面向防空反导一体化的紧耦合舰载综合射频系统技术研究

蒋莹莹,彭 芃

(中国船舶集团有限公司第八研究院,南京 211153)

0 引 言

随着海军由“近海防御,远海防卫”向“大洋存在,两极拓展”的战略定位延伸,驱护舰等大中型水面作战舰艇不仅承担着传统的区域防空和平台自防御任务,更肩负着远程预警、国土防御、海基协同支援作战等多元化的作战使命。依托于无人系统技术、网络信息技术、人工智能技术的快速发展,未来海上战争势必走向无人化、分布式、智能化和体系化的发展方向,其相应的作战样式也将向“有人/无人混合集群”作战、“广域分布式杀伤”、“多军兵种深度融合”的模式快速演进。在此进程中,空间、水面、水下、岛岸电磁空间“多维一体”制信息权的夺取将成为未来海战的主要特征。集远程海/空目标/辐射源预警探测、远/中/近程武器系统制导、近程电磁干扰、敌我识别及空中交通管制、广域信息接入与共享等多功能为一体的舰载综合射频系统可为水面作战舰艇提供强大、高效的信息保障与信息对抗能力,必将成为各国海军舰载电子信息系统的主流技术体制和装备形态。

1 防空反导一体化

1.1 海基一体化防空反导信息攻防能力需求

海基防空反导一体化的本质在于以本舰、编队、卫星及情报等外部信息源的深度融合为基础,通过作战管理和指挥控制的综合集成,统筹调配各作战单元的软、硬武器系统资源,高效完成平台自卫、区域防空和国土防御作战任务。

依据舰载软硬件武器系统威力与作战定位,通常可将海空作战区域划分为外围、中远程、中近程、末段等4个层次[1],如图1所示。各区域所面临的作战对象、作战任务以及平台对信息保障和信息对抗能力的需求存在较大差异。在从外围区至末端区的防空反导作战全过程中,水面舰艇平台对于信息保障和信息对抗能力的需求呈现出宽频带覆盖(通常从米波至毫米波)、大空间跨度(通常从几公里至上千公里)、信息种类繁杂(涵盖外源情报、主被动探测、数据链等多元异构数据)、多功能任务高度并行(涵盖侦-干-探-通-攻-管-评等多功能任务)等几个显著特点。

图1 水面舰艇平台层次化作战区域与信息需求

1.2 紧耦合综合射频系统概念内涵

紧耦合综合射频系统是指以超宽带射频孔径多功能共享,探-侦-干-通多任务交织并发,全舰信息探测/对抗/存储/处理资源可柔性重构为典型技术特征的下一代高效费比舰载综合电子信息系统,其概念内涵主要体现在以下4个方面:

(1)频谱/功率/孔径资源及上层建筑空间的高效利用

以“C-X-Ku”三频段“雷达-电子战-协同通信”集成和“P-L-S”三频段“IFF-ELINT-RESM-CESM”集成为典型应用的射频孔径共享,可大幅提升舰船上层建筑空间资源的利用效率,在全面提升水面舰艇平台隐身性能的同时,可显著改善舰载电子设备的电磁兼容性能。另外,紧耦合综合射频系统通过多粒度的频谱/功率/孔径资源敏捷管控,为基于超宽带有源射频孔径共享的探-侦-干-通多任务并发提供了有力支撑,可以较为理想地实现任务规划和资源管理的契合。

(2)多源多尺度信息的深度融合应用

与传统的多分立设备集成式综合射频系统相较,紧耦合综合射频系统更注重主动探测、被动侦察、有源干扰等不同工作模式间的动态交替引导,以及历史观监测数据的认知化积累与反馈应用。例如,通过中远程主动探测与ELINT功能的互引导可显著提升海空隐身目标的发现能力及参数捷变辐射源的截获概率;通过ELINT/RESM/CESM一体化设计并结合数据挖掘技术,能够实现散落在广域频谱、长时间序列上电磁信号碎片的长时准确关联,从而显著提高复杂辐射源分选识别准确率;基于强实时高速数据传输链路的跨平台区域级协同则在完成海上辐射源交叉定位等传统功能的同时,可进一步拓展信号级联合检测、协同主瓣干扰抑制等新兴应用。

(3)多视角态势理解与信息呈现

由于接入了更广泛的外部信息源,再结合系统自身多种探测手段的综合运用,紧耦合综合射频系统能够呈现出更为丰富的态势信息,更好地辅助战斗决策。在实现目标精确匹配的前提下,通过不同探测方式、不同探测粒度信息的融合、互补和针对性处理,从全局角度更好地展现水面舰艇平台的现状,包括其威胁状态及整体安全环境;基于对积累的海量探测数据的长时迭代分析、挖掘、认知、反馈,预测水面舰艇平台乃至编队平台的未来状态,提升海空态势的综合感知能力。

(4)与指火控及作战系统的无缝对接

紧耦合综合射频系统更有利于作战系统设计和使用,其对多功能射频前端的集成和射频资源的敏捷管控更符合作战管理系统一体化发展的趋势,便于作战系统的优化集成设计,更有利于射频资源的合理分配以及射频资源作战使用流程的合理设计。在防空反导作战中,紧耦合综合射频系统能够为指火控系统提供针对高速高机动目标(如弹道导弹、反舰导弹乃至高超声速武器)更高精度的目指能力,降低未来防空反导作战任务的响应时间,提高反导作战效率。

因此,相对于传统的电子信息系统的松散堆砌,紧耦合舰载综合射频系统在防空反导一体化中应具有更高精度的信息融合能力、更高效的资源利用率、更快的系统响应时间,以及为新式武器系统如电磁炮和激光武器等,提供与之匹配的信息保障的能力。

2 紧耦合综合射频系统关键技术

紧耦合舰载综合射频系统在为未来信息保障带来众多利好的同时,也对综合射频系统的高效资源管控、多任务调度以及协同网络设计提出了更高的要求。为此,除高精度目标识别等传统雷达电子战领域关键技术之外,还须研究射频孔径资源和信息处理资源的灵活调度和动态重构、面向全生命周期的多功能任务调度以及开放式协同网络设计等技术。

2.1 系统架构设计

为了通过充分发挥综合射频系统中集成的射频孔径和信息处理资源,实现探-侦-干-通联动的高效一体化信息攻防,须要在紧耦合综合射频系统总体架构设计、多粒度频谱/功率/孔径资源敏捷管控、面向多功能并发应用的多任务调度模型与算法、基于历史探测数据认知反馈的综合射频系统迭代优化、区域级网络化协同探测系统设计等关键技术方面开展深入研究,如图2所示。

在体系架构方面,采用宽带有源/无源数字阵列射频前端、信息预处理与数据适配、统合资源调度、联合信息处理和综合显示控制五层体系架构。

在资源调度方面,借鉴虚拟化技术,结合射频前端的软硬件工作原理,尝试实现孔径/频谱/功率等资源的虚拟化表示和细粒度管控,其核心是实现各类资源的模块化及模块的标准化接口,最终实现软硬件解耦。

图2 紧耦合综合射频系统关键技术

开展综合射频系统多功能一体化探测时多任务情形下各类资源的按需动态重构方法研究,基于不同任务场景实现面阵、波束资源的动态配置[2]。在此基础上,以虚拟资源池为基础支撑,研究不同作战场景、不同任务类型、不同电磁环境、不同目标态势下综合射频系统的工作策略、传感资源使用规则和探-侦-干-通并发模式下的多任务调度算法,实现并发任务规划和资源管理的理想契合。

在信息处理方面,以“高性能全舰公共计算环境”为基础平台,通过设计与各射频前端设备相适配的数据接口提供开放式的数据/协议转换服务,实现射频前端的信号级汇集融合。分析探、侦、干、通等多功能任务的处理流程和各级数据特征,归纳出符合公共计算环境平台架构的计算任务分解组合策略、数据并行算法和数据放置算法等。通过信息处理的高效利用与射频孔径资源的敏捷管控相结合,实现综合射频系统工作模式柔性重构和信息攻防效能提升。

2.2 多粒度频谱/功率/孔径资源敏捷管控技术

通过虚拟化技术实现资源的细粒度管控是提高资源利用率的有效方式。所谓虚拟,是指每个硬件功能单元的组成并不是固定形式,可以根据功能需求调整所包含的资源类型和资源数目,即每个虚拟硬件功能单元都能够按需从各种类型的虚拟资源池中获取各种相应类型的资源并形成整体。这种按需使用资源的方式使得虚拟硬件功能单元具备良好的可扩展性,且能极大地提高资源利用率。具体到紧耦合综合射频系统,通过虚拟化技术将面阵资源、射频资源、信号处理资源、计算资源等以统一的表示方式表示,构成一个动态的虚拟化资源池。虚拟资源池的主要类型包括射频前端资源池、信息处理资源池(FPGA、通用CPU等)等。资源池中资源实现细粒度化、模块化,提供多种粒度的标准化调用接口,并实现软硬件解耦。

资源可重构是虚拟资源的重要特性,也是实现虚拟硬件功能单元的必需。图3是资源虚拟化重组的逻辑示意图。实现资源虚拟化重组必需的3个主要逻辑功能模块包括任务调度、数据分发和资源监控模块,其中资源监控负责监控各个资源的状态和属性(例如资源是否空闲、资源的负载等),并将所监控的信息传输给任务调度模块进行参考;任务调度模块负责结合资源监控信息,将任务按照一定的调度策略分配给各个资源执行;当任务调度模块确定了完成某个任务所需的所有资源后,数据分发模块负责将各个资源执行任务所需的程序和数据分发给指定的所有资源进行加载和预存储。在射频前端资源的动态重构方面,重点研究系统工作模式瞬态切换、阵面孔径与通道自适应重构、工作参数与处理算法快速加载、信息流程重构等系统功能动态重构技术,满足执行多任务的实时功能转换需求。

图3 资源虚拟化重组逻辑示意图

2.3 多功能任务调度技术

探-侦-干-通多任务并发执行是紧耦合综合射频系统必须具备的核心能力之一,与之适应的多功能并发任务调度策略如图4所示。

图4 主被动探测多任务动态管理与资源调度架构

考虑到在容忍一定性能损失的前提下主被动探测、协同通信和有源干扰任务所占据的系统资源能够在可控范围内调整,尝试对多功能任务进行全周期生命模型建模,充分利用不同任务发射、接收间的可变等待间隔去执行其他可能的任务,通过基于可变驻留时间的全周期多功能任务调度技术实现综合射频系统时间、孔径、频谱资源的高效利用。具体到任务调度策略模型上,从抽象层面将探测、侦察、干扰、协同通信等任务皆可分解为信号发射、等待、信号接收等3个基本行为,且不同功能的任务均要以各自期望的数据率进行动态更新,将任务调度转变为一定约束条件下资源池优化问题,其目标是合理调度尽可能多的任务,同时对于每一个被调度的任务,用最大可能的(接近理想)驻留时间去规划其驻留次数。此外,调度时还应充分考虑综合射频系统有源/无源数字阵列设备多元化互引导的工作模式设计以及有源数字阵列子阵级并发工作的自由度,设计完善的资源调度预案和鲁棒的动态调整策略。

其次,紧耦合综合射频系统要具备较强的自主工作能力,支持自主任务规划,能够根据不同的作战场景,在系统工作预案的基础上认知化地完成系统工作模式和工作参数的动态调整。具体而言,射频传感器在执行作战任务时依据任务类型、电磁环境和目标态势等多重因素自动选择相应的射频传感器控制规则,并基于这些规则对工作参数和模式进行控制。这些规则以专家知识的形态预先存储在综合射频系统先验知识库中,下一节中阐述的“基于历史探测数据认知反馈的综合射频系统优化”涵盖了对该规则库的迭代更新。当综合射频传感器在工作过程中检测到满足预先设置的规则触发条件时,即自动调用该规则,以此实现传感器工作模式和工作参数的自动化操控。

2.4 基于历史探测数据认知反馈的综合射频系统优化

基于历史探测数据认知反馈的系统参数和工作模式迭代优化设计对于工作于复杂海洋电磁环境中的海用电子信息系统性能提升至关重要。美国海军AN/SPY-6雷达的自主孔径-频谱-时间资源配置策略、法国Thales公司SeaMaster-400型S波段舰载多功能相控阵雷达的All-in-one mode全自动工作模式、荷兰Thales公司VIGILE 400型ESM/Elint一体化电子侦察系统编队辐射源目标识别等核心能力的形成,皆是以长期海量观测数据的多维度认知和多角度挖掘为基础。

鉴于舰载综合射频系统观监测数据的维度、数据量和信息丰富程度远超传统的雷达系统和电子情报侦察系统,拟从以下4个角度开展基于数据认知反馈的综合射频系统优化设计工作(如图5所示):

图5 基于历史探测数据认知反馈的综合射频系统优化设计

(1)探-侦-干-通多功能匹配度优化

以水面舰艇平台作战使命和任务、典型作战对象技战术指标等要素为出发点,同时结合不同作战场景、不同海域海况下工作流程回放和全景实测数据分析,迭代优化设计对空对海主/被动探测威力/精度、协同控制区域、协同网络规模及数据传输速率、机载火控雷达/反舰导弹最小有源干扰距离等综合射频系统的核心能力指标,提升系统综合作战效能和效费比。

(2)工作模式优化

舰载综合射频系统的基础工作模式包括常态化区域海空目标监视、协同侦测、集群式协同侦察定位等基础工作模式,在此基础上将尝试依据实测数据后分析结果对工作模式进行进一步的细分或简并,优化设计各种工作模式下任务优先级及多功能交织优先级等系统级和设备级调度逻辑。

(3)场景认知能力优化

基于对综合射频系统中长期观测数据的多维度分析和敏感信息挖掘,制订系统主动探测目标信息、被动探测辐射源信息、有源干扰对抗对象信息的关联和管理规范,制订主被动探测作战对象及探测场景的威胁等级划分标准、实时判定准则以及不同工作场景下的主被动探测、有源干扰、信息传输/处理/存储资源的部署规范。

(4)先验知识库优化

完备且低冗余的先验知识库是综合射频系统具备高效自主工作能力的核心前提。通过构建全维广域信息感知与对抗数据池,常态化的对探侦干通多种功能及多功能交织工作模式下的探测、侦察、干扰等过程进行全景式数据复现,在此基础上通过对水面舰艇工作区域的自然/气象/电磁环境特征、特定主动目标的检测/跟踪全过程、特定辐射源目标的截获/分选/精细分析全过程、特定高威胁目标的无源侦察/有源干扰全过程的综合分析,建立适用于各类型作战任务的舰载综合射频系统先验知识库,为综合射频系统工作模式和技战术指标优化设计提供基础支撑。

2.5 区域级网络化协同探测系统设计

针对水面舰艇对强实时高速数据传输、灵活可扩展区域级协同愈发强烈的需求,借鉴软件化雷达中成熟的层次化设计理念,构建区域级水面协同探测系统,包含4个层次:软件定义的多任务应用层、软件定义的无线网络层、软件定义无线电分发层、软件定义的阵列天线层,各层间的逻辑互联关系如图6所示。

图6 软件定义的水面舰艇协同网络架构

(1)软件定义的多任务应用层(SDA)

实战状态下的编队协同探测系统将存在同构或异构传感器之间的多种协同任务。SDA层通过采取面向应用任务的进(线)程级的轮换、制订统一开放的协议接口等措施,尽量确保各种协同任务实时高效运行。

(2)软件定义的无线网络层(SDN)

用于将数据与控制分离,且控制与数据两个子层之间采用开放的统一接口进行交互。实现的功能包括:掌握整个编队节点态势、任务分配和节点路由路径管理;管理多个节点簇并组织分布式联合探测;在线部署和下发协同协议等。

(3)软件定义的无线电分发层(SDR)

通过软件配置与功能重构实现调制、解调、纠错编解码以及网络接入与网络管理等无线通信网络的基本功能,通过多协议、多速率、多带宽、多调制解调方法的兼容,实现现有多种协同节点的接入,并通过预留适度冗余的带宽和处理能力实现面向未来装备发展需求的通信速率和网络接入扩展能力。

(4)软件定义的阵列天线层(SDPA)

充分利用各节点信号空间的特征差异,自动调节各天线阵元的加权向量,使得天线主波束对准期望节点信号到达方向,而旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向,以逼近阵列天线的最佳接收和发射增益。在网络化协同工作状态下,通过全数字波束形成的方式进行同时多波束的宽角覆盖,以实现编队节点的快速接入,同时也可以基于凝视工作状态将各波束分别对准各编队节点,实现全时信息高速率分发。此外,数字可编程的波束形成方式可根据传输信道质量、电磁环境、目标位置等信息,充分利用天线孔径实现大动态范围的接收和定向干扰抑制。

3 结束语

本文分析了当前作战环境对多功能舰载综合射频系统的需求和紧耦合综合射频系统较传统电子信息系统的优势,给出了紧耦合综合射频系统的概念内涵,重点研究了紧耦合综合射频系统关键技术,包括系统架构设计、多粒度频谱/功率/孔径资源敏捷管控技术、多功能任务调度技术、基于历史探测数据认知反馈的综合射频系统优化、区域级网络化协同探测系统设计等,对相关系统和装备研发有较大的参考价值。