第1章 绪论
1.1 航空电子系统概述
1.1.1 航空电子技术的演变
航空电子（avionics）一词创造于20世纪30年代末，用于描述日益增多的航空电子技术功能。二战和冷战时期的科学研究和技术发展极大地推动了军用飞行器上航空电子设备的迅速发展。如今，一套航空电子系统的成本在军用平台中占到出厂费用的一半，成为有人驾驶飞机和无人驾驶飞机、导弹以及相关武器的关键组成部分。正是军用航电设备的使用使得飞机能够完成防御、进攻和侦察任务。
回顾军用航电技术的发展史，可以发现从1910年进行的*次机载无线电试验到第四代隐身战斗机搭载的高度综合化航空电子系统的出现，航空电子技术取得了长足进步。20世纪30年代，人类*次研发了确保操作稳定性的电子辅助设备，如盲飞仪、无线电测向仪、非定向信标、陆基监视雷达以及单轴自动驾驶仪。20世纪40年代，超短波通信、敌我识别（identification of friend or foe，IFF）系统、陀螺仪、高度航向参照系统、机载截获雷达、早期电子战系统、军用远程精确无线电导航仪以及双轴自动驾驶仪等技术被研发出来。这些发展主要受到二战及其相关事件的推动。20世纪50年代，塔康系统（tactical air navigation system，TACAN）、具有跟踪能力的机载截获雷达、多普勒雷达、数字任务计算机和惯性导航系统等技术被研发出来。20世纪60年代，综合电子战系统、全自动武器发射系统、地形匹配雷达、自动地形跟踪技术、头盔显示器激光目标指示技术以及早期数字任务计算机等军用航空电子系统被研发出来。计算机技术、通信技术、网络平台和材料科学等相关技术的迅速发展，为航空电子系统提供了数字化、信息化和一体化的能力和逻辑处理模式，有效提升了系统的能力和效率。目前，高新技术特别是信息技术的飞速发展，为提高航空电子系统的能力、降低成本提供了强有力的支持，例如高性能多核处理芯片和并行处理系统、高精度全球导航系统、天空地导航增强协同系统、高带宽卫星移动通信和空地数据通信系统、主动相关监视广播系统以及全空域和全航程飞行广域信息管理系统。这些技术的发展不仅大幅增强了飞机系统功能处理的能力，同时显著提升了飞行应用能力和收益，有效推动了航空电子系统的发展。
随着飞机飞行应用任务、系统功能和运行性能需求的大幅提升，航空电子系统已经发展成为一个由多个系统、多种环境、多项任务和多种资源构成的复杂系统。它们之间相互关联、相互支持、相互集成和相互制约，具有多目标、多信息、多专业、多任务、多功能和多过程的特点。
飞机航空电子系统的内部关系和相关技术如图1.1所示。
图1.1 飞机航空电子系统内部关系和相关技术
1.1.2 航空电子系统的概念
航空电子系统*早是指将电子技术应用于航空领域（主要指飞机）的电子设备。随着数字电子技术、信息技术和计算机技术的发展，航空电子系统的作用和能力不再局限于提升飞机仪表的功能，还涉及飞机整体能力的组织和实现，包括飞行任务的组织与管理、飞行过程的引导与控制，以及飞机状态的监控与管理。航空电子系统已经完成了从提供飞行能力支持到飞行任务组织管理的转变。
飞机由机体、发动机和机载系统三大部分构成，其中机载系统包括航空电子系统。有些著作将与飞机电子系统相关的领域和能力都归为航空电子系统，但大多数著作将航空电子系统定义为飞机的任务系统。本书将军用飞机的飞行保障电子系统、空中信息感知系统和机载任务电子系统统称为航空电子系统，它是指基于电子技术、信息技术和计算机技术的设备和系统，提供飞行任务的组织、运行和管理能力，为飞行计划和作战任务的执行提供支持。
军用飞机执行飞行任务是通过制定任务规划、管理飞行过程、感知空中态势和执行战术任务等过程来实现的。通过空地协同的飞行决策，可以实现飞行和任务执行过程的安全性和高效性。早期的航空电子系统主要是基于飞行员能力的组织和扩展，例如建立飞行管理系统以增强飞行决策能力，建立语音通信以扩展飞行空地通信能力，建立显示系统以增强飞行员的观测能力，建立导航系统以提高飞行员的航向判别能力，建立传感器系统以提高飞行员的空中态势感知能力。随着航空电子系统技术的发展，飞机的飞行应用和任务执行逐渐从依赖飞行员能力、设备能力和飞机能力转向依赖航空电子系统的自主能力。航空电子系统通过与飞行员的交互，组织飞行计划、飞行导引、飞行监视和任务管理过程，有效地增强了飞行功能和任务完成能力，提升了飞行性能和品质，进而实现了飞行任务的有效执行。
1.1.3 军用航空电子系统的主要功能
军用航空电子系统主要针对军用飞机的作战需求，提供基本能力来支持作战过程，帮助飞行员进行飞行过程的组织、运行管理和态势感知[1，2]。
军用航空电子系统的主要功能和组成如图1.2所示。现代军机的航空电子系统主要包括机载雷达系统、机载电子战系统、机载通信导航识别系统和座舱显示控制系统。
图1.2 军用航空电子系统的主要功能和组成
1.机载雷达系统
有源电子扫描阵列（active electronically scanned array，AESA）雷达（通常也称“有源相控阵雷达”）是雷达技术的重大发展，它广泛应用于现代军用飞机，显著提升了作战能力和作战模式。
AESA雷达的天线波束扫描具有高度的灵活性，由计算机控制，几乎没有惯性延迟，相较传统的机械雷达具有许多新功能。AESA雷达能够轻松形成多个波束，在空间中实现信号功率的合成，并具有同时进行边扫描边跟踪的能力，能够稳定追踪多个高速运动目标。
AESA雷达是超越传统机械扫描阵列（mechanical scanned array，MSA）雷达的重要技术突破，这一突破主要源于其天线结构的不同。传统的MSA雷达通过天线的物理运动实现波束空间扫描。AESA雷达由数百个或数千个低功率的T/R（transmit/receive，发射/接收）组件构成，每个T/R组件可以看作一个*立的发射机和接收机，能够自行产生和接收电波。所有的T/R组件同时工作，构成了一个功能强大的雷达系统。AESA雷达因其灵活的电子扫描、先进的功率管理和信号处理技术而具有卓越的性能。与传统的MSA雷达相比，AESA雷达的特点包括：具有灵活快速的波束指向能力；一个雷达可以同时形成多个*立的波束，实现搜索、识别、跟踪、制导和无源侦测等多种功能；具备较强的多目标交战能力，能够同时监视和跟踪多个目标；抗干扰性能优秀。此外，AESA雷达具有较高的可靠性，即使部分T/R模块失效，仍能正常工作。以上技术特点提升了航空电子系统的能力，主要体现在以下几个方面。
（1）大幅增加雷达的作用距离：AESA雷达天线由成千上万个T/R组件组成，每个T/R组件具备*立的信号放大、发射和接收能力，雷达的辐射功率是所有T/R组件的功率总和。因此虽然每个T/R组件的辐射功率不大，但通过组合，可以轻松实现远距离探测所需的辐射功率。
（2）大幅增强雷达的抗干扰能力：相较于MSA雷达，AESA雷达可以大幅增加工作带宽，从而降低敌方干扰密度，使敌方无法对雷达进行全频段干扰。AESA雷达可以使用无序、离散的波束来替代周期性、连续的波束，实现目标搜索和跟踪。通过设置零深等手段，将干扰源方向与天线波束相位相互抵消，降低雷达被敌方电子干扰和截获的概率。这些特点极大增强了AESA雷达的抗干扰能力。
（3）实现多功能：AESA雷达能够在同一时间内完成多种雷达功能。它可以通过一部分T/R组件完成一种功能，而利用其他T/R组件完成其他功能；可以以时分方式同时实现多种功能，如地图测绘（合成孔径雷达/地面移动目标指示器）、地物回避、地形跟随以及威胁回避，同时能实现对空中目标的搜索、跟踪和攻击。AESA雷达的功能和性能得到了极大的扩展，能够满足各种作战需求。
（4）有效探测隐身目标：AESA雷达可以利用与天线辐射单元相同的*立辐射源，总发射功率通过空间合成得到大幅提高，增大了雷达的功率孔径面积，使其能够探测战术、战略导弹、巡航导弹以及隐身飞机等低可探测性目标。
（5）提高雷达天线的隐身性能：AESA雷达在工作时不需要机械转动，通过适当的安装角度可以有效降低雷达在主要威胁方向上的雷达截面积（radar cross-section，RCS），还可以通过在雷达天线阵列上加装吸波负载，减少天线散射的雷达波，从而降低AESA雷达截面积，提高隐身性能。
（6）解决可靠性瓶颈：AESA雷达的发射和接收系统由数百个或数千个*立的T/R和辐射单元组成，单个T/R组件的可靠性可以达到10000h以上，并且即使少数单元失效，对系统性能的影响也不大，仍然可以维持基本的工作性能。这种“柔性降级”特性对雷达的作战使用非常有利。
AESA雷达凭借其灵活的电子扫描、先进的功率管理和信号处理技术，具有辐射功率合成、抗干扰能力强、多功能实现、探测隐身目标、提高天线隐身性能以及高可靠性等优势，已成为新一代主力战斗机的标准配置。
2.机载电子战系统
机载电子战系统是实现对威胁雷达、射频和红外制导导弹信号探测、截获、定位、识别、跟踪和对抗的关键系统之一。其主要作战对象包括机载火控雷达、地面制导雷达、空空和地空导弹、目标指示雷达、预警雷达、敌我识别信号、数据链信号等。该系统的任务是为作战飞机提供全域威胁态势感知、攻击引导和自卫能力。
机载电子战系统体系见图1.3。
图1.3 机载电子战系统体系
机载电子战系统需要具备全程有效的对抗能力，能够快速截获、识别和告警机载火控雷达、地面制导雷达、导弹指令信号和主动导引头信号。通过融合光电告警信息，实现综合告警能力。通过对雷达搜索、跟踪以及导弹发射/中距制导/末制导等工作状态的判定，支持实时威胁响应管理。
机载电子战系统具备远、中、近距离的电子对抗能力。支援干扰飞机能够在安全距离上采用与雷达综合的共用机头多功能阵列（multi-function array，MFA），以实现高功率电子干扰（high-power electronic countermeasures，HPECM）；掩护攻击飞机则能在自身安全火控攻击包线内，形成“先敌发射”的条件。在中距离作战时，系统能够实现宽带全向自卫干扰；而在末端对抗阶段，系统能够综合运用射频诱饵、交叉眼、箔条弹和红外干扰弹等有源/无源措施，对抗主动雷达和光电制导空空导弹，从而以高概率诱骗来袭的射频和红外制导导弹。此外，机载电子战系统还能通过机间高速协同数据链实现多机协同干扰。
在无源探测及攻击引导方面，远距离作战时，可以利用单机电子支援措施（electronic support measure，ESM）对威胁雷达主瓣辐射信号进行侦测，并通过高增益电子支援措施（high gain electronic support measure，HGESM）和多机HGESM实现威胁雷达旁瓣信号的远距离无源探测，形成“先敌发现”的能力。ESM通过精确测量方位/俯仰二维角度，可以引导雷达高概率截获目标并快速完成测距和测速，形成对目标的跟踪。在中距离作战时，可以通过协同链将多架飞机形成组网ESM探测，实现无源攻击引导，形成“先敌发射”的能力。此外，机载电子战系统还可以实现单机快速无源定位和特定辐射源识别，以实现对敌防空压制（suppression of enemy air defense，SEAD）的能力。
3.机载通信导航识别系统
通信导航识别（communication-navigation-identication，CNI）系统是现代作战飞机航空电子系统中的重要组成部分，它主要用于提供飞机与外界的话音和数据通信、飞行导航、起降引导以及敌我识别等基础功能。在过去，通信（C）、导航（N）、识别（I）是*立的子系统，但为了减轻设备体积
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