航空电子系统综合化设计之“害”

2019-04-23张远利胡来平

中国电子科学研究院学报 2019年2期

张远利，蒋东,胡来平

(西南电子技术研究所,成都 610036)

0 引言

现代化战争对航空平台的要求越来越高，从而导致航空平台功能日趋复杂。航空平台的传感器由传统的以雷达为主发展到雷达、电子侦察和光电传感等多功能组合、主动与被动探测兼有状态。传感器之外，任务保障系统发展更为迅猛。在导航功能域，由惯性导航发展到天基卫导、陆(舰)基无线电导航和精密着陆(舰)等多源组合导航；在通信功能域，由视距话音通信发展到视距、超视距话音、数据链甚至网络综合通信；在识别功能域，由敌我识别、空管识别发展到军民用复合识别，与国际民用航空、航海组织标准体系兼容的ADS-B、AIS等多种识别方式结合，甚至发展到传感器指纹识别的层面。据不完全统计，本世纪的四代机和上世纪80年代的二代战机相比功能增加了3倍以上，航电系统占全机成本的比例由20%上升到40%左右[1]，未来甚至更高。如采用传统的联合式集成方式，航电系统体积、重量将变得极其庞大，系统复杂性急剧提升，航空平台将“不堪重负”，何谈高机动、高隐身、高速巡航、高可靠性等先进指标。因此，航空电子系统综合化集成应运而生。航空电子系统综合化的关键技术主要包括：航空综合电子信息系统(IEIS)总体技术、综合天线孔径技术、综合射频前端技术、综合核心处理器技术、高速数据传输和交换技术以及多传感器信息融合技术等[2]。

毋庸置疑，航电系统综合化设计为航空平台带来的好处是巨大的。根据工程经验，相对于联合式系统，综合化系统除了在功能综合和信息综合层面带来巨大的收益外，系统体积和重量降低了三分之一，可靠性提高了三分之一，任务可靠性也有较大的提升。在技术完全成熟后，成本也呈逐年下降趋势，不高于联合式系统。过去十几年，战斗机航空电子系统综合化的工作已经取得非常大的进展，并且已经拓展到其他大型航空平台上。

但事物都有其两面性，必须辩证的看待。综合化为航电系统带来巨大好处的同时，也带来了一定的技术风险，本文拟从以下几个方面进行初步的探讨。

1 综合化设计可能影响系统指标

综合化设计方法中很重要的一条就是根据平台任务剖面，梳理功能线程使用的时间特性，然后将采用通用硬件资源的功能线程合并考虑，力求以最小的硬件资源集实现所需的功能。硬件资源合并可采用分时共用或全时共用的方式，两种方式都可能影响系统指标，下面从两个例子予以说明。

1.1 天线孔径综合影响天线指标

航空平台典型的特点就是“寸土寸金”，给机载天线布局带来极大的困难，故一般综合化均采用天线孔径综合设计。天线孔径综合一般有两个方法，其一是天线共用，即不同的功能线程共用一个天线，其二是孔径共用，即不同的天线部署在一个孔径之中[3]。通常天线孔径综合需综合考虑如下四个因素：工作频段、极化方式、视场及时域资源占用特征。不同的孔径综合方法原则见表1。

表1 天线孔径综合原则

设想一型平台，同时装备了VU频段通信设备和VU频段的通信侦察设备。由于同一架飞机上的通信设备和通信侦察设备都需要覆盖水平方向360°范围，较难在同一频点同时兼容工作，故一般情况下二者瞬时工作频段需相互错开。因此，可考虑通信设备和通信侦察设备天线共用。本文以VU频段通信侦察干涉仪天线和VU频段通信天线共用为例进行分析。由于干涉仪天线同时要满足测向精度和全空域测向的目的，需要同时具备线阵和圆阵，而通信设备一般在低频段不考虑天线组阵，故对天线布局没有特殊要求。故天线布局可考虑优先满足干涉仪天线的特殊需求，一种典型的通信和通信侦察通用天线布局见图1，每个天线均可以接收VU全频段的信号。为了降低能量损失，不采用功分器方案，而是在在需要共用的天线后端接一耦合匹配网络，从天线下来的接收信号通过耦合网络后， V段信号和U段信号分别到达不同的端口，见图2所示。

图1 通信设备和通信侦察设备共用天线布局

图2 通信与通信侦察共用天线信号分配示意

在图1中，1、2、3号天线接收信号通过耦合网络后，V段信号供通信侦察设备使用，U段信号供通信设备使用。5、6、7号天线接收信号通过耦合网络后，U段信号供通信侦察设备使用，V段信号供通信设备使用。4/8/9/10/11号天线不通过耦合网络，信号全部进入通信侦察设备。如此一来，通信设备可以有3条链路工作在V频段，3条链路工作在U频段，通信侦察设备也可满足V、U频段分别测向和定位的目的。

这种天线孔径综合方案，将原本所需的17副天线减少为11副，给天线布局设计带来了方便，但可能会降低单天线指标。通常情况下天线的增益与其物理尺寸和使用频段等密切相关，如本案例中通信和通信侦察共用的VU频段单极子天线，理论上需按照天线使用频率的半波长设计。假如该天线只供通信设备使用，可设计成单V频段或单U频段的天线，而VU全频段使用，必然要在天线中加入相应的匹配电路，满足全频段特性阻抗基本一致的要求；同时，天线物理尺寸也采取了折中的尺寸，其辐射特性一般不如单频段天线。表2是根据某两型天线实测数据，其中VU频段天线增益总体来说比单U频段天线增益略低，如通信设备需工作在接收灵敏度附近，很可能引起通信距离降低。所以，设计时需考虑性能的降低是否在系统可接受的范围内，如可接受，则方案可行，如不可接受，则需另行选择方案。

表2 天线增益对比表

1.2 射频资源综合影响系统识别应答率

设想一系统，同时具备民用航管应答、军用敌我识别应答和ADS-B三种相同频段的功能线程。对于航空平台来说，航管应答、军用敌我识别应答都属于被动应答，即收到民用航管或我方军用平台的询问后启动应答。经统计，无论是航管应答还是军用敌我识别应答，单个功能线程发射占空比基本上不超过2%，特别是ADS-B功能，1 s启动一次发射，占空比更低。如果三个功能线程分别配置一套发射设备，硬件资源使用率不高，故综合化设计时考虑三个功能线程共用发射通道，哪个功能线程需要应答则调用发射通道的发射组件和天线资源，完成发射功能。

但这样可能带来一个问题：应答是被动的，何时应答取决于询问方何时询问。当存在多个平台询问本平台时，本平台则需要一一作答，而且询问和应答的时序是要严格参照标准执行，如超过一定的时间门限，则询问方认为应答失败。假如两条询问指令几乎同时到达，应答方在时序门限内只能保证对一个询问的应答，那么就会导致另一方应答失败。

本文分析民用航管应答S模式和军用敌我识别应答模式之间的应答冲突，以S模式的选址询问-应答方式为分析基础，军用波形虽然有所区别，出于保密原因，也以S模式选址询问-应答波形作为参照。

S模式航管应答的询问波形见图3，应答波形见图4[4]。

图3 S模式询问信号时序

图4 S模式应答信号时序

询问数据块可能取两种长度，33.75 μs或19.25 μs，本文近似取34 μs。应答脉冲可能有两种长度，取决于询问方的要求，分别为64 μs和120 μs，本文以120 μs计算。

由于假定军用和民用应答的波形一致，故实际应答是否冲突与收到的是哪一种询问无关，只与收到的总询问次数有关。军用询问属于牵引式询问，受一次雷达或人工牵引，民用询问为周期式询问，询问周期也基本与雷达周期一致。本文即以一个雷达探测周期10 s为分析区间。假设一个周期内共计收到N个询问脉冲，由于询问方的询问时机和无线传输时延两个随机因素存在，应答机收到的各个询问脉冲到达时间也是随机的。由于N个询问脉冲到达的时间是随机的，且应答脉冲与询问脉冲应当成对出现，故可认为每一个询问脉冲与应答脉冲之间也是随机且相互独立的。

如图5所示，当询问脉冲和应答脉冲之间呈现P1和P2的关系时，即当我方正在应答时，又收到一个询问脉冲P2，我方无法在有效的时间窗口内应答P2脉冲，导致P2脉冲应答失败。当询问脉冲和应答脉冲之间呈现P3和P4的关系时，应答脉冲和其他平台的询问脉冲时间不重叠，即认为没有冲突。

图5 询问脉冲和应答脉冲可能的时序图

假如此时应答机正在以P1脉冲进行应答，此时单个询问平台P2脉冲出现在三个区域时，都可能和P1应答脉冲冲突，导致P2脉冲不能得到应答，见图6所示。此时的出现冲突的时间区间应等于2倍P2脉冲的时间加上P1脉冲的持续时间，根据上文所述，其时间等于188 μs。

图6 可能出现的三个冲突子区间

根据上文的假设，P2脉冲出现在该188 μs的概率Pc在分析周期内成几何概率分布，即：

Pc=188 μs/10 s=1.88×10-5

(1)

当该区域可能出现N个脉冲时，由于各个脉冲的独立性，故该区域不出现任何脉冲的概率PB应采用下式计算：

PB=(1-Pc)N

(2)

故出现冲突的概率，即应答概率下降的数值应该为:

P=1-PB=1-(1-Pc)N

(3)

将数值代入，可以得到不同的N时，应答概率下降数值见表3。

表3 不同数量询问脉冲与应答概率下降关系表

由于航管询问和军用询问均是一次询问发送多个询问脉冲，当询问平台较多时，10 s内达到上千次的询问脉冲是可能的。但考虑到应答与询问满足一定的收发比例即可认为应答成功，不必每一个询问脉冲都得到应答，故实际的应答率降低应该比表3的情况要好，这也使二者硬件资源共用变为可能。

在对设备体积重量要求更严格的场合，部分系统甚至将相同频段的战术数据链也和航管应答、敌我识别应答共用硬件资源，该频段战术数据链一般采用TDMA体制，划分的发送时隙是固定的，一般需要优先保证战术数据链资源占用。如战术数据链发射占空比为10%，那么，以上分析还需在表3的基础上加上10%左右，这个影响不可谓不小，只是看系统是否能接受而已。

2 电磁兼容问题变得更加复杂

首先考察电磁干扰形成的三要素：干扰源、干扰路径和敏感端，见图7所示。

图7 电磁兼容三要素

传导和辐射源主要包括各类发射机、本振、传导线、开关、放大器和各类计算器件等。电磁敏感端主要包括接收机、数字接收器件等。从电磁兼容的角度来讲，无论采用联合式或综合化的方式，传导和辐射源及敏感端的特性变化并不大，只是随着技术进步，采用数字化的器件数量和种类越来越多，其辐射特性和敏感特性有所好转，系统综合化设计后对电磁兼容影响更大的是在传输和耦合路径上。主要包括如下几个方面：

(a)综合化机架模块密度变大，器件相互耦合增强

相对于传统的基于现场可更换单元(LRU)集成的联合式系统，综合化系统在天线孔径以后采用大型综合化物理机架，将各个现场可更换模块(LRM)集中布置到机架之中，从而进一步缩小了系统的体积和重量。也正是因为如此，模块中各个干扰源与敏感电路之间有完整的电路连接，而且电路连接的距离近，耦合比加大。例如，公共电源，地环路以及信号线之间的近场感应，可能导致数字接收器件的误码增加，带来传输或控制的错误。

(b)模块间互联增多，总线传输速率增大，传导、辐射等风险增加

联合式系统集成方式中，各个LRU基本完成独立或相对独立的功能，如电台负责信道建立、变频、调制/解调、编码、加解密和对外数据接口等一系列串联的功能。而采用综合化设计之后，可能把多个信道中相同的功能合并到一个模块处理，如信道模块负责多个信道的建立和变频，信号处理模块负责多个信道调制/解调、编码，综合保密模块负责多信道及多源信息密码处理。即综合化之后将原来串行模块连接变为网状连接，模块之间互联关系变得复杂，见图8。同时，为了在网状互联系统中达到低时延等要求，必须增加各类传输线速率，从而也增加了传导和辐射的风险。

图8 两种集成形式模块互联示意图

(c)天线孔径综合带来电磁兼容难度增加

天线孔径共用必然带来了天线之间物理距离的拉近，从而也大大降低了天线之间的隔离度。以VU频段和L频段天线共孔径为例，如不采用天线孔径共用，二者隔离度可达到50 dB，如将VU频段和L频段天线集成到一副天线中，隔离度只有20 dB左右，为系统射频兼容工作带来了新的挑战。

电磁兼容看不见，也摸不着，但如遵循如下的设计原则，并加以科学的测试和迭代，应该可以避免问题。

结构设计：电路元件和信号通路的布局必须最大限度地减小无用信号的相互耦合；关键电路应放在屏蔽盒内，所有进出屏蔽盒的连接线都应经过滤波。尽量减少结构的电气不连续性，以便控制经底板和机壳进出的泄漏辐射；有穿透和开口的结构件尽量在开口前进行滤波；搭接点的性能必须在很长的时间内保持不变，还应防止由互连所建立起来的通路因腐蚀或机械松动而逐渐变坏；合理设计接地，接地电阻尽量小，必要时采用多点接地。

布线设计：更多采用光传输，减小电磁辐射。在必须采用电传输的场合，保持从电缆屏蔽层到连接器后壳、到配合连接器板、再到机架都要连续密封，确保屏蔽的完整性。尽量不要让主电源线和信号线通过同一连接器、尽量缩短电缆长度和降低离地高度，尽量不要让输入输出信号线通过同一连接器，特别对于模拟信号而言。

电路设计：在可能的条件下，单独为各功能单元供电，使用公共电源的所有电路必须互相兼容，并且尽可能彼此靠近，应在交直流主电源输入口上使用有效的电源滤波器；当有瞬变要求时，还必须在滤波器的上游使用合适的瞬变抑制器。发射机尽量降低无用信号发射，包括乱真发射(谐波、寄生、互调产物、频率变换产物)和带外发射。接收机提高前端的线性和选择性等方面的要求。

由于各个系统面临的频段、天线隔离度、发射机噪声水平和接收机灵敏度水平等不尽相同，难以以一盖全，需针对个性平台做个性的分析。国内已有学者针对机载系统的电磁兼容问题开展了专项技术研究，并提出了预测与分析手段，详见参考文献[5-7]。

3 模块通用化带来一定程度的冗余设计

在射频综合部分，为了实现系统优异的维修性、功能可重构性和任务可靠性，一般需考虑模块的通用性。具体方法是将频段、中频带宽和动态范围相近的模块进行通用化设计，不同的功能线程共用同一种模块。系统采用软件无线电架构，不同的功能线程只需在相同的硬件资源上加载不同的软件即可实现，见图9所示。

图9 软件无线电架构

在射频综合化设计中，由于各个功能线程的技术指标侧重点不同，诸如噪声系数、瞬时动态、各种动态范围压缩手段的区别等，造成了射频前端的设计往往要各种指标兼顾，由此带来了多倍频程的分段设计、不同频段及带宽的滤波器堆积以及多种通道增益设计及其控制手段的并存等冗余设计问题。而综合化系统设计中，多种功能线程并存又必然带来通道数量的规模需求，因此相对独立设备而言，这种冗余显得更加突出。

另外，在系统架构设计上，一般从功能角度划分模块，往往将信号处理及接口控制独立为单一模块，甚至需要几个模块，而这部分对单功能线程而言往往是和其他模块合并设计。总而言之，综合化系统的诉求更多的体现在宽频段、多模式、动态可重构等系统指标上，导致了一定程度的冗余设计。而独立设备更加追求技术指标的极致性，因此导致了不同类型的系统设备的设计思路的巨大区别。

对系统而言，冗余设计虽然带来体积功耗的增加，却给系统重构带来了更多的灵活性，并保证了系统功能的稳健性。当然通过射频直采及零中频技术可以在一定程度上减少电路上的冗余。

4 资源管理变得更加复杂

联合式系统设计中，各个功能线程基本是相互独立工作，硬件资源基本上独立隶属于某个系统，即使有可能确实由于系统间不能兼容工作而采取了“消隐”等措施，但基本不会出现功能线程之间争相占用硬件资源的情况。系统综合化设计之后，可能会出现由于功能线程之间共用天线和射频通道硬件资源时导致的的硬件资源需求冲突情况，此时必然带来系统任务管理和资源调度的问题，而且是跨功能域的资源调度，系统管理变得更加复杂，带来较大的挑战[8]。以下提供了一种系统资源管理框架，应该能比较好的解决该问题。

系统级资源管理基本的思路是首先建立系统资源数据库，提供资源注册认证、入库、出库等服务；其次是在系统启动阶段根据资源健康状况进行资源注册，提供资源组件快速检索和匹配手段，支持资源高效调度，并持续对资源健康状态进行监控和维护；最关键的是在任务过程中基于任务优先级、资源健康状态进行跨层、跨区域的资源调度策略。典型任务系统资源调度框架可参见图10。

图10 任务系统资源调度框架

5 典型系统设计取舍原则

系统综合化设计一般包括硬件资源综合、信息综合和显控综合等几个层面。上文所述的天线共用、天线孔径共用、硬件共用和硬件通用化设计均属于硬件资源综合层面，而信息综合和显控综合是信息处理范畴。一般说来信息综合和显控综合的综合化程度越高系统收益越大，本文未展开讨论，以下仅就硬件资源综合在不同系统中的设计原则展开讨论。由于硬件资源综合可能带来技术风险，故在不同的系统设计时，必须根据平台本身的特点予以取舍。以下针对大型空中平台和小型歼击机平台两类典型的航电系统设计进行说明。

大型空中平台包括各类预警机、侦察机、指挥机等，这类平台典型特点是隐身性能和机动性要求不高、机体表面积大，故可布局更多天线，而且负载能力强。但这类平台在各种传感器网络、通信网络中一般作为中心节点使用，对系统指标和功能完备性要求均很高。歼击机类小型平台隐身性能和机动性要求高，机体表面积小导致天线布局空间有限，而且负载能力也小，但这类平台一般在各种传感器网络、通信网络中一般作为边缘节点，故对系统指标和功能完备性要求均不如大型平台高。

首先，天线孔径共用对系统电磁兼容影响较大，大型空中平台系统功能复杂，甚至同频段存在多种功能线程，系统兼容工作压力大，故孔径共用视情尽量少用。小平台功能较为简单，兼容工作压力小，且天线布局空间有限，需尽量共用孔径。

其次，天线共用可能对发射和接收指标略有影响，大型空中平台天线布局空间较小平台宽裕，可尽量不用，小平台可在指标满足使用的情况下视情少用。

然后，大型空中平台对功能完备性要求高，一般说来不允许有上文所述的识别应答率指标降低等情况，而且由于其负载能力强，对系统体积重量要求不太高，故硬件共用并不强求，尽量各个功能线程有专用资源，除非是各个功能线程在时域上确实不冲突的情况才共用。小平台对体积重量要求高，可在可接受的指标降低范围内尽量共用硬件资源。

最后，无论是哪一类平台，为了提高系统的维修性、功能可重构性和任务可靠性，以及符合软件定义系统、软件定义网络的技术发展趋势，对于硬件资源的通用性设计方面的要求都是一致的[9]，故需尽量考虑硬件通用性。

综上所述，系统综合化设计的初步原则如表4所示。需要说明的是该表仅是原则性的设计方法，具体系统需具体分析。