机载电子设备

机载电子设备
“航空电子技术"是一个范畴很大、边界模糊并且又正在迅速延拓的技术概念。

如今,它不仅包括传统观念上的机载无线电设备(诸如通讯、导航、雷达、遥测、遥感、电视、电子侦察与干扰等),而且还包括各类机载计算机,数据处理、显示与记录设备,并广义地涉及到某些光电设备,光纤设备,激光设备和红外线设备,甚至渗透到了飞机外形和蒙皮材料之中
(例如所谓“隐身技术”)。

从设备类型讲,品类繁多,不胜枚举。

一架飞机,机体只有一个,发动机虽然可能多达数台,但基本上属于同一类型,可以“举一反三",阐述方便。

但如今的航空电子设备,则远非如此简单。

不同的飞机(如直升机，轻型机、客机、运输机,战斗机,轰炸机,电子侦察/干扰机,空中预警与控制机、无人驾驶飞机等)上,其电子技术装备,往往是千差万别的。

最简单的轻型民用飞机上,可能只航空无线电台及其它少数几种电子技术装备,但大型的的战斗机、轰炸机、电子侦察/干扰机和预警飞机上,则可能有几十种甚至几百种无线电/电子技术设备。

以美国的重型喷气轰炸机B-1B为例,其机载电子装备,除了拥有复杂的无线电通讯设备之外,还有被划分为五个大的子系统(导航子系统,防御子系统,武器管理子系统,控制与显示子系统,计算机子系统)的24类76大件。

此外,还有十多种天线设备。

又例如:美、英联合研制的垂直/短距起落战斗机AV-8B“鹞Ⅱ型”上，装备有分成一十二个子系统的几十件航空电子设备l)两套AN/ARC-159型特高频通信系统；（2）改进的高度和方向参考系统(3)激光陀螺性导航系统i(4)AN/ARN-84型塔康导航系统；（5）数字式大气数据计算机子系统；(6)RDS-82型气象雷达子系统；(7)雷达高度表子系统；(8)前视和后视雷达警戒接受设备；(9)红外线诱饵式曳光弹和箔条投放器子系统;(10)有源电子干扰机子系统(11)AN/APX一100型敌我识别器；(l2)目标截获与跟踪子系统(具有电视和激光双功
能,通过数字计算机与“平显”系统联系)。

又例如:美国“火蜂”序列无人驾驶飞机上的机载电子设备,除了最基本的遥控接收机子系统,遥测发射机子系统,雷达信标机以及数字式自动驾驶仪子系统而外,随执行任务的不同和机型的不同,还可能装备如下各种无线电/电子技术设备:敌我识别器,有源的或无源的雷达目标增强器.目标红外影像增强器,导弹命中误差测量系统,箔条散播器,电子干扰机,电子侦察系统,电视/红外线侦察系统,雷达高度表或地形跟踪系统,激光设备等等,而且每种设
备又有许多型别。

至于预警机和空中指挥机,电子侦察机与干扰机等飞机上,航空电子技术装备的种类就
更加繁多了。

机载设备之间的关系也很复杂。

这里指的是,不仅各种无线电/电子设备子系统之间的功能与信息联系,存在互相渗透互相交叉的种种关系,而且电子技术设备相对于传统观念上的仪表、传感器设备.以及相对于自动驾驶仪系统来说,是一个界限模糊的领域,“你中有我,我中有你",有时几乎难以分剖开来,不像机身与发动机那样：“泾渭分明”。

这样就带来了许多阐述上的困难:难于分门别类地叙述;有时容易遗漏某些边界上的技术设备或技术内容。

下面对机载电子技术设备分门别类地作简要介绍。

其实,这样做是有问题的,因为随着电子技术水平和航空技术水平以及战术要求的发展,现在的机载电子设备正在走向综合化,有不少设备是“多功能的”,或“身兼数职”的,很难分清其归属。

但考虑到使读者对机载电子
设备容易理解只能分别加以阐述。

航空通讯设备
任何一架飞机,在空中飞行时,都必须进行“空对空”和“空对地”通讯,因此,任何一类飞机部必须装有航空无线电通讯设备,只是设备类型和水平各有不同而己。

在大型的军用飞机和客机上,往往还装备育“机内有线通讯系统”。

航空无线电通讯设备又大体可分为民航通讯设备和军航通讯设备两大类。

一、民航通讯设备
按照“国际民航组织(ICAO)”的统一规定,民用飞机的通讯,主要使用甚高频(VHF)波段的调幅制(AM)电台。

其无线电频率限制在l18.000至135.975兆赫(MHz)范围内,每隔25千赫(KHz)为→个频道,共设置720个频道,供不同情况下选用。

机场上空的进场和离管制、地面调度管理和空中交通管制所使用的频道,也包括在1
18~135.975MHz这个范围内。

此外,飞机对机场塔台的联络,对空中其他飞机的联络以及为飞机提供服务信息(例如气象信息、商业信息等)所使用的频道,也在上述范围中。

至于,空中和海上遇难时的求援频道,则全世界统一规定为121.500MHz。

通讯信号是调幅制的。

通讯方式采用半双工制,即通话双方均使用同一频率,发话完毕之后,立即停止发射,等待接收对方的信号。

此外,还可利用此频段进行电报和电传打字通讯。

为了要与远距离的空中交通管制点通讯,或者是为了同远距离的业务点联系,有些民用飞机上还加装了短波(HF)电台(频率范围在2~30MHz范围内或更低)。

因为前述甚高频范围内(118~135MHz)的无线电波,只能在直视距离上通讯,所以,当距离超出地平线的范围后,必须使用利用电离层反射的短波无线电信号。

这类短波(HF)电台,信号体制是单边带的(SSB)或独立边带的(ISB)。

这是为了最大限度地节约频带,多安排频道。

二、军航通讯设备
按照设在瑞士的“国际无线电频率管理委员会”的规定,军航通讯设备的无线电频率,主要安排在甚高频(UHF)波段的225~400MHz（兆赫）之内。

级道间隔为25MHz(千赫)，,共7,000个频道。

我国的军事航空通讯电台,以前承袭苏联的老式设备,其工作频带在民航通讯范围的附近,受民航业务和电视业务的干扰甚大；如今,正逐步向国际通用标准转化和更新。

军航通讯电台的工作模式是双工的,那双方可同时收/发。

三、通讯设备与其他设备的组合
由于机裁无线电/电子技术设备的增多,为了节约频带和频道、节约机载设备的种类和体积、重量以及耗电量,以及便于用机载数字式电子计算机来统管理,因此,现代的航空电子设备出现了组合化的大趋势。

其中,最典型的是通讯、导航和敌我识别设备的组合系统,英文的缩写叫CNI系统。

CNI是英文名词Communication(通讯)、Navigation(导航)和
Identification(识别)的词头字母的组合。

,
这些设备由可编程序的使用专用控制软件的信息系统控制单元来控制;这些设备的信息,由任务计算机来统一管理,并由CRT显示器来统一显示。

类似的CNI组合系统,我国也已基本
研制成功,不久将可装备部队。

目前,这类组合系统还在不断向更高的水平发展。

例如.美国正在研制并可能于八十年代中期投入使用的JTIDS系统,其全称为“联合战术信息分配系统”它是为了实现用计算机对大量机载设备的智能管理和更高的自动化程序而发展的是一种技术水平更高的CNI系统。

该系统具有反电子对抗手段,使用直接序列扩频和跳频法扩频等双重扩频手段,具有保
密性好和抗干扰能力强等优点。

系统中采用无节点网络,战斗中的生存能力强。

在超视距(超地平线)情况下,可使用空中
“中继站(飞机或通讯卫星)”来实现通讯。

此外,目前美国海军正在研究一种代号叫(TIES)的战术信息交换系统。

它是一种飞机通讯、指挥、控制、导航和敌我识别综合化系统。

它统一处理所有HF、VHF、UHF和Lx波段的CNI设备,并与通讯卫星/全球定位系统组合。

这里不详加介绍了。

机载雷达设备
机载雷达设备,比起机载通讯设备来说,更加五花八门,品类繁多。

按系统完整性来区分,大体上可分为完整的雷达系统以及同地面雷达协作的雷达设备两大类。

今择其要者,简单介绍如下:
一、机载警戒雷达
机载警戒雷达的典型代表。

是美国E2/C型预警机上的全向/远程搜索和探测雷达,其天线像朵大蘑菇那样装在预警机背上，直径达7米以上，这是大型的机载警戒霄达。

中小型的机载警戒雷达的代表是B-1B型轰炸机上安装的ALQ-153型尾警雷达,它被安装在飞机尾部,用来搜索和探测来自尾向的敌方飞机和导弹兼有控制尾部防御火力的功能。

此外,还有一类与警戒雷达的技术范畴有一定的相关性的雷达技术装备,叫做“雷达告警装置”，它们是某些类型的雷达讯号接收/分析设备,专门用来分析向飞机照射的敌方地面雷达、空中机载雷达或导弹上的雷达所发出的无线电信号的；一旦发现有这样的信号,立即将其方位、距离在显示器上显示出来并用音响和灯光信号通知飞机乘员:“我机被敌方雷达截获了,有遭受攻击的危险!"从而采取有关的对抗措施例如电子干扰信号,投放箔条或雷达诱饵,发射反击火力或者采取机动飞行闪避动作......等等。

这样的雷达装置,一般安装在先进的战斗机、轰炸机和侦察/干扰机上,往往成为机载电子对抗子系统的一个组成部分。

二、火控/制导雷达设备
这类雷达设备,类型是比较多的。

常常被安装在战斗机、强击机和轰炸机等飞机的前方或前下方,进行前视或前视/下视照射，具有很高的测距和测角精度,专门用来探测敌方的空中目标和地面目标,并且控制飞机的火力系统(机炮,火箭与炸弹)和对导弹实施制导。

因此这类雷达设备又常被称为“机载攻击雷达”。

这类雷达系统的重要技术指标是精度、截获距离和反应速度。

在这三项指标方面,我国自己研制的类似设备与世界先进水平相比,还有很大的
差距,必须急起直追。

这类雷达设备往往除火控外,还兼有地形跟踪功能。

例如B-1B上装的新型双通道攻击雷达系统,就同时具备火控与地形跟踪功能。

工作在X波段,作用距离为10~120公里可以代替B-1A型飞机上的APQ-146型地形跟踪雷达和APQ-144型目标探测与火控雷达。

两个通道采
用一具有公共的电子扫瞄相控阵前/下视天线。

相控阵天线可以用自动/手动两种模式工作,使管理“攻击电子系统”的空勤人员得到任务所要求的导航、地图测绘和瞄准目标等信息。

该相控阵天线,安装在B-1B型飞机机头的雷达罩内,前倾角45°,不仅是为了提供前视和下视照射,而且是考虑了“隐身慨念”的,因为这样一来,比老式的安装天线方式,可以减少飞机的雷达截面积,从而降低被敌方探测的可能性。

以上是先进的具有攻击与地形跟踪双重功能的雷达的例子。

在一般的战斗机上攻击雷达并没有这样复杂,它们多半是安装在战斗机部的采用小型抛物面天线(口径0.5~0.7米不等),进行圆锥扫瞄的火控与制导雷达。

其截获距离一般是20~50公里,也有更大或更小者。

国产的火控与制导雷达的技术指标,与国际先进水平的差距较大,有待提高。

顺便说明,有时攻击雷达(即火控制导雷达)往往同光学、激光、红外线或电视瞄准设备,
组合成复合的机载瞄准/攻击系统。

三、机载气象雷达
也许有的读者会问:“怎么飞机上装起气象雷达来了?它们是干什么用的?”
是的,在国外先进的大型旅客机、运输机、轰炸机、战斗/轰炸机，预警机和侦察/干扰飞机上,确实装有气象雷达。

例如,美国的RDS-82型机载气象雷达,就是这类设备的典型代表之一。

它能探测并用彩色屏幕显示暴雨、大雪、飓风区域,以及隐藏在近地大气层中的风切
变与大气涡流,以保证飞机的飞行安全。

我国的军用飞机和民用飞机,也是必须装备机载气象雷达的。

四、机载多普勒导航雷达
例如,美国的“火蜂I”,型无人驾驶侦察机上,就装备有连续波的多普勒导航雷达。

它有一左一右两个前下视的照射波束,可以感知相对于地面的真实水平速度,通过积分计算电路便得出航线的里程。

与程序电路配合起来,便可以引导无人机按预定的航线飞行和转弯。

五、盲目着陆雷达
在“全天候”军用飞机以及大型旅客机上,一般都装有盲目着陆雷达,其功能是保证在夜间,以及大雨、大雪或浓雾等恶劣条件下,进行盲目着陆,保障飞机安全。

对于民航机来说,有时候这类雷达又兼有空中交通管制功能。

对于军用机来说,有些飞机的盲目着陆功能,是由火控/攻击雷达来兼任的。

六、机载雷达高度表
机载雷达高度表,实际上是一部小型化的测高雷达,有脉冲式和连续调频式等类型。

其功能是保障飞机安全可靠地进行超低空飞行,对军用机来说是保证超低空突防。

这种雷达设备,有时候结合在超低空地形跟踪系统中当“拐杖”,有时是单独工作,有时
又被结合在盲目着陆系统中。

以上所述,是能够独立工作机载雷达设备。

下面,将粗略地介绍几类同地面或空中雷达配
合起来协同工作的雷达设备。

七、信标机、应答机与敌我识别器
信标机(Beam)和应答机〈Transponder〉的区别在于:前者是不间断地主动发射信号的,而后者,则必须在接到询问信号后才转发回答信号。

如果在应答机的询问信号和回答信号中加入密码,则这类应答机便成为敌我识别器了。

有时,一般应答机的询问与回答信号也加入简
单的密码。

适合于做敌我识别的密码，一般采用脉冲位置编码（PPCM），或者采用特定的伪随机序列（PN序列）来做询问/回答密码。

在装备了遥控、遥测和定位“三合一”系统的无人驾驶飞机上，应答机或敌我识别的功能，便由遥测发射机和遥控接收机来兼任；此时，利用遥测发射机和遥控接收机中的桢同步码，来做询问/回答密码。

敌我识别器通常用于两种情况l)在空对空和地对空作战时,区分敌机和我机。

(2)在特殊任务中,区分特定目标。

例如,在导弹靶试任务中,往往在靶机上装备敌我识别器,以便将它同在空中执行监控任务的其他飞机区分开来避免打错了目标。

信标机和应答机的作用主要是为己方雷达提供一个能量稳定的“点”辐射源一一其效果相当于加大飞机的雷达回波并消除飞机回波的“等效反射中心”的空间闪烁。

由于飞机外形是一个复杂几何体,它们对雷达照射的反射(或后向散射)能力,是各向异性的；并且,随方位和姿态的不同而剧烈地起伏。

因而,由飞机表面反射(或后向散射)的回波能量是随时间剧烈地起伏的并且其合成后的“视在反射中心”是有一定飘摆的。

加装信标机或应答机后,由于信标机发射的或应答机回答的信号,其能量是稳定的,而且是由天线集中发出的,可以较好地近似为一个“点”源,所以,不仅可以加大雷达回波中的稳定部份的能量,而且可以较好的消除反射中心的空间飘摆。

这样便可提高雷达的测量精度、跟踪可靠度和作
用距离。

八、雷达回波增强器
雷达回波增强器一般分为有源和无源两大类。

无源式回波增强器是器件本身不需供给电源,它们只有当被雷达波照射后,才反射回波,所以,又常被称为被动式回波增强器。

诸如各种类型的角反射器、介质透镜球(所谓“龙伯透镜”就是典型的无源回波增强器。

它们的作用,是能把雷达的照射波聚集在一定的空间角范围内,朝向雷达照射波的入射方向反射回去。

因而,比起飞机外形这种复杂几何体的乱反射所形成的后向散射波能量要大得多所以能起回波增强作用。

此外,某些小型靶机和诱饵飞机,其机身和机翼蒙皮上所粘贴或喷涂的无源天线阵列,在给定的波段范围内.有增大雷达回波的后向散射作用因而也可以看成是无源式回波增强器的
一种类型。

经过特殊加工的轻薄金属街条或者镀上和涂上了金属薄层的塑料箔条,大量投放后在空中飞散开来,也能造成增强雷达回波,一般是在电子战中作为干扰手段使用的。

有源雷达回波增强器就其技术本质来说实质上是一类宽频带的应答转发器。

它们包含了一部简单的雷达接收机和一部简单雷达讯号发射机和一具发射天线。

因为它们必须消耗电源并且能主动发射回波能量,所以被叫做有源的“雷达回波增强器”。

工作时,它的接收机收到雷达的照射电波后,立即检测出它的射频与脉冲参数,然后进行放大,再由发射机发出去以增强雷达回波能量。

这类回波增强器的作用空间方位,取决于它们的天线的类型。

如果是全方向性天线则它对各个空间方位上入射的雷达波均可接收和转发,即对每个方向都可增强。

但一般视需要情况而定常常设计得只能在一定空间角范围内起增强作用。

例如,在“火蜂”型靶机和“长空”,型靶机上,安装在尾部的有源雷达回波增强器的天线方向图形,其有效范围,大体为对称于机身轴线(尾向)的±45º或60±º。

这样做,是为了
与雷达头导引的导弹的有效攻击区相适应。

以上两类雷达回波增强器,一般用在几种情况下1)安装在无人驾驶的靶机或拖靶机上,以模拟敌方飞机的回波特征,(因为,一般情况下,靶机、靶弹和拖靶的外廓尺寸,远小于真实的敌机和敌弹的外廓尺寸?因而其等效的雷达反射面积和回波能量也就小于敌机和敌弹,所以必须采用有源或无源的雷达回波增强器来加强靶机、靶弹和拖靶的等效的雷达反射面积。

)用来在打靶试验时,考验我方导弹和雷达的跟踪和捕获能力。

(2)作战时,用来安装在我方的电子干扰机和诱饵飞机上,模拟我方飞机,以便干扰、引诱和消耗敌人的导弹和雷达系统,在战术上造成“虚虚实实”的效果。

(3)有源和无源的回波增强器,还常常用来安装在地面的
靶车和水上的靶艇上,用来试验武器系统的能力(4)有时还装在有人驾驶飞机上，用来校测我
方雷达系统的各项战术技术指标。

九、雷达目标特性与飞机的“隐身术”
“雷达目标特性”,就是研究雷达的回波同目标的几何形状、几何尺寸、材料性质和物理状态之间的关系的一门科学,它在军事和民用方面的价值都很大。

1.“等效雷达反射面积”
它又简称“雷达载面积”,英文缩写为RCS或记之为；单位是平方米。

它的测定不是以一个平方米的金属镜面平板来对比的,而是以一个截面积为一平方米的标准金属圆球作计量基准来对比的。

它同目标的形状、大小和表面材料状态有关。

对于像飞机这样的复杂几何物体来说,其各个空间方位上的回波能力,亦即雷达等效反射面积(或RCS)的大小是差别很大的。

因此,一般是以该飞机的最弱反射能力区域中某一角度范围(例如3球面度,5球面度)内的平均值来表示某飞机的“雷达等效反射面积”或“雷达截面积”的。

因为这个最小值,决定了雷达对它的跟踪捕获能力的下限。

2.回波强度的起伏与闪烁特性
这个特性,又分为静态特性与动态特性两个方面。

“静态起伏特性",是静态测试情况下,用目标的等效反射面积随角度而变化的方向性图形来表示的。

较复杂一点的静态起伏特性,除了给出上述方向性图形(此时,将目标的回波全部归化成一个“点辐射源”来处理)之外,还要给出各个主要方向上的反射“辉点”的情况(将目标按“体目标”作为“面辐射源”来
处理。

“动态闪烁特性”是指目标在运动情况下,其回波能量(或等效反射面积),随方位和时间的起伏函数,以及复杂目标的等效反射中心的空间几何坐标与角度和时间的关系函数,同时还要表明各反射辉点的相消相长同时间的关系。

3.“隐身技术”
雷达的跟踪和截获能力,主要与目标的最小雷达反射面积有关。

因此,如果减小目标的最小等效反射面积,就可以减少我方的飞机或其他目标被敌方雷达的发现概率和截获距离,这是具有重大战术价值的措施。

飞机对雷达的“隐身术"就是建立在降低等效反射面积基础上
的。

降低雷达等效反射面积的主要措施有1)控制飞机(或其他目标)的外形结构,减小棱角和互成直角的结合部;改变发动机进气道和尾喷管的形状......等等。

例如,美制B-1B型轰炸机,其外廓尺寸同B-52型轰炸机差不多大,但在采取了一系列上述措施之后,其最小雷达等效反射面积,降低到了B-52型的1/12。

(2)改变飞机表面材料的物理特性。

具体的办法是:尽可能多采用非金属复合材料特别是能吸收电磁波的复合材料。

在金属表团涂附或蒙上
吸收电磁波的材料等等。

飞机的全面的“隐身技术",还包括机身外表的反光学涂料,降低发动机噪音,减小发动机的红外线辐射当量.等措施。

这里就不多谈了。

4.目标识别能力
有经验的雷达操纵员能够凭肉眼观察荧光屏上的回波的大小、起伏特性和回波光点附近的干涉条纹,区别空中目标是那一种型号的敌机和我机。

这是建立在经验基础上的人工识别
能力。

随着电子技术的发展,可以采取多种办法,对雷达回波的辐度动态特性和相位动态特性进行分析,将它们同己知的情报数据在计算机中进行对比便可以自动检测并大略显示出空中目标的类型及其外观轮廓。

关于这个课题,已经发展出许多种识别模式和检测理论。

5.目标特性与诱饵机
捕获与反捕获,识别与反识别,是一对矛盾。

为了干扰敌方雷达系统的视听,常常利用雷达目标特性的研究成果来制造诱饵机。

也就是利用某些类型的有源和无源的雷达回波增强器,将它们安装在某些廉价的无人飞机上,使之在雷达影像上模拟我方的某些类型的飞机或机群。

故意“示形于敌",引诱敌方的雷达和导弹系统上当这就是“诱饵机”技术。

在大范畴上讲,这也属于机载电子技术。

机载电子对抗设备
许多军用飞机上,都装备有电子对抗设备。

这类设备,大体上可区分为自卫性电子对抗设
备和进攻性电子对抗设备。

普通战斗机和轰炸机上。

装备的电子对抗设备多半是防御性的而且主要是针对敌人的雷
达系统和那些由“雷达头"导引的导弹的。

前面介绍过的“雷达告警设备"、“假目标诱饵技术"、“雷达烟幕技术"等等,大体都属
于防御性电子对抗手段。