无人机系统仿真设计解决方案.docx

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无人机系统仿真设计解决方案

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无人机系统仿真设计解决方案

无人机电磁仿真系统设计解决方案

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2016/1/25

无人机电磁仿真系统设计解决方案

1.无人机的现状与未来发展

无人机（UAV）先后经历了无人靶机、预编程序控制无人侦察机、指令遥控无人侦察机和复合控制多用途无人机等发展阶段，目前已经发展到了无人作战飞机系统（UAS）。

UAS的主要功能包括：

1、信息获取；

2、攻击及支援；

3、夺取战场电磁权；

4、提供预警及通信中继能力；

5、目标指引；

6、战场输送。

为顺应作战运用的变化，美军在《空军2025》报告中提出今后几十年无人机的关键需求，明确了多任务平台为战略、战术无人机的下一个发展方向。

在综合集成方面，无人机本身就是飞行器、各类传感器、武器、发射与回收装置、通信系统、指控系统的融合体。

除在目前的已知应用领域，无人机的任务设置还将深入进攻、生化探测、反地雷、战区导弹防御、电子战和信息战等各个领域。

“全球鹰”无人侦察机由美国诺斯罗普·格鲁门公司制造，是一种高空长航时无人侦察机，续航时间大于42小时，可以提供高质量的实时图像，对大面积区域进行监视。

该机实用升限20500米，活动半径5560千米，是目前世界上无人机中最大的一种，内装一台涡扇发动机。

主要设备有：

对地搜索雷达、光电探测系统、红外探测系统、威胁报警系统和雷达干扰箔条投放系统。

“全球鹰”可通过卫星数据链把侦察到的图像信息实时传输给地面站，该机能在20000米的高度准确识别停放在地面上的各种飞机、导弹和车辆的类型。

美国洛克希德·马丁公司研制的X-47海军型无人战斗机，在携带900千克载荷执行攻击任务时，作战半径可达2400千米以上，飞行高度12200米，自部署距离为6435-8045千米。

机上装有探测／地面运动目标指示雷达，探测距离可达96千米。

波音公司为美国空军研制的X-45无人战斗机，武器系统采用内挂设计，机身中线两侧各有一个武器舱，能够根据作战需要携带JDAM和小型精密制导炸弹等。

图1-1.全球鹰无人机

下一代无人机的发展趋势是：

多用途；模块化；全隐身；自主式；高空长航时。

关键技术包括：

光技术、全频谱高分辨率传感器技术、片级集成技术、智能蒙皮技术等。

其中全频谱高分辨率传感器技术是指未来无人机系统必须具备很强的目标探测能力，这就对雷达、集成红外（IR）焦平面阵列、紫外（UV）焦平面阵列、低温惯导、激光雷达和微波探测仪等的传感器在分辨率、精度、覆盖范围和实时性等方面提出了更高的要求。

片级集成是一项新兴技术，它可以将信号产生、信号控制、信息处理、化学和物理敏感元件、液压和机械传动机构以及辐射的产生和探测等集成在一片3/8in薄片上。

单片集成技术可以极大提高各种传感器和控制器的性能，并且大大降低其尺寸和费用。

集成的模拟、数字、声、磁、电磁、光电和机械电路系统将在未来的无人机系统中得到广泛应用。

在传统的设计概念中，飞机蒙皮是一种满足气动外形、强度和刚度要求的构造结构，当需要在飞行器上安装天线和传感器时，就在飞机蒙皮上凿孔，这种安装方法会带来不必要的结构、气动力、温度和费用损失问题。

负载和飞机机体低水平集成的结果是机体更大、空中待命时间更短（由于更大的阻力导致飞行效率降低）、生存力降低。

比如在现有飞机上，前视红外和微光电视旋转平台、天线，甚至控制面的凸出物，不仅增加了飞机的气动阻力，而且增强了飞机的信号特征，从而使敌方传感器很容易探测到无人机。

智能蒙皮技术是指，在飞机设计和制造期间就将天线、传感器、发射机、接收机、信号和信息处理机、射频电缆、电力电缆、电控制电缆和温控设备嵌入飞机蒙皮内。

此时，某些结构表面对各种射频信号来说应该是透明的，或者具有可控属性以方便信号发射和接收。

各种有源和无源传感器不一定只给单一的通信、电子战、雷达、敌我识别或导航系统提供信号，天线和传感器分布可能覆盖了75%的飞机蒙皮，可以提供从几兆赫到光频范围（光波覆盖的频谱范围，包括红外、可见光、紫外等，通常可达到吉赫，太赫）的孔径。

1.1工程仿真的重要角色

航空航天和国防工业的应用之复杂，即便是实现精确仿真这类最基础需求也需要高质量的物理域仿真及系统建模和仿真能力，并辅助以高性能计算和自动优化设计能力。

天线共址时的电磁干扰评估、带复杂材料涂覆的飞机的RCS计算、功率和热管理、或关键任务系统中的嵌入式验证软件、以及如影随形的电磁、热和流体间相互作用等，ANSYS公司的研发愿景同航空航天和国防工业的需求始终保持着高度的一致。

这也是该行业的客户对ANSYS的仿真技术信任长达40多年的根本原因。

然而，想要在未来依然保持竞争力，单靠将这些各领域的仿真技术做精做深是不够的，还需要一系列关键的建模、仿真、设计和知识管理能力，从而真正做到改进整个产品开发流程。

1.2电磁、结构、流体的多物理场仿真

ANSYS向客户提供基于统一平台、同一个参数化整机模型的电磁、结构、流体、乃至嵌入式系统的多个物理域仿真能力，能够兼顾系统在外形、电磁、热、结构等多方面的需求，方便的在多个物理场仿真之间进行协同验证和设计迭代。

将多物理相互制约因素纳入数字化样机研发的考虑范畴，使得数字化样机更加逼真。

完备、全面、精确地仿真真实的物理世界。

ANSYS在物理域仿真方面提供的主要能力如下：

•电磁、结构、流体多个物理域及其耦合仿真；

•电路/电磁场双向耦合仿真；

•高性能计算；

•多学科优化；

图1-2Workbench平台下的多物理场仿真机

现今，在许多科研单位，建模和仿真数据的在工程师之间传递经常是封闭且效率很低的，这也经常成为误差和不确定性的源头，因为在不同软件工具之间传递模型经常导致数据丢失。

例如，星载天线在环境温度及大发射功率导致的电损耗热源的混合作用下产生的温度场导致形变，从而影响天线的电性能。

由于这种形变通常非常微小且不规则，和在结构和电磁仿真工具之间传递模型产生的误差几乎在同一量级，采用传统的仿真方法无法精确的对这个问题进行预估。

ANSYS提供的多物理场仿真解决方案从这类特殊的多物理场耦合的问题入手，对唯一的数学模型采用不同物理域的仿真技术进行仿真，形变后的网格可在不同仿真器之间自动交互，全面解决了计算精度和效率的问题，进而延伸成为涉及多个物理场仿真的工程问题的行业标准解决方案。

图1-3通过电磁场仿真得到的天线电损耗分布

ii

图1-4温升导致的应力场分布

图1-5形变前后的天线电性能（远场方向图）变化

综上所述，无人机的电子系统涉及很宽的频段，为了避免各分系统之间的干扰以及与结构、动力系统之间的干涉，必须在设计之初进行系统性的规划，系统仿真在规划中的地位显而易见。

电磁仿真软件应用于工程设计可分为三个层次：

一是部件级的仿真，如单片集成电路、单天线、阵列天线、滤波器、功分器等；二是系统级的仿真，如天线与馈电网络、天线罩、收发链路设计等；三是布局仿真，如机载天线系统、平台电磁兼容设计等。

如果说之前由于计算机硬件资源的限制，大部分应用还停留在第一个层次的仿真，那么随着超级计算机和集群机的普及，随着快速算法日益成熟，第二、第三个层次的仿真越来越受到重视。

在无人机的设计中，这三个层次的任务都存在。

对于片上集成电路系统，涉及到信号完整性、电源完整性、数模混合电路和电磁兼容/电磁干扰问题，基于传统“路”的概念的方法已经不能适应技术的需要。

结构的电磁特性需要利用电磁场仿真工具进行电磁场计算，而参与辐射的信号能量大小则需要通过电路仿真计算。

同样的结构，在不同的频率上，输入不同的信号，具有不同EMI特性；另外，同样幅度的干扰信号，用于不同的结构上，对不同的器件，会产生不同的EMC结果；同时，对于我们目前的系统来说，还要进行电路的时域和频域仿真，研究辐射干扰的幅度和传导干扰的幅度，用于进一步改进设计，验证EMC设计措施的有效性，因此，对于EMI/EMC设计来说，电路和电磁场仿真都是必须的。

图1-6.板载模块模型

图1-7.单片级仿真

对于系统级的仿真，同样需要电磁场、电路仿真协同，如图1-4所示，阵列天线、馈电网络与有源器件协同仿真，可以充分考虑各种因素对天线方向特性的影响，极大缩短项目设计周期，提高研发效率。

图1-8.系统级仿真

考虑板载影响前后的天线方向特性如图4-5所示。

图1-9.加载板载天线系统前后结果对比

1.1.

1.2.机载雷达同无人机的一体化设计仿真

雷达已经成为武器装备系统的核心。

随着新军事技术变革的发展，武器装备已经完成了从机械化向信息化的跨越，目前正在向智能化的方向推进。

雷达在当前和下一个阶段的主要发展方向是功能性增强，这个功能包括探测与隐身两方面内容：

1）探测功能增强是指探测距离增加、识别概率增高、低空探测能力提高。

这就要求雷达方向特性具有更低的副瓣、更高的增益、更宽的工作带宽、更低的扫描跟踪角度。

2）隐身功能增强是指要在复杂的战场电磁环境中更好地隐蔽自身，这包括要能够做到抗干扰、抗ARM、低截获概率（LPI）以及更小的雷达散射截面（RCS）。

综合而言，现代雷达需要在时域、空域、谱域进行参数设计，达到探测与隐身的目的。

由于无人机执行任务的特殊性，特别是智能蒙皮技术的发展，机载雷达往往需要与机体进行一体化设计，这就是说，必须在雷达样机设计时考虑其他电子系统以及平台对机载雷达的影响。

利用HFSS，可以实现有限大阵列的快速仿真分析、反射面天线的混合求解计算、近远场数据导入、阵列天线杂散电平分析、大规模阵列天线的并行计算、天线罩与天线的协同仿真等，其中平台对天线方向特性的影响如图4-5所示

图1-6.无人机平台对机载雷达天线性能的影响

综合而言，随着大规模并行计算技术的发展，无人机电子系统的整体设计已是大势所趋，尤其是智能蒙皮设计，需要部件级、系统级和平台级的协同仿真，节省资源、提高效率，实现设计水平的关键性突破。

一、

二、

2

2.1整机电磁兼容设计

系统级EMC设计的目标是整个装备上各分系统电子设备间能够互相兼容正常工作，提高整系统的抗电磁干扰能力，设计者关注的是以GJB1389A为基础的系统级电磁兼容性要求，如CE102、CS101、CS106、CS114、CS115、CS116、RE102、RS103等。

图2-1整机电磁兼容设计

2.2整机天线布局设计

从电磁干扰源、干扰途径和电磁干扰接受者这电磁兼容三要素的角度分析，天线作为飞机上最直接的射频能量发射和接收装置，是电磁干扰和受扰的最直接载体；机身、机舱及若干关键电缆为有害电磁能量提供了干扰途径。

因此合理有效地完成天线布局设计是整个平台系统设计成功与否的最重要的环节之一。

2.2.1整机天线布局仿真需求

整机天线布局设计主要针对飞机上天线的不同放置位置，多幅天线的相互影响以及飞机平台对于天线的性能影响等方面进行分析，以及对多种可能工况进行参数扫描，实现天线布局的最优化，得到最合理的天线布局设计。

2.2.2ANSYS针对整机天线布局的功能特点

HFSS天线库内置多种天线类型，可满足天线设计及总体部门的快速天线建模需求，HFSS软件拥有业界最先进的有限元求解器，其HFSS-HPC模块具备超线性加速比的DDM技术，结合HFSS-IE模块，实现强大的混合算法FEBI，该方法是求解天线布局这类电大尺寸问题的最佳方法，可达到最佳效费比。

Optimetrics模块可实现天线布局的参数扫描和设计优化，方便得到最佳设计。

AnsoftLinks模块可导入外部CAD数据模型，省却大型复杂模型的建模工作量。

1）完备的天线模型库，内置多种常用天线类型，可直接生成参数化的三维仿真模型，并可管理自定义的天线类型。