无人机电子战载荷的最新发展

分形天线、单片固态数字接收机、小型微波功率模块以及融合了专用和通用处理器的片上系统（SOC）计算机等技术，正在为小型无人机带来性能优越的电子战载荷，同时这也为无人机在多重任务中补充或取代有人驾驶平台创造了机遇。

以色列艾尔比特公司认为，无人机电子战载荷市场正在“不断扩大且伴随一定的不确定性”，市场的发展主要取决于其满足新需求的程度，以及从老式有人驾驶平台上的系统到无人机上的新型系统这一转变。

“在技术发展方面，无人机载荷有望超过平台——载荷和传感器能够提供强大的电子战能力，并生成高质量的情报。在小型化、更强的处理能力、更大的存储容量以及宽带数据链等方面的进步将满足不断增长的需求。”

视线

电子战通常分为三个组成部分，即电子战支援、电子攻击和电子防护。艾尔比特埃尔比特公司认为无人机将在电子战支援和电子攻击两部分做出突出贡献，其成功之处主要是可提供对潜在目标的更好视线（LOS）。

艾尔比特公司称，“电子战支援和先进的射频地理定位仍是最有效的，因为它们能够通过更佳的探测和更精确的定位提高‘传统’的无人机光电、情报、监视与侦察能力，使信号情报（SIGINT）能够引导图像情报，从而实现更加精确的捕获。另一方面，由于其视线位置优于陆基系统，因此无人机电子攻击将高效遂行多种任务”。

小型无人机势必面临尺寸、重量和功率方面的挑战。艾尔比特公司指出，在小型无人机平台上安装测向传感器意味着天线间距和配置是优化接收、截获性能的关键，而发射机和其他射频组件的封装问题也是一个挑战。

广泛应用

Selex ES公司为从战术系统到中空长航时和高空长航时旋翼和固定翼无人机提供电子战系统，并声称需要可安装在高价平台上的自卫系统以及可在海上和沿海区域使用的监视和电子战支援（ESM）系统。

Selex公司研制的“圣贤”ESM系统已经安装在Camcopter无人机上。

“圣贤”（Sage）系统是Selex ES公司研制的一种高端ESM系统，其功能类似于电子情报（ELINT）。Selex ES公司已经将“圣贤”系统集成进西贝（Schiebel）公司研制的Camcopter 100型垂直起降无人机（该型无人机的最大起飞重量为200kg）以及SelexES公司自研的“隼”固定翼无人机。2014年6月，安装了“圣贤”系统的Camcopter无人机在巴西海军的“亚马逊”级近海巡逻舰上进行了首飞。目前，该型无人机正在参与竞标，目的是为澳大利亚海军提供舰载能力。

Selex公司发言人称，“这是我们公司最大的业务领域，我们认为其市场前景非常好。”公司认为，澳大利亚海军将大量采用小型垂直起降无人机，并将其与海军的其他设施联网，从而使这些飞机能够使用“圣贤” ESM系统带来的探测距离优势来引导其他各种传感器。这些传感器可能安装在其他Camcopter无人机或不同的有人或无人驾驶飞机上，其中包括小型、非传统的ISR平台。

这位发言人指出，“采用先进的数字接收机技术，就能够向其他可靠近的设施发送非常精确的地理定位信息。”Selex公司预计，未来借助战术无人机，如“隼”无人机，可提升边境和沿海地区的监视能力。

小型、性能优越的ESM系统能使小型、价格相对低廉的无人机发挥目前有人驾驶直升机在遂行海上作战任务时的支柱作用。

Selex公司指出，“圣贤”系统采用全数字化接收机收集那些可输入国家数据库的高保真信息。尽管“圣贤”系统被描述为一种轻型系统，系统重量一般不超过20kg，但它并不是很小，可与其匹敌的电子战系统，如BAE系统公司的“战术信号情报载荷”（TSP）和NANOSIGINT系统也是如此，“战术信号情报载荷”可集成进美国陆军重约1633kg的“灰鹰”无人机（由通用原子公司研制），而NANOSIGINT系统的尺寸适合第三类别无人机，即最大起飞重量在25 kg至600kg之间的无人机。

随着将更多的能力压缩进更小的装备成为可能，轻型无人机将有助于建立电子战斗序列，实施自卫。

通用原子公司的“灰鹰”无人机装备了BAE系统公司的战术信号情报载荷。

商用现货

商用现货（COTS）计算机技术在电子战载荷小型化方面发挥着重要作用。例如，在生产“战术信号情报载荷”的过程中，BAE系统公司选择目前已成为柯蒂斯-怀特防御系统公司一部分的VMETRO公司，提供采用双PowerPC微处理器和VME/VXS形双Virtex现场可编程门阵列（FPGA）芯片的传导冷却型“凤凰”VPF1数字信号处理板。美国陆军称，“战术信号情报载荷”是一种模块化、可升级的载荷，其软件可重构体系结构使其可根据技术发展以及对手所用技术的变化而变化，非常灵活适用。

“战术信号情报载荷”旨在为美国陆军和特种作战司令部的战术指挥官们提供信号情报能力，通过探测和识别与高价目标有关的辐射源来增强其态势感知能力，并缩短目标瞄准周期。美陆军强调，“战术信号情报载荷”可以处理常规信号、标准军事信号和关注的现代信号。

2014年6月，BAE系统公司获得一份潜在价值超过7000万美元的30套“战术信号情报载荷”生产合同，在此之前，BAE系统公司于5月宣布获得了一份12套该系统的初始生产订单。

然而，采用商用现货计算机信号处理技术远非全部。艾尔比特公司指出，除了数字部件的快速发展，射频表面组装技术作为电子战载荷小型化的关键使能器，使工程师们能够为许多应用设计接收机和激励器模块。该公司还指出，低功耗宽带软件定义接收机、印刷天线以及氮化镓（GaN）技术也推动了电子战载荷向小型化方向发展，但在小型平台上并不能够实现所有功能。

天线分形

分形天线系统

几十年来，由于天线单元的长度和其能有效接收和/或发射的射频波长之间的关系，射频天线都很难缩小。Selex公司承认天线已经成为无人机小型化的一大难题，尤其是在较低的频段。

Selex公司发言人称，“如果试图在低频进行C/D波段（0.5-1/1-2GHz）探测，那就需要利用天线做一些特别的事情。但处在非常低的频率时，恰恰无法这么做。”

解决这个难题的一种新方法是在天线结构中使用分形几何学。分形的一个关键特性是通过迭代方式形成形状简单的复合图形，迭代以不断缩小的尺度重复进行，因此无论从哪种尺度观察，他们看起来都相同（或至少“自相似”）。从理论上说，这能够令无限长的线适合有限的区域。但是，真正的分形天线往往仅需要几个迭代过程来产生具有高增益和宽带频率响应的小型组件。

将这一技术应用于电子战的公司是位于马萨诸塞州的分形天线系统公司，该公司表示，分形几何学使高性能天线的生产成为可能，这种天线比传统天线小50-75%。

分形天线系统公司重点指出，其分形天线能提供高达200:1的带宽，可以处理数百瓦的功率，这就意味着平台需要更少的天线来应对现有和新型威胁。分形天线与接收机非常匹配，它们不需要调谐单元就可使用。公司还强调，天线性能源于导体的几何排列，而不是通过单独天线单元的积聚，这就简化了结构，并将潜在故障点减至最低。

分形天线可用于车载、舰载、机载、固定和便携式设备。分形天线系统公司的CEO Nathan Cohen承认，分形天线已经被用于无人机。    

组合与缩小

所有天线拦截经由空气传播的无线电波，并将其转换为交流电流。在无源电子战应用中，如ESM和ELINT，截获的信号从天线系统传送到接收机，接收机探测信号，使用滤波器筛选出要寻找的信号，将其放大进一步处理并进行解调，这相当于从载波中提取它们所包含的信息。

理想的接收机能够探测到所有频率的所有信号类型，同时调解多个信号，甚至包括那些与很强的信号一起混杂在小型、轻便、经济且节能的设备中的微弱信号。

多年来，这种理想状态始终无法实现，因此，电子战系统使用了多种具有各种优缺点的接收机。电子战接收机的类型有：晶体视频接收机、瞬时测频接收机、调谐射频接收机、超外差接收机、固定调谐接收机、信道化接收机、布拉格小盒接收机、压缩接收机和数字接收机。

数字接收机是重大突破，这种接收机可以在软件中实现任何滤波器、调谐器或解调器的任意组合，因此，它可以像任何或所有其他类型的接收机那样工作。  

用固态微电子技术实现先进电子战接收机是一项特定工作，到目前为止，依然未进入商业现货领域，而是属于电子战供货商的知识产权，特别是在涉及到进一步小型化时。

Selex公司发言人称，“我们的系统工程师设计芯片，并且已经达到了晶圆尺寸。专业微电子工程师在晶圆上进行设计，然后我们就找人去为我们生产晶圆。”

这一过程的最新成果是一个手机大小的手持式微型ESM系统样机，事实上，该样机使用手机作为显示器。Selex公司发言人还补充说，“我们已经缩小了无人机上的‘圣贤’系统，现在又将该系统的尺寸缩小了50%，因此，其尺寸再一次变小。”

正如Selex公司发言人所说的那样，显然手持式设备将足够轻、足够小，能够装备小型无人机，并为更大型的无人机提供ESM能力。“我们还未启动装备工作，因为系统仍在开发之中，但这是下一步的工作，我们已经蓄势待发，我们已经开发出样机。”

Selex公司设想将渔业和边境防卫作为产品的初始市场，样机虽已具备相关功能，但尚未进行飞行测试。

微型射频诱饵

Selex公司还披露了无人机对其微型对抗措施的需求，特别是其研制的新型“亮云”（BriteCloud）小型有源雷达诱饵。“该型诱饵专为高速喷气机设计，但目前我们收到了一些大型无人机防护方面的咨询，答案是‘亮云’技术适用。” 

 “亮云”H/J波段自主导引诱饵由电池供电，采用数字射频存储（DRFM）技术接收、记录、转发威胁雷达信号，借助多普勒频移和距离波门拖引等多种技术将导弹引向诱饵，使其偏离飞机。

尽管“亮云”诱饵可由用户重新编程，并与Selex公司可用的电子战作战支援系统一起，进行优化以应对新兴威胁，但数字射频存储技术的固有能力使诱饵能够在飞行过程中不断适应威胁模式和威胁类型的变化。

Selex公司强调，“亮云”诱饵能够与发射平台保持很大距离以避免机载诱饵的干扰源寻的缺陷，同时能够以足够快的响应速度欺骗威胁。该型诱饵既可用于抢先式干扰又可用于响应式干扰。“我们设法将诱饵压缩进直径55毫米、大小与可乐罐相当的圆形弹筒内，这个尺寸适合标准的55毫米口径的箔条和曳光弹弹仓。”

Selex公司目前正致力于开发一种矩形诱饵，计划在2016年投入使用。

对于机载功率有限的小型无人机来说，有源干扰系统仍是难题。尽管如此，无人机仍将在电子战支援、电子防护和电子攻击方面作出重大贡献。

开拓市场

TMD技术公司生产了一系列射频组件和子系统，其中包括微波管、高压电源和用于雷达、电子战和通信系统的发射机。该公司业务开发经理Richard Patrick表示，“很明显，这个市场已经开始发展，鉴于系统部署的数量以及正在出现的威胁的等级和类型，这正恰逢其时。然而，由于平台的限制，特别是载荷和功率方面的限制，集成额外的能力似乎比较困难。”

该公司设备工程和中央工程服务部主管Gary Henderson认为，将诸如雷达和雷达干扰机这样的有源辐射源安装在小型无人机上是最具挑战性的。“为其提供所需功率会对作用距离和任务持续时间设定极限，冷却系统将成为系统重量的重要来源。”

他认为，集成了高效微型行波管的超小型、微波功率模块（MPM）是近年来该领域最为重大的突破。例如，TMD公司自研的模块化微波功率模块PTXM1000系列就代表了高效能、低尺寸、重量和功率电子战放大器的目前发展水平。

“虽然在新型高功率氮化镓晶体管之后固态技术已经取得了长足进步，但其还不能参与那些尺寸、重量和效率至关重要的应用的竞争。”

权衡的重点在于尺寸、重量、效率和给定输入功率的射频输出功率。电子战射频放大器需要在尽可能宽的频率范围（扩展到几个倍频程）提供高射频功率输出，以提供最大防护。

Henderson指出，“通常，这是由多个放大器共同完成的，每个放大器负责一个特定的频率范围。然而，随着微波功率模块的出现，现在一个小而轻的放大器就可完成所有工作。为小型无人机平台设计电子战系统时，放大器冷却系统是要着重考虑的因素，因为它通常比放大器本身更大、更重，特别是采用固态方法时。”

高效PTXM1000微波功率模块

超越摩尔定律

天线小型化、接收机以及固态和电子管射频发射技术的发展得益于开发人员多年的努力和技术上的重大突破，与此同时，微电子学的快速发展也对此影响深远。该领域的变化是如此之快以至于开发人员更倾向于将处理硬件的选项留至最后。

Selex公司称，“我们设计整个系统，等待最新的处理器，然后把处理器放进去，安装上软件。”

当然，这不仅包括那些能够安装在改变处理功率的硅片上的开关，还有快速通用微处理器与GPU等其他器件的组合，这些都属于大规模并行专用器件，如数字信号处理器和专用集成电路芯片，以及越来越灵活、低廉的现场可编程门阵列（FPGA）等。

以SRC计算机的MAP处理器为例，尽管MAP处理器在无人机上唯一公认的应用是洛克希德·马丁公司的TRACER植被穿透雷达，但该处理器可通过改变电路系统，开发FPGA固有的可重构能力，使雷达在执行任务期间有效完成特定任务。

在小而强大的片上系统解决方案中，FPGA可以与传统的固定逻辑微处理器安装在相同的硅片上。

一个应用FPGA的电子战处理应用案例是，美国马德里技术大学（UPM）高级技术学院的电信工程专业工程师们研制的“自动调制分类”（AMC）系统。 

该团队在XilinxVirtex-4 LX100 FPGA上实现了自动调制分类（数字信道化接收机的一部分），仅使用了其可用容量的16%。自动调制分类能通过处理在存在噪声和信道衰减时接收的数据样本，自动识别射频信号。马德里技术大学团队通过使用多种不同的调制方案，包括二进制相移键控、移频键控、线性调频、哈弗曼（Huffman）编码、弗兰克编码（Frank）和P4编码，测试系统的信号处理能力。自动调制分类在软件定义无线电、智能调制解调器、动态频谱管理、干扰识别和认知无线电/电子战中发挥着重要作用。

进入人工智能

本文中的“认知”可指将人工智能（AI）应用到电子战系统，使电子战系统能够有效识别和应对威胁信号，包括之前尚未遇到的任何信号。

认知电子战技术的早期应用是Exelis公司（现在的哈里斯公司）的新型“破坏者”（Disruptor）SRx系统，该系统属于基于片上系统的系列产品，具备电子战支援、电子情报、电子防护、电子攻击和通信干扰功能，并可根据不同的任务阶段在这些功能之间进行切换。这种模块化系统约手机大小，重量足够轻、体积足够小，可安装在小型无人机和轻型直升机上。“破坏者”SRx系统采用开放式体系架构，可重定义软件，并且由于其具备认知能力，因此能够实时适应复杂任务。

在2015年国际无人机系统协会（AUVSI）年会上，哈里斯公司负责综合电子战系统的首席工程师Martin Apa表示，根据位置和时间，“破坏者”SRx系统将确定其需要完成的任务部分。如果系统探知在该区域存在特定威胁系统，系统则知道该如何应对。

与此同时，哈里斯公司国际业务发展部副总裁Andrew Dunn表示，这种自适应能力只是开始，随着技术的进步，识别、分析和对抗新型威胁所需的时间也将缩短。

 “认知技术正在向前发展，不再依靠预装数据库。如果发现了未知威胁，系统将使用一种复杂的算法…实时做出适当的反应。”

美国学术界也加入了认知电子战领域，其中尤以佐治亚理工研究院名为“愤怒的小猫”的项目最为著名，该项目结合了先进数字射频存储技术和认知学习算法。

美国国防高级研究计划局（DARPA）针对其自适应雷达对抗项目直言不讳地表明，该项目的目标是开发一种技术，该技术能够从敌对、友好和中立的信号中分离未知雷达信号；溯源由雷达造成的威胁；合成并发射对抗信号，并基于观测的威胁响应评估其效果。       

随着电子战系统变得越来越小、越来越智能，无人机将在确保友军使用电磁频谱、拒止敌军使用电磁频谱方面发挥越来越重要的作用。

（刘丽 曲珂等编译）