無人機誘擾察打一體化先進(jìn)任務(wù)載荷總體設(shè)計技術(shù)分析

龔漢華，涂衛(wèi)軍，廖潤貴，廖敏，吳壽龍

1.航空工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)

2.空軍裝備部駐南昌地區(qū)軍事代表室

無人機任務(wù)載荷正在向小型化、模塊化、輕量化和低功耗等方向發(fā)展。無人機攜帶誘擾察打一體化先進(jìn)任務(wù)載荷，可對敵防空系統(tǒng)實施摧毀性打擊，在未來作戰(zhàn)中將發(fā)揮重要作用。本文提出功能一體化任務(wù)載荷設(shè)計思路，在此基礎(chǔ)上，分析誘擾察打一體化先進(jìn)任務(wù)載荷總體設(shè)計技術(shù)。

任務(wù)載荷是無人機的關(guān)鍵組成部分,在無人機最大起飛重量和成本中的占比都較大。為應(yīng)對多樣化任務(wù)，無人機須要裝載不同的任務(wù)載荷，同時平臺尺寸盡可能小，以提高無人機的機動性并降低成本。因此，無人機誘擾察打一體化任務(wù)載荷應(yīng)向小型化、模塊化、輕量化和低功耗等方向發(fā)展。

集誘擾察打功能于一體的任務(wù)載荷是一種先進(jìn)任務(wù)載荷，具有誘騙、干擾、偵察、定位敵防空系統(tǒng)的功能，可對敵防空系統(tǒng)實施摧毀性打擊，受到各軍事強國的高度重視。當(dāng)前，各種誘擾察打型無人機正在迅速發(fā)展，其中，美國“小精靈”無人機是典型代表。

功能一體化任務(wù)載荷設(shè)計思路

功能一體化任務(wù)載荷設(shè)計應(yīng)從傳統(tǒng)單一功能的任務(wù)設(shè)備入手，分析各任務(wù)設(shè)備功能、組成、硬件架構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行一體化集成和優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)硬件和軟件共用，最后得到小型化、模塊化、輕量化和低功耗任務(wù)設(shè)備。

系統(tǒng)軟件采用面向組件的開放式集成框架，系統(tǒng)硬件采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)總線、控制總線、健康管理總線的開放式集成架構(gòu)，軟件和硬件接口設(shè)計須采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。采用開放式架構(gòu)和模塊化設(shè)計，并合理配置模塊硬件資源，可實現(xiàn)通道組合和功能擴(kuò)展等目的，保證任務(wù)系統(tǒng)的靈活性和高度可擴(kuò)展性，滿足不同任務(wù)需求，從而提升無人機系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。

圖2 F22 天線綜合利用及綜合處理（左）與“寶石臺”綜合傳感器系統(tǒng)（右）。

功能一體化任務(wù)載荷總體設(shè)計技術(shù)

一體化集成設(shè)計技術(shù)能顯著降低任務(wù)系統(tǒng)硬件的復(fù)雜度，并通過共用、重構(gòu)及軟件設(shè)計，實現(xiàn)更強的功能及性能。以機載電子系統(tǒng)為例，其功能一體化集成的發(fā)展路徑可大致分為分立式、綜合式以及升級綜合式三種架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 機載電子系統(tǒng)功能一體化集成發(fā)展路徑。

在早期機載電子系統(tǒng)中，雷達(dá)、電子戰(zhàn)設(shè)備、通信設(shè)備等載荷和設(shè)備基本是獨立的，從前端到后端的各種設(shè)備，完成各自的專項功能。這種方式設(shè)計相對簡單明確，且各設(shè)備可以按照自身功能進(jìn)行優(yōu)化。但是缺陷也非常明顯，例如，無人機往往需要執(zhí)行偵察、電子戰(zhàn)等任務(wù)，會引起大量設(shè)備堆砌。實際上，從眾多設(shè)備的使用時間、空間、頻譜來看，硬件資源存在大量冗余，而如此多的任務(wù)需求使平臺面臨很大壓力。硬件設(shè)備數(shù)量多，限制了無人機平臺向小型化、隱身化和高機動性方向發(fā)展，而小型化、隱身化和高機動性已成為未來作戰(zhàn)的必備條件。另外，各任務(wù)設(shè)備獨立工作且同時使用，必然會增加操作與運行維護(hù)人員的工作量，帶來設(shè)備間的電磁頻譜互擾，并限制了多功能任務(wù)載荷的協(xié)同工作。

因此，隨著高機動性、隱身性等新概念作戰(zhàn)平臺的發(fā)展，美國率先提出機載電子系統(tǒng)綜合一體化概念，如圖3所示。

圖3 機載電子系統(tǒng)綜合一體化架構(gòu)圖。

綜合一體化方案采用多功能天線集、射頻交換矩陣、綜合射頻通道、數(shù)據(jù)總線、綜合數(shù)字處理器，以及部分開放式架構(gòu)與模塊化設(shè)計等技術(shù)手段，大幅度減少了硬件模塊的種類和數(shù)量，同時，采用統(tǒng)一的管理調(diào)度辦法，使系統(tǒng)資源發(fā)揮最大效能，提升了多功能任務(wù)載荷協(xié)同工作的能力和各設(shè)備的專項功能。

機載電子系統(tǒng)升級綜合一體化架構(gòu)詳見圖4。該系統(tǒng)采用面向服務(wù)（SOA）、開放式、硬件可重構(gòu)、功能由軟件定義的體系架構(gòu)，以適應(yīng)系統(tǒng)升級、功能擴(kuò)展和能力提升。在這種體系架構(gòu)中，綜合一體化方案所采用的多功能天線集，逐步向可重構(gòu)天線陣列方向發(fā)展。系統(tǒng)可以根據(jù)功能、頻率、發(fā)射功率、接收靈敏度以及多功能協(xié)同等要求，利用微機電系統(tǒng)（MEMS）、微結(jié)構(gòu)、超材料等技術(shù)，靈活改變天線結(jié)構(gòu)、工作頻率和波束形態(tài)，實現(xiàn)無人機需要的功能。同時，采用重構(gòu)天線陣列與作戰(zhàn)平臺的共形設(shè)計，最大程度利用作戰(zhàn)平臺面積，擴(kuò)展天線性能，并保證平臺氣動、隱身外形。

圖4 機載電子系統(tǒng)升級綜合一體化架構(gòu)圖。

超寬信號采樣技術(shù)

為使無人機平臺擁有誘擾察打能力，須選擇合適的信號采集體制。不同任務(wù)對信號采集的需求有差異。當(dāng)無人機執(zhí)行電子對抗任務(wù)時，由于對手具有非協(xié)作特性，任務(wù)系統(tǒng)需要大瞬時工作帶寬，以保證信號在頻域的截獲概率；當(dāng)無人機執(zhí)行情報、偵察等任務(wù)時，由于接收功率變化大，任務(wù)系統(tǒng)需要大動態(tài)范圍，以保證接收機不飽和。因此，在選擇信號采集體制時，需兼顧帶寬和大動態(tài)需求。ADC是模擬信號和數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換器，ADC的動態(tài)決定了系統(tǒng)動態(tài)。在不考慮多通道拼接技術(shù)時，ADC的采樣率決定了系統(tǒng)的瞬時帶寬。在實采樣體制中，系統(tǒng)瞬時帶寬不大于ADC采樣率的一半?？紤]到ADC前端抗混疊濾波器物理可實現(xiàn)性，ADC采樣率的一半減去保護(hù)帶寬后的剩余帶寬，就是系統(tǒng)實際可用帶寬，故工程上常選用實際所需帶寬的2.5倍，作為ADC的采樣率。ADC的分辨率決定了ADC的動態(tài)性能，在ADC設(shè)計中，采樣率和分辨率是一對矛盾指標(biāo)，高采樣率ADC通常動態(tài)較小，低采樣率ADC具備大動態(tài)。信號采集體制較多，每種體制有其特定的應(yīng)用場景，對于誘擾察打一體化應(yīng)用，任務(wù)系統(tǒng)信號采集體制選擇既要兼顧各種應(yīng)用需求，還要有利于小型化、低功耗集成。

圖6 并行多通道采樣技術(shù)原理圖。

（1）交替采樣（TIADC）技術(shù)

通過對多個低采樣率ADC進(jìn)行拼接，實現(xiàn)高采樣率。這種方法有兩個難點，一是各通道間采樣時鐘邊沿的精確校準(zhǔn)；二是各ADC間的差異補償。精確匹配各ADC間的增益、偏移和時鐘相位是一項很大的挑戰(zhàn)，主要由于這些參數(shù)都取決于頻率，除非能夠?qū)崿F(xiàn)這些參數(shù)的精確匹配，否則動態(tài)性能和分辨率將會降低。交替采樣的各個ADC器件自身存在差異，輸入信號進(jìn)入各個ADC通道時存在差異，各個ADC采樣時鐘相位未能精確匹配，各個ADC輸出數(shù)字信號不同步等問題，均會導(dǎo)致采樣結(jié)果出現(xiàn)偏差，詳見圖5。單靠電路前端的芯片級或者板級電路來修正匹配，難以達(dá)到好的效果，尤其是當(dāng)環(huán)境溫度變化時，電路級修調(diào)結(jié)果可能變?yōu)闊o效。利用后端信號級修調(diào)，可以不打斷ADC的正常工作，對用戶透明，但是占用后端處理資源，且校準(zhǔn)流程復(fù)雜。

圖5 時間交替采樣原理圖。

（2）并行多通道采樣技術(shù)

并行多通道采樣技術(shù)的原理是，把帶限信號送入模擬分解濾波器組，然后以并行方式對多個通道進(jìn)行均勻采樣，采樣結(jié)果送入數(shù)字處理器，利用數(shù)字重構(gòu)濾波器進(jìn)行高精度、無失真重構(gòu)，其原理如6所示。并行多通道采樣克服了時間交替采樣系統(tǒng)中各通路間時鐘不匹配帶來的問題。并行多通道采樣技術(shù)的核心是設(shè)計完美的數(shù)字重構(gòu)濾波器，但算法對資源要求較高，可采用專業(yè)芯片實現(xiàn)高速、低功耗采樣。

（3）超寬帶直接采樣技術(shù)

隨著設(shè)計技術(shù)和工藝的發(fā)展，ADC/DAC（DAC是數(shù)字信號和模擬信號的轉(zhuǎn)換器）的速率、模擬帶寬等指標(biāo)不斷提升，尤其在超寬帶光通信技術(shù)的推動下，超高速ADC/DAC發(fā)展迅速，使寬帶數(shù)字直接采樣成為可能。目前，國外已經(jīng)有數(shù)十吉赫茲采樣頻率的超高速ADC/DAC產(chǎn)品，同時也有采用這類ADC/DAC設(shè)計電子戰(zhàn)任務(wù)系統(tǒng)的相關(guān)報道。

一體化功能協(xié)同處理技術(shù)

誘餌、干擾、偵察、打擊不是簡單的功能組合，須根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)分配時序，做到誘餌、干擾、偵察與打擊四項任務(wù)協(xié)同執(zhí)行，既要考慮誘餌的逼真性，也要考慮干擾的有效性、偵察目標(biāo)的截獲概率和打擊目標(biāo)的跟蹤穩(wěn)定性。因此，集誘餌、干擾、偵察、打擊等功能于一體的多任務(wù)載荷協(xié)同處理技術(shù)是重要的關(guān)鍵技術(shù)，需要對工作時序設(shè)計、一體化收發(fā)協(xié)同設(shè)計、電磁兼容性分析等方面進(jìn)行深入研究。