內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥遙測技術(shù)研究

許吉斌，展勇忠，冉玉忠，舒海濤

(湖南云箭集團有限公司, 長沙 410100)

在制導(dǎo)航空彈藥的研制過程中，特別是在飛行試驗中，需要彈藥內(nèi)部各個系統(tǒng)在不同狀態(tài)、不同環(huán)境下的數(shù)據(jù)作為支撐。一方面實時的提供武器狀態(tài)，以利于指揮員做出決策；另一方面通過對數(shù)據(jù)的事后解析，為制導(dǎo)航空彈藥的性能分析和特殊情況下的故障排查提供了依據(jù)，同時為其改進(jìn)性設(shè)計提供了數(shù)據(jù)支撐。目前，主流的制導(dǎo)航空彈藥遙測系統(tǒng)是通過彈載遙測采編發(fā)射機對彈上各系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行采集、編幀、調(diào)制，由彈載遙測天線發(fā)射出來；通過無線信道進(jìn)行實時傳輸；由地面遙測設(shè)備進(jìn)行接收、解調(diào)、解碼、顯示和事后處理[1-2]。

近年來，隨著材料、電子等領(lǐng)域科學(xué)研究的不斷深入，戰(zhàn)斗機“隱身技術(shù)”得到了飛速發(fā)展。為了追求更好的隱身性能，隱形戰(zhàn)斗機主要采用內(nèi)埋的方式裝載武器，但由于武器艙體密閉，具有良好的信號屏蔽性，采用常規(guī)的制導(dǎo)航空彈藥遙測信號發(fā)送接收方式無法實現(xiàn)掛機狀態(tài)下彈上數(shù)據(jù)的傳輸[3]。因此，本文針對隱形戰(zhàn)斗機武器艙及內(nèi)埋制導(dǎo)彈藥特征，提出了內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥遙測信號的收發(fā)策略，并在此基礎(chǔ)上就其信號傳播面臨的難題和解決問題的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討[4-8]。

1 彈藥掛載方法、方向及特點

1.1 制導(dǎo)航空彈藥的掛載方法及特點

制導(dǎo)航空彈藥的主要掛載方法主要包括外掛、半埋、保型和內(nèi)埋4種[9]，其特點如表1所示。

半埋式和保型式掛載方式使用局限性較大，且優(yōu)勢不明顯，可以認(rèn)為是在外掛式基礎(chǔ)上為提高隱身及氣動等性能做的適應(yīng)性改進(jìn)，因此使用并不廣泛，尤其是在我國已列裝的載機上，幾乎難覓蹤跡。

自20世紀(jì)80年代起，世界上的軍事強國陸續(xù)開始了第五代戰(zhàn)斗機的研制，如美國的F-22、F-35，俄羅斯的SU-57，中國的J-20等，相較于第四代戰(zhàn)斗機，新一代戰(zhàn)斗機具有隱身性能和機動性能佳，超視距作戰(zhàn)，超聲速巡航和短距離起降等特性。由于外掛武器會增加飛機雷達(dá)散射面積RCS值，影響飛機外形流暢性[10]，從而對飛機的隱身性能、巡航速度和機動性能都造成了較大的影響，因此，內(nèi)埋掛載方式成為了第五代戰(zhàn)斗機的最佳掛載方式。

1.2 制導(dǎo)航空彈藥掛載的方向及特點

制導(dǎo)航空彈藥的掛載方向包括正掛、側(cè)掛和倒掛。其特點如表2所示。

表1 制導(dǎo)航空彈藥的掛載方法特點

表2 制導(dǎo)航空彈藥掛載方向特點

隱形戰(zhàn)斗機一般采用正掛和倒掛兩種掛載方向，其機彈分離過程如圖1所示。

圖1 隱形戰(zhàn)斗機機彈分離過程

正掛的制導(dǎo)航空彈藥掛載狀態(tài)下，背部正對飛機掛架，投放后，由于氣流的作用會出現(xiàn)一定程度的晃動，但整個過程中彈藥不會出現(xiàn)大幅度的翻轉(zhuǎn)。

倒掛的制導(dǎo)航空彈藥掛載狀態(tài)下，腹部正對飛機掛架，投放后，彈藥先進(jìn)行穩(wěn)定控制，待其完全脫離飛機武器艙后，再進(jìn)行180°翻轉(zhuǎn)和展翼[11-12]。

由于掛載方向不同，彈上各類無線信號測量、收發(fā)裝置的型號和安裝位置也不同，尤其是衛(wèi)星接收裝置和遙測安控天線的類型和安裝位置對其性能影響較大。

2 外掛及內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥遙測系統(tǒng)分析

2.1 外掛制導(dǎo)航空彈藥遙測系統(tǒng)

外掛制導(dǎo)航空彈藥遙測系統(tǒng)一般由彈載遙測發(fā)送系統(tǒng)及地面遙測接收系統(tǒng)組成[13-14]。

彈載遙測發(fā)送系統(tǒng)由彈載采編發(fā)射機及遙測發(fā)送天線等組成，其中采編發(fā)射機主要包含信號調(diào)理模塊、總線接口電路、采編模塊、電源管理模塊及發(fā)射機等，其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 外掛制導(dǎo)航空彈藥彈載遙測發(fā)送系統(tǒng)框圖

地面遙測接收系統(tǒng)主要由遙測接收天線、接收機、下變頻器、解調(diào)設(shè)備、數(shù)據(jù)解算設(shè)備及數(shù)據(jù)顯示設(shè)備等組成，其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 外掛制導(dǎo)航空彈藥地面遙測接收系統(tǒng)框圖

制導(dǎo)航空彈藥上電后，彈載遙測發(fā)送系統(tǒng)采集傳感器、電氣系統(tǒng)及其他彈上設(shè)備輸出的模擬量信號和彈載計算機及導(dǎo)引頭等設(shè)備輸出的數(shù)字量信號；模擬信號經(jīng)過調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號通過總線接口電路，均傳輸至系統(tǒng)控制緩存電路對數(shù)據(jù)緩存；各路數(shù)據(jù)通過編幀器根據(jù)預(yù)設(shè)的遙測數(shù)據(jù)編碼格式編碼并生成PCM數(shù)據(jù)流；PCM數(shù)據(jù)流經(jīng)調(diào)制和功率放大后由遙測發(fā)射機進(jìn)行發(fā)射。遙測信號通過無線信道進(jìn)行傳播。地面遙測接收系統(tǒng)通過遙測接收天線收到遙測信號，對其進(jìn)行低噪聲放大、下變頻、解調(diào)，然后由數(shù)據(jù)解算設(shè)備進(jìn)行挑路、分包、解析，最終生成可供實時查看和事后分析的數(shù)據(jù)。

2.2 內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥遙測系統(tǒng)

2.2.1內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥遙測系統(tǒng)特性分析

內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥的飛行試驗一般包含掛飛試驗和靶試試驗兩個類型，在整個掛飛試驗中，彈藥一直內(nèi)埋于隱形戰(zhàn)斗機武器艙內(nèi)；而在靶試試驗中，彈藥先內(nèi)埋于隱形戰(zhàn)斗機武器艙內(nèi)，待隱形戰(zhàn)斗機進(jìn)入發(fā)射區(qū)域后，飛行員發(fā)出彈藥發(fā)射指令，載機武器艙門打開，武器脫離掛架，實現(xiàn)對目標(biāo)的攻擊。

相較于外掛制導(dǎo)航空彈藥遙測系統(tǒng)，內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥遙測系統(tǒng)需要解決的最關(guān)鍵問題是掛飛過程中彈上遙測數(shù)據(jù)的發(fā)送問題：掛飛過程中，彈藥一直內(nèi)埋于隱形戰(zhàn)斗機武器艙內(nèi)，受到武器艙金屬屏蔽的影響，無法將信號發(fā)射出來，這將直接影響指揮員對彈藥實時狀態(tài)的判斷，更使得寶貴的掛飛數(shù)據(jù)丟失，對彈藥的后續(xù)研制和改進(jìn)造成了嚴(yán)重的影響。由于掛機狀態(tài)下，制導(dǎo)航空彈藥可通過與飛機進(jìn)行交聯(lián)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，因此考慮通過飛機對彈上遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)來解決該問題。

2.2.2內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥遙測系統(tǒng)工作原理設(shè)計

為了解決遙測信號的發(fā)送問題，本文提出通過在載機內(nèi)加裝遙測信號轉(zhuǎn)接設(shè)備和信號合路器等設(shè)備，利用載機的遙測天線對彈藥的遙測信號進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥掛機狀態(tài)的遙測信號發(fā)送。使用該方案的遙測系統(tǒng)工作原理框圖如圖4。

圖4 內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥遙測系統(tǒng)工作原理框圖

當(dāng)內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥處于掛機狀態(tài)時，彈載遙測發(fā)送系統(tǒng)采集彈藥狀態(tài)信息，按照遙測數(shù)據(jù)編碼格式生成可供發(fā)射的PCM遙測信號，對其進(jìn)行調(diào)制后，通過有線或無線的方式發(fā)送給飛機，由安裝在飛機上的遙測信號轉(zhuǎn)接設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)接，并將信號接入機載遙測信號合路器中，合路器將彈上遙測信號和載機遙測信號合路并最終通過載機天線發(fā)射出來。

3 內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥遙測關(guān)鍵技術(shù)

通過飛機對內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥遙測信號進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，主要面臨3個難題：如何實現(xiàn)飛機對彈藥的遙測信號轉(zhuǎn)接； 如何將轉(zhuǎn)接后的遙測信號與飛機遙測信號進(jìn)行合路；如何最大程度保持內(nèi)埋和外掛制導(dǎo)航空彈藥遙測系統(tǒng)的通用性。針對這3個難題，本文從遙測信號轉(zhuǎn)接技術(shù)、遙測信號合路技術(shù)和彈載遙測發(fā)送天線選擇三方面進(jìn)行了研究和設(shè)計。

3.1 遙測信號轉(zhuǎn)接技術(shù)

3.1.1有線遙測信號轉(zhuǎn)接

有線信號轉(zhuǎn)接指從彈載遙測發(fā)送系統(tǒng)中引出信號上傳接口，通過機彈電纜等有線鏈路將調(diào)制后的遙測信號上傳至飛機。該技術(shù)原理簡單，易于實現(xiàn)，但由于標(biāo)準(zhǔn)機彈電纜內(nèi)無預(yù)留遙測信號上傳接口，因此使用該轉(zhuǎn)接方式存在機彈電纜不能貫標(biāo)的問題。且由于需要將遙測信號引出，因此對彈載遙測發(fā)送系統(tǒng)和彈上電纜的通用性有一定影響。

3.1.2無線遙測信號轉(zhuǎn)發(fā)

無線信號轉(zhuǎn)發(fā)指在不改變內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥原有遙測發(fā)送系統(tǒng)的前提下，在飛機武器艙內(nèi)掛架上加裝耦合天線，通過耦合的方式獲取彈上遙測信號，并將其上傳至飛機。該技術(shù)有利于制導(dǎo)航空彈藥的內(nèi)埋、外掛通用性設(shè)計，但需要同時對飛機和掛架進(jìn)行改裝，增大了主機單位的改裝難度。

3.2 遙測信號合路技術(shù)

由于需要通過飛機對彈上遙測信號進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，且不能影響飛機遙測信號的正常發(fā)送，因此，需要采用遙測信號合路器對彈上遙測信號和飛機遙測信號進(jìn)行合路。

其工作原理為：將信號轉(zhuǎn)接設(shè)備轉(zhuǎn)接的彈上遙測信號和載機遙測信號，分別通過不同的信號放大器，輸入至開關(guān)矩陣電路中，開關(guān)矩陣電路由控制單元控制選通，將不同頻率的信號輸入對應(yīng)的帶通濾波器中進(jìn)行濾波，濾波后的信號經(jīng)由開關(guān)矩陣電路進(jìn)入?yún)R接網(wǎng)絡(luò)完成信號的合路，經(jīng)過合路后的信號可直接經(jīng)由飛機遙測天線發(fā)射出來，其原理框圖如圖5。

圖5 遙測信號合路器原理框圖

3.3 彈載遙測發(fā)送天線選擇

內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥的遙測信號發(fā)射主要包含兩個階段，分別為彈藥掛機階段和彈藥離機階段。

當(dāng)彈藥采用有線遙測信號轉(zhuǎn)接技術(shù)時，彈藥掛飛狀態(tài)下彈載遙測發(fā)送天線與外界無信息交互，彈藥離機后，其遙測系統(tǒng)工作原理與外掛制導(dǎo)航空彈藥相同，因此，使用該技術(shù)對彈載遙測發(fā)送天線的選擇無特殊要求。

當(dāng)彈藥采用無線遙測信號轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)時，彈藥掛飛狀態(tài)下需保證彈載遙測發(fā)送天線發(fā)送的信號能被耦合天線可靠接收，彈藥離機后，又需保證彈載遙測發(fā)送系統(tǒng)與地面遙測接收系統(tǒng)的可靠信號傳輸。因此，使用該技術(shù)時對彈載遙測發(fā)送天線的類型和安裝位置都有較高的要求。

除此之外，由于內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥有正掛和倒掛等掛載方向，因此彈載遙測發(fā)送天線的安裝位置與類型需要在充分考慮彈藥的特點后進(jìn)行選擇。

常用的彈載遙測發(fā)送天線主要包括微帶貼片天線和單極子天線[15-16]。

其中貼片天線由地板、介質(zhì)基板和微帶單元組成，其厚度可以保持在幾毫米以內(nèi)，可以直接安裝在彈藥外表面或與彈藥做共形設(shè)計嵌入其彈壁中，該類天線對彈藥氣動影響極小，重量輕，波束寬度較窄，方向性較強，因此外掛制導(dǎo)航空彈藥中多采用在彈體腹部安裝單片微帶天線或在其彈體左右兩側(cè)對稱位置分別安裝貼片天線的方式，實現(xiàn)彈載遙測發(fā)送系統(tǒng)與地面遙測接收系統(tǒng)的通信。

單極子天線主要由直立振子與地板組成，是一種典型的全向天線，其方向圖在水平面上為360度均勻輻射，該類天線設(shè)計簡單，波束寬度很寬，但氣動性較差，需要在彈藥表面形成較大的突起，因此在外掛制導(dǎo)航空彈藥中多安裝在彈體腹部或?qū)ΨQ安裝在彈藥下腹部固定翼尾端。

在上述兩類遙測發(fā)送天線的基礎(chǔ)上，為了同時滿足全向性和氣動要求，保持內(nèi)埋和外掛制導(dǎo)航空彈藥在遙測天線方面的通用性，彈載遙測發(fā)送天線可進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，形成環(huán)形微帶貼片天線和螺旋天線。

1) 環(huán)形微帶貼片天線。環(huán)形微帶貼片天線如圖6所示，天線采取多微帶單元并聯(lián)饋電形式，將輻射單元與饋線集成在一塊微波介質(zhì)基板上，根據(jù)彈體加裝位置的直徑確定其印制電路板長度，并最終將其纏繞在彈體表面。該類天線具有很好的全向性，可滿足各類遙測信號轉(zhuǎn)接技術(shù)對遙測天線的要求，但其需要與彈體進(jìn)行一體化設(shè)計，且有一定的安裝難度。

圖6 環(huán)形微帶貼片天線示意圖

2) 螺旋天線。螺旋天線如圖7所示，是用金屬絲繞制而成的螺旋形結(jié)構(gòu)的行波天線，通常用同軸線饋電，同軸線內(nèi)導(dǎo)體和螺旋線一端相接，外導(dǎo)體和地板相連。該類天線全向性好，且相較于單極子天線長度更短，有較好的氣動性能，但依然會在彈體表面形成一定的突起，且體積較大。

4 內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥遙測系統(tǒng)工作過程

本文以選用環(huán)形貼片微帶天線，采用無線遙測信號轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥為例，對其遙測系統(tǒng)工作過程進(jìn)行闡述。

圖7 螺旋天線示意圖

如圖8所示，當(dāng)彈藥處于掛機狀態(tài)時，彈載采編發(fā)射機采集彈藥狀態(tài)信息，并按照遙測數(shù)據(jù)編碼格式生成可供發(fā)射的PCM遙測信號，通過彈載環(huán)形貼片微帶天線進(jìn)行信號發(fā)射，由安裝在飛機掛架上的耦合天線接收，并將信號接入飛機遙測信號合路器中，合路器將彈上遙測信號和載機遙測信號合路并最終通過載機天線發(fā)射出來。彈藥離機后，遙測數(shù)據(jù)直接通過彈載環(huán)形貼片微帶天線發(fā)送給地面遙測接收系統(tǒng)。全過程中彈上遙測信號頻點及數(shù)據(jù)編碼格式未發(fā)生改變，因此，地面遙測接收處理設(shè)備全程保持對同一頻點的遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，根據(jù)同樣的編碼格式對遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行解算。

圖8 內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥遙測系統(tǒng)工作過程框圖

5 結(jié)論

本文提出了一類遙測系統(tǒng)方案，該方案從理論上解決了內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥遙測系統(tǒng)在信號傳播路徑上的問題，對內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥試驗的開展有積極意義。