舰载相控阵雷达与超视距通信一体化技术研究

左 斌，冯 雷，甘启光

(1.南海舰队参谋部信保处，广东 湛江 524002；2.中国人民解放军96275部队，河南 洛阳 471003；3.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

舰载相控阵雷达与超视距通信一体化技术研究

左 斌1，冯 雷2，甘启光3

(1.南海舰队参谋部信保处，广东 湛江 524002；2.中国人民解放军96275部队，河南 洛阳 471003；3.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

针对现代作战平台实现小型化和多功能化的需求，提出了在舰载相控阵雷达中增加超视距功能，是未来作战平台电子综合一体化系统的主要发展方向。从雷达系统和通信系统二者的工作频率、发射功率、信号波形和信号带宽等方面，介绍了舰载相控阵雷达与超视距通信的共用基础、共享的可行性及共享的方式，给出了舰载相控阵雷达与超视距通信一体化装备的解决方案，并根据某种雷达装备的主要技术参数对超视距通信能力进行了示例分析，为雷达与超视距通信一体化设计提供了一种可行的技术思路。

雷达-通信；一体化；相控阵雷达；超视距通信

0 引言

过去一段时间以来，雷达和通信在作战平台上被严格区分，在各自的应用领域中几乎平行发展，形成了独立的发展方向。这种发展方式，造成了相关电子设备模块化集成度低、重量体积功耗大、成本高且融合困难[1]。事实上，雷达和通信作为信息发送、获取和处理的典型方式，虽然在功能、应用和实现方式有显著差异，但从它们的系统架构、硬件组成、工作频率和信号处理算法等方面来看，又有许多相同的地方。

在信息化战争条件下，面对日益复杂的战场环境，作战平台需要配备多种型号的雷达设备和通信设备，多种电子装备的简单堆砌，不利于作战平台综合对抗能力和作战效能的发挥。对雷达系统和通信系统进行功能整合和硬件共享，不仅是未来作战平台电子设备综合一体化的主要发展方向，而且将雷达系统和通信系统进行多功能一体化设计，利用雷达系统的相控阵天线采用的自适应置零，低旁瓣等抗干扰技术，可提高通信系统的抗干扰能力和抗毁能力，克服传统通信系统传递情报速度慢、保密性差等方面的不足[2-3]。

本文从船载雷达系统和通信系统一体化的实际应用需求出发，主要分析了二者共用的基础和几种共享方式，并根据某型雷达系统的主要参数，对实现超视距通信的能力进行了计算和仿真。

1 国内外研究情况

雷达与通信一体化在国外的研究比较早，已经有实用化的装备，而国内的研究还处在探索阶段。特别是美国，目前已经有了实战化的装备，其典型代表的装备是美国空军F-22A战斗机平台上装备的APG-77雷达[4]，该雷达天线能同时产生多个波束：用第1组波束来检测和定位空中或地面目标，可引导第2组波束对目标进行干扰，用第3组波束与己(友)方进行协同资源通信。也就是说，以前分别由飞机上雷达天线、干扰天线和通信天线等各自独立天线完成的功能，现在由一个有源相控阵(AESA)天线几乎同步完成，实现了雷达和通信等多种功能的一体化。APG-77雷达的通信发送速率达548 Mb/s，接收速率1 Gb/s。近些年来，关于舰载平台的相控阵雷达与超视距通信一体化设计又成为一个全新的综合性研究内容。美国近年来已对此开展了研究，并已取得了一体化装备成果。2007年8月29日美国《每日防务》报道，通过美国雷声公司和L-3通信公司的技术合作，使得有源相控阵雷达可以具有高速数据传输的视距外通信能力。

目前，尽管我国在雷达、通信系统等方面的研究已取得了很多成果，并积累了丰富的工程经验，但在一体化方面的研究还落后于欧美，技术成果很少。

2 现状分析

近年来，国内相关科研院所及高校，在雷达与通信一体化设计及工程化方面进行了深入研究，在体系构建、系统仿真、波形设计和综合射频等方面做了不少应用研究工作，做出了工程样机，也在实验室条件下对一些关键指标进行了验证测试，比如通信距离和传输速率等。根据文献[5]，国内某研究所在实验室条件下完成了相距2 km的中心站与外围站间通信测试，中心站平均速率可达155 kb/s。但是相关研究都是基于视距条件下展开的。本文以超视距条件下的应用为背景，就舰载相控阵雷达与超视距通信共用的基础、一体化装备的实现方案以及一体化装备的通信能力等方面进行初步探讨。

3 共用的可行性分析

雷达的功能[6]是通过接收目标反射或发射的信号确定目标的空间位置、速度和类型等参数，而通信的目的是通过发射电磁波信号以实现信息快速和安全的传递。雷达和通信虽然完成的功能各有不同，但是从它们的系统架构、硬件组成、电磁波频段和信号的处理算法等方面来看，二者又有许多相通的地方。下面从信号工作的频段[7]、发射机功率[8]、调制波形[9]、信号带宽[10]和信号处理算法等方面，详细论述雷达系统和通信系统进行一体化设计的可行性。

3.1 工作频段

现在装备的雷达一般工作在L、S、C、X和Ku等射频频段，而适合超视距通信的信号也在上述相近的频率范围内，二者的信号存在有重叠应用的频率，这是雷达系统和通信系统能够共用的前提条件。

3.2 发射机功率

由于雷达功能各不相同，其发射机发射信号的功率变化范围很宽，发射功率可从几W到几kW甚至到几MW变化；相比而言，通信设备的发射机功率较小，从几mW到几十W，最大的一般也不超过几kW。因此，雷达发射机的发射功率完全可以满足超视距对流层散射通信对信号发射功率的需求。

3.3 调制波形

雷达系统常用的调制波形一般有2种：连续调制波形和脉冲调制波形。雷达系统有一种常用的连续波信号形式是线性调频信号。线性调频的调制信号在通信系统中也得到了广泛应用，这种调制信号既具有较强的抗干扰性能，也具有恒包络特性，可以充分利用发射机功率。线性调频信号在一定条件下也具有隐分集的效果，适合于超视距传输的变参信道。脉冲调制信号波形，在高速猝发通信中也有广泛的应用。

3.4 信号带宽

雷达系统的信号带宽一般比较宽，通信信号相对而言占用的带宽比较窄。通常，在通信系统中，如果传输信息速率为1 Mb/s时，需要的射频信号传输带宽也不超过几MHz。因此，在不影响雷达信号正常工作的情况下，雷达系统的射频带宽完全满足通信信号传输的需求。

3.5 信号处理算法

信息的处理一般分为信息的发送和接收过程，相对应的是对信息的调制和解调。信息处理中具体算法主要有编码、基带成形、数字频率合成、采样、数字变频、滤波和译码等相关算法，这些算法的原理都是相通的。雷达信息和通信信息的处理也都要遵循上述的过程，采用的数学原理和算法基本上相同，只是针对不同的参数和要求有各自的关键算法和侧重点而已。比如，对通信信号而言，主要的要求是更加有效而正确地传送更多的信息；但对于雷达信号来说，侧重的要求是要提高对探测目标的运动参数的检测精度。针对雷达信号和通信信号的处理，采用软件无线电技术进行一体化的信号处理设计，统一雷达和通信对信号处理算法方面的要求。

通过上述这些参数的分析，雷达与超视距通信实现共用的主要条件具备，主要的系统架构相近。根据工作频段、大功率发射机和信号处理算法等因素，二者有选择性地共享硬件资源是可行的。

4 一体化解决方案

雷达和通信系统的工作原理[10]都是利用电磁波的发射和接收来处理信息的过程,在系统的架构组成上体现为二者的子系统有很大部分的重叠[11]。例如：二者的天线系统、发射机、接收机和信号处理终端等。通过对二者子系统组成的分析，通信系统共享雷达系统的主要方式有：

① 只共享雷达设备的天线系统；

② 可共享雷达设备的发射机和天线系统；

③ 共享雷达设备的信号处理终端、接收机、发射机和天线系统。

一体化装备的解决方案既完成对通信信号的处理功能，也能实现对雷达信号的处理功能。这种一体化装备发射的雷达信号是已调制的通信信号，其既具有探测目标功能又具有通信功能。一体化装备可控制相控阵列天线分波束执行不同的功能，一个波束用来通信，一个波束用来探测，支持连续通信体制；也可以只形成一个扫描波束，当扫描到通信站时伺机进行突发通信，当扫描到目标时，返回目标信号，支持突发通信体制。

一体化装备的基本工作过程为:雷达增加通信功能后，如果是脉冲雷达，一体化设计的波形信号经发射机变频、放大等处理后送入相控阵天线，相控阵天线进行电扫，当扫到目标时，返回目标回波，当扫到对端通信站时，首先完成信号的握手，然后进行通信。含有目标的回波或通信信号经相控阵天线送入接收机低噪放、变频处理后送给信号分离器，将目标回波信号和通信信号分离后送给各自的信号接收处理器。雷达与通信共用的系统组成示意图如图1所示。

图1 雷达与通信共用系统组成

5 雷达硬件进行超视距通信的计算示例

共享雷达系统现有的部分模块，利用大功率发射机，也可实现超视距通信功能，但其实质上是对流层散射通信原理。它是利用对流层中大气的不均匀性对微波、超短波和短波的前向散射或反射作用来实现的一种超视距无线通信方式[12-13]，特别是在海面上，借助天然良好的信号传播条件，海面无地形阻挡和舰体天线架高的优势，散射通信表现出较陆地链路更为优良的传输性能[14-16]，更加凸显了其在海域战场的重要应用价值。

对流层散射通信链路的通信距离预计方法按照国际电信联盟推荐的ITU-R P.617-1进行计算[17]，并假定工作环境为光滑地球表面、大气折射指数为340、天线架设高度为10 m、气候区类型为海上海洋性温带气候。雷达的工作频率范围选择S频段，发射功率假定为100 kW。装备主要参数如表1所示。

表1 装备主要参数

通信距离为200～400 km时，预计的通信距离与传播可靠度的关系曲线如图2所示。当传播可靠度为98%时，预计的通信距离为260 km。

图2 通信距离与传播可靠度的关系

6 结束语

讨论了在相控阵雷达系统中实现超视距通信功能的可行性，简要介绍了一种具体的实现方案以及一体化装备中通信能力的仿真分析。雷达与通信一体化的研究是一个循序渐进的过程,具体实现还需要突破很多方面的技术，许多具体问题还有待在今后工作中做进一步的研究和探索。发展雷达与通信一体化是未来我军电子技术发展的一个趋势,也是适应未来战争环境的需要。

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左 斌 男，(1983—)，工程师。主要研究方向：通信装备建设、信息安全技术。

甘启光 男，(1977—)，高级工程师。主要研究方向：散射通信、信号处理。

Research on Integration Technology of Ship-borne Phased Array Radar and Over-the-horizon Communication

ZUO Bin1,FENG Lei2,GAN Qi-Guang3

(1.InformationAssuranceOfficeofSouthChinaSeaFleetStaff,ZhanjiangGuangdong524002,China;2.Unit96275,PLA,LuoyangHe’nan471003,China;3.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

In view of the miniaturization and multi-functional requirements of modern combat platforms,this paper proposes the method of adding over-the-horizon communication function for ship-borne phased array radar,which is one of the development trends of combat platform integration system.Based on operating frequency,transmit power,signal waveform and signal bandwidth,etc.of radar systems and communication systems,the paper introduces a common basis,sharing feasibility and method of ship-borne phased array radar and over-the-horizon communication,and puts forward a solution of integration equipment of ship-borne phased array radar and over-the-horizon communication.According to main technical parameters of radar equipment,the paper analyzes the over-the-horizon communication capability and provides a feasible technical idea for integration design of radar and over-the-horizon communication.

radar-communication;integration;phased array radar;over-the-horizon communication

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.01.16

左 斌,冯 雷,甘启光.舰载相控阵雷达与超视距通信一体化技术研究[J].无线电工程,2017,47(1):67-70.

2016-11-08

国家国际科研专项基金资助项目(2016-137)。

TN926.4

A

1003-3106(2017)01-0067-04