母艦上時，安裝于其頂部蒙皮上的衛(wèi)星導航天線也會隨著艦面進行復雜無規(guī)則的振動、沖擊、顛震等運動。這種運動涵蓋衛(wèi)星導航天線的大部分壽命周期，對天線的結(jié)構(gòu)設計及安裝方式都有影響。

(2) 彈射起飛的影響

艦載機彈射起飛時，依靠自身動力滑行至彈射起飛點，掛彈射鉤和牽制釋鉤，飛行員把發(fā)動機油門推到合適的大小。隨后，牽制桿上的釋放機構(gòu)釋放，艦載機在發(fā)動機推力和彈射器拉力的作用下加速滑跑，在彈射沖程的末端，彈射桿與彈射拖梭分離，前起落架突伸，飛機快速建立離艦迎角，并依靠自身動力向前飛行。據(jù)分析計算，艦載機在70～90 m長的甲板上，在2～3 s時間加速到接近300 km/h速度，飛機的縱向加速度峰值可達到4g～5g，甚至更大[14]。

(3) 攔阻著艦的影響

艦載機為了獲得較高的著艦精度和著艦鉤掛索概率，通常以“撞擊式”觸艦，即大下滑角不拉平，不進行平飛減速和飄落，通過艦制動攔阻索使飛機減速制動，比陸基飛機的下沉速率幾乎大了一倍。此外，航母的不規(guī)則海上運動使得著艦環(huán)境更加復雜多變，可能出現(xiàn)沖擊載荷過大的情況。通常，機輪承受的著艦下沉速度高達4.5 m/s，新型艦載機甚至達到6 m/s，應急著艦時的墜撞安全沖擊可高達40g[15]。減速過程中，時速200～300 km/h、重達27 t的飛機在2 s時間內(nèi)要停下來。安裝在飛機上的設備經(jīng)受攔阻著艦的沖擊環(huán)境為瞬態(tài)正弦波，其瞬態(tài)正弦波的一般形式如下：

y=Ame-ξωtsin(ωt)，0≤t≤Te

(9)

式中：Am為瞬態(tài)波振幅，單位為g，根據(jù)飛機的結(jié)構(gòu)分析、第一階瞬態(tài)模態(tài)的頻率以及裝備在第一階模態(tài)振型上所處的位置確定；ξ為阻尼比，ξ=1/(2Q)=0.025；ω為波形圓頻率，單位rad/s，ω=2πf，給定飛機第一階模態(tài)的頻率確定；Te為沖擊波形有效持續(xù)時間，為2 s。

2.2 結(jié)構(gòu)設計

安裝在艦載機上的衛(wèi)星導航天線承受更加復雜嚴苛的振動、沖擊、加速度環(huán)境，結(jié)構(gòu)設計時需要考慮這些因素。圖4為抗干擾衛(wèi)星導航天線結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括天線罩、天線陣單元、射頻單元、抗干擾處理單元、電源變換單元、蓋板、腔體、底板、支柱、連接器等部分。

圖4 抗干擾衛(wèi)星導航功能天線

衛(wèi)星導航天線內(nèi)部通過隔板進行腔體隔離，腔體厚度足夠滿足抗震性，在各部件之間使用連接器直連。連接器可采用全擒縱鎖緊方式，鎖緊強度滿足振動環(huán)境要求。天線腔體工藝可采用數(shù)控銑一次成型，保證加工精度整體結(jié)構(gòu)。在傳力設計方面，天線可采用邊沿安裝方式，四周支撐，在安裝邊沿上設計安裝孔，產(chǎn)品受力均自整機腔體進行傳遞。在載荷設計方面，產(chǎn)品內(nèi)部電路板通過螺釘固定，印制板均設計為四周固定和支柱固定結(jié)合的方式，必要時

在板中心部分設計加強筋，整個電路板固定可靠，印制板無自由度。天線設計支柱進行安裝，使整機各組件形成為一個結(jié)構(gòu)整體，受力均勻。

在元器件選擇時，對于電阻、電感等分立元件，要選擇體積小、高度低的表面貼裝元件。對于高度/底面積比較大的元件，需要再進行粘貼。為了避免沖擊導致參數(shù)改變，不能使用空氣隙電容器和空芯繞組電感器。印制板的取向應與艦載機加速度方向平行，減小印制板的翹曲，從而避免元器件受到應力而引線開裂和元件脫落。較大的元器件應排布在印制板的邊沿，這里翹曲最小且可減小印制板中心部位的質(zhì)量。

2.3 重量控制

航電設備通常要取得最小重量，關(guān)于多余重量與效率的關(guān)系，一般說法為10∶1，即節(jié)省10 kg設備可以使載荷能力增加100 kg，附加的重量會增加結(jié)構(gòu)強度、攜帶更多燃油，從而導致惡性循環(huán)。

衛(wèi)星導航天線的天線陣元需選擇高介電常數(shù)的復合介質(zhì)制成的微帶天線，盡量選擇封裝小、重量輕的表貼式的元器件，采用一體式的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計、多個功能模塊進行整體集成。材料選擇時應在滿足導航天線功能性能、結(jié)構(gòu)強度及使用環(huán)境的前提下選擇重量輕、強度高、吸震性能好的新型材料。幾種新型材料的性能比較如表2所示[16]。

表2 結(jié)構(gòu)材料性能比較

3 天線的腐蝕防護

3.1 海洋環(huán)境的影響因素

艦載機的使用環(huán)境與陸基飛機相比更為嚴苛，除了低氣壓、高低溫、溫度沖擊、濕熱、霉菌、鹽霧、太陽輻射、淋雨、結(jié)冰等環(huán)境外，艦載機還受到其他環(huán)境因素的影響[17-18]。艦載機在整個壽命期內(nèi)，大部分時間停放在甲板上，長時間處于高溫、高濕度、高鹽霧、高霉菌的海洋大氣環(huán)境中，經(jīng)受不同海域風浪、海霧、鹽霧及持續(xù)干濕交替循環(huán)的侵蝕以及不同空域的溫差、光照、雨雪等環(huán)境帶來的影響。除此之外，還有航母動力裝置排放的燃燒廢氣以及艦載機起飛、降落排放的尾氣與高鹽霧海洋大氣形成局部富集SO2、NO2等污染物質(zhì)的酸性鹽霧氣氛。美國海軍研究中心已經(jīng)證實停放在飛行甲板上的飛機表面聚積的濕氣中含有SO42-并具有2.4～4.0的pH值。

衛(wèi)星導航天線在安裝時需要在飛機蒙皮結(jié)構(gòu)上開口，因此天線與蒙皮的結(jié)合面容易進入雨水、潮氣、跑道除冰液、冷凝水、飛機清洗劑等，產(chǎn)生縫隙腐蝕，即金屬與其他金屬形成的縫隙結(jié)構(gòu)的電化學腐蝕環(huán)境與整體環(huán)境不同所產(chǎn)生的縫隙內(nèi)部加速腐蝕的現(xiàn)象，如圖5所示。

圖5 天線安裝區(qū)域腐蝕情況

衛(wèi)星導航天線的多針電連接器也容易被腐蝕，在海洋環(huán)境下，不僅外殼會發(fā)生電化學腐蝕，而且針孔處容易產(chǎn)生縫隙腐蝕，影響電連接功能。如圖6所示。

圖6 電連接器的腐蝕

此外，衛(wèi)星導航天線內(nèi)部也難幸免。包括污染顆粒物、硫化物、煙霧、海洋空氣中的鹽霧等濕氣及殘留污染物直接腐蝕內(nèi)部電子元器件，或?qū)е聝?nèi)部電路異常短路及斷路，或形成隔熱層影響元器件散熱，或加速電化學腐蝕；冷凝水、除冰液、飛機清洗劑腐蝕金屬結(jié)構(gòu)及密封劑；霉菌、真菌等微生物可以在電路板保型涂料、橡膠墊圈等材料上生存，吸收濕氣，食用有機材料，釋放酸性物質(zhì)。

3.2 腐蝕防護措施

天線要進行全密閉設計，天線罩、腔體、蓋板間加裝密封條。衛(wèi)星導航天線的縫隙處、天線與蒙皮的結(jié)合面涂抹密封劑，保證其密封性，防止海水、濕氣、污染物等浸入。結(jié)構(gòu)設計上盡量減小金屬接觸電位差，以避免出現(xiàn)電偶腐蝕。

天線罩要選擇耐腐蝕材料，同時為了保證衛(wèi)星信號的正常接收，要求高頻下仍能保持良好介電性，微波透過性要好，可選用特氟龍，即聚四氟乙烯(PTFE)。該材料具有極強的耐腐蝕性能，能耐王水以及一切有機溶劑，且具有塑料中最佳的老化壽命。表面涂敷氟碳漆，該漆本質(zhì)上是含氟化物的樹脂涂料。對比丙烯酸漆或氨基漆等常規(guī)油漆，氟碳漆具有超長耐候性、耐鹽霧性、耐酸堿腐蝕性、抗紫外線、強自潔性、高裝飾性、耐洗刷性和耐摩擦等特性。

天線的腔體、蓋板等可采用鈦合金、鋁鎂合金、硬質(zhì)鋁合金等材料，表面進行導電氧化，或進行更加耐海洋環(huán)境微弧氧化工藝處理，即將Al、Mg、Ti、Ta、Nb等閥金屬及其合金置于一定的電解液體系中，利用電化學方法，使材料表面微孔產(chǎn)生火花放電斑點，在熱化學、等離子體化學和電化學的共同作用下，在輕金屬表面生成陶瓷膜層，增強材料的耐磨、耐腐蝕性能。表面涂敷S06-N-2環(huán)氧聚氨酯底漆(Q/HT 008-2013)和丙烯酸脂肪族聚氨酯漆(Q/HT 007-2013)或使用耐候性、耐腐蝕性更好的環(huán)氧聚酰胺底漆(Q/HT 051-2016)和含氟碳(四氟碳)無光磁漆(QHT 048-2016)。

天線內(nèi)部的電路板如射頻板、抗干擾處理板及電磁干擾(EMI)濾波器電路板可采用覆銅箔板(FR-4)，表面涂敷B01-15丙烯酸清漆或氟聚氨酯清漆。該漆具有良好的耐高低溫性能，其固化后形成一層30～50 μm厚的薄膜，可具備優(yōu)越的絕緣、防潮、防漏電、防震、防塵、防腐蝕、防鹽霧、防霉、防老化及耐電暈等性能。

天線的電連接器采用界面密封和尾部封線體整體熱縮設計，連接器采用合理結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化，避免不同金屬接觸所產(chǎn)生的電偶腐蝕反應。經(jīng)試驗室加速老化試驗，對連接器選型給出推薦排序：鈦合金>不銹鋼鈍化>復合材料鍍鎳>復合材料鍍鎘>鋁合金殼體鍍鎘。

4 結(jié)束語

本文從艦載機衛(wèi)星導航天線的特殊要求著手，分析了衛(wèi)星導航的脆弱性以及艦載機面臨的導航戰(zhàn)形式，提出了天線應具備軍碼接收及空時自適應抗干擾功能；分析了艦載機停放環(huán)境、彈射起飛、攔阻著艦對天線的要求，提出了結(jié)構(gòu)重量的設計要點；分析了海洋環(huán)境的影響因素，提出了天線可采取的腐蝕防護措施。這些設計要點對于艦載機衛(wèi)星導航天線的研發(fā)及工程應用具有一定的參考意義。