机载射频技术的应用

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本文详细综述了机载射频综合一体化技术的产生、技术特点、平台作战优势、国外相关研究项目，包括美国空军的综合传感器系统( ISS) 计划、美国综合化通信导航识别架构（ICNIA）计划、F-35战斗机的综合射频系统；最后总结了记载射频综合的五大关键性技术，包括：综合一体化设计技术、超宽带射频技术、资源调度管理技术、系统软件设计技术、基于SCA的波形设计技术。

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机载射频综合一体化技术发展综述

作者：学术plus高级评论员  高书亮

一、概述

随着现代军事技术的快速发展和信息化对抗程度的不断提升，未来战争对大型作战平台如航空武器装备的信息化程度、综合作战性能、隐身性、远程打击能力要求更高。作战飞机必须能够适应多功能、多任务、综合化这一发展趋势。因此，未来的航空电子系统将更多的体现出综合化、模块化的特征，具有资源高度共享、信息高度融合和等特点，从而实现在复杂作战环境下的高生存能力和使用效费比。

长期以来，现代作战飞机使用的雷达、通信、导航、电子战、数据链等机载无线电系统一直采用独立分离的形式存在，各系统均大量专用射频传感器，这使得作战平台的独立天线数量不断增多，对平台的隐身性能带来了极大的挑战。此外，由于众多电子设备独立运行 、难以进行有效综合集成，使得各设备之间的电磁干扰对飞机的设计研制和使用带来了诸多问题，也使得各类电子设备不能最大程度的发挥自身效能，同时，分离的机载射频系统使得机载电子系统的重量、体积、功耗大大增加，极大的推高了系统使用费用，对系统保障维护也提出了严峻的挑战。

为了解决上述问题，近年来多功能综合射频一体化技术开始得到了较快的发展。该技术希望在近年来快速发展的软件无线电技术的基础上，研制能够将雷达、通信、电子战、导航、敌我识别等多种设备集中共用射频资源和信号数据处理资源的综合化系统，从而从根本上实现更加全面的系统综合，并减小机载电子设备的整体重量、体积和功耗，使得机载电子系统能够更加灵活的适应多种不同类型的作战任务。  

二、机载射频综合一体化技术特点分析

机载射频综合一体化技术就是用几个分布式宽带多功能孔径取代目前飞机上为数众多的天线孔径，采用模块化、开放式、可重构的射频传感器系统体系架构，并结合功能控制与资源管理调度算法、软件编程， 同时实现雷达、电子战与通信、导航、识别等多种射频功能，从而实现更加完整全面的机载资源共享。

●2.1 机载综合射频传感器系统构成 ●     

从目前情况来看，机载综合射频传感器系统包括孔径综合、射频综合和软件综合三个层面：

（1）孔径综合是指孔径针对目前飞机上天线数量太多的问题， 发展综合射频传感器，研制多个航空电子系统共用天线的平台一体化综合天线，即一个天线实现多种功能，提高射频综合配置管理和机载天线的电磁兼容性，消除天线数量过多导致的不利影响。

（2）射频综合的目的是降低成本、重量和体积，同时可用性和可靠性也得到提高。射频综合将采用模块化、标准化的设计方法， 把各个子系统的各种功能重新划分、组合，将传感器前端组件、信号处理组件和数据处理组件等组成具有资源共享、可重构和通用化的新型系统。这些系统在系统软件的控制管理下可实时完成各种作战任务， 实现高性能的雷达、电子战、通信、导航、探测、跟踪与识别功能， 从而全方位的提高机载传感器的工作效率，为飞行员提供更加完整、准确的战场态势感知能力。

（3）软件综合主要用于实现机载传感器的联合工作过程的管理调度和在此基础上的信息融合，由于射频综合一体化采用了具有高度灵活性和开放性的软件无线电技术（SDR），在尽可能靠近天线的部位实现了信号数字化，因此系统可大量采用软件定义技术，实现多种功能、应用和波形的模块化及可重构。

●2.2 采用综合射频一体化技术的机载平台可提升以下作战能力●

（1）多任务能力显著提升：用尽可能少的多功能射频模块构建出一个兼具任务规划、导航通信识别、态势感知、目标探测、跟踪、攻击能力的多功能一体化综合射频航空电子系统；

（2）系统应用性能显著提升：由于实现了射频传感器的高度综合集成，使得重量、体积、功耗、失效率显著下降，同时带来可靠性、可维护性、隐身性等性能的明显改善，同时有望实现系统成本的大幅度降低；

（3）开放式系统结构：采用了开放式系统结构， 制定并遵循统一的标准接口，元器件和通用模块可更换，故改装和加装传感器非常方便; 模块功能可重构，功能模块一旦出现功能失效，可立即更换，降低了采购和维修的成本。

需要指出的是，开展射频综合一体化的研究必须立足和着眼各类机载传感器的主要特点，对其工作模式、波形特点、功能要求、所处频段等进行有效的规划才能保证系统的综合工作效能，实现真正有效的射频传感器综合化。当前主要射频传感器所占用的频段分布如下所示：

表：雷达、通信、电子战三类主要机载电子传感器的基本工作特点：

目前一般的射频综合系统架构如下所示：

三、国外相关研究现状

（一）美国空军的综合传感器系统( ISS) 计划

美国空军研究实验室从 1995 年开始进行了ISS的概念演示验证计划。该项目由洛克希德·马丁公司和波音公司领导的两个小组完成， 目标是采用相对较少的开放式射频模块类型构成综合的、可重构的射频处理结构。项目研究成果采用了通用模块、资源共享及重构设计，使得演示用的航电系统原型的造价和重量减少了一半，可靠性提高3倍，功耗降为原有的三分之二左右。

（二）美国的综合化通信导航识别架构（ICNIA）计划

通信、导航及识别系统（CNI）是机载航电系统中的重要组成部分，它们帮助飞行员完成地空通信联络、飞行航路指引规划、战场目标识别等多种重要任务，是保证作战行动的重要传感器之一。通信导航识别传感器的主要工作特点如下所示：

综合化通信导航识别系统（ICNI）是希望采用通用的软件和硬件资源架构实现多频段、多模式、可编程的多种无线电功能，覆盖目前作战飞机所使用的主要的通信、导航和识别系统的工作模式及信号波形。

该研究针对传统的通信电台、导航和识别设备堆积在一起，通过外部接口实现简单的功能互联，单一无线电波形占用独立的资源的现状，采用功能分区的概念将功能相同的模块进行标准化、综合化设计，克服综合引入的开关插损、噪声等问题，并通过标准化的接口进行系统互联，同时采用统一的资源管理器对多种资源进行统一的管理、调度和配置，从而实现不同波形和功能之间的动态分配。其基本架构如下所示：

此外，该项目中引入了软件通信架构（SCA）的基本理念，给出了对软件无线电系统的架构，软件接口， 操作系统，中间件等给出了基本的标准规范。

（三）F-35战斗机的综合射频系统

F-35 联合攻击战斗机( JSF) 是一种多用途并能服务于空军、海军和海军陆战队的多兵种作战飞机。该战斗机是目前射频传感器综合化程度最高的一种主战飞机，可以说代表了当前射频综合技术的最高技术水平。

将相控阵雷达系统、光电瞄准系统、分布式孔径系统、电子战设备和通信导航识别设备融于一身， 打破了各功能之间的界线，提供了全方位的目标数据，为飞行员提供了前所未有的空战环境的态势感知能力和电子作战能力。F-35的多功能综合射频系统( MIRFS) 是以APG-81 AESA火控雷达为基础，它不仅具备雷达的各种工作方式，还能提供有源干扰、无源接收、电子支持手段、电子对抗、电子通信等能力。

此外，F-35的任务系统软件是F-35战机实现各种传感器的数据处理、筛选、融合和向飞行员显示的关键。任务系统软件把所有的传感器纳入到一个巨大的功能结构中，使它们协调工作并相互提示，通过多传感器数据融合得到更高质量的目标数据。这既提高了飞行员的判断和决策能力，也极大地延伸了飞行员的视野和对战场环境的感知能力。

四、机载射频综合的关键性技术

【关键技术1】综合一体化设计技术

雷达、电子战、通信数据链各种功能能力需求、指标要求、工作时机、工作对象等各不相同，需要分析研究各种功能的工作流程、资源需求，对各种功能进行类型的归并和组合，确定系统工作模式、业务先后顺序、状态切换准则等，建立系统关联矩阵、动态组合模型、功能切换模型等。从而实现在相同的硬件平台上，通过不同的软件功能组件实现不同的功能，通过系统资源管理来消除共址干扰等，既能满足系统有源探测要求，又能够适应电子战功能需求，同时又具备所需的通信数据链能力。

【关键技术2】超宽带射频技术

射频综合一体化的主要难点之一是宽频段天线和相关射频器件其中，超宽带多波束相控阵天线要求覆盖比较宽的频段，每个频段的特性均匀，以满足雷达、电子战、通信数据链各种业务的要求。为便于实现，可在全频段甚至每个频段使用几付天线，并采用智能化天线技术。同时多波束可支持雷达功能同时实现多个空域探测和多目标同时跟踪能力，可支持电子侦察瞬时波束宽覆盖、高增益，可支持通信数据链同一时刻多节点同时通信，另外也可利用多波束相控阵天线波束灵活控制能力，在重点方向实现波束零陷，从而提升系统的抗干扰能力。超宽带通用射频硬件要求具备高带宽、线性、高效射频放大、低噪声、灵活射频通道切换、多通道电磁兼容等特点，在发射时主要完成上变频、滤波、功率放大等任务，接收时实现滤波、放大、下变频等功能。灵活射频通道切换电路提供多个天线和多个接收通道、多个发射通道之间互联和灵活切换功能，支持通信全双工、半双工模式射频通道切换等

【关键技术3】资源调度管理技术

传统雷达、电子战、通信数据链功能采用不同的独立设备实现，因此几乎没有系统级的资源管理，更多的是设备内部级的模块管理。多功能综合射频系统采用通用的硬件资源， 通过不同软件实现不同的功能。资源的通用化和共用带来资源动态管理的问题。需要对系统的硬件资源、软件资源进行合理划分和定义， 资源的管理调度应进行统一设计，全盘考虑，协调统一。根据不同工作模式下各功能线程的优先级，设计出合理的资源分配算法和重构策略，优化资源调度配置。

【关键技术4】系统软件设计技术

系统采用开放式软件架构，符合软件通信体系结构( SCA) 规范，保证硬件和软件分离及协调工作，实现通用硬件处理平台的软件组件可移植、可互换、可互操作、软件可重用、体系结构可缩放。系统软件设计主要包括框架类软件和软件组件。软件组件负责系统功能实现， 把信号处理和数据处理封装为一体， 采用面向对象的方法进行分析和设计，重复利用性好，构造一次，测试一次，可多次重复使用。

【关键技术5】基于SCA的波形设计技术

可根据不同系统的波形功能特性要求，提炼不同波形的构件或组件特征，采用SCA规范对不同类型的波形进行封装和硬件抽象，实现不同波形在异构硬件之间的可移植。

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