許吉斌，展勇忠，冉玉忠，舒海濤

(湖南云箭集團(tuán)有限公司, 長(zhǎng)沙 410100)

在制導(dǎo)航空彈藥的研制過(guò)程中，特別是在飛行試驗(yàn)中，需要彈藥內(nèi)部各個(gè)系統(tǒng)在不同狀態(tài)、不同環(huán)境下的數(shù)據(jù)作為支撐。一方面實(shí)時(shí)的提供武器狀態(tài)，以利于指揮員做出決策；另一方面通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的事后解析，為制導(dǎo)航空彈藥的性能分析和特殊情況下的故障排查提供了依據(jù)，同時(shí)為其改進(jìn)性設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支撐。目前，主流的制導(dǎo)航空彈藥遙測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)彈載遙測(cè)采編發(fā)射機(jī)對(duì)彈上各系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行采集、編幀、調(diào)制，由彈載遙測(cè)天線(xiàn)發(fā)射出來(lái)；通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸；由地面遙測(cè)設(shè)備進(jìn)行接收、解調(diào)、解碼、顯示和事后處理[1-2]。

近年來(lái)，隨著材料、電子等領(lǐng)域科學(xué)研究的不斷深入，戰(zhàn)斗機(jī)“隱身技術(shù)”得到了飛速發(fā)展。為了追求更好的隱身性能，隱形戰(zhàn)斗機(jī)主要采用內(nèi)埋的方式裝載武器，但由于武器艙體密閉，具有良好的信號(hào)屏蔽性，采用常規(guī)的制導(dǎo)航空彈藥遙測(cè)信號(hào)發(fā)送接收方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)掛機(jī)狀態(tài)下彈上數(shù)據(jù)的傳輸[3]。因此，本文針對(duì)隱形戰(zhàn)斗機(jī)武器艙及內(nèi)埋制導(dǎo)彈藥特征，提出了內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥遙測(cè)信號(hào)的收發(fā)策略，并在此基礎(chǔ)上就其信號(hào)傳播面臨的難題和解決問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討[4-8]。

1 彈藥掛載方法、方向及特點(diǎn)

1.1 制導(dǎo)航空彈藥的掛載方法及特點(diǎn)

制導(dǎo)航空彈藥的主要掛載方法主要包括外掛、半埋、保型和內(nèi)埋4種[9]，其特點(diǎn)如表1所示。

半埋式和保型式掛載方式使用局限性較大，且優(yōu)勢(shì)不明顯，可以認(rèn)為是在外掛式基礎(chǔ)上為提高隱身及氣動(dòng)等性能做的適應(yīng)性改進(jìn)，因此使用并不廣泛，尤其是在我國(guó)已列裝的載機(jī)上，幾乎難覓蹤跡。

自20世紀(jì)80年代起，世界上的軍事強(qiáng)國(guó)陸續(xù)開(kāi)始了第五代戰(zhàn)斗機(jī)的研制，如美國(guó)的F-22、F-35，俄羅斯的SU-57，中國(guó)的J-20等，相較于第四代戰(zhàn)斗機(jī)，新一代戰(zhàn)斗機(jī)具有隱身性能和機(jī)動(dòng)性能佳，超視距作戰(zhàn)，超聲速巡航和短距離起降等特性。由于外掛武器會(huì)增加飛機(jī)雷達(dá)散射面積RCS值，影響飛機(jī)外形流暢性[10]，從而對(duì)飛機(jī)的隱身性能、巡航速度和機(jī)動(dòng)性能都造成了較大的影響，因此，內(nèi)埋掛載方式成為了第五代戰(zhàn)斗機(jī)的最佳掛載方式。

1.2 制導(dǎo)航空彈藥掛載的方向及特點(diǎn)

制導(dǎo)航空彈藥的掛載方向包括正掛、側(cè)掛和倒掛。其特點(diǎn)如表2所示。

表1 制導(dǎo)航空彈藥的掛載方法特點(diǎn)

表2 制導(dǎo)航空彈藥掛載方向特點(diǎn)

隱形戰(zhàn)斗機(jī)一般采用正掛和倒掛兩種掛載方向，其機(jī)彈分離過(guò)程如圖1所示。

圖1 隱形戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)彈分離過(guò)程

正掛的制導(dǎo)航空彈藥掛載狀態(tài)下，背部正對(duì)飛機(jī)掛架，投放后，由于氣流的作用會(huì)出現(xiàn)一定程度的晃動(dòng)，但整個(gè)過(guò)程中彈藥不會(huì)出現(xiàn)大幅度的翻轉(zhuǎn)。

倒掛的制導(dǎo)航空彈藥掛載狀態(tài)下，腹部正對(duì)飛機(jī)掛架，投放后，彈藥先進(jìn)行穩(wěn)定控制，待其完全脫離飛機(jī)武器艙后，再進(jìn)行180°翻轉(zhuǎn)和展翼[11-12]。

由于掛載方向不同，彈上各類(lèi)無(wú)線(xiàn)信號(hào)測(cè)量、收發(fā)裝置的型號(hào)和安裝位置也不同，尤其是衛(wèi)星接收裝置和遙測(cè)安控天線(xiàn)的類(lèi)型和安裝位置對(duì)其性能影響較大。

2 外掛及內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥遙測(cè)系統(tǒng)分析

2.1 外掛制導(dǎo)航空彈藥遙測(cè)系統(tǒng)

外掛制導(dǎo)航空彈藥遙測(cè)系統(tǒng)一般由彈載遙測(cè)發(fā)送系統(tǒng)及地面遙測(cè)接收系統(tǒng)組成[13-14]。

彈載遙測(cè)發(fā)送系統(tǒng)由彈載采編發(fā)射機(jī)及遙測(cè)發(fā)送天線(xiàn)等組成，其中采編發(fā)射機(jī)主要包含信號(hào)調(diào)理模塊、總線(xiàn)接口電路、采編模塊、電源管理模塊及發(fā)射機(jī)等，其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 外掛制導(dǎo)航空彈藥彈載遙測(cè)發(fā)送系統(tǒng)框圖

地面遙測(cè)接收系統(tǒng)主要由遙測(cè)接收天線(xiàn)、接收機(jī)、下變頻器、解調(diào)設(shè)備、數(shù)據(jù)解算設(shè)備及數(shù)據(jù)顯示設(shè)備等組成，其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 外掛制導(dǎo)航空彈藥地面遙測(cè)接收系統(tǒng)框圖

制導(dǎo)航空彈藥上電后，彈載遙測(cè)發(fā)送系統(tǒng)采集傳感器、電氣系統(tǒng)及其他彈上設(shè)備輸出的模擬量信號(hào)和彈載計(jì)算機(jī)及導(dǎo)引頭等設(shè)備輸出的數(shù)字量信號(hào)；模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號(hào)通過(guò)總線(xiàn)接口電路，均傳輸至系統(tǒng)控制緩存電路對(duì)數(shù)據(jù)緩存；各路數(shù)據(jù)通過(guò)編幀器根據(jù)預(yù)設(shè)的遙測(cè)數(shù)據(jù)編碼格式編碼并生成PCM數(shù)據(jù)流；PCM數(shù)據(jù)流經(jīng)調(diào)制和功率放大后由遙測(cè)發(fā)射機(jī)進(jìn)行發(fā)射。遙測(cè)信號(hào)通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道進(jìn)行傳播。地面遙測(cè)接收系統(tǒng)通過(guò)遙測(cè)接收天線(xiàn)收到遙測(cè)信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行低噪聲放大、下變頻、解調(diào)，然后由數(shù)據(jù)解算設(shè)備進(jìn)行挑路、分包、解析，最終生成可供實(shí)時(shí)查看和事后分析的數(shù)據(jù)。

2.2 內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥遙測(cè)系統(tǒng)

2.2.1內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥遙測(cè)系統(tǒng)特性分析

內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥的飛行試驗(yàn)一般包含掛飛試驗(yàn)和靶試試驗(yàn)兩個(gè)類(lèi)型，在整個(gè)掛飛試驗(yàn)中，彈藥一直內(nèi)埋于隱形戰(zhàn)斗機(jī)武器艙內(nèi)；而在靶試試驗(yàn)中，彈藥先內(nèi)埋于隱形戰(zhàn)斗機(jī)武器艙內(nèi)，待隱形戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)入發(fā)射區(qū)域后，飛行員發(fā)出彈藥發(fā)射指令，載機(jī)武器艙門(mén)打開(kāi)，武器脫離掛架，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的攻擊。

相較于外掛制導(dǎo)航空彈藥遙測(cè)系統(tǒng)，內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥遙測(cè)系統(tǒng)需要解決的最關(guān)鍵問(wèn)題是掛飛過(guò)程中彈上遙測(cè)數(shù)據(jù)的發(fā)送問(wèn)題：掛飛過(guò)程中，彈藥一直內(nèi)埋于隱形戰(zhàn)斗機(jī)武器艙內(nèi)，受到武器艙金屬屏蔽的影響，無(wú)法將信號(hào)發(fā)射出來(lái)，這將直接影響指揮員對(duì)彈藥實(shí)時(shí)狀態(tài)的判斷，更使得寶貴的掛飛數(shù)據(jù)丟失，對(duì)彈藥的后續(xù)研制和改進(jìn)造成了嚴(yán)重的影響。由于掛機(jī)狀態(tài)下，制導(dǎo)航空彈藥可通過(guò)與飛機(jī)進(jìn)行交聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，因此考慮通過(guò)飛機(jī)對(duì)彈上遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)解決該問(wèn)題。

2.2.2內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥遙測(cè)系統(tǒng)工作原理設(shè)計(jì)

為了解決遙測(cè)信號(hào)的發(fā)送問(wèn)題，本文提出通過(guò)在載機(jī)內(nèi)加裝遙測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)接設(shè)備和信號(hào)合路器等設(shè)備，利用載機(jī)的遙測(cè)天線(xiàn)對(duì)彈藥的遙測(cè)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥掛機(jī)狀態(tài)的遙測(cè)信號(hào)發(fā)送。使用該方案的遙測(cè)系統(tǒng)工作原理框圖如圖4。

圖4 內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥遙測(cè)系統(tǒng)工作原理框圖

當(dāng)內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥處于掛機(jī)狀態(tài)時(shí)，彈載遙測(cè)發(fā)送系統(tǒng)采集彈藥狀態(tài)信息，按照遙測(cè)數(shù)據(jù)編碼格式生成可供發(fā)射的PCM遙測(cè)信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行調(diào)制后，通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)的方式發(fā)送給飛機(jī)，由安裝在飛機(jī)上的遙測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)接設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)接，并將信號(hào)接入機(jī)載遙測(cè)信號(hào)合路器中，合路器將彈上遙測(cè)信號(hào)和載機(jī)遙測(cè)信號(hào)合路并最終通過(guò)載機(jī)天線(xiàn)發(fā)射出來(lái)。

3 內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥遙測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

通過(guò)飛機(jī)對(duì)內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥遙測(cè)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，主要面臨3個(gè)難題：如何實(shí)現(xiàn)飛機(jī)對(duì)彈藥的遙測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)接； 如何將轉(zhuǎn)接后的遙測(cè)信號(hào)與飛機(jī)遙測(cè)信號(hào)進(jìn)行合路；如何最大程度保持內(nèi)埋和外掛制導(dǎo)航空彈藥遙測(cè)系統(tǒng)的通用性。針對(duì)這3個(gè)難題，本文從遙測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)接技術(shù)、遙測(cè)信號(hào)合路技術(shù)和彈載遙測(cè)發(fā)送天線(xiàn)選擇三方面進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。

3.1 遙測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)接技術(shù)

3.1.1有線(xiàn)遙測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)接

有線(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)接指從彈載遙測(cè)發(fā)送系統(tǒng)中引出信號(hào)上傳接口，通過(guò)機(jī)彈電纜等有線(xiàn)鏈路將調(diào)制后的遙測(cè)信號(hào)上傳至飛機(jī)。該技術(shù)原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但由于標(biāo)準(zhǔn)機(jī)彈電纜內(nèi)無(wú)預(yù)留遙測(cè)信號(hào)上傳接口，因此使用該轉(zhuǎn)接方式存在機(jī)彈電纜不能貫標(biāo)的問(wèn)題。且由于需要將遙測(cè)信號(hào)引出，因此對(duì)彈載遙測(cè)發(fā)送系統(tǒng)和彈上電纜的通用性有一定影響。

3.1.2無(wú)線(xiàn)遙測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)

無(wú)線(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)指在不改變內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥原有遙測(cè)發(fā)送系統(tǒng)的前提下，在飛機(jī)武器艙內(nèi)掛架上加裝耦合天線(xiàn)，通過(guò)耦合的方式獲取彈上遙測(cè)信號(hào)，并將其上傳至飛機(jī)。該技術(shù)有利于制導(dǎo)航空彈藥的內(nèi)埋、外掛通用性設(shè)計(jì)，但需要同時(shí)對(duì)飛機(jī)和掛架進(jìn)行改裝，增大了主機(jī)單位的改裝難度。

3.2 遙測(cè)信號(hào)合路技術(shù)

由于需要通過(guò)飛機(jī)對(duì)彈上遙測(cè)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，且不能影響飛機(jī)遙測(cè)信號(hào)的正常發(fā)送，因此，需要采用遙測(cè)信號(hào)合路器對(duì)彈上遙測(cè)信號(hào)和飛機(jī)遙測(cè)信號(hào)進(jìn)行合路。

其工作原理為：將信號(hào)轉(zhuǎn)接設(shè)備轉(zhuǎn)接的彈上遙測(cè)信號(hào)和載機(jī)遙測(cè)信號(hào)，分別通過(guò)不同的信號(hào)放大器，輸入至開(kāi)關(guān)矩陣電路中，開(kāi)關(guān)矩陣電路由控制單元控制選通，將不同頻率的信號(hào)輸入對(duì)應(yīng)的帶通濾波器中進(jìn)行濾波，濾波后的信號(hào)經(jīng)由開(kāi)關(guān)矩陣電路進(jìn)入?yún)R接網(wǎng)絡(luò)完成信號(hào)的合路，經(jīng)過(guò)合路后的信號(hào)可直接經(jīng)由飛機(jī)遙測(cè)天線(xiàn)發(fā)射出來(lái)，其原理框圖如圖5。

圖5 遙測(cè)信號(hào)合路器原理框圖

3.3 彈載遙測(cè)發(fā)送天線(xiàn)選擇

內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥的遙測(cè)信號(hào)發(fā)射主要包含兩個(gè)階段，分別為彈藥掛機(jī)階段和彈藥離機(jī)階段。

當(dāng)彈藥采用有線(xiàn)遙測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)接技術(shù)時(shí)，彈藥掛飛狀態(tài)下彈載遙測(cè)發(fā)送天線(xiàn)與外界無(wú)信息交互，彈藥離機(jī)后，其遙測(cè)系統(tǒng)工作原理與外掛制導(dǎo)航空彈藥相同，因此，使用該技術(shù)對(duì)彈載遙測(cè)發(fā)送天線(xiàn)的選擇無(wú)特殊要求。

當(dāng)彈藥采用無(wú)線(xiàn)遙測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)時(shí)，彈藥掛飛狀態(tài)下需保證彈載遙測(cè)發(fā)送天線(xiàn)發(fā)送的信號(hào)能被耦合天線(xiàn)可靠接收，彈藥離機(jī)后，又需保證彈載遙測(cè)發(fā)送系統(tǒng)與地面遙測(cè)接收系統(tǒng)的可靠信號(hào)傳輸。因此，使用該技術(shù)時(shí)對(duì)彈載遙測(cè)發(fā)送天線(xiàn)的類(lèi)型和安裝位置都有較高的要求。

除此之外，由于內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥有正掛和倒掛等掛載方向，因此彈載遙測(cè)發(fā)送天線(xiàn)的安裝位置與類(lèi)型需要在充分考慮彈藥的特點(diǎn)后進(jìn)行選擇。

常用的彈載遙測(cè)發(fā)送天線(xiàn)主要包括微帶貼片天線(xiàn)和單極子天線(xiàn)[15-16]。

其中貼片天線(xiàn)由地板、介質(zhì)基板和微帶單元組成，其厚度可以保持在幾毫米以?xún)?nèi)，可以直接安裝在彈藥外表面或與彈藥做共形設(shè)計(jì)嵌入其彈壁中，該類(lèi)天線(xiàn)對(duì)彈藥氣動(dòng)影響極小，重量輕，波束寬度較窄，方向性較強(qiáng)，因此外掛制導(dǎo)航空彈藥中多采用在彈體腹部安裝單片微帶天線(xiàn)或在其彈體左右兩側(cè)對(duì)稱(chēng)位置分別安裝貼片天線(xiàn)的方式，實(shí)現(xiàn)彈載遙測(cè)發(fā)送系統(tǒng)與地面遙測(cè)接收系統(tǒng)的通信。

單極子天線(xiàn)主要由直立振子與地板組成，是一種典型的全向天線(xiàn)，其方向圖在水平面上為360度均勻輻射，該類(lèi)天線(xiàn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，波束寬度很寬，但氣動(dòng)性較差，需要在彈藥表面形成較大的突起，因此在外掛制導(dǎo)航空彈藥中多安裝在彈體腹部或?qū)ΨQ(chēng)安裝在彈藥下腹部固定翼尾端。

在上述兩類(lèi)遙測(cè)發(fā)送天線(xiàn)的基礎(chǔ)上，為了同時(shí)滿(mǎn)足全向性和氣動(dòng)要求，保持內(nèi)埋和外掛制導(dǎo)航空彈藥在遙測(cè)天線(xiàn)方面的通用性，彈載遙測(cè)發(fā)送天線(xiàn)可進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，形成環(huán)形微帶貼片天線(xiàn)和螺旋天線(xiàn)。

1) 環(huán)形微帶貼片天線(xiàn)。環(huán)形微帶貼片天線(xiàn)如圖6所示，天線(xiàn)采取多微帶單元并聯(lián)饋電形式，將輻射單元與饋線(xiàn)集成在一塊微波介質(zhì)基板上，根據(jù)彈體加裝位置的直徑確定其印制電路板長(zhǎng)度，并最終將其纏繞在彈體表面。該類(lèi)天線(xiàn)具有很好的全向性，可滿(mǎn)足各類(lèi)遙測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)接技術(shù)對(duì)遙測(cè)天線(xiàn)的要求，但其需要與彈體進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，且有一定的安裝難度。

圖6 環(huán)形微帶貼片天線(xiàn)示意圖

2) 螺旋天線(xiàn)。螺旋天線(xiàn)如圖7所示，是用金屬絲繞制而成的螺旋形結(jié)構(gòu)的行波天線(xiàn)，通常用同軸線(xiàn)饋電，同軸線(xiàn)內(nèi)導(dǎo)體和螺旋線(xiàn)一端相接，外導(dǎo)體和地板相連。該類(lèi)天線(xiàn)全向性好，且相較于單極子天線(xiàn)長(zhǎng)度更短，有較好的氣動(dòng)性能，但依然會(huì)在彈體表面形成一定的突起，且體積較大。

4 內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥遙測(cè)系統(tǒng)工作過(guò)程

本文以選用環(huán)形貼片微帶天線(xiàn)，采用無(wú)線(xiàn)遙測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥為例，對(duì)其遙測(cè)系統(tǒng)工作過(guò)程進(jìn)行闡述。

圖7 螺旋天線(xiàn)示意圖

如圖8所示，當(dāng)彈藥處于掛機(jī)狀態(tài)時(shí)，彈載采編發(fā)射機(jī)采集彈藥狀態(tài)信息，并按照遙測(cè)數(shù)據(jù)編碼格式生成可供發(fā)射的PCM遙測(cè)信號(hào)，通過(guò)彈載環(huán)形貼片微帶天線(xiàn)進(jìn)行信號(hào)發(fā)射，由安裝在飛機(jī)掛架上的耦合天線(xiàn)接收，并將信號(hào)接入飛機(jī)遙測(cè)信號(hào)合路器中，合路器將彈上遙測(cè)信號(hào)和載機(jī)遙測(cè)信號(hào)合路并最終通過(guò)載機(jī)天線(xiàn)發(fā)射出來(lái)。彈藥離機(jī)后，遙測(cè)數(shù)據(jù)直接通過(guò)彈載環(huán)形貼片微帶天線(xiàn)發(fā)送給地面遙測(cè)接收系統(tǒng)。全過(guò)程中彈上遙測(cè)信號(hào)頻點(diǎn)及數(shù)據(jù)編碼格式未發(fā)生改變，因此，地面遙測(cè)接收處理設(shè)備全程保持對(duì)同一頻點(diǎn)的遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，根據(jù)同樣的編碼格式對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算。

圖8 內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥遙測(cè)系統(tǒng)工作過(guò)程框圖

5 結(jié)論

本文提出了一類(lèi)遙測(cè)系統(tǒng)方案，該方案從理論上解決了內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥遙測(cè)系統(tǒng)在信號(hào)傳播路徑上的問(wèn)題，對(duì)內(nèi)埋制導(dǎo)航空彈藥試驗(yàn)的開(kāi)展有積極意義。