無(wú)線(xiàn)連通航空航天和國防世界

隨著(zhù)國防領(lǐng)域信息和監控需求的不斷增長(cháng)，無(wú)線(xiàn)技術(shù)的普及性及其需求達到了前所未有的高度。  在整個(gè)航空航天和國防工業(yè)，無(wú)線(xiàn)系統已部署于廣泛的應用之中，為單兵系統、無(wú)人系統控制、系統級健康、生命體征監控等眾多應用提供支撐。

國防界曾廣泛討論過(guò)增加通向戰士的數據流量的必要性問(wèn)題。 然而，無(wú)線(xiàn)通信已開(kāi)始從根本上改變新一代系統的發(fā)展動(dòng)向。  就如商業(yè)界和工業(yè)界一樣，增加數據流量，加強監控，無(wú)線(xiàn)革命和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)(二者實(shí)為同義詞)，所有這些都將會(huì )對航空航天和國防市場(chǎng)產(chǎn)生同樣深遠的影響。

圖1： 單兵系統

過(guò)去10年，隨著(zhù)新波形、寬帶寬信號的出現，軍事通信系統多次升級，為增加通向戰士的數據流量創(chuàng )造了條件。  目前，采用AD9361一類(lèi)收發(fā)器的戰術(shù)電臺已能充分發(fā)揮軟件定義無(wú)線(xiàn)電(SDR)架構的優(yōu)勢，實(shí)時(shí)適應不同的通信標準和協(xié)議，從而根據需要在戰區內的不同系統之間實(shí)現通信。

帶寬更寬的數據鏈路不但可以實(shí)現向戰士傳輸數據，還可實(shí)現從戰士接收數據。  這類(lèi)數據可能包括實(shí)時(shí)視頻影像和資產(chǎn)跟蹤信息，將來(lái)還可能包括健康監控等功能以及慣性導航信息等。 圖1所示為現代及新一代戰士可能使用的多種系統。  隨著(zhù)傳感器集成度的提高，隨著(zhù)尺寸、重量和功耗(SWaP)的下降，將會(huì )有更多的傳感器集成到單兵系統中，以實(shí)現這些功能及類(lèi)似功能。

電位傳感器的數量以及所產(chǎn)生的數據量都將要求使用無(wú)線(xiàn)互聯(lián)技術(shù)，要求先用短程數據鏈把數據聚合起來(lái)，然后再由戰術(shù)電臺把數據傳送回指揮中心，以便指揮機構對戰士進(jìn)行監控并為其提供更好的支持。

無(wú)人駕駛飛行器，尤其是無(wú)人機(UAV)的運用進(jìn)一步推高了對無(wú)線(xiàn)數據的需求，同時(shí)也對頻譜的利用起著(zhù)推動(dòng)作用。  在國防領(lǐng)域，目前有大量的各類(lèi)飛行器在役，從Northrop  Grumman公司全球鷹等大型平臺到Aerovironment公司大烏鴉無(wú)人機等小型平臺系統，應有盡有。  對于這些飛行器來(lái)說(shuō)，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和衛星通信鏈顯然是一個(gè)主要要求，業(yè)內專(zhuān)門(mén)為這些系統制定了波形和標準，包括小型無(wú)人機系統數字數據鏈(SUAS DDL)波形。  借助這樣的波形，不但可以實(shí)現對小型無(wú)人機的控制，更重要的是，還能將機載傳感器網(wǎng)絡(luò )發(fā)來(lái)的數據和視頻信息傳到控制器。  利用該網(wǎng)絡(luò )可以更加靈活、更加有效地收集現場(chǎng)情報。  然而，這些平臺功率有限，并且在可用帶寬有限且要求多個(gè)系統在同一頻段工作的情況下，它們推高了對通信鏈中所用收發(fā)器的需求。

圖2： AD9361和ADF7023收發(fā)器

盡管?chē)拦I(yè)在無(wú)人機系統領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，但大量報道顯示，許多商業(yè)系統和運營(yíng)商計劃將來(lái)采用無(wú)人機技術(shù)，據報道，亞馬遜、谷歌等公司正在開(kāi)發(fā)這些系統。  諸如此類(lèi)的商業(yè)活動(dòng)同樣要求無(wú)線(xiàn)和安全數據鏈。 隨著(zhù)這一市場(chǎng)領(lǐng)域的發(fā)展，分配頻譜需求將繼續水漲船高，進(jìn)一步推高對高級通信收發(fā)器的需求。

進(jìn)一步深入航空航天領(lǐng)域，在如今商用飛機上，無(wú)線(xiàn)寬帶通信系統大行其道，如此一來(lái)，乘客就可在飛行途中通過(guò)WiFi訪(fǎng)問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)。  目前，對這些服務(wù)的需求及其延伸必將延續下去，大量利用衛星通信以在全球實(shí)現寬帶連接。  除這些發(fā)展動(dòng)向以外，航空航天市場(chǎng)已開(kāi)始主動(dòng)尋求將無(wú)線(xiàn)技術(shù)引入一系列其他應用領(lǐng)域。 業(yè)內已開(kāi)始主動(dòng)評估無(wú)線(xiàn)傳感器的應用價(jià)值，以期提高安全性和燃油效率。  通過(guò)降低飛機重量，可以提高燃油效率，為此，對傳感器技術(shù)以及傳感器之間的互聯(lián)選擇也在進(jìn)行嚴格審核。  在現代高級軍用和商用飛機中，所用線(xiàn)纜可能多達100,000條，長(cháng)度可能超過(guò)470米，重量可能高達of  5,700公斤，這還不包括結構固定點(diǎn)的基礎設施和導線(xiàn)，這些可能再增加30%。  雖然用無(wú)線(xiàn)傳感器取代所有這些的可能性不大，但由企業(yè)、學(xué)術(shù)界和政府機構成立的合作組織航空航天飛行器系統研究所(AVSI)已著(zhù)手對這種可能性展開(kāi)研究。  AVSI成立了一個(gè)工作組，專(zhuān)門(mén)研究無(wú)線(xiàn)航天電子內部通信(WAIC)技術(shù)，其目標是在不使用電纜和線(xiàn)束的情況下，把多種多樣的飛機傳感器相互連接起來(lái)。

圖3： 可能的無(wú)線(xiàn)傳感器互聯(lián)系統

盡管在這種應用中，無(wú)線(xiàn)傳感器無(wú)疑會(huì )減輕重量，傳感器網(wǎng)絡(luò )還能帶來(lái)其他好處，包括可再配置能力，可能還有利于提高安全性，但更重要的可能是，無(wú)線(xiàn)傳感器還能快速添加和升級傳感器，無(wú)需增加布線(xiàn)和基礎設施。  對飛機上更多功能進(jìn)行監控和調整的能力有可能大幅提高效率，因為可以實(shí)時(shí)調整發(fā)動(dòng)機、熱管理系統等組件。  此外，添加設備健康監控和額外的安全監控功能以后，可以更加密切地監控維修和保養需求，從而及早發(fā)現問(wèn)題，并更加有效地安排維修工作。  WAIC工作組列出了可能從該技術(shù)受益的多種系統：

● 煙霧檢測

● 油箱/燃料管線(xiàn)

● 近程檢測

● 溫度

● EMI事故探測

● 濕度/腐蝕檢測

● 機艙壓力

● 緊急照明

● 結冰探測

● 起落裝置(位置反饋、制動(dòng)器溫度、胎壓、輪轉速、轉向反饋)

● 飛行控制位置反饋

● 艙門(mén)傳感器

● 發(fā)動(dòng)機傳感器

● FADEC-飛機接口

● 飛行數據

● 發(fā)動(dòng)機預測

● 飛行甲板和機艙乘員圖像/視頻(安全相關(guān))

● 航空電子通信總線(xiàn)

● 結構健康監控/結構傳感器

● 主動(dòng)振動(dòng)控制

在上述多個(gè)例子中，為飛機系統監控功能添加無(wú)線(xiàn)通信鏈是難上加難。 為了切實(shí)有效，許多系統需要用電池供電，并且需要超長(cháng)時(shí)間工作，甚至可能長(cháng)達數年不更換。  要在功率有限的環(huán)境中達到所需傳感器量，就要采用傳統電池以外的能源。 用能源采集技術(shù)作為替代電源，有利于提高傳感器的靈活性，有利于改善SWaP。

從單兵系統到航空航天應用，上述所有例子都展現出對無(wú)線(xiàn)通信和傳感器與日俱增的依賴(lài)，一些需要解決的新問(wèn)題也隨之而來(lái)。  ADI公司正在努力為這些種類(lèi)繁多的問(wèn)題提供一個(gè)綜合性解決方案。  改進(jìn)型無(wú)線(xiàn)通信收發(fā)器是該解決方案的一個(gè)組成部分，但除此以外，我們還在能源采集和傳感器領(lǐng)域展開(kāi)了研究，同時(shí)致力于提高全部三種設備之間的互操作性。

為了支持通信數據鏈，諸如AD9361一類(lèi)的高度可配置收發(fā)器以及ADF7023、ADF7024等ISM頻段器件可為無(wú)線(xiàn)連接領(lǐng)域提供理想的解決方案。  AD9361和AD9364均為高度可配置射頻至位收發(fā)器，支持的通信鏈范圍為200 kHz至56 MHz，射頻頻率范圍為70 MHz至6 GHz。  它們采用直接變頻架構，搭載有低噪聲放大器、混頻級、高速轉換器和數字信號處理算法(包括高級正交誤差校正算法)，封裝尺寸為10mm2，為寬帶通信鏈提供了一個(gè)真正的射頻至位解決方案。  該器件已經(jīng)廣泛應用在軍事通信領(lǐng)域，因為它們能支持動(dòng)態(tài)再配置;類(lèi)似地，因具備強大的軟件配置能力，它們還為許多其他通信數據鏈需求(與無(wú)人機部分所述要求相似)提供了一個(gè)統一的解決方案。  高度的可配置能力可實(shí)現真正意義上的軟件定義無(wú)線(xiàn)電(SDR)，為將開(kāi)發(fā)的一款硬件應用于多個(gè)系統創(chuàng )造了條件，尤其值得一指的是，其典型功耗不到1 W。

類(lèi)似地，ADF7023、ADF7024和ADF7242是超低功耗型集成式收發(fā)器，專(zhuān)門(mén)針對免許可的ISM頻段(433 MHz、868 MHz、915  MHz和2.4GHz)而設計，帶有特別的波形調制功能，頻率(FSK)或是高斯(GFSK)移動(dòng)鍵控，并具有較低的數據速率，ADF7024最高為300  kbps，ADF7242為2 Mbps。  盡管這些器件不如AD9361靈活，但它們也集成了類(lèi)似的功能，使器件能支持射頻至位收發(fā)器，例如，ADF7024即可滿(mǎn)足這一要求，封裝尺寸僅為5mm2，接收模式下功耗低至12.8mA;在功率水平和長(cháng)壽命至關(guān)重要的應用中，可以用來(lái)收發(fā)傳感器數據。

進(jìn)一步增強傳感器技術(shù)與無(wú)線(xiàn)通信節點(diǎn)之間的融合，其必要性顯而易見(jiàn)，推動(dòng)半導體工業(yè)走向兩大要素的整合，促使半導體工業(yè)提升密切整合這兩個(gè)要素的能力。  要完全解決傳感器和物聯(lián)網(wǎng)難題，可以采用綜合性方法，配合使用多種器件，借助不斷增強的傳統型精密放大器和轉換器實(shí)現溫度、電流和電壓檢測。  進(jìn)一步說(shuō)，采用MEM型陀螺儀和加速度計的眾多導航系統和健康監護系統具備監控單兵運動(dòng)并進(jìn)行跟蹤的潛力，也可用來(lái)監控系統振動(dòng)，并在檢測到意外運動(dòng)時(shí)確定系統健康狀況。

例如，ADIS16488A iSensor  就是一款完整的全集成式高性能慣性系統，其中包括一個(gè)三軸陀螺儀、一個(gè)三軸加速度計和一個(gè)三軸磁力計，可以當作組件用在人員跟蹤系統或振動(dòng)監控系統中。  該系統以MEM技術(shù)為依托，提供了一款經(jīng)濟型的運動(dòng)跟蹤解決方案，可以置入或集成到設備之中，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信系統接入單兵電臺，然后將數據傳回指揮中心，由此打造出一種全面的單兵跟蹤解決方案，尤其是在無(wú)GPS信號的環(huán)境中，有助于增加搜索和救援行動(dòng)的便利性。

類(lèi)似地，用于振動(dòng)監控應用時(shí)，ADI iSensor和MEM器件可實(shí)現機器健康分析功能，盡早發(fā)現可能出現的設備故障問(wèn)題。  由于對安裝位置要求較嚴，此類(lèi)傳感器往往難以定位，但是，如果把低功耗電池供電型射頻收發(fā)器與傳感器結合起來(lái)，即可實(shí)現輕松確定器件的位置，并且不會(huì )出現這些問(wèn)題。在這種方案下，數據被傳輸到中央監控裝置，也可能通過(guò)蜂窩或衛星通信網(wǎng)絡(luò )傳回遠程監控站。

以上只是冰山一角，還可考慮采用基于多種技術(shù)的許多其他選項和檢測系統，但所有這些系統都依靠安全射頻通信來(lái)轉發(fā)數據。從整個(gè)航空航天領(lǐng)域和國防領(lǐng)域來(lái)看，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )快速普及，數據監控和分發(fā)需求快步增長(cháng)，如果無(wú)人系統的利用率達到預期，這一趨勢有望加速推進(jìn)。采用無(wú)線(xiàn)技術(shù)的主要優(yōu)勢是，可以同時(shí)提高效率、可再配置能力以及平臺的整體安全性。  這些特點(diǎn)推動(dòng)著(zhù)ADI公司多種產(chǎn)品線(xiàn)朝著(zhù)目標方向發(fā)展，為實(shí)現新一代系統目標提供了堅實(shí)保障。  由于能夠運用安全性更高并且支持定制波形的商用技術(shù)，因此，物聯(lián)網(wǎng)必然會(huì )在現代和未來(lái)航空航天系統及國防系統中發(fā)揮關(guān)鍵作用。