無線連接航空航天和國(guó)防世界

隨著國(guó)防領(lǐng)域?qū)Ω?a target="_blank">信息和監(jiān)控的推動(dòng)，無線技術(shù)的可用性和需求從未如此之大。無線系統(tǒng)正在航空航天和國(guó)防工業(yè)的廣泛應(yīng)用中部署，以支持從士兵系統(tǒng)、無人系統(tǒng)控制、系統(tǒng)級(jí)健康和生命體征監(jiān)測(cè)等應(yīng)用。

在國(guó)防領(lǐng)域，增加對(duì)作戰(zhàn)人員的數(shù)據(jù)流的需求已被廣泛討論。然而，無線通信正在更普遍地改變下一代系統(tǒng)和發(fā)展的動(dòng)態(tài)。增加數(shù)據(jù)流和監(jiān)控以及無線革命和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)是商業(yè)和工業(yè)世界的代名詞，將對(duì)航空航天和國(guó)防市場(chǎng)產(chǎn)生同樣的影響。

在過去十年中，軍事通信系統(tǒng)一直在升級(jí)新的波形和寬帶寬信號(hào)，從而增加了流向作戰(zhàn)人員的數(shù)據(jù)流。使用收發(fā)器的戰(zhàn)術(shù)無線電（如AD9361）現(xiàn)在能夠充分利用軟件定義無線電（SDR）架構(gòu)，根據(jù)需要在戰(zhàn)區(qū)的不同通信標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議之間實(shí)時(shí)調(diào)整。

更寬帶寬的數(shù)據(jù)鏈路不僅使數(shù)據(jù)流向作戰(zhàn)人員，而且還允許數(shù)據(jù)從作戰(zhàn)人員流出。此類數(shù)據(jù)可能包括實(shí)時(shí)視頻饋送和資產(chǎn)跟蹤信息，但將來還將包括健康監(jiān)控和慣性導(dǎo)航信息等功能。圖1顯示了現(xiàn)代和下一代作戰(zhàn)人員可能使用的一些系統(tǒng)。隨著傳感器集成度的提高和尺寸、重量和功率（SWaP）的減小，更多的傳感器將能夠集成到士兵系統(tǒng)中以實(shí)現(xiàn)這些和類似的功能。

圖1.士兵系統(tǒng)。

潛在傳感器的數(shù)量和生成的數(shù)據(jù)量將要求使用無線互連，需要短程數(shù)據(jù)鏈路來匯總數(shù)據(jù)，然后再由戰(zhàn)術(shù)無線電中繼回指揮中心;使作戰(zhàn)人員能夠受到指揮結(jié)構(gòu)的監(jiān)控和更好的支持。

無人駕駛車輛，特別是機(jī)載車輛（UAV）的使用進(jìn)一步推動(dòng)了對(duì)無線數(shù)據(jù)的需求并推動(dòng)了頻譜的使用。在國(guó)防領(lǐng)域，從諾斯羅普·格魯曼公司全球鷹等大型平臺(tái)到許多平臺(tái)系統(tǒng)（如AeroVironment Raven無人機(jī)）的各種車輛現(xiàn)在都在服役。無線網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信鏈路顯然是這些車輛和波形的主要要求。已經(jīng)專門為此類系統(tǒng)制定了標(biāo)準(zhǔn)，包括小型無人機(jī)載系統(tǒng)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)鏈路（SUAS DDL）波形。像這樣的波形不僅可以控制小型無人機(jī)，更重要的是，可以將來自飛機(jī)上傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)和視頻饋送傳輸?shù)?a target="_blank">控制器。這些網(wǎng)絡(luò)使實(shí)地情報(bào)收集更加靈活和有效。然而，這些平臺(tái)的電源可用性有限，并且由于帶寬可用性有限，許多系統(tǒng)要求在相同頻段下運(yùn)行，它們推動(dòng)了通信鏈路中使用的收發(fā)器的需求。

盡管國(guó)防工業(yè)一直處于領(lǐng)先地位，但在無人機(jī)系統(tǒng)方面，據(jù)廣泛報(bào)道，許多商業(yè)系統(tǒng)和運(yùn)營(yíng)商都希望在未來采用無人機(jī)技術(shù)，據(jù)報(bào)道，亞馬遜和谷歌等公司都在開發(fā)系統(tǒng)。諸如此類的商業(yè)活動(dòng)也需要無線和安全的數(shù)據(jù)鏈路。隨著這一細(xì)分市場(chǎng)的擴(kuò)大，對(duì)分配頻譜的需求將繼續(xù)受到挑戰(zhàn)，進(jìn)一步推動(dòng)對(duì)先進(jìn)通信收發(fā)器的需求。

進(jìn)一步探索航空航天領(lǐng)域，無線寬帶通信的使用現(xiàn)在在商用飛機(jī)上很普遍，使乘客能夠在飛行中使用Wi-Fi訪問互聯(lián)網(wǎng)?，F(xiàn)在，隨著衛(wèi)星通信的大量利用，這些服務(wù)的需求和擴(kuò)展將繼續(xù)下去，以實(shí)現(xiàn)全球?qū)拵нB接。除了這些發(fā)展之外，航空航天市場(chǎng)還在積極尋找無線技術(shù)的一系列其他應(yīng)用。正在積極審查無線傳感器的使用，以提高安全性和燃油效率。通過減輕飛機(jī)的重量，可以提高燃油效率。除此之外，終端傳感器技術(shù)和傳感器之間的互連選項(xiàng)也受到嚴(yán)格審查。在現(xiàn)代先進(jìn)的軍用和商用飛機(jī)中，可能會(huì)使用超過100，000根電線，長(zhǎng)度超過470米，重量為5，700公斤，這還不包括基礎(chǔ)設(shè)施和用于結(jié)構(gòu)固定的線束，這些固定物加起來可能再增加30%。盡管所有這些都不太可能被無線傳感器取代，但由公司、學(xué)術(shù)界和政府機(jī)構(gòu)組成的航空航天器系統(tǒng)研究所（AVSI）正在研究這一潛力。AVSI成立了一個(gè)任務(wù)組來研究無線航空電子內(nèi)部通信（WAIC），目標(biāo)是在不使用電纜和線束的情況下將各種飛機(jī)傳感器互連在一起。

雖然這種應(yīng)用中的無線傳感器無疑會(huì)減輕重量，但傳感器網(wǎng)絡(luò)也可能以可重新配置和潛在安全性的形式帶來好處;但更重要的是，它們提供了快速添加和升級(jí)其他傳感器的能力，而無需額外的布線和基礎(chǔ)設(shè)施。監(jiān)控和調(diào)整飛機(jī)上更多功能的能力，通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和熱管理系統(tǒng)等項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，提供了提高效率的潛力。此外，還可以通過設(shè)備健康監(jiān)控和額外的安全監(jiān)控來更密切地監(jiān)控維護(hù)和服務(wù)需求，從而更早地發(fā)現(xiàn)問題，并更有效地安排維護(hù)。WAIC工作組已經(jīng)確定了一系列可能受益于這項(xiàng)技術(shù)的系統(tǒng)：

在前面的許多示例中，為飛機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控添加無線通信鏈路的挑戰(zhàn)進(jìn)一步復(fù)雜化。為了有效，許多系統(tǒng)將需要電池供電，并且需要運(yùn)行相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，甚至可能數(shù)年，而無需更換。為了在功率有限的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)所需的傳感器數(shù)量，它將需要傳統(tǒng)電池以外的能源。利用能量收集作為替代電源將更好地提高傳感器的靈活性，并改善SWaP。

從士兵系統(tǒng)到航空航天，前面的所有示例都說明了對(duì)無線通信和傳感器的日益依賴，隨之而來的是需要解決的新挑戰(zhàn)。ADI公司正在努力為這些不同的問題提供全面的解決方案。改進(jìn)的無線通信收發(fā)器是解決方案的關(guān)鍵。此外，在能量收集和傳感器領(lǐng)域以及提高所有三個(gè)設(shè)備之間的互操作性方面正在進(jìn)行研究。

為了支持通信數(shù)據(jù)鏈路，高度可配置的收發(fā)器器件（如AD9361和ISM頻段器件ADF7023和ADF7024）為無線連接空間提供了解決方案。AD9361和AD9364均為高度可配置的RF至位收發(fā)器，能夠支持200 kHz至56 MHz的通信鏈路，RF頻率范圍為70 MHz至6 GHz。 采用直接變頻架構(gòu)，具有低噪聲放大器、混頻級(jí)、高速轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號(hào)處理，包括先進(jìn)的正交糾錯(cuò)算法， 全部在 10 mm 以內(nèi)2封裝時(shí)，該器件為寬帶通信鏈路提供了真正的RF到位解決方案。該設(shè)備由于其支持動(dòng)態(tài)可重構(gòu)性的能力，已經(jīng)在軍事通信中得到了大量使用。同樣，由于其軟件可配置性，它還為許多其他通信數(shù)據(jù)鏈路要求提供了單一解決方案，例如無人機(jī)提到的要求。所提供的可重構(gòu)性水平使真正的軟件定義無線電（SDR）得以實(shí)現(xiàn)，使一種硬件開發(fā)有可能用于各種系統(tǒng)，特別是考慮到典型功耗小于1 W。

圖2.AD9361—寬帶收發(fā)器

圖3.ADF7023—ISM頻段收發(fā)器

ADF7023、ADF7024和ADF7242均為超低功耗集成收發(fā)器。它們更專門設(shè)計(jì)用于433 MHz、868 MHz、915 MHz和2.4 GHz的免許可ISM頻段，具有特定的波形調(diào)制，頻移鍵控（FSK）或高斯頻移鍵控（GFSK）和較低的數(shù)據(jù)速率，ADF7024的最大速率為300 kbps，ADF7242的最大速率為2 Mbps。雖然這些器件不具備AD9361的靈活性，但它們集成了類似級(jí)別的功能，使器件能夠支持RF到位。例如，ADF7024在5 mm內(nèi)提供此功能2封裝，在接收器模式下，該器件的功耗低至12.8 mA，可用于發(fā)送和接收傳感器數(shù)據(jù)的應(yīng)用，其中功率水平和長(zhǎng)壽命至關(guān)重要。

傳感器技術(shù)和無線通信節(jié)點(diǎn)需要更緊密地耦合是顯而易見的，這推動(dòng)了半導(dǎo)體的發(fā)展，以支持集成或緊密耦合這兩個(gè)元素的能力。為了充分解決傳感器和物聯(lián)網(wǎng)的挑戰(zhàn)，可以使用一套全面的器件，從傳統(tǒng)但不斷增強(qiáng)的精度、放大器和轉(zhuǎn)換器中提取，用于溫度、電流和電壓檢測(cè)。放眼更遠(yuǎn)的地方，使用基于MEMS的陀螺儀和加速度計(jì)的各種導(dǎo)航和健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了監(jiān)測(cè)士兵運(yùn)動(dòng)和跟蹤的潛力，或者可用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)振動(dòng)并確定系統(tǒng)健康狀況，如果檢測(cè)到非預(yù)期運(yùn)動(dòng)。

例如，ADIS16488A iSensor是一款完整的、完全集成的高性能慣性系統(tǒng)，包括一個(gè)三軸陀螺儀、一個(gè)三軸加速度計(jì)和一個(gè)三軸磁力計(jì)，可用作人員跟蹤方案或振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一部分。基于MEMS技術(shù)，它為運(yùn)動(dòng)跟蹤提供了一種廉價(jià)的解決方案，并且有可能被定位或整合到設(shè)備中，并在數(shù)據(jù)中繼回指揮中心之前通過無線通信連接到士兵的無線電，從而提供全面的士兵跟蹤解決方案，從而簡(jiǎn)化潛在的搜索和救援行動(dòng)，特別是在GPS拒絕的環(huán)境中。?

圖4.潛在的無線傳感器互連。

同樣，ADI Sensor和MEMS器件在振動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中使用時(shí)，能夠盡早分析機(jī)器健康狀況，并提出潛在的設(shè)備故障問題。由于所需的安裝位置，定位此類傳感器通常具有挑戰(zhàn)性，但將低電池供電的RF收發(fā)器與傳感器相結(jié)合，提供了定位設(shè)備的選擇，而不會(huì)出現(xiàn)此類挑戰(zhàn)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒氡O(jiān)控單元或通過蜂窩或衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中繼回遠(yuǎn)程監(jiān)控站。

前面的所有項(xiàng)目都只是冰山一角，還有更多的選項(xiàng)和傳感系統(tǒng)正在考慮使用各種技術(shù)，但都依賴于安全的RF通信來中繼數(shù)據(jù)?？v觀整個(gè)航空航天和國(guó)防領(lǐng)域，無線網(wǎng)絡(luò)的使用以及數(shù)據(jù)監(jiān)控和分發(fā)的驅(qū)動(dòng)力正在激增，并有可能加速 - 特別是如果無人系統(tǒng)被開發(fā)和利用，正如預(yù)測(cè)的那樣。提高效率、可重構(gòu)性和整體平臺(tái)安全性的能力是采用無線技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。這些特性推動(dòng)了ADI跨多個(gè)產(chǎn)品線的路線圖，確保實(shí)現(xiàn)下一代系統(tǒng)目標(biāo)。物聯(lián)網(wǎng)能夠根據(jù)需要利用具有更高級(jí)別安全性和自定義波形的商業(yè)技術(shù)，無疑是現(xiàn)代和未來航空航天和國(guó)防系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。

審核編輯：郭婷