舰载多功能综合射频系统应用与发展*

秦碧野 饶世钧

（1.海军大连舰艇学院学员五大队 大连 116018）（2.海军大连舰艇学院信息系统系 大连116018）

1 引言

未来信息化海上联合作战是作战体系间的高强度对抗，水面舰艇作为海战场的关键作战平台承担的作战任务越来越重，面临的威胁也越来越多。而舰载电子设备作为水面舰艇的信息作战装备，必须保障舰艇在复杂电磁环境下全面掌握战场态势，为本舰及编队舰载武器系统提供精准的目标指示，迅速准确进行电子进攻和防御，及时完成目标毁伤评估，掌握战场信息主动权。军事需求推动了世界多国进行多功能综合射频技术的研究，发展势头较为迅猛，但从发展现状来看，其过程中依然存在诸多技术难点和不足之处，本文通过对国内外舰载综合射频技术发展情况进行阐述，并分析舰载综合射频系统作战运用需求及技术改进难点，提出舰载综合射频系统建设发展建议，能够为舰载综合射频系统一体化设计提供参考。

2 舰载多功能综合射频系统发展情况分析

考虑到综合射频技术可在未来海战中发挥出巨大作用，世界海军强国纷纷进行综合射频技术的研究与试验。

2.1 国内发展情况

由于我海军舰载信息系统建设起步较晚，技术力量相对薄弱，发展过程中面临的问题较为突出：1）水面舰艇舱面以上各型天线较多，舰艇RCS普遍偏大；2）众多辐射源堆集在空间有限的平台上，经常出现射频遮挡以及电磁干扰问题；3）各传感器间相互抢占资源，难以统一管理调度分配；4）传统信息系统设备尺寸、重量较大，功耗、成本较高；5）系统的非模块化设计增大装备的保养难度，需要投入大量的保障资源。

052C型驱逐舰相控阵雷达的成功研制对于海军舰载信息系统建设具有里程碑式的意义，大幅度提升了海军舰载信息系统作战能力，在其基础上研发的052D型驱逐舰相控阵雷达战技性能有了较大的提升，055型驱逐舰多功能综合射频系统有效地解决了舰载信息系统建设过程中存在的诸多问题，标志着我海军在综合射频技术领域迈出坚实的一步，但距离实现舰载信息系统真正的“综合一体化”还有很长的路要走。

2.2 国外发展情况

2.2.1 美国海军

美国海军最早步入综合射频的研究轨道，在舰船上率先应用多功能综合射频系统，并先后开展多项相关研究和试验［1］。其中包括：快速反舰导弹综合防御系统（Rapid Anti-ship Integrated Defense System，RAIDS）；舰艇自防御系统（Ship Self-Defense System，SSDS）；先进综合电子战系统（Advanced Integrated Electronic Warfare System，AIEWS）；先进多功能射频系统（Advanced Multi-function Integrated RF System，AMRFS）；多功能电磁辐射系统（Multi-function Electronic Radiation System，MERS）；双频段雷达（Double Band Radar，DBR）；综合桅杆技术（In Top）；综合防空和导弹防御雷达（Air and Missile Defense Radar，AMDR）；波长比例缩放阵列计划（wavelength-scaled array，WSA）等。文献［2～11］对上述项目和计划中所进行系统和设备的战技性能研究分析较为全面透彻，在此不做赘述。

基于In Top和其它早期的项目研究工作，美国海军研究办公室（ONR）目前正在实施电磁机动指挥与控制（Electronic Maneuvering Command and Control，EMC2）技术发展计划［12］。该计划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、有效地利用电磁/赛博环境，而EMC2的目的就是保证美国海军在较为广泛的频率范围内管理和控制无线电频谱的能力，并对任务要求和作战区域电磁环境快速反应，及时为实现不同功能分配最佳的资源和频率。得益于In Top的研究成果，EMC2中的射频部分、电路部分和软硬件部分，都采用模块化、开放式、可升级的架构，使系统可以灵活适应平台尺寸和任务变化。因此，系统可以将电子战、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，实现包括Link16、IFF、塔康、EW等射频功能和实时频谱行动。同时，EMC2开放式的系统结构可以使其与之前研究综合射频技术的成果（包括C4ISR）整合在一起，使系统能够实现资源分配、频谱管理、发射操控和电磁机动的功能。EMC2另外一个关键部分是其指挥控制系统，该系统能够动态地优化所有射频功能的性能，以保证指挥官在所有作战区域的意图得以实现。

2.2.2 其它国家海军

英国皇家海军采用先进技术桅杆（Advanced Technology Mast，ATM）技术的45型驱逐舰，以及基于45型驱逐舰提出的明日战舰UXV；德国海军使用“集成多探测器桅杆”（IMSEM）技术的F125级护卫舰，以及基于F125级护卫舰IMSEM技术的FDZ-2020级未来护卫舰；法国海军舰艇建造局（DCN）最近推出新一级正处于概念开发阶段的护卫舰“剑舰”；荷兰皇家海军装配I-MAST400舰用综合桅杆的新型Holland级巡逻舰；意大利海军装备集成模块化桅杆项目（MITOS）的新型多任务远洋作战巡逻舰PPA；西班牙海军最近正在设计研发采用最新的综合射频技术成果和一体化桅杆设计理念的F110级卫舰。文献［13～15］对上述六个国家海军综合射频技术的发展以及在舰艇上的应用进行了详细的介绍和分析。

2017年6月，俄罗斯海军20385型护卫舰首舰下水。该舰采用了Zaslon公司前期研发综合射频技术的最新成果：被命名为Zaslon的“多用途海军雷达系统”。系统主要由桅杆顶部的S波段旋转雷达天线、桅杆上部X波段有源相控阵雷达天线（4面）、桅杆下部无源相控阵雷达天线（4面）以及包括电子战在内的各类用途小型天线组成。其综合桅杆构成如图1所示。

Zaslon系统功能较为强大：1）根据舰艇执行不同任务划分优先级，并自动对目标进行识别、分类、威判；2）被动探测无线电信号源并对通信信号进行侦收和甄别，对辐射设备的种类和型号进行分类记录；3）为武器火控系统提供目标指示；4）为空中作战平台执行任务提供信息支援；5）工作过程中自动进行状态监控和故障排查。

3 舰载多功能综合射频系统的概念、组成及优势特点

3.1 综合射频技术的概念和系统组成

综合射频技术是指用较少的分布式宽带多功能孔径取代目前平台上为数众多的天线孔径，采用模块化、开放式、可重构的射频传感器系统体系架构，并结合功能控制与资源管理调度算法、软件编程，同时实现雷达、电子战与通信、导航、识别等多种射频功能［16］，从而实现资源共享。

结合综合射频技术基本概念及工作原理，舰载综合射频系统应包括：1）综合一体化天线孔径；2）自适应数字波束形成部件；3）各波段信号的产生与接收部件；4）系统功能软件；5）系统自检与校正部件。

图1 俄罗斯海军20385型护卫舰及综合桅杆构成

3.2 舰载多功能综合射频系统的优势特点

由上述综合射频系统的组成和功能需求可以看出，该系统是由软件来定义的、可以执行多样化射频任务的先进射频系统。其优势特点主要体现在以下几个方面：

1）集成度高，生存力强

通过集成技术将各个分系统高度集成为一体，大大减少了舰载传感器的种类和数量，改善顶部天线拥挤的局面，简化结构外形，有效降低了舰艇的体积重量。重要的是在大幅强化舰艇整体的电磁兼容性能的同时，降低舰艇RCS提升隐身性能。同时，基于数字阵列体制的舰载雷达实现了超低副瓣和自适应零点技术，此技术既减少干扰信号对系统工作的影响，也减低射频信号被截获的概率，系统具有较强的电子对抗和对抗反辐射导弹的能力［17］，大大提高了舰艇的生存力。

2）维护便捷，成本降低

由于系统采用模块化的设计理念，同时具备自检与校正功能，维护较为便捷，维护成本有所降低。硬件方面：一体化设计降低了专用备件的数量，实现了射频单元的共用，降低了系统成本，同时，采用开放式系统结构，具有统一的标准接口，功能模块若有故障可立即更换，从而降低维护成本；软件方面：系统功能主要由软件定义，大量采用货架技术，易于扩充和升级，显著降低了系统升级成本，同时，功能一体化设计大大减少了操作和维护人员，降低维护成本。

3）功能多样，性能优异

综合射频技术可以实现雷达设备、电子战设备、通信设备的有机结合，克服单一设备存在的固有缺陷和不足，最大限度发挥武器系统的整体作战能力。综合射频系统可以根据战场实际需要，在频率使用、功率发射、收发孔径、频带宽度和极化方式等方面实现动态的资源分配和管理，用统一的多功能射频模块构建出一个兼具任务规划、导航通信识别、目标探测、跟踪识别、威胁判断、态势感知、交战观察等多种能力的舰载一体化综合射频系统，从而，可使水面舰艇更加出色的完成防空反导、对陆攻击、反潜作战、对海打击、火力支援等多种作战任务。

4）共享资源，操控简易

综合射频系统在后端资源管理设备的控制下，统一对资源进行合理分配和调度，其过程不需要人工干预，自动化程度较高，系统在良好的协同工作模式下可大大减少操作人员，可以想象，未来在AI技术和战场自动感知技术的加持下，系统完全能够实现无人操控。

4 舰载多功能综合射频系统的技术难点

1）孔径/天线综合技术

孔径/天线综合是综合射频技术得以实现的前提，也是与传统射频系统的根本区别之处。孔径/天线综合是指利用宽带多波束技术将多个天线功能整合在一个（部）孔径/天线中，消除天线数量过多导致的质量大、占用空间多、布局杂乱等不利影响，提高天线的电磁兼容性和射频综合配置管理。

2）射频综合处理技术

由于系统的性能、成本、体积、重量等战技指标受到射频部分不同组件之间集成度的影响，因此，系统需要多种功能模式满足不同频带宽度、威力范围、环境因素的综合要求。就目前射频综合处理技术发展现状，普遍采用独立设计的通道来满足不同功能的需求。下一步，需要解决采用统一的通道来满足系统不同功能的问题，实现真正意义上的射频一体化设计。

3）高速数据处理技术

综合射频系统根据雷达、通信、导航、电子战等不同功能产生大量自适应数字波束以满足不同任务需要，同时要对实现各功能所需处理的数据进行快速并行计算。因此，多功能综合射频系统大瞬时带宽的产生需要超强的数据处理能力来实现，同时，根据不同的任务进行实时的数据转换和分发同样要求系统具有超强的数据处理能力。因此，还需要开展在高速数据处理技术支持下进行大吞吐率数据的分发、转换和处理等方面的研究［18］。

4）系统资源协同调度技术

舰载综合射频系统需要根据战场态势和环境综合协同调度各类传感器和电子设备执行侦察预警、电子对抗、导航、通信、IFF等多样任务。系统资源协同调度的主要功能是从系统各个部分接收事件请求信号，系统通过一系列算法根据时间、资源决定执行或丢弃事件，同时将待执行事件按照一定的排队序列送到系统各模块。因此，系统资源协同调度能力是能否最大限度灵活发挥出综合射频技术一体化优势的基础。

5）系统自检与校正技术

综合射频系统工作时要求所有模块具有很高的一致性，因此，系统在正常工作的条件下必须能够自检出所有的误差并及时进行校正。自检和校正对于系统实现不同功能准确发射高可信度波束与接收低失真波形来说是最基本的前提。因此，处于多种工作模式下的系统实时自检和自动校正也是一个技术难点。

5 发展建议

借鉴国外的研究成果和发展历程，立足当前存在的技术难点，着眼未来作战体系的使用要求，对舰载综合射频系统建设提出几点建议：

1）射频前端需进一步综合

在当前综合射频系统的设计和应用中，可以实现用一组综合型天线替代大量的分立型天线，但天线/孔径技术的发展现状还不能支撑一个（部）孔径/天线完成所有的孔径/天线功能。此外，在实现孔径共享的同时还要实现波束的自适应形成和对其灵活的控制。因此，系统射频前端的进一步综合，以及根据不同任务需要对天线子阵/全阵工作模式的转换和天线重构等问题还需进一步解决。

2）综合调度技术与协同指挥能力需进一步提高

虽然当前各型相控阵雷达都已用到资源协同调度技术。但是，这些资源协同调度技术和协同指挥能力已不能支撑综合射频系统在未来复杂电磁环境下完成高强度作战任务。因此，需不断推进系统资源协同调度技术向前发展，要以作战任务需求为牵引进行资源综合调度分配、多传感器协同指挥，生成出与作战任务匹配的灵活高效的作战方案，以应对未来海战多样化作战任务、复杂的电磁环境和瞬息万变的敌我态势等严峻挑战。

3）系统综合显控设计需更加合理

当前，综合射频系统的显示控制端可以实现对系统中的信息进行综合显示、系统操作控制等功能。操作者也可根据不同作战任务（防空反导、反潜、对海打击等）提取所需态势信息，但随着未来海战节奏、烈度的不断升级，相同时间内信息量成倍增加，怎样根据不同任务合理地显示出战场综合态势、更好地实现人机交互以及增强指挥员战场态势感知是综合显控设计需要解决的当务之急。

6 结语

通过研究国内外舰载综合射频系统发展现状，不难发现，综合射频技术已成为世界海军竞相争夺的信息化制高点。考虑到舰载综合射频系统的技术优势和强大功能，舰载综合射频系统的发展必将为海军信息化建设带来革命性的进步。可以预见，舰载信息系统的迅速发展必将改变未来海上作战方式。因此，舰载综合射频系统发展建设只有沿着适应未来信息化海上联合作战的思路不断创新，克服关键技术难点，才能在未来海战中夺取信息优势，赢得海战胜利。