无人机诱扰察打一体化先进任务载荷总体设计技术分析

龚汉华，涂卫军，廖润贵，廖敏，吴寿龙

1.航空工业江西洪都航空工业集团

2.空军装备部驻南昌地区军事代表室

无人机任务载荷正在向小型化、模块化、轻量化和低功耗等方向发展。无人机携带诱扰察打一体化先进任务载荷，可对敌防空系统实施摧毁性打击，在未来作战中将发挥重要作用。本文提出功能一体化任务载荷设计思路，在此基础上，分析诱扰察打一体化先进任务载荷总体设计技术。

任务载荷是无人机的关键组成部分,在无人机最大起飞重量和成本中的占比都较大。为应对多样化任务，无人机须要装载不同的任务载荷，同时平台尺寸尽可能小，以提高无人机的机动性并降低成本。因此，无人机诱扰察打一体化任务载荷应向小型化、模块化、轻量化和低功耗等方向发展。

集诱扰察打功能于一体的任务载荷是一种先进任务载荷，具有诱骗、干扰、侦察、定位敌防空系统的功能，可对敌防空系统实施摧毁性打击，受到各军事强国的高度重视。当前，各种诱扰察打型无人机正在迅速发展，其中，美国“小精灵”无人机是典型代表。

功能一体化任务载荷设计思路

功能一体化任务载荷设计应从传统单一功能的任务设备入手，分析各任务设备功能、组成、硬件架构，在此基础上，进行一体化集成和优化设计，实现硬件和软件共用，最后得到小型化、模块化、轻量化和低功耗任务设备。

系统软件采用面向组件的开放式集成框架，系统硬件采用统一数据总线、控制总线、健康管理总线的开放式集成架构，软件和硬件接口设计须采用统一的标准。采用开放式架构和模块化设计，并合理配置模块硬件资源，可实现通道组合和功能扩展等目的，保证任务系统的灵活性和高度可扩展性，满足不同任务需求，从而提升无人机系统的作战效能。

图2 F22 天线综合利用及综合处理（左）与“宝石台”综合传感器系统（右）。

功能一体化任务载荷总体设计技术

一体化集成设计技术能显著降低任务系统硬件的复杂度，并通过共用、重构及软件设计，实现更强的功能及性能。以机载电子系统为例，其功能一体化集成的发展路径可大致分为分立式、综合式以及升级综合式三种架构，如图1所示。

图1 机载电子系统功能一体化集成发展路径。

在早期机载电子系统中，雷达、电子战设备、通信设备等载荷和设备基本是独立的，从前端到后端的各种设备，完成各自的专项功能。这种方式设计相对简单明确，且各设备可以按照自身功能进行优化。但是缺陷也非常明显，例如，无人机往往需要执行侦察、电子战等任务，会引起大量设备堆砌。实际上，从众多设备的使用时间、空间、频谱来看，硬件资源存在大量冗余，而如此多的任务需求使平台面临很大压力。硬件设备数量多，限制了无人机平台向小型化、隐身化和高机动性方向发展，而小型化、隐身化和高机动性已成为未来作战的必备条件。另外，各任务设备独立工作且同时使用，必然会增加操作与运行维护人员的工作量，带来设备间的电磁频谱互扰，并限制了多功能任务载荷的协同工作。

因此，随着高机动性、隐身性等新概念作战平台的发展，美国率先提出机载电子系统综合一体化概念，如图3所示。

图3 机载电子系统综合一体化架构图。

综合一体化方案采用多功能天线集、射频交换矩阵、综合射频通道、数据总线、综合数字处理器，以及部分开放式架构与模块化设计等技术手段，大幅度减少了硬件模块的种类和数量，同时，采用统一的管理调度办法，使系统资源发挥最大效能，提升了多功能任务载荷协同工作的能力和各设备的专项功能。

机载电子系统升级综合一体化架构详见图4。该系统采用面向服务（SOA）、开放式、硬件可重构、功能由软件定义的体系架构，以适应系统升级、功能扩展和能力提升。在这种体系架构中，综合一体化方案所采用的多功能天线集，逐步向可重构天线阵列方向发展。系统可以根据功能、频率、发射功率、接收灵敏度以及多功能协同等要求，利用微机电系统（MEMS）、微结构、超材料等技术，灵活改变天线结构、工作频率和波束形态，实现无人机需要的功能。同时，采用重构天线阵列与作战平台的共形设计，最大程度利用作战平台面积，扩展天线性能，并保证平台气动、隐身外形。

图4 机载电子系统升级综合一体化架构图。

超宽信号采样技术

为使无人机平台拥有诱扰察打能力，须选择合适的信号采集体制。不同任务对信号采集的需求有差异。当无人机执行电子对抗任务时，由于对手具有非协作特性，任务系统需要大瞬时工作带宽，以保证信号在频域的截获概率；当无人机执行情报、侦察等任务时，由于接收功率变化大，任务系统需要大动态范围，以保证接收机不饱和。因此，在选择信号采集体制时，需兼顾带宽和大动态需求。ADC是模拟信号和数字信号的转换器，ADC的动态决定了系统动态。在不考虑多通道拼接技术时，ADC的采样率决定了系统的瞬时带宽。在实采样体制中，系统瞬时带宽不大于ADC采样率的一半。考虑到ADC前端抗混叠滤波器物理可实现性，ADC采样率的一半减去保护带宽后的剩余带宽，就是系统实际可用带宽，故工程上常选用实际所需带宽的2.5倍，作为ADC的采样率。ADC的分辨率决定了ADC的动态性能，在ADC设计中，采样率和分辨率是一对矛盾指标，高采样率ADC通常动态较小，低采样率ADC具备大动态。信号采集体制较多，每种体制有其特定的应用场景，对于诱扰察打一体化应用，任务系统信号采集体制选择既要兼顾各种应用需求，还要有利于小型化、低功耗集成。

图6 并行多通道采样技术原理图。

（1）交替采样（TIADC）技术

通过对多个低采样率ADC进行拼接，实现高采样率。这种方法有两个难点，一是各通道间采样时钟边沿的精确校准；二是各ADC间的差异补偿。精确匹配各ADC间的增益、偏移和时钟相位是一项很大的挑战，主要由于这些参数都取决于频率，除非能够实现这些参数的精确匹配，否则动态性能和分辨率将会降低。交替采样的各个ADC器件自身存在差异，输入信号进入各个ADC通道时存在差异，各个ADC采样时钟相位未能精确匹配，各个ADC输出数字信号不同步等问题，均会导致采样结果出现偏差，详见图5。单靠电路前端的芯片级或者板级电路来修正匹配，难以达到好的效果，尤其是当环境温度变化时，电路级修调结果可能变为无效。利用后端信号级修调，可以不打断ADC的正常工作，对用户透明，但是占用后端处理资源，且校准流程复杂。

图5 时间交替采样原理图。

（2）并行多通道采样技术

并行多通道采样技术的原理是，把带限信号送入模拟分解滤波器组，然后以并行方式对多个通道进行均匀采样，采样结果送入数字处理器，利用数字重构滤波器进行高精度、无失真重构，其原理如6所示。并行多通道采样克服了时间交替采样系统中各通路间时钟不匹配带来的问题。并行多通道采样技术的核心是设计完美的数字重构滤波器，但算法对资源要求较高，可采用专业芯片实现高速、低功耗采样。

（3）超宽带直接采样技术

随着设计技术和工艺的发展，ADC/DAC（DAC是数字信号和模拟信号的转换器）的速率、模拟带宽等指标不断提升，尤其在超宽带光通信技术的推动下，超高速ADC/DAC发展迅速，使宽带数字直接采样成为可能。目前，国外已经有数十吉赫兹采样频率的超高速ADC/DAC产品，同时也有采用这类ADC/DAC设计电子战任务系统的相关报道。

一体化功能协同处理技术

诱饵、干扰、侦察、打击不是简单的功能组合，须根据作战任务分配时序，做到诱饵、干扰、侦察与打击四项任务协同执行，既要考虑诱饵的逼真性，也要考虑干扰的有效性、侦察目标的截获概率和打击目标的跟踪稳定性。因此，集诱饵、干扰、侦察、打击等功能于一体的多任务载荷协同处理技术是重要的关键技术，需要对工作时序设计、一体化收发协同设计、电磁兼容性分析等方面进行深入研究。