軍用航空電子系統(tǒng)幾大關(guān)鍵趨勢

　　眾所周知，軍用航空電子對半導體IC、電子元器件、連接器及電子系統(tǒng)有著非常苛刻的要求，目前，較為知名的主要軍用航空電子供應商ADI、TI、Xilinx、英飛凌、Altera、MicroSemiconductor等。為發(fā)現(xiàn)未來主要技術(shù)脈絡(luò)及商機，故梳理軍用航空電子領(lǐng)域主要幾個關(guān)鍵技術(shù)新發(fā)展，包括導航系統(tǒng)，顯示器，COTS及電子結(jié)構(gòu)，期為讀者提供有益參考。

　　導航系統(tǒng)的新發(fā)展

　　軍用機和機載武器的導航仍以gps導航系統(tǒng)和慣性導航系統(tǒng)占主導地位，導航系統(tǒng)正向更精、更輕、更小和價格更低的方向發(fā)展。

　　1 GPS的主要發(fā)展方向是提高其抗干擾能力

　　美國在1997年7月23日從卡納維拉爾角用0德爾它02（Delta 2）火箭發(fā)射了第一顆GPS 2R全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星。它是要發(fā)射的Navstar系列中的第42顆衛(wèi)星。

　　先前的一顆2R衛(wèi)星于1997年1月在發(fā)射時因運載火箭爆炸面損毀。GPS 2R衛(wèi)星由洛克希德#馬丁公司研制，重2030千克。2R衛(wèi)星及其18顆以后的衛(wèi)星將能進行6個月自主的操作，而不需要地面修正。

　　2R批次具有較大的余度及新的交聯(lián)測距能力，以提高精度。一旦6~8顆新的2R衛(wèi)星投入工作，GPS導航精度將從目前的10米提高到優(yōu)于6米。

　　第一顆Navstar GPS衛(wèi)星是1978年初發(fā)射的。Navstar衛(wèi)星的發(fā)展經(jīng)歷了第1批次、第2批次、2A批次和目前的2R批次，大約從2002年開始將發(fā)射由波音公司制造的更加新的2F衛(wèi)星。

　　今后四年是太陽活動高峰時期，而GPS及其應用是在太陽特別溫和期間發(fā)展的，而且與2/2A衛(wèi)星的輸出功率比較，2R的輸出功率可能降低2~4分貝，制造差別也可使衛(wèi)星間的輸出功率最多相差2分貝。因此美國很擔心太陽活動高峰會使電離層起伏而引起導航誤差，甚至造成GPS信號的中斷，特別是關(guān)心飛機在進近期間所接收GPS信號可能受到破壞。

　　此外，隨著航空對GPS依賴的增加，軍用和民用航空用戶關(guān)于系統(tǒng)受到非故意的干涉和故意的干擾的擔心正在上升。軍方對GPS的抗干擾能力特別關(guān)心，敵方將會干擾GPS，試圖使來襲的導彈迷航，而且武器離目標越近，它要對抗的干擾信號也越強。

　　美國國防預研計劃局（DARPA）提高GPS抗干擾性的一個嘗試正集中于研制一種小到足以裝在新的接收機中的原子鐘。目前的原子鐘比研制中的光纖陀螺 （FOG）慣導/GPS組件大得多，但預計不久將會做得很小。導彈戰(zhàn)斗部中由原子鐘提供的精確時間，將會在信號中斷以后，加速GPS重新截獲衛(wèi)星。有原子鐘可在不到1分鐘內(nèi)拾取衛(wèi)星信號，而沒有原子鐘就需要幾分鐘。

　　提高抗干擾能力的其他辦法是采用自適應天線和新材料。GPS接收機對采用較好的自適應零位操縱干擾技術(shù)來說，需要0.8~1.2米直徑的天線。對導彈來說，這個尺寸顯然太大。因而DARPA認為，嵌在導彈蒙皮中的天線，即靈巧蒙皮是解決這個問題的好辦法。

　　俄羅斯在1997年莫斯科航展上展出的一種GPS干擾機能阻止接收4個頻率的導航衛(wèi)星信號。干擾機重10~12千克，發(fā)射的功率足以抑制數(shù)百千米以內(nèi)接收機的正常工作。它具有4個固定頻率的振蕩器，而這4個頻率是GPS和GLONASS發(fā)射的信號所使用的。干擾機的功率放大器在1200~1650兆赫頻帶中具有4瓦的功率。美國空軍將購買8個干擾機，以便在埃格林空軍基地進行分析，找出對付它的辦法。

　　2 慣導和更小和價格更低的方向發(fā)展

　　光纖陀螺的優(yōu)點是尺寸小、重量輕、成本低和可靠性高， 很適合用在精密制導武器低價組合式GPS-慣導系統(tǒng)中。光纖陀螺（FOG）已開始向環(huán)形激光陀螺（RLG）發(fā)起挑戰(zhàn)。FOG在某些不大重要的民用和軍事應用中已取代RLG，在這些應用中1度/小時的陀螺漂移率是可以接受的。美國空軍正在考慮用較小的、更可靠的FOG來代替許多軍用自動駕駛儀中所用的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量速率陀螺。FTC公司生產(chǎn)的FOG已裝在F-15飛機上作了試飛。

　　美國目前研制FOG的公司主要有利頓和霍尼韋爾兩家。波音777飛機采用了霍尼韋爾公司供應的具有4個FOG的備份導航系統(tǒng)，稱為輔助姿態(tài)大氣基準裝置 （SAARU），F(xiàn)OG的性能在1度/小時等級以內(nèi)?；裟犴f爾公司自1992年以來就生產(chǎn)這一級別的FOG，而且已交付1500多個光纖陀螺。

　　利頓工業(yè)公司采用FOG的LN-200的慣性參考裝置現(xiàn)在已有40多種不同的應用，應用范圍包括飛機、導彈和無人機。基本LN-200慣性參考裝置，它包括三個FOG和微機械加工在一塊硅芯片上的三個小型線加速度計，其直徑為8.89厘米，高8.64厘米，重量不到 0.726千克。LN-201是一種稍重的型別，在重新組裝后用于AMRAAM空空導彈。而利頓LN-210型已為RAH-66直升飛機所選用，此直升飛機將裝備兩個FOG慣性參考系統(tǒng)和利頓公司的一個采用RLG的慣性導航系統(tǒng)。

　　DARPA目前正在進行的GPS制導組件（GGP）項目的第二階段選擇了兩個公司集團進行研制：利頓/羅克韋爾/柯林斯公司及霍尼韋爾/天寶導航公司。利頓和霍尼韋爾為GGP研制的FOG將具有0.01度/小時的精度，導航精度達到1海里/小時，整個系統(tǒng)的性能還將通過組合慣性與GPS導航衛(wèi)星的信號得到提高。柯林斯和天寶的GPS接收機都將是12通道裝置。

　　這個項目的目標要求GGP系統(tǒng)的體積減小到1640立方厘米，其重量只有3118千克，平均故障間隔時間（MTBF）的指標為20000小時，比目前的 RLG慣性系統(tǒng)的MTBF大三倍。功耗只有30瓦，這對應用于無人機和導彈特別重要。組合慣性/GPS系統(tǒng)的批量生產(chǎn)成本降到約15000美元，大約為采用RLG的性能差不多的系統(tǒng)的三分之一。為了壓縮GGP的尺寸和成本，這兩家公司將采用由微機械加工技術(shù)制造在硅芯片上的加速度計?；裟犴f爾公司的微加速度計將由聯(lián)信公司的儀表系統(tǒng)部供應。而利頓的微加速度計是自己研制的，且用于其目前的AMRAAM導彈所用的慣導系統(tǒng)。預計DARPA將在1999年春完成這項工作。

　　雖然軍事部門可能首先采用GGP，但民用航空準會步其后塵。尺寸小、重量輕和成本低可能為許多通用航空飛機裝備一流的導航設(shè)備開辟道路。如果利頓和霍尼韋爾的組合慣性/GPS能實現(xiàn)1.5萬美元的價格，那么這將把系統(tǒng)的民用市場擴展到包括短程飛機及雙發(fā)通用航空飛機。同樣，這些系統(tǒng)可通過使它們不易受敵方對GPS信號的局部化干擾的影響，極大地增加精密制導武器的精度。一個裝有0.01度/小時FOG的系統(tǒng)將能允許GPS信號喪失10分鐘，而仍能到達其預定目標的30米以內(nèi)。

　　根據(jù)與空軍簽訂的合同，利頓正在研制一種0精密FOG0，其目標是使FOG精度大致提高10倍，差不多達到0.001度/小時?；裟犴f爾公司正在利用其自己的資金為達到同樣的目標而進行研究。

　　雖然旋轉(zhuǎn)質(zhì)量陀螺在很大程度上已為RLG所取代，然而RLG是否會面臨同樣的命運，則專家們持不同的觀點。例如，采用小型RLG的霍尼韋爾公司的慣性系統(tǒng)，最近已被選用于“聯(lián)合直接攻擊炸彈” （JDAM），可見RLG還有相當強的生命力。但是，專家們的一致看法是，“光陀螺”的未來是光明的。然而，總有一天，光陀螺在較低精度應用方面會受到將振動質(zhì)量制造在芯片上的微電子陀螺的挑戰(zhàn)。德雷珀實驗室已在率先發(fā)展這種技術(shù)，而且其他一些公司，如利頓和羅克韋爾也在進行這方面的研究。

　　DARPA已在推進很低價格的FOG/INS/GPS的研制，1997年已同工業(yè)部門簽訂了一個合同，為步兵研制這種微機電導航器件。這些小型器件將在微尺度上加工，目標是整個系統(tǒng)的銷售價格為1200美元，功耗不到1瓦。

　　羅克韋爾公司已交付第一個導航處理器給Alliant公司的Outrider無人機。這個導航處理器采用羅克韋爾公司在市場上出售的一種最小的慣性傳感器，即數(shù)字式石英慣性測量裝置（DQI），并采用來自作為無人機自動化發(fā)射和回收系統(tǒng)一部分的GPS接收機的信號。DQI為第一代用于慣性敏感的微機電傳感器，是從一塊石英基板批生產(chǎn)得到的。這種簡單、小而且可靠的DQI采用振動石英傳感器，適用于靈巧武器、導彈和無人機。

　　美國Irvine傳感器公司正在研制一種尺寸像一塊方糖大小的慣導系統(tǒng)，系統(tǒng)基于定制微機械加工陀螺，稱為硅微環(huán)陀螺（Silicon MicroRing Gyro）。美國海軍官員們想把這種2立方厘米的系統(tǒng)用于聲納浮標和有關(guān)應用。微機械加工采用半導體制造方法來制造特征尺寸以微米計的傳感器和結(jié)構(gòu)。MicroRing采用低價的硅與金屬結(jié)構(gòu)，同時測量沿幾條軸的運動。美國海軍為它規(guī)定的指標為：100分貝的動態(tài)范圍，10毫瓦功耗與0.5飛電容。