無線連通航空航天和國防世界

隨著國防領(lǐng)域信息和監(jiān)控需求的不斷增長，無線技術(shù)的普及性及其需求達(dá)到了前所未有的高度。  在整個航空航天和國防工業(yè)，無線系統(tǒng)已部署于廣泛的應(yīng)用之中，為單兵系統(tǒng)、無人系統(tǒng)控制、系統(tǒng)級健康、生命體征監(jiān)控等眾多應(yīng)用提供支撐。

國防界曾廣泛討論過增加通向戰(zhàn)士的數(shù)據(jù)流量的必要性問題。 然而，無線通信已開始從根本上改變新一代系統(tǒng)的發(fā)展動向。  就如商業(yè)界和工業(yè)界一樣，增加數(shù)據(jù)流量，加強(qiáng)監(jiān)控，無線革命和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)(二者實為同義詞)，所有這些都將會對航空航天和國防市場產(chǎn)生同樣深遠(yuǎn)的影響。

圖1： 單兵系統(tǒng)

過去10年，隨著新波形、寬帶寬信號的出現(xiàn)，軍事通信系統(tǒng)多次升級，為增加通向戰(zhàn)士的數(shù)據(jù)流量創(chuàng)造了條件。  目前，采用AD9361一類收發(fā)器的戰(zhàn)術(shù)電臺已能充分發(fā)揮軟件定義無線電(SDR)架構(gòu)的優(yōu)勢，實時適應(yīng)不同的通信標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，從而根據(jù)需要在戰(zhàn)區(qū)內(nèi)的不同系統(tǒng)之間實現(xiàn)通信。

帶寬更寬的數(shù)據(jù)鏈路不但可以實現(xiàn)向戰(zhàn)士傳輸數(shù)據(jù)，還可實現(xiàn)從戰(zhàn)士接收數(shù)據(jù)。  這類數(shù)據(jù)可能包括實時視頻影像和資產(chǎn)跟蹤信息，將來還可能包括健康監(jiān)控等功能以及慣性導(dǎo)航信息等。 圖1所示為現(xiàn)代及新一代戰(zhàn)士可能使用的多種系統(tǒng)。  隨著傳感器集成度的提高，隨著尺寸、重量和功耗(SWaP)的下降，將會有更多的傳感器集成到單兵系統(tǒng)中，以實現(xiàn)這些功能及類似功能。

電位傳感器的數(shù)量以及所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量都將要求使用無線互聯(lián)技術(shù)，要求先用短程數(shù)據(jù)鏈把數(shù)據(jù)聚合起來，然后再由戰(zhàn)術(shù)電臺把數(shù)據(jù)傳送回指揮中心，以便指揮機(jī)構(gòu)對戰(zhàn)士進(jìn)行監(jiān)控并為其提供更好的支持。

無人駕駛飛行器，尤其是無人機(jī)(UAV)的運用進(jìn)一步推高了對無線數(shù)據(jù)的需求，同時也對頻譜的利用起著推動作用。  在國防領(lǐng)域，目前有大量的各類飛行器在役，從Northrop  Grumman公司全球鷹等大型平臺到Aerovironment公司大烏鴉無人機(jī)等小型平臺系統(tǒng)，應(yīng)有盡有。  對于這些飛行器來說，無線網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信鏈顯然是一個主要要求，業(yè)內(nèi)專門為這些系統(tǒng)制定了波形和標(biāo)準(zhǔn)，包括小型無人機(jī)系統(tǒng)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)鏈(SUAS DDL)波形。  借助這樣的波形，不但可以實現(xiàn)對小型無人機(jī)的控制，更重要的是，還能將機(jī)載傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的數(shù)據(jù)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(xiàn)場情報。  然而，這些平臺功率有限，并且在可用帶寬有限且要求多個系統(tǒng)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

盡管國防工業(yè)在無人機(jī)系統(tǒng)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，但大量報道顯示，許多商業(yè)系統(tǒng)和運營商計劃將來采用無人機(jī)技術(shù)，據(jù)報道，亞馬遜、谷歌等公司正在開發(fā)這些系統(tǒng)。  諸如此類的商業(yè)活動同樣要求無線和安全數(shù)據(jù)鏈。 隨著這一市場領(lǐng)域的發(fā)展，分配頻譜需求將繼續(xù)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(jī)上，無線寬帶通信系統(tǒng)大行其道，如此一來，乘客就可在飛行途中通過WiFi訪問互聯(lián)網(wǎng)。  目前，對這些服務(wù)的需求及其延伸必將延續(xù)下去，大量利用衛(wèi)星通信以在全球?qū)崿F(xiàn)寬帶連接。  除這些發(fā)展動向以外，航空航天市場已開始主動尋求將無線技術(shù)引入一系列其他應(yīng)用領(lǐng)域。 業(yè)內(nèi)已開始主動評估無線傳感器的應(yīng)用價值，以期提高安全性和燃油效率。  通過降低飛機(jī)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(yán)格審核。  在現(xiàn)代高級軍用和商用飛機(jī)中，所用線纜可能多達(dá)100,000條，長度可能超過470米，重量可能高達(dá)of  5,700公斤，這還不包括結(jié)構(gòu)固定點的基礎(chǔ)設(shè)施和導(dǎo)線，這些可能再增加30%。  雖然用無線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(jī)構(gòu)成立的合作組織航空航天飛行器系統(tǒng)研究所(AVSI)已著手對這種可能性展開研究。  AVSI成立了一個工作組，專門研究無線航天電子內(nèi)部通信(WAIC)技術(shù)，其目標(biāo)是在不使用電纜和線束的情況下，把多種多樣的飛機(jī)傳感器相互連接起來。

圖3： 可能的無線傳感器互聯(lián)系統(tǒng)

盡管在這種應(yīng)用中，無線傳感器無疑會減輕重量，傳感器網(wǎng)絡(luò)還能帶來其他好處，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，無線傳感器還能快速添加和升級傳感器，無需增加布線和基礎(chǔ)設(shè)施。  對飛機(jī)上更多功能進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)整的能力有可能大幅提高效率，因為可以實時調(diào)整發(fā)動機(jī)、熱管理系統(tǒng)等組件。  此外，添加設(shè)備健康監(jiān)控和額外的安全監(jiān)控功能以后，可以更加密切地監(jiān)控維修和保養(yǎng)需求，從而及早發(fā)現(xiàn)問題，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(tǒng)：

● 煙霧檢測

● 油箱/燃料管線

● 近程檢測

● 溫度

● EMI事故探測

● 濕度/腐蝕檢測

● 機(jī)艙壓力

● 緊急照明

● 結(jié)冰探測

● 起落裝置(位置反饋、制動器溫度、胎壓、輪轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向反饋)

● 飛行控制位置反饋

● 艙門傳感器

● 發(fā)動機(jī)傳感器

● FADEC-飛機(jī)接口

● 飛行數(shù)據(jù)

● 發(fā)動機(jī)預(yù)測

● 飛行甲板和機(jī)艙乘員圖像/視頻(安全相關(guān))

● 航空電子通信總線

● 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控/結(jié)構(gòu)傳感器

● 主動振動控制

在上述多個例子中，為飛機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控功能添加無線通信鏈?zhǔn)请y上加難。 為了切實有效，許多系統(tǒng)需要用電池供電，并且需要超長時間工作，甚至可能長達(dá)數(shù)年不更換。  要在功率有限的環(huán)境中達(dá)到所需傳感器量，就要采用傳統(tǒng)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(tǒng)到航空航天應(yīng)用，上述所有例子都展現(xiàn)出對無線通信和傳感器與日俱增的依賴，一些需要解決的新問題也隨之而來。  ADI公司正在努力為這些種類繁多的問題提供一個綜合性解決方案。  改進(jìn)型無線通信收發(fā)器是該解決方案的一個組成部分，但除此以外，我們還在能源采集和傳感器領(lǐng)域展開了研究，同時致力于提高全部三種設(shè)備之間的互操作性。

為了支持通信數(shù)據(jù)鏈，諸如AD9361一類的高度可配置收發(fā)器以及ADF7023、ADF7024等ISM頻段器件可為無線連接領(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(gòu)，搭載有低噪聲放大器、混頻級、高速轉(zhuǎn)換器和數(shù)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真正的射頻至位解決方案。  該器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用在軍事通信領(lǐng)域，因為它們能支持動態(tài)再配置;類似地，因具備強(qiáng)大的軟件配置能力，它們還為許多其他通信數(shù)據(jù)鏈需求(與無人機(jī)部分所述要求相似)提供了一個統(tǒng)一的解決方案。  高度的可配置能力可實現(xiàn)真正意義上的軟件定義無線電(SDR)，為將開發(fā)的一款硬件應(yīng)用于多個系統(tǒng)創(chuàng)造了條件，尤其值得一指的是，其典型功耗不到1 W。

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

進(jìn)一步增強(qiáng)傳感器技術(shù)與無線通信節(jié)點之間的融合，其必要性顯而易見，推動半導(dǎo)體工業(yè)走向兩大要素的整合，促使半導(dǎo)體工業(yè)提升密切整合這兩個要素的能力。  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(qiáng)的傳統(tǒng)型精密放大器和轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)溫度、電流和電壓檢測。  進(jìn)一步說，采用MEM型陀螺儀和加速度計的眾多導(dǎo)航系統(tǒng)和健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)具備監(jiān)控單兵運動并進(jìn)行跟蹤的潛力，也可用來監(jiān)控系統(tǒng)振動，并在檢測到意外運動時確定系統(tǒng)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(tǒng)，其中包括一個三軸陀螺儀、一個三軸加速度計和一個三軸磁力計，可以當(dāng)作組件用在人員跟蹤系統(tǒng)或振動監(jiān)控系統(tǒng)中。  該系統(tǒng)以MEM技術(shù)為依托，提供了一款經(jīng)濟(jì)型的運動跟蹤解決方案，可以置入或集成到設(shè)備之中，并通過無線通信系統(tǒng)接入單兵電臺，然后將數(shù)據(jù)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GPS信號的環(huán)境中，有助于增加搜索和救援行動的便利性。

類似地，用于振動監(jiān)控應(yīng)用時，ADI iSensor和MEM器件可實現(xiàn)機(jī)器健康分析功能，盡早發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的設(shè)備故障問題。  由于對安裝位置要求較嚴(yán)，此類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(jié)合起來，即可實現(xiàn)輕松確定器件的位置，并且不會出現(xiàn)這些問題。在這種方案下，數(shù)據(jù)被傳輸?shù)街醒氡O(jiān)控裝置，也可能通過蜂窩或衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)傳回遠(yuǎn)程監(jiān)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(tǒng)，但所有這些系統(tǒng)都依靠安全射頻通信來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。從整個航空航天領(lǐng)域和國防領(lǐng)域來看，無線網(wǎng)絡(luò)快速普及，數(shù)據(jù)監(jiān)控和分發(fā)需求快步增長，如果無人系統(tǒng)的利用率達(dá)到預(yù)期，這一趨勢有望加速推進(jìn)。采用無線技術(shù)的主要優(yōu)勢是，可以同時提高效率、可再配置能力以及平臺的整體安全性。  這些特點推動著ADI公司多種產(chǎn)品線朝著目標(biāo)方向發(fā)展，為實現(xiàn)新一代系統(tǒng)目標(biāo)提供了堅實保障。  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)必然會在現(xiàn)代和未來航空航天系統(tǒng)及國防系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。