無人機誘擾察打一體化先進任務載荷總體設計技術分析

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

2.空軍裝備部駐南昌地區(qū)軍事代表室

無人機任務載荷正在向小型化、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任務載荷，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載荷設計思路，在此基礎上，分析誘擾察打一體化先進任務載荷總體設計技術。

任務載荷是無人機的關鍵組成部分,在無人機最大起飛重量和成本中的占比都較大。為應對多樣化任務，無人機須要裝載不同的任務載荷，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載荷應向小型化、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載荷是一種先進任務載荷，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。

功能一體化任務載荷設計思路

功能一體化任務載荷設計應從傳統(tǒng)單一功能的任務設備入手，分析各任務設備功能、組成、硬件架構，在此基礎上，進行一體化集成和優(yōu)化設計，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設備。

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，軟件和硬件接口設計須采用統(tǒng)一的標準。采用開放式架構和模塊化設計，并合理配置模塊硬件資源，可實現(xiàn)通道組合和功能擴展等目的，保證任務系統(tǒng)的靈活性和高度可擴展性，滿足不同任務需求，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）。

功能一體化任務載荷總體設計技術

一體化集成設計技術能顯著降低任務系統(tǒng)硬件的復雜度，并通過共用、重構及軟件設計，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，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、電子戰(zhàn)設備、通信設備等載荷和設備基本是獨立的，從前端到后端的各種設備，完成各自的專項功能。這種方式設計相對簡單明確，且各設備可以按照自身功能進行優(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，會引起大量設備堆砌。實際上，從眾多設備的使用時間、空間、頻譜來看，硬件資源存在大量冗余，而如此多的任務需求使平臺面臨很大壓力。硬件設備數(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，各任務設備獨立工作且同時使用，必然會增加操作與運行維護人員的工作量，帶來設備間的電磁頻譜互擾，并限制了多功能任務載荷的協(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與模塊化設計等技術手段，大幅度減少了硬件模塊的種類和數(shù)量，同時，采用統(tǒng)一的管理調度辦法，使系統(tǒng)資源發(fā)揮最大效能，提升了多功能任務載荷協(xié)同工作的能力和各設備的專項功能。

機載電子系統(tǒng)升級綜合一體化架構詳見圖4。該系統(tǒng)采用面向服務（SOA）、開放式、硬件可重構、功能由軟件定義的體系架構，以適應系統(tǒng)升級、功能擴展和能力提升。在這種體系架構中，綜合一體化方案所采用的多功能天線集，逐步向可重構天線陣列方向發(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）、微結構、超材料等技術，靈活改變天線結構、工作頻率和波束形態(tài)，實現(xiàn)無人機需要的功能。同時，采用重構天線陣列與作戰(zhàn)平臺的共形設計，最大程度利用作戰(zhàn)平臺面積，擴展天線性能，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圖。

超寬信號采樣技術

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。不同任務對信號采集的需求有差異。當無人機執(zhí)行電子對抗任務時，由于對手具有非協(xié)作特性，任務系統(tǒng)需要大瞬時工作帶寬，以保證信號在頻域的截獲概率；當無人機執(zhí)行情報、偵察等任務時，由于接收功率變化大，任務系統(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。考慮到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設計中，采樣率和分辨率是一對矛盾指標，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用場景，對于誘擾察打一體化應用，任務系統(tǒng)信號采集體制選擇既要兼顧各種應用需求，還要有利于小型化、低功耗集成。

圖6 并行多通道采樣技術原理圖。

（1）交替采樣（TIADC）技術

通過對多個低采樣率ADC進行拼接，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；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，除非能夠實現(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，均會導致采樣結果出現(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，難以達到好的效果，尤其是當環(huán)境溫度變化時，電路級修調結果可能變?yōu)闊o效。利用后端信號級修調，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，且校準流程復雜。

圖5 時間交替采樣原理圖。

（2）并行多通道采樣技術

并行多通道采樣技術的原理是，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行均勻采樣，采樣結果送入數(shù)字處理器，利用數(shù)字重構濾波器進行高精度、無失真重構，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的核心是設計完美的數(shù)字重構濾波器，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

隨著設計技術和工藝的發(fā)展，ADC/DAC（DAC是數(shù)字信號和模擬信號的轉換器）的速率、模擬帶寬等指標不斷提升，尤其在超寬帶光通信技術的推動下，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設計電子戰(zhàn)任務系統(tǒng)的相關報道。

一體化功能協(xié)同處理技術

誘餌、干擾、偵察、打擊不是簡單的功能組合，須根據(jù)作戰(zhàn)任務分配時序，做到誘餌、干擾、偵察與打擊四項任務協(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、偵察目標的截獲概率和打擊目標的跟蹤穩(wěn)定性。因此，集誘餌、干擾、偵察、打擊等功能于一體的多任務載荷協(xié)同處理技術是重要的關鍵技術，需要對工作時序設計、一體化收發(fā)協(xié)同設計、電磁兼容性分析等方面進行深入研究。