舰载机卫星导航天线设计要点

彭旭飞

(中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所，陕西 西安 710065)

0 引 言

卫星导航天线是实现卫星导航的重要设备，它将接收到的GPS、北斗系统(BDS)、全球卫星导航系统(GLONASS)等卫星发射的电磁波信号转变成电压或电流信号，以供接收机处理解算[1]，最终输出位置、速度、时间等信息。卫星导航天线通常安装于飞机顶部的蒙皮上，而舰载机停放的区域电磁环境复杂，执行飞行任务时会面临有意或无意的干扰，影响卫星导航系统正常收星定位。舰载机弹射时，在2 s～3 s加速到接近300 km/h的速度，纵向加速度峰值可能达到4g～5g[2]；而在着舰时，下沉速度是陆基飞机的2倍以上，拦阻平均航向过载超过3g[3-4]，天线要承受巨大的冲击。此外，卫星导航天线长时间暴露于高温、高湿度、高盐雾的海洋大气环境中，经受不同海域的风浪、海雾、盐雾和不同空域的温差、光照、雨雪以及舰船、母舰排放物等综合环境的侵蚀作用[5]。

由此可知，舰载机特殊的使用环境对卫星导航天线提出了更为严苛的要求，在对飞机任务需求及海洋环境影响的研究分析之上，提出功能性能、结构重量、腐蚀防护等方面的设计要点，以期作为舰载机卫星导航天线的研发设计及工程应用的参考借鉴。

1 天线的主要功能

1.1 卫星导航的脆弱性

在信息化条件下的现代战争中，卫星导航的作用越来越突出。2003年伊拉克战争中，95%以上的精确制导武器使用了GPS。然而卫星导航存在抗干扰能力弱的固有缺陷。以GPS为例，卫星轨道距离地球表面20 230 km，L1频点的C/A码和P码到达地球表面的最小功率电平为-159.06 dBW和-162 dBW[6]。据英国国防研究局试验表明，使用1 W的干扰机可使22 km范围内的GPS接收机不能工作；干扰功率每增加6 dB，有效干扰距离就增加1倍。因此，对卫星导航信号进行干扰与反干扰的“导航战”应用而生。

1997年12月30日，在美国新泽西地区一空军基地进行GPS发射机测试，连续2周发射功率为5 W、频率为1 227.6 MHz的信号，导致300 km范围内16架飞机完全丢失GPS信号；2003年伊拉克战争，伊军使用俄制GPS干扰机使美军精确制导武器受到威胁，至少有8～10枚“战斧”巡航导弹落入沙特阿拉伯和土耳其境内；2011年发生的RQ-170“哨兵”无人机事件，伊朗方面称是通过导航干扰手段使无人机迫降。

舰载机在海域上空执行侦察、巡视、作战任务时，作为其重要导航手段的卫星导航极易受到干扰。美俄等国已研发多种干扰机安装于舰艇、海上浮标、舰载直升机、无人机、系留气球等多种平台实施压制及欺骗干扰[7]，形成立体式干扰网，如图1所示。

图1 各种干扰平台对舰载机的干扰

1.2 增加北斗军码接收功能

天线是卫星导航系统处理接收信号的首个设备，直接影响着卫星导航的功能性能。早期的航空型卫星导航天线仅具备接收GPS、GLONASS信号的功能。以GPS为例，L1中心频率为1 575.42 MHz，调制在载波上的C/A码及导航电文内容公开，因此除了压制干扰外，还容易受到转发式欺骗干扰及生成式欺骗干扰。另外，民用C/A码的码速率为1.023 Mcps，码宽约977.5 ns；军用P(Y)码的码速率为10.023 Mcps，码宽约97.75 ns；数据码的码速率为50 bps，码宽20 ms。当数据码通过直接序列扩频而调至伪码上时，产生的扩频增益能增强信号的抗干扰能力。理论上讲，调制到C/A码的数据码的扩频增益为：

Gc=TD/TC=20/(977.5/106)=20 460

(1)

约为43 dB。而调制到P(Y)码的数据码的扩频增益为：

GP=TD/TP=20/(97.75/106)≈204 600

(2)

约为53 dB。另据测算，当天线后端的卫星导航接收机载波环跟踪门限取为18.5 dB/Hz时，所能容忍的压制干扰的干信比见表1[8]。

表1 所能容忍压制干扰的干信比

另外，P(Y)码是序列X1与序列X2的模2和。序列X1由2个十二级反馈移位寄存器产生，长为15 345 000码片，序列X2由2个十二级反馈移位寄存器产生，长为15 345 037码片，序列X1和X2异或相加后，所得序列的周期长度为：15 345 000×15 345 037=235 469 592 765 000码片或者235 469 592 765 000码片/10.23 Mcps=23 017 555.5 s≈266.4 d≈38 W。

即使P码发生器对周期约为38星期长的序列进行截短，得到周期为一星期的P码，仍然非常长。P(Y)码几乎不会被破解，抗欺骗干扰能力非常强。

北斗军码功能与GPS P(Y)码功能类似，因此为了提升整个卫星导航系统的抗干扰能力，需要天线具备接收北斗军码频点的功能。

1.3 空时自适应抗干扰技术

为了对抗舰载机使用环境中对卫星导航有意或无意的干扰，通常使用自适应抗干扰阵列天线，同时要考虑北斗军码信号接收功能。自适应阵列天线原理如图2所示。

图2 自适应阵列天线

天线中使用一个阵子接收GNSS信号(GPS与GLONASS)，不进行抗干扰处理。另配置4个BD B3阵子用于接收北斗军码信号，BD信号经过下变频变为中频，送入抗干扰中频单元中进行处理。处理器通过抗干扰处理算法，控制每个BD B3阵元信号的加权值。

目前常用的抗干扰技术主要有时域抗干扰技术、频域抗干扰技术、空域抗干扰技术和空时抗干扰技术等[9-11]。时域滤波器可以以较低成本产生抑制多个窄带的干扰能力，而空间调零天线可以抑制所有类型的干扰，但是成本较高。由于时域滤波和空域滤波都可以在数字中频上实现，将时域与空域结合起来，即为空时抗干扰技术。如图3所示，每个天线阵元后面的若干个时间延迟单元组成有限冲激响应(FIR)时域滤波结构，抑制窄带干扰；若干个天线阵元组成了空域滤波结构，在空域上进行干扰抑制。该方法将一维域内的自适应抗干扰技术拓展到空间与时间的二维域中，能够抑制多个种类、更多数目的干扰，具有更多的处理自由度。因此，舰载机的卫星导航天线可采用具备空时自适应抗干扰技术的天线。

图3 空时自适应抗干扰技术原理框图

设M为天线阵元个数，N为时间延迟单元的个数，时间延迟单元的时延间隔为τ(τ≤1/B)，B为有用信号带宽。

用MN×1维矢量W表示处理器的权矢量，则：

(3)

其接收信号可表示为MN×1维接收矢量：

(4)

则经过空时自适应滤波后的数据输出为：

y(n)=WHX(n)

(5)

最优准则是确定空时抗干扰技术最优权值的根据，不同准则会得出不同的最优权系数，主要有最大干信比准则(MSINR)、最小均方误差准则(MMSE)、最小方差准则(MV)、最大似然准则(ML)和线性约束最小方差准则(LCMV)。在实际中，卫星信号强度十分微弱，淹没在噪声之中，而干扰信号很强。本文采用LCMV准则，在满足某些线性约束条件的情况下，使输出信号的功率达到最小值。这样当存在干扰信号时，由LCMV准则求出的权值能够在干扰信号方向形成较深的零陷，达到抗干扰目的。

LCMV准则用数学表达式表示为：

(6)

式中：C为约束矩阵；Rxx为接收信号(包括噪声、干扰信号和有用信号)的自相关矩阵；g为约束响应向量。

为使输出信号功率最小，约束卫星导航有用信号空时方向上的响应g=1。另S为空时二维导向矢量[12]：

S=Ss⊗St

(7)

式中：⊗为Kronecker积；Ss=(1,ejωs,…,ej(M-1)ωs)T；St=(1,ejωt,…,ej(M-1)ωt)T，ωs=2πdsinθ/λ(d为阵元间距，λ为波长，θ为入射角，即入射方向与阵列法向的夹角)，ωt=2π/Ts(Ts为采样延迟间隔，Ts≤1/B，B为工作带宽)分别表示空间与时间频率。

可以推导出最优空时自适应滤波器的解为：

Wopt=μR-1S

(8)

式中：μ=[SHR-1S]-1，为一个常数。

另外，使用空时自适应抗干扰技术能定出干扰源的位置。由于空间加权值是干扰信号到达角的函数，一旦算出了这些加权值，便能够把方程倒过来，算出正对其做空间调零处理的干扰机的到达角。这个到达角代表在天线坐标系中干扰机的仰角和方位角，再将其转换到地球固连坐标系中，即定出了干扰机的位置，有利于在战场环境中将干扰源摧毁。

2 天线的结构重量

2.1 结构重量的影响因素

舰载机的使用环境与陆基飞机相比存在很大不同，因而对机载卫星导航天线的结构重量存在特殊影响。

(1) 舰面运动的影响

由于受到海面风浪的影响，舰船会产生包括纵摇、横摇、沉浮等6个自由度的连续不规则运动。通常可求出运动能量谱的函数来描述航空母舰在随海上航行时的运动特性，该能量谱是运动的各正弦分量幅度平方变化的度量，表示遭遇频率和波浪方向的函数[13]。

舰载机停放在航空母舰上时，安装于其顶部蒙皮上的卫星导航天线也会随着舰面进行复杂无规则的振动、冲击、颠震等运动。这种运动涵盖卫星导航天线的大部分寿命周期，对天线的结构设计及安装方式都有影响。

(2) 弹射起飞的影响

舰载机弹射起飞时，依靠自身动力滑行至弹射起飞点，挂弹射钩和牵制释钩，飞行员把发动机油门推到合适的大小。随后，牵制杆上的释放机构释放，舰载机在发动机推力和弹射器拉力的作用下加速滑跑，在弹射冲程的末端，弹射杆与弹射拖梭分离，前起落架突伸，飞机快速建立离舰迎角，并依靠自身动力向前飞行。据分析计算，舰载机在70～90 m长的甲板上，在2～3 s时间加速到接近300 km/h速度，飞机的纵向加速度峰值可达到4g～5g，甚至更大[14]。

(3) 拦阻着舰的影响

舰载机为了获得较高的着舰精度和着舰钩挂索概率，通常以“撞击式”触舰，即大下滑角不拉平，不进行平飞减速和飘落，通过舰制动拦阻索使飞机减速制动，比陆基飞机的下沉速率几乎大了一倍。此外，航母的不规则海上运动使得着舰环境更加复杂多变，可能出现冲击载荷过大的情况。通常，机轮承受的着舰下沉速度高达4.5 m/s，新型舰载机甚至达到6 m/s，应急着舰时的坠撞安全冲击可高达40g[15]。减速过程中，时速200～300 km/h、重达27 t的飞机在2 s时间内要停下来。安装在飞机上的设备经受拦阻着舰的冲击环境为瞬态正弦波，其瞬态正弦波的一般形式如下：

y=Ame-ξωtsin(ωt)，0≤t≤Te

(9)

式中：Am为瞬态波振幅，单位为g，根据飞机的结构分析、第一阶瞬态模态的频率以及装备在第一阶模态振型上所处的位置确定；ξ为阻尼比，ξ=1/(2Q)=0.025；ω为波形圆频率，单位rad/s，ω=2πf，给定飞机第一阶模态的频率确定；Te为冲击波形有效持续时间，为2 s。

2.2 结构设计

安装在舰载机上的卫星导航天线承受更加复杂严苛的振动、冲击、加速度环境，结构设计时需要考虑这些因素。图4为抗干扰卫星导航天线结构示意图，主要包括天线罩、天线阵单元、射频单元、抗干扰处理单元、电源变换单元、盖板、腔体、底板、支柱、连接器等部分。

图4 抗干扰卫星导航功能天线

卫星导航天线内部通过隔板进行腔体隔离，腔体厚度足够满足抗震性，在各部件之间使用连接器直连。连接器可采用全擒纵锁紧方式，锁紧强度满足振动环境要求。天线腔体工艺可采用数控铣一次成型，保证加工精度整体结构。在传力设计方面，天线可采用边沿安装方式，四周支撑，在安装边沿上设计安装孔，产品受力均自整机腔体进行传递。在载荷设计方面，产品内部电路板通过螺钉固定，印制板均设计为四周固定和支柱固定结合的方式，必要时

在板中心部分设计加强筋，整个电路板固定可靠，印制板无自由度。天线设计支柱进行安装，使整机各组件形成为一个结构整体，受力均匀。

在元器件选择时，对于电阻、电感等分立元件，要选择体积小、高度低的表面贴装元件。对于高度/底面积比较大的元件，需要再进行粘贴。为了避免冲击导致参数改变，不能使用空气隙电容器和空芯绕组电感器。印制板的取向应与舰载机加速度方向平行，减小印制板的翘曲，从而避免元器件受到应力而引线开裂和元件脱落。较大的元器件应排布在印制板的边沿，这里翘曲最小且可减小印制板中心部位的质量。

2.3 重量控制

航电设备通常要取得最小重量，关于多余重量与效率的关系，一般说法为10∶1，即节省10 kg设备可以使载荷能力增加100 kg，附加的重量会增加结构强度、携带更多燃油，从而导致恶性循环。

卫星导航天线的天线阵元需选择高介电常数的复合介质制成的微带天线，尽量选择封装小、重量轻的表贴式的元器件，采用一体式的优化结构设计、多个功能模块进行整体集成。材料选择时应在满足导航天线功能性能、结构强度及使用环境的前提下选择重量轻、强度高、吸震性能好的新型材料。几种新型材料的性能比较如表2所示[16]。

表2 结构材料性能比较

3 天线的腐蚀防护

3.1 海洋环境的影响因素

舰载机的使用环境与陆基飞机相比更为严苛，除了低气压、高低温、温度冲击、湿热、霉菌、盐雾、太阳辐射、淋雨、结冰等环境外，舰载机还受到其他环境因素的影响[17-18]。舰载机在整个寿命期内，大部分时间停放在甲板上，长时间处于高温、高湿度、高盐雾、高霉菌的海洋大气环境中，经受不同海域风浪、海雾、盐雾及持续干湿交替循环的侵蚀以及不同空域的温差、光照、雨雪等环境带来的影响。除此之外，还有航母动力装置排放的燃烧废气以及舰载机起飞、降落排放的尾气与高盐雾海洋大气形成局部富集SO2、NO2等污染物质的酸性盐雾气氛。美国海军研究中心已经证实停放在飞行甲板上的飞机表面聚积的湿气中含有SO42-并具有2.4～4.0的pH值。

卫星导航天线在安装时需要在飞机蒙皮结构上开口，因此天线与蒙皮的结合面容易进入雨水、潮气、跑道除冰液、冷凝水、飞机清洗剂等，产生缝隙腐蚀，即金属与其他金属形成的缝隙结构的电化学腐蚀环境与整体环境不同所产生的缝隙内部加速腐蚀的现象，如图5所示。

图5 天线安装区域腐蚀情况

卫星导航天线的多针电连接器也容易被腐蚀，在海洋环境下，不仅外壳会发生电化学腐蚀，而且针孔处容易产生缝隙腐蚀，影响电连接功能。如图6所示。

图6 电连接器的腐蚀

此外，卫星导航天线内部也难幸免。包括污染颗粒物、硫化物、烟雾、海洋空气中的盐雾等湿气及残留污染物直接腐蚀内部电子元器件，或导致内部电路异常短路及断路，或形成隔热层影响元器件散热，或加速电化学腐蚀；冷凝水、除冰液、飞机清洗剂腐蚀金属结构及密封剂；霉菌、真菌等微生物可以在电路板保型涂料、橡胶垫圈等材料上生存，吸收湿气，食用有机材料，释放酸性物质。

3.2 腐蚀防护措施

天线要进行全密闭设计，天线罩、腔体、盖板间加装密封条。卫星导航天线的缝隙处、天线与蒙皮的结合面涂抹密封剂，保证其密封性，防止海水、湿气、污染物等浸入。结构设计上尽量减小金属接触电位差，以避免出现电偶腐蚀。

天线罩要选择耐腐蚀材料，同时为了保证卫星信号的正常接收，要求高频下仍能保持良好介电性，微波透过性要好，可选用特氟龙，即聚四氟乙烯(PTFE)。该材料具有极强的耐腐蚀性能，能耐王水以及一切有机溶剂，且具有塑料中最佳的老化寿命。表面涂敷氟碳漆，该漆本质上是含氟化物的树脂涂料。对比丙烯酸漆或氨基漆等常规油漆，氟碳漆具有超长耐候性、耐盐雾性、耐酸碱腐蚀性、抗紫外线、强自洁性、高装饰性、耐洗刷性和耐摩擦等特性。

天线的腔体、盖板等可采用钛合金、铝镁合金、硬质铝合金等材料，表面进行导电氧化，或进行更加耐海洋环境微弧氧化工艺处理，即将Al、Mg、Ti、Ta、Nb等阀金属及其合金置于一定的电解液体系中，利用电化学方法，使材料表面微孔产生火花放电斑点，在热化学、等离子体化学和电化学的共同作用下，在轻金属表面生成陶瓷膜层，增强材料的耐磨、耐腐蚀性能。表面涂敷S06-N-2环氧聚氨酯底漆(Q/HT 008-2013)和丙烯酸脂肪族聚氨酯漆(Q/HT 007-2013)或使用耐候性、耐腐蚀性更好的环氧聚酰胺底漆(Q/HT 051-2016)和含氟碳(四氟碳)无光磁漆(QHT 048-2016)。

天线内部的电路板如射频板、抗干扰处理板及电磁干扰(EMI)滤波器电路板可采用覆铜箔板(FR-4)，表面涂敷B01-15丙烯酸清漆或氟聚氨酯清漆。该漆具有良好的耐高低温性能，其固化后形成一层30～50 μm厚的薄膜，可具备优越的绝缘、防潮、防漏电、防震、防尘、防腐蚀、防盐雾、防霉、防老化及耐电晕等性能。

天线的电连接器采用界面密封和尾部封线体整体热缩设计，连接器采用合理结构设计优化，避免不同金属接触所产生的电偶腐蚀反应。经试验室加速老化试验，对连接器选型给出推荐排序：钛合金>不锈钢钝化>复合材料镀镍>复合材料镀镉>铝合金壳体镀镉。

4 结束语

本文从舰载机卫星导航天线的特殊要求着手，分析了卫星导航的脆弱性以及舰载机面临的导航战形式，提出了天线应具备军码接收及空时自适应抗干扰功能；分析了舰载机停放环境、弹射起飞、拦阻着舰对天线的要求，提出了结构重量的设计要点；分析了海洋环境的影响因素，提出了天线可采取的腐蚀防护措施。这些设计要点对于舰载机卫星导航天线的研发及工程应用具有一定的参考意义。