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(duì)半導(dǎo)體IC、電子元器件、連接器及電子系統(tǒng)有著非?？量痰囊?，目前，較為知名的主要軍用航空電子供應(yīng)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(jī)，故梳理軍用航空電子領(lǐng)域主要幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)新發(fā)展，包括導(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)的新發(fā)展

　　軍用機(jī)和機(jī)載武器的導(dǎo)航仍以gps導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)占主導(dǎo)地位，導(dǎo)航系統(tǒng)正向更精、更輕、更小和價(jià)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(shí)因運(yùn)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(jìn)行6個(gè)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(dǎo)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(dòng)高峰時(shí)期，而GPS及其應(yīng)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(dān)心太陽活動(dòng)高峰會(huì)使電離層起伏而引起導(dǎo)航誤差，甚至造成GPS信號(hào)的中斷，特別是關(guān)心飛機(jī)在進(jìn)近期間所接收GPS信號(hào)可能受到破壞。

　　此外，隨著航空對(duì)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(dān)心正在上升。軍方對(duì)GPS的抗干擾能力特別關(guān)心，敵方將會(huì)干擾GPS，試圖使來襲的導(dǎo)彈迷航，而且武器離目標(biāo)越近，它要對(duì)抗的干擾信號(hào)也越強(qiáng)。

　　美國國防預(yù)研計(jì)劃局（DARPA）提高GPS抗干擾性的一個(gè)嘗試正集中于研制一種小到足以裝在新的接收機(jī)中的原子鐘。目前的原子鐘比研制中的光纖陀螺 （FOG）慣導(dǎo)/GPS組件大得多，但預(yù)計(jì)不久將會(huì)做得很小。導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部中由原子鐘提供的精確時(shí)間，將會(huì)在信號(hào)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(hào)，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(yīng)天線和新材料。GPS接收機(jī)對(duì)采用較好的自適應(yīng)零位操縱干擾技術(shù)來說，需要0.8~1.2米直徑的天線。對(duì)導(dǎo)彈來說，這個(gè)尺寸顯然太大。因而DARPA認(rèn)為，嵌在導(dǎo)彈蒙皮中的天線，即靈巧蒙皮是解決這個(gè)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(jī)能阻止接收4個(gè)頻率的導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)。干擾機(jī)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(jī)的正常工作。它具有4個(gè)固定頻率的振蕩器，而這4個(gè)頻率是GPS和GLONASS發(fā)射的信號(hào)所使用的。干擾機(jī)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(gè)干擾機(jī)，以便在埃格林空軍基地進(jìn)行分析，找出對(duì)付它的辦法。

　　2 慣導(dǎo)和更小和價(jià)格更低的方向發(fā)展

　　光纖陀螺的優(yōu)點(diǎn)是尺寸小、重量輕、成本低和可靠性高， 很適合用在精密制導(dǎo)武器低價(jià)組合式GPS-慣導(dǎo)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(yīng)用中已取代RLG，在這些應(yīng)用中1度/小時(shí)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(dòng)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(jī)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(jī)采用了霍尼韋爾公司供應(yīng)的具有4個(gè)FOG的備份導(dǎo)航系統(tǒng)，稱為輔助姿態(tài)大氣基準(zhǔn)裝置 （SAARU），F(xiàn)OG的性能在1度/小時(shí)等級(jí)以內(nèi)。霍尼韋爾公司自1992年以來就生產(chǎn)這一級(jí)別的FOG，而且已交付1500多個(gè)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(yīng)用，應(yīng)用范圍包括飛機(jī)、導(dǎo)彈和無人機(jī)。基本LN-200慣性參考裝置，它包括三個(gè)FOG和微機(jī)械加工在一塊硅芯片上的三個(gè)小型線加速度計(jì)，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(dǎo)彈。而利頓LN-210型已為RAH-66直升飛機(jī)所選用，此直升飛機(jī)將裝備兩個(gè)FOG慣性參考系統(tǒng)和利頓公司的一個(gè)采用RLG的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

　　DARPA目前正在進(jìn)行的GPS制導(dǎo)組件（GGP）項(xiàng)目的第二階段選擇了兩個(gè)公司集團(tuán)進(jìn)行研制：利頓/羅克韋爾/柯林斯公司及霍尼韋爾/天寶導(dǎo)航公司。利頓和霍尼韋爾為GGP研制的FOG將具有0.01度/小時(shí)的精度，導(dǎo)航精度達(dá)到1海里/小時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的性能還將通過組合慣性與GPS導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)得到提高?？铝炙购吞鞂毜腉PS接收機(jī)都將是12通道裝置。

　　這個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)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(shí)間（MTBF）的指標(biāo)為20000小時(shí)，比目前的 RLG慣性系統(tǒng)的MTBF大三倍。功耗只有30瓦，這對(duì)應(yīng)用于無人機(jī)和導(dǎo)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(jī)械加工技術(shù)制造在硅芯片上的加速度計(jì)?；裟犴f爾公司的微加速度計(jì)將由聯(lián)信公司的儀表系統(tǒng)部供應(yīng)。而利頓的微加速度計(jì)是自己研制的，且用于其目前的AMRAAM導(dǎo)彈所用的慣導(dǎo)系統(tǒng)。預(yù)計(jì)DARPA將在1999年春完成這項(xiàng)工作。

　　雖然軍事部門可能首先采用GGP，但民用航空準(zhǔn)會(huì)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(jī)裝備一流的導(dǎo)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(shí)現(xiàn)1.5萬美元的價(jià)格，那么這將把系統(tǒng)的民用市場擴(kuò)展到包括短程飛機(jī)及雙發(fā)通用航空飛機(jī)。同樣，這些系統(tǒng)可通過使它們不易受敵方對(duì)GPS信號(hào)的局部化干擾的影響，極大地增加精密制導(dǎo)武器的精度。一個(gè)裝有0.01度/小時(shí)FOG的系統(tǒng)將能允許GPS信號(hào)喪失10分鐘，而仍能到達(dá)其預(yù)定目標(biāo)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(biāo)是使FOG精度大致提高10倍，差不多達(dá)到0.001度/小時(shí)?；裟犴f爾公司正在利用其自己的資金為達(dá)到同樣的目標(biāo)而進(jìn)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(huì)面臨同樣的命運(yùn)，則專家們持不同的觀點(diǎn)。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(dāng)強(qiáng)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(yīng)用方面會(huì)受到將振動(dòng)質(zhì)量制造在芯片上的微電子陀螺的挑戰(zhàn)。德雷珀實(shí)驗(yàn)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(jìn)行這方面的研究。

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

　　羅克韋爾公司已交付第一個(gè)導(dǎo)航處理器給Alliant公司的Outrider無人機(jī)。這個(gè)導(dǎo)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(jī)自動(dòng)化發(fā)射和回收系統(tǒng)一部分的GPS接收機(jī)的信號(hào)。DQI為第一代用于慣性敏感的微機(jī)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(dòng)石英傳感器，適用于靈巧武器、導(dǎo)彈和無人機(jī)。

　　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(dǎo)系統(tǒng)，系統(tǒng)基于定制微機(jī)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(biāo)和有關(guān)應(yīng)用。微機(jī)械加工采用半導(dǎo)體制造方法來制造特征尺寸以微米計(jì)的傳感器和結(jié)構(gòu)。MicroRing采用低價(jià)的硅與金屬結(jié)構(gòu)，同時(shí)測量沿幾條軸的運(yùn)動(dòng)。美國海軍為它規(guī)定的指標(biāo)為：100分貝的動(dòng)態(tài)范圍，10毫瓦功耗與0.5飛電容。