军用航空电子系统几大关键趋势

　　众所周知，军用航空电子对半导体IC、电子元器件、连接器及电子系统有着非常苛刻的要求，目前，较为知名的主要军用航空电子供应商ADI、TI、Xilinx、英飞凌、Altera、MicroSemiconductor等。为发现未来主要技术脉络及商机，故梳理军用航空电子领域主要几个关键技术新发展，包括导航系统，显示器，COTS及电子结构，期为读者提供有益参考。

　　导航系统的新发展

　　军用机和机载武器的导航仍以gps导航系统和惯性导航系统占主导地位，导航系统正向更精、更轻、更小和价格更低的方向发展。

　　1 GPS的主要发展方向是提高其抗干扰能力

　　美国在1997年7月23日从卡纳维拉尔角用0德尔它02（Delta 2）火箭发射了第一颗GPS 2R全球定位系统卫星。它是要发射的Navstar系列中的第42颗卫星。

　　先前的一颗2R卫星于1997年1月在发射时因运载火箭爆炸面损毁。GPS 2R卫星由洛克希德#马丁公司研制，重2030千克。2R卫星及其18颗以后的卫星将能进行6个月自主的操作，而不需要地面修正。

　　2R批次具有较大的余度及新的交联测距能力，以提高精度。一旦6~8颗新的2R卫星投入工作，GPS导航精度将从目前的10米提高到优于6米。

　　第一颗Navstar GPS卫星是1978年初发射的。Navstar卫星的发展经历了第1批次、第2批次、2A批次和目前的2R批次，大约从2002年开始将发射由波音公司制造的更加新的2F卫星。

　　今后四年是太阳活动高峰时期，而GPS及其应用是在太阳特别温和期间发展的，而且与2/2A卫星的输出功率比较，2R的输出功率可能降低2~4分贝，制造差别也可使卫星间的输出功率最多相差2分贝。因此美国很担心太阳活动高峰会使电离层起伏而引起导航误差，甚至造成GPS信号的中断，特别是关心飞机在进近期间所接收GPS信号可能受到破坏。

　　此外，随着航空对GPS依赖的增加，军用和民用航空用户关于系统受到非故意的干涉和故意的干扰的担心正在上升。军方对GPS的抗干扰能力特别关心，敌方将会干扰GPS，试图使来袭的导弹迷航，而且武器离目标越近，它要对抗的干扰信号也越强。

　　美国国防预研计划局（DARPA）提高GPS抗干扰性的一个尝试正集中于研制一种小到足以装在新的接收机中的原子钟。目前的原子钟比研制中的光纤陀螺 （FOG）惯导/GPS组件大得多，但预计不久将会做得很小。导弹战斗部中由原子钟提供的精确时间，将会在信号中断以后，加速GPS重新截获卫星。有原子钟可在不到1分钟内拾取卫星信号，而没有原子钟就需要几分钟。

　　提高抗干扰能力的其他办法是采用自适应天线和新材料。GPS接收机对采用较好的自适应零位操纵干扰技术来说，需要0.8~1.2米直径的天线。对导弹来说，这个尺寸显然太大。因而DARPA认为，嵌在导弹蒙皮中的天线，即灵巧蒙皮是解决这个问题的好办法。

　　俄罗斯在1997年莫斯科航展上展出的一种GPS干扰机能阻止接收4个频率的导航卫星信号。干扰机重10~12千克，发射的功率足以抑制数百千米以内接收机的正常工作。它具有4个固定频率的振荡器，而这4个频率是GPS和GLONASS发射的信号所使用的。干扰机的功率放大器在1200~1650兆赫频带中具有4瓦的功率。美国空军将购买8个干扰机，以便在埃格林空军基地进行分析，找出对付它的办法。

　　2 惯导和更小和价格更低的方向发展

　　光纤陀螺的优点是尺寸小、重量轻、成本低和可靠性高， 很适合用在精密制导武器低价组合式GPS-惯导系统中。光纤陀螺（FOG）已开始向环形激光陀螺（RLG）发起挑战。FOG在某些不大重要的民用和军事应用中已取代RLG，在这些应用中1度/小时的陀螺漂移率是可以接受的。美国空军正在考虑用较小的、更可靠的FOG来代替许多军用自动驾驶仪中所用的旋转质量速率陀螺。FTC公司生产的FOG已装在F-15飞机上作了试飞。

　　美国目前研制FOG的公司主要有利顿和霍尼韦尔两家。波音777飞机采用了霍尼韦尔公司供应的具有4个FOG的备份导航系统，称为辅助姿态大气基准装置 （SAARU），FOG的性能在1度/小时等级以内。霍尼韦尔公司自1992年以来就生产这一级别的FOG，而且已交付1500多个光纤陀螺。

　　利顿工业公司采用FOG的LN-200的惯性参考装置现在已有40多种不同的应用，应用范围包括飞机、导弹和无人机。基本LN-200惯性参考装置，它包括三个FOG和微机械加工在一块硅芯片上的三个小型线加速度计，其直径为8.89厘米，高8.64厘米，重量不到 0.726千克。LN-201是一种稍重的型别，在重新组装后用于AMRAAM空空导弹。而利顿LN-210型已为RAH-66直升飞机所选用，此直升飞机将装备两个FOG惯性参考系统和利顿公司的一个采用RLG的惯性导航系统。

　　DARPA目前正在进行的GPS制导组件（GGP）项目的第二阶段选择了两个公司集团进行研制：利顿/罗克韦尔/柯林斯公司及霍尼韦尔/天宝导航公司。利顿和霍尼韦尔为GGP研制的FOG将具有0.01度/小时的精度，导航精度达到1海里/小时，整个系统的性能还将通过组合惯性与GPS导航卫星的信号得到提高。柯林斯和天宝的GPS接收机都将是12通道装置。

　　这个项目的目标要求GGP系统的体积减小到1640立方厘米，其重量只有3118千克，平均故障间隔时间（MTBF）的指标为20000小时，比目前的 RLG惯性系统的MTBF大三倍。功耗只有30瓦，这对应用于无人机和导弹特别重要。组合惯性/GPS系统的批量生产成本降到约15000美元，大约为采用RLG的性能差不多的系统的三分之一。为了压缩GGP的尺寸和成本，这两家公司将采用由微机械加工技术制造在硅芯片上的加速度计。霍尼韦尔公司的微加速度计将由联信公司的仪表系统部供应。而利顿的微加速度计是自己研制的，且用于其目前的AMRAAM导弹所用的惯导系统。预计DARPA将在1999年春完成这项工作。

　　虽然军事部门可能首先采用GGP，但民用航空准会步其后尘。尺寸小、重量轻和成本低可能为许多通用航空飞机装备一流的导航设备开辟道路。如果利顿和霍尼韦尔的组合惯性/GPS能实现1.5万美元的价格，那么这将把系统的民用市场扩展到包括短程飞机及双发通用航空飞机。同样，这些系统可通过使它们不易受敌方对GPS信号的局部化干扰的影响，极大地增加精密制导武器的精度。一个装有0.01度/小时FOG的系统将能允许GPS信号丧失10分钟，而仍能到达其预定目标的30米以内。

　　根据与空军签订的合同，利顿正在研制一种0精密FOG0，其目标是使FOG精度大致提高10倍，差不多达到0.001度/小时。霍尼韦尔公司正在利用其自己的资金为达到同样的目标而进行研究。

　　虽然旋转质量陀螺在很大程度上已为RLG所取代，然而RLG是否会面临同样的命运，则专家们持不同的观点。例如，采用小型RLG的霍尼韦尔公司的惯性系统，最近已被选用于“联合直接攻击炸弹” （JDAM），可见RLG还有相当强的生命力。但是，专家们的一致看法是，“光陀螺”的未来是光明的。然而，总有一天，光陀螺在较低精度应用方面会受到将振动质量制造在芯片上的微电子陀螺的挑战。德雷珀实验室已在率先发展这种技术，而且其他一些公司，如利顿和罗克韦尔也在进行这方面的研究。

　　DARPA已在推进很低价格的FOG/INS/GPS的研制，1997年已同工业部门签订了一个合同，为步兵研制这种微机电导航器件。这些小型器件将在微尺度上加工，目标是整个系统的销售价格为1200美元，功耗不到1瓦。

　　罗克韦尔公司已交付第一个导航处理器给Alliant公司的Outrider无人机。这个导航处理器采用罗克韦尔公司在市场上出售的一种最小的惯性传感器，即数字式石英惯性测量装置（DQI），并采用来自作为无人机自动化发射和回收系统一部分的GPS接收机的信号。DQI为第一代用于惯性敏感的微机电传感器，是从一块石英基板批生产得到的。这种简单、小而且可靠的DQI采用振动石英传感器，适用于灵巧武器、导弹和无人机。

　　美国Irvine传感器公司正在研制一种尺寸像一块方糖大小的惯导系统，系统基于定制微机械加工陀螺，称为硅微环陀螺（Silicon MicroRing Gyro）。美国海军官员们想把这种2立方厘米的系统用于声纳浮标和有关应用。微机械加工采用半导体制造方法来制造特征尺寸以微米计的传感器和结构。MicroRing采用低价的硅与金属结构，同时测量沿几条轴的运动。美国海军为它规定的指标为：100分贝的动态范围，10毫瓦功耗与0.5飞电容。