舰载射频综合集成发展刍议

1 引 言

随着科学技术的发展，舰船需要在更加复杂的电磁环境中，通过舰载射频设备实时掌握瞬息万变的海战态势，这就对舰载射频设备的种类、数量、功能和指标有了更高的要求。但舰船装备了大量孤立的、功能单一的天线射频设备，不仅给舰船平台增加了负担，而且影响舰体隐身性设计；甚至引起射频设备间的电磁干扰，使有的设备无法正常工作，全舰综合作战效能难以达到预期目标。为了适应作战需求的转变，解决目前舰载射频设备存在的一些问题，靠单一的射频装备或多种装备的简单叠加已不能满足要求。

舰载射频设备集成是将舰上采用孤立的天线，实现不同功能的单一射频设备采用相控阵或共用孔径等先进技术，分频段地在舰船这个特定的有限空间内与舰体平台和作战系统有机地融合，充分利用和发挥舰船平台、作战系统和射频设备各自的优势，提高舰船的综合作战效能。舰载射频设备的综合优化已成为提高舰船作战能力和生存能力的重要途径之一，也是目前世界上各海军强国水面舰艇发展的重点之一。

本文从舰体平台、作战系统以及射频设备3个层面介绍了舰载射频设备集成的发展过程和重要意义，提出了舰载射频设备集成的发展思路和建议。

2 概念内涵

下文从舰船平台、作战系统以及射频设备3个层面说明舰载射频设备集成技术的内涵：

1) 舰船平台层面

在舰船平台层面，射频设备的集成主要是射频设备的前端部件和有关性能(包括天线、冷却设备以及电磁兼容性等)与舰船平台的一体化设计，目前主要有2种形式：

① 封装集成：由机械扫描天线置于具有频选透波性能复合材料围成的封闭式腔体内，多层腔体堆叠而成。典型代表是美国“圣·安东尼奥”号两栖船坞运输舰上的封闭式桅杆(AEM/S)[1](图1)和以英国45型驱逐舰上为代表的欧洲先进技术桅杆/集成技术桅杆(ATM/ITM)(图2)。

图1 “圣·安东尼奥”号两栖船坞运输舰的封闭式桅杆示意图

图2 英国45型舰先进技术桅杆/集成技术桅杆

② 共形集成：天线采用平面阵或平板形式，贴壁安装于上层建筑主体或桅杆的外壁。典型代表就是美国的DD(X)驱逐舰的集成上层建筑[1,2](图3)。

图3 DD(X)驱逐舰共形集成上层建筑

根据舰船使命任务、综合作战效费比和射频设备集成技术发展的程度不同，射频设备集成在舰船平台层面上可分为部分共形集成与全共形集成2个发展步骤:

a. 部分共形集成：全舰部分射频设备以集成设计形式装舰，部分射频设备以离散形式装舰。

b. 全共形集成：将雷达、电子侦察与干扰、敌我识别、通信与通信对抗等射频设备天线进行全阵面化(或平板化)高度集成，并分频段以多组模块形式装舰。

2) 作战系统层面

舰载作战系统对射频设备的集成大致可分为3个发展阶段[3-5]。

20世纪70年代初期作战系统的设计是将大量现有的传感器、武器和众多显示器、控制器、控制台集成在一起，构成了集中式系统。集中式系统是指：由一台或一组计算机统一接收或处理各种原始数据，集中实现作战指挥和武器控制功能。这个阶段射频设备与中心计算机间传输的主要是视频模拟量，航迹信息由航迹处理机集中负责提取。作战系统对射频设备的集成是以视频模拟量为主要信息载体，以中心计算机(航迹处理)为核心的集中方式。如法国海军SENIT战术数据处理系统1-3型、英国海军ADAWS4作战数据自动化系统都是比较典型的集中式系统。如图4所示。

图4 以视频模拟量为主要信息载体的集中式集成

20世纪80年代至90年代初，随着计算机网络技术的发展，分布式系统成为了作战系统发展的主流，分布式系统的显著特点是分布式结构，分布式总线、网络技术、标准化和通用化的设备，大量采用微机、软件机接口等，分布式计算结构与集中式计算是不同的。它将一个大的计算任务分割成许多小的步骤或计算机程序。然后这些小的程序被分发到许多计算机中，以充分利用所有计算机的处理能力。分布式根据其程度的不同又可划分为局部分布式和全分布式：局部分布式的系统是通过分布式总线实现数据资源共享，全分布式的系统是实现在地点、功能、控制上的完全分布。这个阶段还处于分布式的初级形式——局部分布式。

在该阶段的分布式作战系统里，射频设备通过作战系统网络交换的不再是视频模拟量，而是以目标参数信息(比如目标航迹等)为主的数字信息，而且航迹信息的产生也不再由航迹机集中提取，而是各射频设备分别产生。作战系统对射频设备的集成发展到以目标信息(目标航迹、目标参数、姿态信息等数字化参数)为主要信息载体，采用分布式的集成方式(图5)。如美国海军采用分布式局域网络改造宙斯盾作战系统和DD(X)驱逐舰作战系统；英国海军全分布式水面舰船指挥系统SSCS；法国海军TAVITAC-2000指控系统(用于护卫舰)和开放式系统结构SENIT-8(首装于“戴高乐”号航母)。

图5 以目标信息为主要载体的分布式集成示意图

随着数字技术和网络技术的发展，未来射频设备中越来越多原来需要由硬件或模拟设备独立实现的功能，逐渐由有软件或数字化的通用模块替代，数字化的进程逐渐向射频设备的前端靠近，将逐渐实现目标信息的主要载体从视频模拟量到航迹数字量再到数字信号量的发展。因此，可以说未来作战系统对射频设备的集成将是以数字信号为主要信息载体的通用功能模块的集成，同时也将是未来作战系统集成的发展趋势。如图6所示，该阶段有如下特点：

1) 各分系统的管理和资源的分配通过高速实时网络实现了统一调度管理，方便了资源的共享和信息的融合。

2) 采用大量多功能通用功能模块，各种功能模块均以软件的形式实现，软件模块都运行在统一的硬件平台上，为功能的动态重组提供了技术基础。

图6 以数字信号为载体的功能模块集成

综合以上分析，在作战系统层面，作战系统对舰载射频设备的集成可以概括为3种形式：模拟视频化集成、信息数字化集成和信号数字化集成。其主要内涵是以“小粒度”的原则对射频功能模块的划分和以全分布、开放式体系结构对全舰射频功能的“大集成”。

3) 在射频设备层面

在射频设备层面，射频设备经历了从单一功能系统到多功能系统再到一体化综合射频系统的3个发展阶段[5-7]。

第一阶段为分立式单一功能的射频设备。在此阶段，射频设备主要以机械扫描的方式实现对目标的电磁探测，射频设备各功能是各自独立设计的。一种功能、一套设备，具有各自的传感器、处理器、显示器，不相互联系,基本上是不同的分离传感器完成各自不同的功能，传感器之间缺少综合与协调。比如，传统的常规雷达分为远程警戒雷达、目标指示雷达、对海探测雷达、火控雷达、照射雷达、二次雷达等多种形式，而且雷达体制也多种多样，如目标指示三坐标雷达主要有频扫、相扫、相频结合以及多波束等体制；火控雷达也有圆锥扫描、单脉冲、隐蔽锥扫等体制。

第二阶段，以相控阵雷达和综合电子战系统为代表的多功能射频设备，是目前射频设备的发展主流，得到了广泛的应用。舰载相控阵雷达通过计算机控制波束实现电扫，使其能具有同时完成搜索、跟踪、制导等多种功能，能取代多部搜索雷达和跟踪雷达。组合式的综合电子战系统具有了初步的数据融合与综合管理，能进行威胁数据综合，并对威胁目标自动响应。目前世界上装备舰艇最多的美国SPY-1系列多功能相控阵雷达，装备了“提康特罗加”级导弹巡洋舰(以下称“提”级)和“阿利·伯克”级(以下称“伯克”级)导弹驱逐舰，能对空中和海面目标进行搜索、跟踪，为“标准-2”、“标准-3”导弹提供制导。而美国海军的AN/SLQ-32(V)综合电子战系统是世界上最早将雷达电子侦察 、有源电子干扰 、无源箔条和红外诱饵综合为一体的多功能舰载电子战系统。

虽然这个阶段比分立式单一功能系统有了大的进步，但其各多功能系统的前端或传感器仍是分立的，各独立系统之间几乎没有任何联系，更没有信息综合或融合。对每个威胁都得采取单独的响应措施。系统功能不能代替，更不能立即由其它功能单元动态重组来执行出故障单元的功能。

第三阶段是共用宽带孔径的多功能射频综合集成的概念，是在相控阵的基础上，通过将许多功能共享一个传感器孔径和传感器前端，来实现多个射频功能。该阶段以美国海军于20世纪90年代中后期开始启动“先进多功能射频系统[8,9]”演示验证项目为代表。该项目的目的是对用宽带射频孔径来实现典型的雷达、电子战和通信的功能进行技术探索和演示验证。其关键技术是采用宽带共用孔径天线技术，实现将多个天线功能结合到一个孔径中。就射频设备集成而言，它是将雷达、电子战及其它射频设备功能集成到一个硬件设备上的重要技术基础。

3 意 义

射频设备集成的意义，也可以从舰船平台、作战系统和射频设备这3个方面进行阐述：

1) 从舰船平台层面。射频设备的集成给舰船的外形，特别是上层建筑的外形带来了革命性的变化。按国际舰艇技术发展趋势，舰艇的上层建筑逐步趋向小型化。舰载射频设备集成技术是实现舰艇上层建筑小型化设计的关键技术之一。如对于航母，小型化上层建筑不仅能大大降低航母RCS，还可扩大飞行甲板的利用率，提高航母载机能力，减轻上层建筑对飞行气流场的干扰；对于驱逐舰，小型化上层建筑不仅能大大降低RCS，减小被敌早期发现的距离，改善全舰电磁兼容性，还能留出更多的甲板空间，布置更多的攻击打击武器，提高全舰作战效能。

2) 从作战系统层面。作战系统对射频设备进行集成设计后带来的好处主要有2点：作战系统设计方面和作战系统使用方面。

在设计方面，符合作战系统一体化发展的趋势，更便于作战系统的优化集成设计：射频设备的集成无论是从硬件结构还是从软件分层来说都与作战系统的发展吻合，如逐渐采用成熟商用技术、采用开放式结构、采用软件中间件等,更有利于作战系统从作战需求出发，统一规划射频设备功能；更有利于合理分配各射频设备的资源;更有利于合理地设计射频设备在作战中的使用流程;更有利于应用接口的规范设计。

在使用方面，它增强了作战系统射频资源共享和动态重组能力：射频设备的集成将射频设备划分为若干小粒度的功能性标准模块，在模块间进行统一的应用接口设计，从而克服了信息或设备资源不能共享造成的资源浪费，在较大程度上实现了射频资源(频率资源、时间资源、信息资源等)的共享；另一方面，通用功能模块可以根据所执行任务性质和要求在作战过程中重新配置，保障对整个任务起紧急作用的某些功能得以顺利完成。

3) 从射频设备层面来说：射频设备的集成充分利用和发挥各射频设备的优势，提高设备资源冗余度、利用率和可维修性。射频设备集成设计由于采用多功能通用模块，可通过各系统之间资源共享来提高系统资源的冗余度，即当某一模块失效时，可通过使用另一分系统中的相同功能模块来替代；另外，各模块都具有故障检测/隔离能力，提高了模块级的可靠性、可测性和可维修性。除了硬件本身高可靠性技术的支持外，软件重组能力也为利用率提供额外的保障。

4 系列化发展

系列化是将同一品种或同一型式产品的规格按最佳数列科学排列，以最少的品种满足最广泛的需要的一种标准化形式[10]。它通过对同一类产品发展规律的分析研究和国内外市场发展趋势的预测，结合生产技术，经过全面的技术经济比较，将产品的主要参数、要求、尺寸、基本结构等做合理的安排与规划，以协调同类产品和配套产品之间的关系。系列化的目的是合理地简化产品品种，提高设备的通用化程度。这对于缩短产品的研制周期、降低研制费用、提高产品在市场上的竞争力等，都具有重要意义。

下面从美国海军的“伯克”级导弹驱逐舰、宙斯盾作战系统以及AN/SPY-1系列雷达为例，从舰船平台、作战系统以及射频设备3个方面来分析系列化的发展和它们间的对应关系，如图7所示。

图7 美国海军系列化发展的示意图

“伯克”级驱逐舰(首舰DDG-51)，是世界上第一艘装备宙斯盾作战系统的驱逐舰，具有对陆、对海、对空和反潜的全面作战能力。该级舰共建造62艘(DDG51～DDG112)，形成了3种系列型号，即I型——DDG51～DDG71，Ⅱ型——DDG72～DDG78和ⅡA型——DDG79～DDG112。它们都具有相同的舰体和动力装置，不同之处主要表现在装备的作战系统的系列化改进和更多高新技术的应用。

宙斯盾作战系统是目前世界上装备数量最多，最成功的舰载作战系统，已经形成了一个作战系统系列。迄今为止，宙斯盾作战系统系列已包括8种系列类型，即基线0～7型[11]。宙斯盾作战系统系列的形成过程就是美国海军作战系统系列化的不断改进和升级，使之一直处于世界领先水平的过程。

基线0型是宙斯盾作战系统的原始基本型，以AN/SPY-1A雷达多功能相控阵雷达为核心。

基线1型是在基线0型的基础上采用AN/UYK-7计算机等系统(设备)略加改进。

基线2型在基线1型基础上增加了Mk41导弹垂直发射系统、“战斧”巡航导弹以及AN/SQQ-89声呐等。

基线3型的主要改进是采用了AN/SPY-1B相控阵雷达，AN/SPY-1B雷达在AN/SPY-1A雷达的基础上改善了对干扰环境下低飞的小雷达截面导弹的跟踪性能；

基线4型在基线3型的基础上采用了改进的AN/SPY-1B(V)雷达和AN/UYK-43/44计算机代替了早期的AN/UYK-7计算机。

从基线4型开始，宙斯盾作战系统开始装备“伯克”级驱逐舰。相对于装备“提”级巡洋舰上的基线4型，“伯克”级驱逐舰上的基线4型主要不同在于采用的是AN/SPY-1D雷达，是专门针对“伯克”级驱逐舰进行了适应性改进。

基线5型的主要改进包括增加“标准”SM-2Block IV增程舰空导弹、联合战术信息分布系统16号战术数据链等。

基线6型的改进主要包括采用适合近海作战的AN/SPY-1D(V)相控阵雷达,改进识别系统,提高协同作战能力以及采用分布式局域网互连各分系统。

基线7型是宙斯盾作战系统的最新改进系列，其主要特点是首次采用了商用成品(COTS)计算机来取代AN/UYK-43一类美国海军标准计算机，采用分布式、开放式体系结构，使系统更新升级更加灵活。

宙斯盾作战系统的核心AN/SPY-1系列雷达是美国海军70年代研制成功、80年代初开始装舰服役的一种无源舰载多功能相控阵雷达，它工作在S波段，具有搜索、跟踪和制导等多种功能。SPY-1系列雷达采用了积木式的功能模块化设计和大量的标准化电子元件，为系列化的发展奠定了坚实的基础。目前AN/SPY-1系列雷达现已发展出 AN/SPY-1A、AN/SPY-1B、AN/SPY-1C、AN/SPY-1D和AN/SPY+1D(V)多种系列类型。其中AN/SPY-1为试验型(未装备)；AN/SPY-1A为首批定型雷达，AN/SPY-1B和 AN/SPY-1D在 AN/SPY- 1A的基础上对天线组合、信号处理机以及控制器等进行了改进，在降低成本、减轻重量、缩小体积、提高可靠性和可用性以及抗干扰性能等方面都取得了显著成效，从而更有效地对抗低空飞行和小雷达横截面导弹，其中AN/SPY-1D还针对“伯克”级驱逐舰进行了单舱单发射机的改进； AN/SPY-1D(V)型为 AN/SPY-l的最新改进型，改进的目的是对付沿海环境中出现的多种威胁，提高了雷达在具有大量杂波的环境中对抗难以观察到的目标的能力。

从以上分析和图7中可以清楚地看到，射频设备的系列化发展可以实现一型射频设备对应多型作战系统，而作战系统的系列化可以实现一型作战系统装备多艘舰平台。因此，无论是舰载射频设备、作战系统还是舰平台都应大力发展标准化、模块化设计，根据不同舰船所承担的使命任务、作战效能以及经济成本等综合因素进行系列化设计，走基本型派生发展的道路，实现“一机多用”、“一机多型”。

5 结束语

舰载射频综合集成是一个非常复杂的系统工程，涉及舰平台、作战系统和射频设备等多个方面，既需要有舰总体、作战系统总体的统筹规划、顶层设计，也需要射频设备在如宽带孔径、软件无线电等关键技术上的突破；同时还需综合考虑技术和成本等综合因素，注重经济和效能的平衡性。

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