多功能射频系统的发展

国际电子战2020-10-05 13:29:47

美国海军“阿利·伯克”级Flight IIA型导弹驱逐舰(DDG 51)“斯托克代尔”号的桅杆顶部视角

 

在现代作战舰只上开展桅杆集成工作给海军体系架构和战斗系统工程领域都带来了巨大的挑战。目前,桅杆柱子和上层结构上都挤满了大量射频孔径,分别用于电子战、信息作战、通信和雷达功能。如此拥挤的环境意味着每个射频系统通常都拥有自己的天线孔径;而把这些分立的系统集成到一起需要额外的开支,用于改造船上的电子系统、训练操作员以及后勤维护。


在有限的空间中难以增加新功能的问题在潜艇上更为严重。在这种环境下,射频天线必须是紧凑的,而且必须在气密条件下进行集成。


长期以来,人们认为舰艇的桅杆集成面临着诸多困难。例如,将多个射频系统紧密安装在一起,而每个系统都需要无障碍地使用电磁频谱,这就不可避免带来了电磁互扰/电磁兼容问题。由于要安装大量分立的射频孔径/天线,导致舰船的射频信号特征和雷达截面积难以管理。此外,对于新建船只,新的通信和雷达需求又增加了上层甲板和桅杆上的体积、重量和功率需求,从而推升船只的尺寸、电力容量和造价。


这些障碍促使人们开展相关的研发活动,综合运用整体设计方法和先进的技术,使未来的平台在设计之初就能够采用集成度更高的桅杆架构。这种方法的难点在于,集成桅杆必须综合运用多方面的工程原理,从复杂的电磁互扰/电磁兼容(EMI/EMC)计算和预测桅杆气流的计算流体力学,到相对简单的海上航行补给和救生设备的部署。


为了适应这些不断变化且经常冲突的需求,人们将桅杆设计视为一个跨学科的协作领域,涉及到的学科包括EMI/EMC、信号特征管理、雷达与通信、安全性管理以及成本分析,这些学科必须共同协作才能设计出集成桅杆的架构,实现传感器和通信性能、舰船信号特征、可靠性以及EMI/EMC等多种需求之间的平衡。


此外,人们认识到舰载射频系统的技术、工艺和架构也必须同步发展,实现射频资源在传感器、效应器和通信系统之间的共享,并实时动态的分配资源和频谱。这正是美国海军通过海军研究办公室(ONR)开展的集成桅杆(InTop)创新型舰载原理样机(INP)项目所要解决的难题。


InTop INP项目于2009年启动,旨在开发新的技术和系统,形成改进的、可负担的多功能能力,并采用开放式架构来集成现有的设备和其它InTop系统。这样就可以更灵活地调整平台能力,以应对快速变化的环境,并支持通过模块化开放式接口来集成额外的功能,还可以在不改变系统基础设计的前提下增加/删除系统的硬件和/或软件。InTop项目还寻求将通信/传感器一体化系统引入到舰船的设计中,以优化舰船的尺寸和性能参数。


InTop项目已于2016年正式结束。但后续的电磁机动战指控(EMC2)项目继承了InTop项目的工作。同时,在InTop项目期间成熟的几项技术也转移到了其它项目中。


射频多功能系统

InTop吸收了ONR早期的研发成果,特别是先进多功能射频概念(AMRFC)测试平台和多功能电子战(MFEW)先进开发模型(ADM)。AMRFC项目起源于1999年,是一项原理验证型的演示项目,旨在开发能够同时执行雷达、电子战和通信功能且信号特征较低的通用宽带射频孔径。其目的是显著减少桅杆上射频孔径的数量,大幅降低RCS,增强功能并提高带宽。


实际上,AMRFC是人们对集成桅杆概念进行的第一次测试,由海军研究实验室(NRL)和工业部门将多功能收发阵列、激励器/接收机和海军开发的资源分配管理器集成到了一起。集成工作于2004年在马里兰海军研究实验室的AMRFC测试台上完成,并向美国海军的研发和采办部门充分演示了电子战(有源和无源)、通信和雷达功能的同时运行。


在AMRFC之后,ONR和NRL又于2005财年启动了MFEW未来海军能力(FNC)项目,旨在将关键的电子战系统技术推进到全尺寸工程研制阶段。MFEW综合了七方面的性能需求:频域和空域覆盖;灵敏度;系统响应时间(从信号检测到辐射源上报);电磁环境需求(舰上和舰外的辐射源);信号到达角测量精度;天线RCS;辐射源分类需求(包括虚警率);对新出现的特定威胁的反应能力。另外,ONR要求设计必须是模块化、开放式、可升级的,以满足多种平台的尺寸规格和运行需求,并实现电子战功能的增量升级,还能在资源分配管理器(RAM)的实时控制下集成到传感器/通信系统之系统中。


诺格公司于2005年9月通过竞标赢得了MFEW先进开发模型的研制合同。2007年10月,诺格公司向NRL交付了模型,并进行了安装和测试。该模型演示了执行多种电子支援功能(包括高截获概率、精确定位以及辐射源识别)以及与RAM和其他射频系统进行集成的能力,还为“水面电子战改进项目”(SEWIP)Block 2技术方案提供了低风险的架构和技术,使SEWIPBlock 2成功通过了技术成熟度评估。


ONR还与DRS公司签署了一项合同,用于开发满足MFEWADM开放式接口标准的射频接收模块。DRS在已有的SI-9155的基础上开发了相似的SI-9161单元,可以兼容诺格公司的接口。


MFEW样机在2008年5月进行了最终演示,之后被安装到“康斯托克”号登陆舰上,参加了在夏威夷举行的2008环太平洋军事演习。在演习中,“康斯托克”上的MFEW参与了TAPA II(反舰导弹计划部署技术合作项目)技术演示,澳大利亚和加拿大同时也参加了演示。MFEW样机在演习结束后又被送回了NRL,用于支持InTopINP项目。


InTop项目的目标

基于前期对多功能射频系统开展的一系列研究,InTop项目致力于开发一系列可升级的多功能孔径和配套的电子子系统,以创新的电磁频谱使用方式来实现雷达、电子战、信息战和通信功能。相对于将多个分立的系统组合起来的传统方式,部署这种集成系统可以降低舰船的建造成本、人员规模、工程量和维护成本。


ONR的InTop项目负责人Betsy DeLong说:“目前的通信、电子战和雷达功能都是单独开发的,这些系统会争夺桅杆上日益受限的空间。最终的结果就是,当你花费了几百万美元优化了一个系统以后,还得花几百万美元进行次优化才能使系统在拥塞且存在电磁频谱互扰的环境中工作。


InTop项目正在从根本上改变我们对海军舰载射频系统的看法。InTop项目将多种射频功能集成到一个系统或系统之系统中,这些功能可以在HF到Q波段的范围内共享孔径和/或电子设备。这样就避免了为舰船所需的每一种射频功能都购买一套专用设备(包括天线和甲板下的电子系统)。这种做法可以显著释放舰上的空间、降低系统的重量、减轻后勤维护的工作量。此外还提升了系统用频的灵活性,因为可以选择不会引起互扰且没有被干扰的频率来执行射频功能,也可以简单的选择在当前条件下能够达到系统最佳性能的频率。InTop在天线和电子设备重配置方面具有灵活性,能够在任何条件下具有大多数关键性功能。


InTop的系统之系统方法将射频视为一种资源,这种资料要持续的分配给优先级最高的需求。InTop希望利用自适应宽带孔径和信号处理的灵活性来控制电磁频谱,并在保障雷达/电子战/信息战/通信功能前提下显著降低系统的造价。

 

ONR通过InTop和EMC2项目资助了一系列的样机研发


动态控制射频频谱的构想可以分解为一系列互补的目标:开发、集成并演示新的多波束孔径和子系统,用于支持射频多功能(雷达、电子战、信号处理和通信);通过资源分配功能优化对射频频谱和硬件的使用,演示对多种舰载射频功能的集成和实时协同控制;与海上系统司令部合作,将InTop的通信/传感器一体化系统引入舰船的设计中,以优化舰船的尺寸和性能;通过监视控制电磁互扰提高射频频谱的可用性,发展新的射频频谱作战概念。


InTop项目的最终目标是开发出多种技术、架构和方法,包括:具有更大灵活性的模块化、开放式、可升级射频架构;软件定义功能,通过软件升级快速适应新的威胁或满足新的需求;同步化射频功能,能够支持任务并消除电磁互扰;较小的尺寸、重量和功耗(与传统的桅杆相比);更低的成本(与传统的系统相比);在桅杆上优化部署更多的射频功能;在天线桅杆与平台架构之间实现无缝兼容的集成。


技术演示

除了利用AMRFC和MFEW的成果,InTop项目还采用了很多其他技术成果,包括很多固态电子器件技术开发成果、能降低成本的新型孔径架构(InTop项目最大的挑战就是开发经济可承受的宽带阵列)。另一项重要的成果是在“提康德罗加”级巡洋舰上进行了演示验证的S波段接收孔径,该孔径能够同时产生三个波束用于“标准”导弹的遥测,而且成本比同等性能的碟形天线要低。


还有一个重要的研究基础来自一项为期九个月的海军/工业部门研究项目,参与的公司包括ATK空间系统公司、BAE系统公司、波尔航天技术公司、DRS信号解决方案公司、通用动力先进信息系统公司、洛马公司、M/A-COM公司、诺格公司和雷声公司。该项目组在2008年确定了开发和交付开放式射频架构的最佳方式。


基于射频系统的通用架构,项目组成立了四个由海军和工业部门组成的联合团队:收发孔径子系统研究团队;射频和中频子系统研究团队;数字信号处理器和数据处理/软件子系统研究团队;资源分配管理器/软件/作战系统子系统研究团队。此外还成立了集成桅杆项目监督团队,这个团队负责解决系统工程问题,并对另外四个团队进行技术和管理监督。


这些团队需要研究如何将四个通用架构模块进一步划分成模块化的硬件和/或软件单元,并且要采用适应开放式架构的接口。然后还要分析这些模块的架构,使其与通信和传感器系统相适应。


测试平台

在InTop项目中,ONR承建了一系列ADM/技术演示测试平台,用于测试不同的多功能射频系统。这些平台都继承了前期对多功能射频(包括电子战、通信、雷达和信息战能力)的研究基础。


ONR在2010年签订了两个合同用于开发集成多波束电子战/信息战/视距通信ADM。这个ADM将用于支撑SEWIP Block 3项目(Block 3是在Block 2电子支援系统的基础上增加了电子进攻能力)的多功能、多波段、多波束宽带阵列。样机的主要功能包括:X~Ka波段电子进攻、电子进攻支援、“鹰链”、通用数据链(CDL)数据交换功能、辐射源个体识别/电子支援、信息战支援功能。而卫星通信只是一项辅助功能。


InTop项目还使用了由ONR的高吞吐量网络架构项目所开发的低成本、窄带相控阵技术,用来支撑通用数据链(CDL)的通信功能。窄带CDL和宽带InTop阵列都能够提供多波束能力,但InTop阵列在波束形成、干扰置零和频率覆盖方面具有更大的灵活性。


接收阵列能够提供的波束数量取决于具体的数据链通信需求。一套CDL阵列(每艘舰上配四个阵列)在单独使用时可以提供8个接收波束,而在使用俯仰分集的接收方式时(为了消除多径和大气效应),可以提供4个接收波束。一套InTop接收阵列(每艘舰上配四个阵列)最多可以支持16个通信链路,而在保障最大通信距离的前提下,也可以支持4个通信链路。


ONR的多波束射频多功能(电子战/信息战/通信)样机包含四个宽带AESA收发阵列,覆盖C波段至毫米波波段


同样的,发射阵列也要根据所支持通信链路的数量来规划阵列的尺寸。两个阵列不仅可以单独支持通信链路,还可以集成使用,实现通信冗余、多径消除、频率分集的能力,利用空间隔离在现有的频率范围内实现所需数量的通信链路,通过接收阵列资源配置加强舰船的用频管理,避免频率互扰和频率冲突。


诺格于2012财年开始建造多波束电子战/信息战/通信ADM,建造团队还包括哈里斯公司和波音公司。该模型于2014年交付给NRL的切萨皮克海湾分部。2015年10月和11月,演示了电子战、信息战和通信的同时多功能。目前这个ADM已经移植到SEWIPBlock 3项目中。


另一套射频多功能样是雷声综合防御系统公司的灵活分布式阵列雷达(FlexRadar),这个项目的合同是2014年上半年签订的。FlexRadar旨在演示基于网络协同和精确时间同步的雷达单元级数字波束形成新能力。将先进的数字技术引入雷达前端,可以实现灵活动态的多功能雷达,这样的雷达能够执行监视、通信和电子战等一系列任务。


雷声公司表示,FlexDAR将会开发能够增强未来雷达传感器功能的技术,包括底层的软件定义数字可重构技术。FlexDAR将演示雷达功能和雷达间的通信功能,可以实现双基地的交换与控制。双基地雷达可以提供更远的探测距离和稳定跟踪距离,而且比现有的单基地雷达具有更好的电子防护能力。


FlexDAR的设计工作已于2015年4月完成。雷声公司正在建造两部相同的多功能阵列天线,将来会安装到NRL进行演示。DeLong表示,FlexDAR的前端阵列计划在2016年底交付。NRL已经完成了后端处理软件,目前正在雷声公司与前端进行集成。


洛马公司承担的潜艇和舰船加固型卫星通信项目也是InTop项目的一部分。该项目在2012财年完成了宽带潜艇卫星通信天线的最终设计并开始生产。目前该天线的X波段发射阵列已经在海军水下战中心成功完成了液压测试,接收阵列正在进行最后的集成和测试。而对于舰船的加固卫星通信,ONR已经完成了多种架构的研究,并开发新型好几个波长比例缩放阵列和印制阵列。这些工作都是在为后来的ADM做准备。


NRL的集成桅杆设备


InTop项目的早期研究工作被称为低波段加固信息战/通信项目,该项目为8GHz以下的射频系统定义了总体系统架构和关键的系统需求。项目后来更名为低波段智能分布资源(LowRIDR),ADM子系统目前的开发工作属于EMC2项目。


InTop项目中另一个重要的组成部分是低级资源分配管理器和架构开发(LLRAM&ID)。这项功能于2011年下半年交给诺格公司进行开发,主要是管理资源分配、优先级排序、校准和系统内频率去冲突,以优化射频性能。软件的维护将由NRL负责。


LLRAM&ID项目已经完成,并与电子战/信息战/通信ADM进行了集成,目前已经移植到了SEWIPBlock3项目中。相关的研究工作在FlexDAR和LowRIDR中继续开展,并成为EMC2项目的一部分。


技术转化


向SEWIPBlock 2和Block 3的技术转化已经在有序进行,即将开展的一项重要转化是把通信功能(通用数据链是SEWIPBlock 3的基本要求)和资源分配软件纳入到SEWIPBlock 3中。此外,ONR正在寻求把潜艇卫星通信技术转化先进高数据率项目中,并将FlexDAR升级为AMDR (防空反导雷达)。


传统的舰船上层建筑与集成桅杆对比


DeLong表示,将科学技术转化到装备的过程中面临的最大挑战是如何保持集成桅杆的理念不走样。我们需要经过充分测试的、可靠的、经济可承受的系统来满足舰队当前的需求,但同时也要保持开放的架构,便于通过有效的升级来满足未来的需求。


ONR的工作是持续的,最近又启动了EMC2项目,旨在进一步开发控制电磁频谱的能力,以支持海军的电磁机动战概念。


EMC2:实现频谱控制

继InTop和其它早期的技术开发工作之后,ONR目前正在开展EMC2项目。该项目是美国海军电磁机动战(EMW)的组成部分。EMW的前提是能够快速、灵活并有效的利用电磁/赛博环境。EMC2项目旨在交付开放式架构系统能力,这种能力可以根据目标平台的尺寸和任务进行调整,还可以通过资源分配管理器和频谱管理器为美国海军提供实时的射频频谱敏捷性。


EMC2项目是在InTop项目的基础上开发增量的多功能能力和指挥控制能力,并通过系统之系统的方法将这些能力集成到一起。在2015年11月6日发布的一份技术成熟和风险降低(TM&RR)征询通告中,ONR提到EMC2项目将开发硬件和软件密集系统,实现在很宽的频率范围内监视射频频谱的能力,并为射频功能分配最佳的频率和资源,以适应电磁环境和作战需求的变化。


2016年4月,ONR向12家公司授予了不确定交付日期/不确定交付数量的合同,这些公司包括:洛马公司、氩圣公司、诺格公司、雷声综合防御系统公司、EOIR技术公司、SI2技术公司、S2公司、海洋集团公司、Leidos公司、罗克威尔·柯林斯公司、物理光学集团公司和TiComGeomanics公司。这些公司可以根据合同条款展开竞争。这些合同的总金额最高可以达到8亿美元。ONR表示,EMC2样机能够具有射频多功能和资源管理能力,为平台提供更大的灵活性来适应快速改变的战术和战略环境。这些系统采用模块化、开放式的接口,可以在不影响系统基础设计的前提下添加或删除硬件和/或软件,因此可以较方便的集成新的功能。


得益于InTop项目,EMC2项目涵盖了研究、设计、制造、集成、测试和评估等一系列的任务,可以支持原理样机和子系统的开发和演示。从射频、电路到软硬件,都采用模块化、开放式、可升级的架构,就可以将电子战、雷达、通信和信息战等射频功能集成到一套通用的多功能孔径和电路中。


LowRIDRADM也被纳入了EMC2项目。LowRIDRADM的目标包括:用一套通用的共享孔径和处理设备实现HF~C波段的通信和信息战功能,从而减少HF~C波段专用天线的数量;LowRIDR通用天线既可以提供定向波束,也可以提供传统的全向波束;在LowRIDR和各个用户系统的接收机/发射机之间提供通用的开放式信号分发系统;在系统的工作频带内更好的协调多种射频功能。


采用模块化开放式系统方法,LowRIDR可以在系统控制器的控制下基于通用设备实现通信、敌我识别、塔康、信息战和电子战功能。系统控制器使用的是InTop项目开发的资源分配管理器和基础架构。据ONR公布的信息,LowRIDR ADM主要工作在100-525 MHz和0.5-2.7GHz两个频段上。可以实现的射频功能包括Link16、敌我识别、塔康、信息战、电子战和实时频谱行动。


EMC2的另外一个关键部分是指挥控制系统,该系统能够优化所有InTop样机的使用,进而动态的优化所有射频功能的性能,以实现指挥官在所有作战域的意图。ONR目前正在与海军作战发展司令部合作开发新的作战概念。

( 《国际电子战》编辑部供稿 ) 

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