综合性航空电子传感器研究

刘鹏

摘 要：阐述了航空电子传感器的发展历程，分析了综合性航空电子传感器的重要意义，提出了综合性航空电子传感器的技术路径和实现途径。希望通过文章的分析，为相关工作人员提供借鉴和参考。

关键词：综合性；航空电子传感器；研究

中图分类号：TP212.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）24-0064-02

Abstract： This paper expounds the development course of the avionics sensor， analyzes on the important significance of the integrated avionics sensor， and puts forward the technical path and the realization way of the comprehensive avionics sensor， so that through the analysis of the article， for the relevant staff to provide reference.

Keywords： synthesis； avionic sensor； research

引言

航空电子传感器包括雷达、通信、导航等多种电子设备，主要以射频收发设备为主。近些年，各国纷纷加强对航空电子传感器研究，致力于缩小其体积、重量、空间及成本，提高其性能和质量。云计算、大数据、物联网等高新技术的飞速发展，为综合化航空电子传感器提供了技术支撑和实现路径。文章重点研究了航空电子传感器的发展，提出了综合性航空电子传感器的意义，以期为综合化航空电子传感器提供理論和实践指导。

1 航空电子传感器的发展历程

航空电子传感器的综合化历程是伴随着航空电子系统的综合化而逐步推进的。近半个世纪以来，美国航空电子系统一直处于领先地位，先后经历了4个发展阶段，分别是分立式阶段、联合式阶段、综合化阶段、高度综合化阶段。

1.1 第1代航空电子系统

主要处于分立式结构阶段。通信、雷达、导航等设备均有各自独立的天线、传感器、处理器等，相互之间连接的方式为点对点连接。

1.2 第2代航空电子系统

主要处于联合式结构阶段。与第一代航空电子系统比较，相同点是各个系统仍采用独立的专用传感器，不同点是，采用综合控制与显示，使用几个数据处理器通过多路数据传输总线交联完成对通信、导航、雷达、武器投放、显示器等航空电子系统设备的控制和显示等功能。这种结构的优势是，连接关系进一步简化、系统体积和重量进一步缩小，飞机的性能得到提高，但资源共享只发生在信息链后端的控制与显示环节。

1.3 第3代航空电子系统

主要处于综合化结构阶段，以“宝石柱”为典型，以F-22为代表。与第二代航空电子系统比较，综合化程度进一步提高，通过共享综合核心处理器，采用不同模块在不同的阶段发挥不同的功能，完成导航计算和管理、座舱显示、外挂管理调度、火控计算、系统完好性监视等调度计算和管理工作。但第三代电子系统仍未完全实现航空电子传感器的综合化。

1.4 第4代航空电子系统

主要处于高度综合化结构阶段，以“宝石台”为典型，以联合攻击机为代表。与第三代航空电子系统比较，采用模块化、外场可更换的设计思路，进一步将传感器系统的综合推到了射频、孔径以及光电领域，硬件配置中没有单独的雷达、通信、电子战功能，而是通过加载不同的软件，以多种共享的资源模块实现各种功能。至此，航空电子系统在一个功能区中实现了资源共享。

2 综合性航空电子传感器的重要意义

随着信息技术的高速发展以及飞机对航空电子系统的要求愈来愈多，通过综合化航空电子传感器，可以使其具备更多的功能、更好的适应性、更强的生存能力和更高的可靠性。

2.1 减少飞机的重量及成本

飞机上的外挂区、发动机高温区、进排气区、起落架区、座舱区、减速板、机体与机翼整体油箱区、前后襟翼与尾舵区和各类维护口盖等区域不能布局天线，其余留下可供布局机载天线的区域非常有限。随着飞机电子传感器增多，相应的天线也越来越多，而且大部分采用窄带天线，相互之间功能分离、作用单一、占用空间和重量比较大。采用共享通用模块，实现综合性航空电子传感器，可以缩减成本及重量的二分之一以上。

2.2 提高飞机的性能

航空电子传感器覆盖的频段比较宽、且采用保形设计，如果不对其进行综合化处理，大部分天线布局工作困难，会对飞机的可靠性和稳定性等带来不利影响。另外，飞机上每根天线都反射电磁波，随着天线数量的增多，会形成难以消除的多散射中心，无形中降低了飞机的隐身性能。因此，通过综合化电子传感器，不仅可以避免电子传感器各个功能在时间域、空间域、频率域的冲突，还可以提高飞机的可靠性、稳定性以及隐身性等性能。

2.3 减轻飞行员的负荷

飞机原有电子传感器，相互分离，功能单一，显示器数量较多，飞行员要操作多个面板。对雷达、通信、光电等不同类别的传感器进行综合后，重新整合各个子系统的功能，将传感器前端组件、数据处理组件等整合成资源共享、可通用的新型电子传感系统，从而为飞行员提供更为精准、高效、完整的战场态势，减轻飞行员的操作负荷。

3 综合性航空电子传感器的技术路径

科学技术是第一生产力。实现综合性航空电子传感器有赖于多种关键技术的应用和发展。

3.1 软件无线电技术

软线无线电的概念是由Mitola首次提出，它的核心理念是用软件算法来实现无线电设备的大多数功能，它的核心技术是采用高速、高精度DAC和ADC、可编程逻辑器件和DSP等来构造一个开放、标准、模块化的硬件平台，并通过开发新的软件模块来实现各种功能需求。软件无线电允许直接在平台之间移植波形，可以实现一种通用的多模式、多频段电台，因而很大程度上降低了系统开发、部署和升级的成本，提高了随时随地的无缝通信需求。目前存在的主要问题是滤波和线性，可重构天线必须是线性的。

3.2 总线技术

数据总线是航空电子传感器系统的信息传递枢纽，主要采用ARINC429、ARINC629、MIL-STD-1553B和高速数据总线等数字式数据传输总线标准，其中，ARINC429是广泛应用于民用飞机的单向数据总线结构；MIL-STD-1553B是广泛应用于军用飞机的总线结构；HSDB传输速率高并且能实现分布式存取控制。但是上述总线技术的带宽有限，不能满足综合性航空电子传感系统高速、大容量数据传输的需求，也不支持高清视频通信，更无法满足将数据总线与传感器数据分布以及交换网络综合为一体化的高要求。当前，系统互连正向高速化、网络化方向发展，高速光纤总线、点对点高速光纤传输总线等为更加优化的综合性电子传感器提供了坚实基础。

3.3 综合核心处理系统技术

高度综合核心处理系统是一个比较典型的分布式计算机系统，是航空电子传感器的核心处理系统，主要实现传感器输入数据的处理、计算、融合、管理等综合功能。综合性航空电子传感器的实现依赖综合核心处理系统技术。为满足机载处理能力和计算能力飞速发展的要求，技术上它可以利用共享模块、并行处理多机系统以及分布实时操作系统的结构特性，共享核心处理资源，达到传输大容量信息、处理大量信号和数据以及改善系统性能的目的。

3.4 低成本及可靠性技术

随着航空飞机性能的提升，需要电子传感系统具备容错、降级等处理能力，因而电子传感器结构变得越来越复杂，对应配套的软件系统数量也在增多，而且需要定期维护保养，相应的成本在不断提高。在不降低航空飞机性能的前提下，如何降低电子传感器成本、提高电子传感器可靠性，是具有重大挑战的研究课题。这就要求设计者在综合性航空电子传感器中紧跟形势发展，更新思维理念，对航空电子传感器的技术结构、设计做进一步优化处理。

3.5 信息融合技术

信息融合技术是根据多种信息资源进行检测、互联、估计、信息与数据联系的多层次、多方位、多界面信息处理，获取更丰富、更精确和高质量的有关状态和属性的估计，进而获得完整的战场态势的方法和手段，它是综合性电子传感器系统信息处理的关键技术。伴随着航空电子系统的发展，数据融合技术将向多平台、多传感器、智能化方向发展。通过电子传感器与各类信息网络进行信息互换，实现多平台间的信息互通互联和信息共享，可以提高航空器协同共享信息能力。

4 综合性航空电子传感器的实现途径

频段综合、天线孔径综合、射频前端综合等技术的发展，为综合性航空电子传感器提供了强大的技术支撑，实现方式也越来越多。

4.1 频段综合

航空电子传感器使用的频段比较宽，射频模块在不同频段的设计和传输都有严格且特殊的要求，国际太空合作计划提出，在2MHz-400MHz、0.5GHz-2GHz、2GHz-18GHz等三個频段上进行射频综合。

4.2 天线孔径综合

充分考虑各类天线在空域、频域、时域、调制域等方面的特性，对天线进行整合，最大程度压减天线的数量，使其共享成为传感器前端，实现各类传感器功能的空间电磁波能量与高频电磁波能量进行互换，达到发挥最优功能和效率的目的。

4.3 射频前端综合

传统模式的电子传感器系统，由独立且具有不同功能和频段的设备完成的射频功能。综合性航空电子传感器，将不再按功能划分系统的射频组件，而是按信号特性划分系统的射频组件。它采用模块化、标准化的方法，将雷达、通信、导航和识别等多个传感器系统的射频部分进行融合，形成资源共享、可重构和通用化的新型综合系统。

4.4 网络化综合

随着网络技术的发展，最大限度地利用整个信息网络的信息资源必将是综合电子传感器的重要发展方向之一。可以预见，随着信息技术的飞速发展，综合性航空电子传感器将更加智能化、模块化、系统化、网络化。

参考文献：

[1]敬忠良.从JAST计划看我国航空电子综合系统的研究与发展[J].航空电子技术，2000.

[2]姚拱元.航空电子系统综合技术的发展与模块化趋势[J].航空电子技术，2002.

[3]车颖秋.航空电子传感器的综合化[J].电讯技术，2002.