內埋制導航空彈藥遙測技術研究

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)

在制導航空彈藥的研制過程中，特別是在飛行試驗中，需要彈藥內部各個系統在不同狀態、不同環境下的數據作為支撐。一方面實時的提供武器狀態，以利于指揮員做出決策；另一方面通過對數據的事后解析，為制導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，同時為其改進性設計提供了數據支撐。目前，主流的制導航空彈藥遙測系統是通過彈載遙測采編發射機對彈上各系統參數進行采集、編幀、調制，由彈載遙測天線發射出來；通過無線信道進行實時傳輸；由地面遙測設備進行接收、解調、解碼、顯示和事后處理[1-2]。

近年來，隨著材料、電子等領域科學研究的不斷深入，戰斗機“隱身技術”得到了飛速發展。為了追求更好的隱身性能，隱形戰斗機主要采用內埋的方式裝載武器，但由于武器艙體密閉，具有良好的信號屏蔽性，采用常規的制導航空彈藥遙測信號發送接收方式無法實現掛機狀態下彈上數據的傳輸[3]。因此，本文針對隱形戰斗機武器艙及內埋制導彈藥特征，提出了內埋制導航空彈藥遙測信號的收發策略，并在此基礎上就其信號傳播面臨的難題和解決問題的關鍵技術進行了探討[4-8]。

1 彈藥掛載方法、方向及特點

1.1 制導航空彈藥的掛載方法及特點

制導航空彈藥的主要掛載方法主要包括外掛、半埋、保型和內埋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，且優勢不明顯，可以認為是在外掛式基礎上為提高隱身及氣動等性能做的適應性改進，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80年代起，世界上的軍事強國陸續開始了第五代戰斗機的研制，如美國的F-22、F-35，俄羅斯的SU-57，中國的J-20等，相較于第四代戰斗機，新一代戰斗機具有隱身性能和機動性能佳，超視距作戰，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，內埋掛載方式成為了第五代戰斗機的最佳掛載方式。

1.2 制導航空彈藥掛載的方向及特點

制導航空彈藥的掛載方向包括正掛、側掛和倒掛。其特點如表2所示。

表1 制導航空彈藥的掛載方法特點

表2 制導航空彈藥掛載方向特點

隱形戰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 隱形戰斗機機彈分離過程

正掛的制導航空彈藥掛載狀態下，背部正對飛機掛架，投放后，由于氣流的作用會出現一定程度的晃動，但整個過程中彈藥不會出現大幅度的翻轉。

倒掛的制導航空彈藥掛載狀態下，腹部正對飛機掛架，投放后，彈藥先進行穩定控制，待其完全脫離飛機武器艙后，再進行180°翻轉和展翼[11-12]。

由于掛載方向不同，彈上各類無線信號測量、收發裝置的型號和安裝位置也不同，尤其是衛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 外掛及內埋制導航空彈藥遙測系統分析

2.1 外掛制導航空彈藥遙測系統

外掛制導航空彈藥遙測系統一般由彈載遙測發送系統及地面遙測接收系統組成[13-14]。

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

圖2 外掛制導航空彈藥彈載遙測發送系統框圖

地面遙測接收系統主要由遙測接收天線、接收機、下變頻器、解調設備、數據解算設備及數據顯示設備等組成，其系統框圖如圖3所示。

圖3 外掛制導航空彈藥地面遙測接收系統框圖

制導航空彈藥上電后，彈載遙測發送系統采集傳感器、電氣系統及其他彈上設備輸出的模擬量信號和彈載計算機及導引頭等設備輸出的數字量信號；模擬信號經過調理和A/D轉換，數字信號通過總線接口電路，均傳輸至系統控制緩存電路對數據緩存；各路數據通過編幀器根據預設的遙測數據編碼格式編碼并生成PCM數據流；PCM數據流經調制和功率放大后由遙測發射機進行發射。遙測信號通過無線信道進行傳播。地面遙測接收系統通過遙測接收天線收到遙測信號，對其進行低噪聲放大、下變頻、解調，然后由數據解算設備進行挑路、分包、解析，最終生成可供實時查看和事后分析的數據。

2.2 內埋制導航空彈藥遙測系統

2.2.1內埋制導航空彈藥遙測系統特性分析

內埋制導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，彈藥一直內埋于隱形戰斗機武器艙內；而在靶試試驗中，彈藥先內埋于隱形戰斗機武器艙內，待隱形戰斗機進入發射區域后，飛行員發出彈藥發射指令，載機武器艙門打開，武器脫離掛架，實現對目標的攻擊。

相較于外掛制導航空彈藥遙測系統，內埋制導航空彈藥遙測系統需要解決的最關鍵問題是掛飛過程中彈上遙測數據的發送問題：掛飛過程中，彈藥一直內埋于隱形戰斗機武器艙內，受到武器艙金屬屏蔽的影響，無法將信號發射出來，這將直接影響指揮員對彈藥實時狀態的判斷，更使得寶貴的掛飛數據丟失，對彈藥的后續研制和改進造成了嚴重的影響。由于掛機狀態下，制導航空彈藥可通過與飛機進行交聯來實現數據交換，因此考慮通過飛機對彈上遙測數據進行轉發來解決該問題。

2.2.2內埋制導航空彈藥遙測系統工作原理設計

為了解決遙測信號的發送問題，本文提出通過在載機內加裝遙測信號轉接設備和信號合路器等設備，利用載機的遙測天線對彈藥的遙測信號進行轉發，實現內埋制導航空彈藥掛機狀態的遙測信號發送。使用該方案的遙測系統工作原理框圖如圖4。

圖4 內埋制導航空彈藥遙測系統工作原理框圖

當內埋制導航空彈藥處于掛機狀態時，彈載遙測發送系統采集彈藥狀態信息，按照遙測數據編碼格式生成可供發射的PCM遙測信號，對其進行調制后，通過有線或無線的方式發送給飛機，由安裝在飛機上的遙測信號轉接設備進行轉接，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射出來。

3 內埋制導航空彈藥遙測關鍵技術

通過飛機對內埋制導航空彈藥遙測信號進行轉發，主要面臨3個難題：如何實現飛機對彈藥的遙測信號轉接； 如何將轉接后的遙測信號與飛機遙測信號進行合路；如何最大程度保持內埋和外掛制導航空彈藥遙測系統的通用性。針對這3個難題，本文從遙測信號轉接技術、遙測信號合路技術和彈載遙測發送天線選擇三方面進行了研究和設計。

3.1 遙測信號轉接技術

3.1.1有線遙測信號轉接

有線信號轉接指從彈載遙測發送系統中引出信號上傳接口，通過機彈電纜等有線鏈路將調制后的遙測信號上傳至飛機。該技術原理簡單，易于實現，但由于標準機彈電纜內無預留遙測信號上傳接口，因此使用該轉接方式存在機彈電纜不能貫標的問題。且由于需要將遙測信號引出，因此對彈載遙測發送系統和彈上電纜的通用性有一定影響。

3.1.2無線遙測信號轉發

無線信號轉發指在不改變內埋制導航空彈藥原有遙測發送系統的前提下，在飛機武器艙內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。該技術有利于制導航空彈藥的內埋、外掛通用性設計，但需要同時對飛機和掛架進行改裝，增大了主機單位的改裝難度。

3.2 遙測信號合路技術

由于需要通過飛機對彈上遙測信號進行轉發，且不能影響飛機遙測信號的正常發送，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行合路。

其工作原理為：將信號轉接設備轉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，輸入至開關矩陣電路中，開關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的帶通濾波器中進行濾波，濾波后的信號經由開關矩陣電路進入匯接網絡完成信號的合路，經過合路后的信號可直接經由飛機遙測天線發射出來，其原理框圖如圖5。

圖5 遙測信號合路器原理框圖

3.3 彈載遙測發送天線選擇

內埋制導航空彈藥的遙測信號發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。

當彈藥采用有線遙測信號轉接技術時，彈藥掛飛狀態下彈載遙測發送天線與外界無信息交互，彈藥離機后，其遙測系統工作原理與外掛制導航空彈藥相同，因此，使用該技術對彈載遙測發送天線的選擇無特殊要求。

當彈藥采用無線遙測信號轉發技術時，彈藥掛飛狀態下需保證彈載遙測發送天線發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送系統與地面遙測接收系統的可靠信號傳輸。因此，使用該技術時對彈載遙測發送天線的類型和安裝位置都有較高的要求。

除此之外，由于內埋制導航空彈藥有正掛和倒掛等掛載方向，因此彈載遙測發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行選擇。

常用的彈載遙測發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、介質基板和微帶單元組成，其厚度可以保持在幾毫米以內，可以直接安裝在彈藥外表面或與彈藥做共形設計嵌入其彈壁中，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對稱位置分別安裝貼片天線的方式，實現彈載遙測發送系統與地面遙測接收系統的通信。

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，因此在外掛制導航空彈藥中多安裝在彈體腹部或對稱安裝在彈藥下腹部固定翼尾端。

在上述兩類遙測發送天線的基礎上，為了同時滿足全向性和氣動要求，保持內埋和外掛制導航空彈藥在遙測天線方面的通用性，彈載遙測發送天線可進行適應性改進，形成環形微帶貼片天線和螺旋天線。

1) 環形微帶貼片天線。環形微帶貼片天線如圖6所示，天線采取多微帶單元并聯饋電形式，將輻射單元與饋線集成在一塊微波介質基板上，根據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接技術對遙測天線的要求，但其需要與彈體進行一體化設計，且有一定的安裝難度。

圖6 環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構的行波天線，通常用同軸線饋電，同軸線內導體和螺旋線一端相接，外導體和地板相連。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 內埋制導航空彈藥遙測系統工作過程

本文以選用環形貼片微帶天線，采用無線遙測信號轉發技術的內埋制導航空彈藥為例，對其遙測系統工作過程進行闡述。

圖7 螺旋天線示意圖

如圖8所示，當彈藥處于掛機狀態時，彈載采編發射機采集彈藥狀態信息，并按照遙測數據編碼格式生成可供發射的PCM遙測信號，通過彈載環形貼片微帶天線進行信號發射，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射出來。彈藥離機后，遙測數據直接通過彈載環形貼片微帶天線發送給地面遙測接收系統。全過程中彈上遙測信號頻點及數據編碼格式未發生改變，因此，地面遙測接收處理設備全程保持對同一頻點的遙測數據進行接收，根據同樣的編碼格式對遙測數據進行解算。

圖8 內埋制導航空彈藥遙測系統工作過程框圖

5 結論

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