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無線連通航空航天和國防世界

發(fā)布時間:2018-01-02 來源:Duncan Bosworth 責任編輯:wenwei

【導讀】隨著國防領域信息和監(jiān)控需求的不斷增長,無線技術的普及性及其需求達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。增加數(shù)據(jù)流量、加強監(jiān)控、無線革命和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)(對于商業(yè)和工業(yè)領域二者實為同義詞),所有這些都將會對航空航天和國防市場產生同樣深遠的影響。
 
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)術電臺已能充分發(fā)揮軟件定義無線電(SDR)架構的優(yōu)勢,根據(jù)需要實時適應戰(zhàn)區(qū)內的不同通信標準和協(xié)議。
 
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跟蹤信息,將來還可能包括健康監(jiān)控等功能以及慣性導航信息等。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)。
 
無線連通航空航天和國防世界
圖1. 士兵系統(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。
 
傳感器的數(shù)量以及所產生的數(shù)據(jù)量都將要求使用無線互聯(lián)技術,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)術電臺把數(shù)據(jù)傳送回指揮中心,以便指揮機構對戰(zhàn)士進行監(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(UAV)的運用進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公司大烏鴉無人機等小型平臺系統(tǒng),應有盡有。對于這些飛行器和波形來說,無線網(wǎng)絡和衛(wèi)星通信鏈顯然是一個主要要求。業(yè)內專門為這些系統(tǒng)制定了標準,包括小型無人機系統(tǒng)數(shù)字數(shù)據(jù)鏈(SUAS DDL)波形。借助這樣的波形,不但可以實現(xiàn)對小型無人機的控制,更重要的是,還能將機載傳感器網(wǎng)絡發(fā)來的數(shù)據(jù)和視頻信息傳到控制器。利用該網(wǎng)絡可以更加靈活、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。
 
盡管國防工業(yè)在無人機系統(tǒng)領域處于領先地位,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技術,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。隨著這一市場領域的發(fā)展,分配頻譜需求將繼續(xù)水漲船高,進一步推高對高級通信收發(fā)器的需求。
 
進一步深入航空航天領域,在如今商用飛機上,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)星通信以在全球實現(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引入一系列其他應用領域。業(yè)內已開始主動評估無線傳感器的應用價值,以期提高安全性和燃油效率。通過降低飛機重量,可以提高燃油效率。為此,對傳感器技術以及傳感器之間的互聯(lián)選擇也在進行嚴格審核。在現(xiàn)代高級軍用和商用飛機中,所用線纜可能多達100000條,長度可能超過470米,重量可能高達5700公斤,這還不包括結構固定點的基礎設施和導線,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)、學術界和政府機構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部通信(WAIC)技術,其目標是在不使用電纜和線束的情況下,把多種多樣的飛機傳感器相互連接起來。
 
盡管在這種應用中,無線傳感器無疑會減輕重量,傳感器網(wǎng)絡還能帶來其他好處,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設施。對飛機上更多功能進行監(jiān)控和調整的能力有可能大幅提高效率,因為可以實時調整發(fā)動機、熱管理系統(tǒng)等組件。此外,添加設備健康監(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受益的多種系統(tǒng):
 
無線連通航空航天和國防世界
 
在上述多個例子中,為飛機系統(tǒng)監(jiān)控功能添加無線通信鏈是難上加難。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,甚至可能長達數(shù)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(tǒng)電池以外的能源。用能源采集技術作為替代電源,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。改進型無線通信收發(fā)器是該解決方案的關鍵。除此以外,我們還在能源采集和傳感器領域展開了研究,同時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(shù)據(jù)鏈,諸如AD9361一類的高度可配置收發(fā)器以及ADF7023 和ADF7024 等ISM頻段器件可為無線連接領域提供解決方案。AD9361和AD9364 均為高度可配置射頻到比特收發(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(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到比特解決方案。該器件已經(jīng)廣泛應用在軍事通信領域,因為它們能支持動態(tài)再配置。類似地,因具備強大的軟件配置能力,還可針對許多其他通信數(shù)據(jù)鏈需求(與無人機部分所述要求相似)提供單一的解決方案。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。
 
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圖2. AD9361—寬帶收發(fā)器
 
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圖3. ADF7023—ISM頻段收發(fā)器
 
ADF7023、ADF7024和ADF7242均為超低功耗集成式收發(fā)器,專門針對免許可的ISM頻段(433 MHz、868 MHz、915 MHz和2.4 GHz)而設計,具有特別的波形調制功能,頻移鍵控(FSK)或高斯頻移鍵控(GFSK),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,但也集成了類似的功能,使器件能支持射頻到比特收發(fā)器。例如,ADF7024即可滿足這一要求,封裝尺寸僅為5 mm2,接收模式下功耗低至12.8 mA;在功率水平和長壽命至關重要的應用中,可以用來收發(fā)傳感器數(shù)據(jù)。
 
進一步增強傳感器技術與無線通信節(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(tǒng)型精密放大器和轉換器實現(xiàn)溫度、電流和電壓檢測。進一步說,采用MEM型陀螺儀和加速度計的眾多導航系統(tǒng)和健康監(jiān)護系統(tǒng)具備監(jiān)控單兵運動并進行跟蹤的潛力,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技術為依托,提供了一款經(jīng)濟型的運動跟蹤解決方案,可以置入或集成到設備之中,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。
 
無線連通航空航天和國防世界
圖4. 可能的無線傳感器互聯(lián)系統(tǒng)
 
類似地,用于振動監(jiān)控應用時,ADIi和MEM器件可實現(xiàn)機器健康分析功能,盡早發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的設備故障問題。由于對安裝位置要求較嚴,此類傳感器往往難以安放,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,即可輕松解決器件安放的問題。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)絡傳回遠程監(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發(fā)數(shù)據(jù)。從整個航空航天領域和國防領域來看,無線網(wǎng)絡快速普及,數(shù)據(jù)監(jiān)控和分發(fā)需求快步增長,如果無人系統(tǒng)的利用率達到預期,這一趨勢有望加速推進。采用無線技術的主要優(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公司多種產品線朝著目標方向發(fā)展,為實現(xiàn)新一代系統(tǒng)目標提供了堅實保障。由于能夠運用安全性更高并且支持定制波形的商用技術,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)揮關鍵作用。
 
本文轉載自亞德諾半導體。
 









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