雷達(dá)-通信一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

長期以來,戰(zhàn)斗機(jī)及軍艦都采用大量分別獨(dú)立開發(fā)的射頻傳感器并“松散”綜合在整個(gè)航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi),完成所需各種功能。這種分布式射頻傳感器結(jié)構(gòu)模塊化程度低、重量體積功耗大、成本高、可靠性差、改進(jìn)困難,難以適應(yīng)未來的信息化高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)的要求。以美軍“伯克”級(jí)驅(qū)逐艦為例,其較新型號(hào)上已配備有108副天線,在艦上尋找合適的安裝位置已非常困難而且?guī)砹藝?yán)重的電磁兼容問題。航空平臺(tái)的情況類似,20世紀(jì)50年代,航空電子系統(tǒng)占飛機(jī)總成本的比例不超過10%,80年代已經(jīng)達(dá)到30%;90年代后,這一比例繼續(xù)攀升;在整個(gè)航電設(shè)備中,傳感器成本約占63%[1],而降低飛機(jī)成本的有效措施就是從傳感器系統(tǒng)入手,綜合射頻傳感器技術(shù)是一個(gè)有吸引力的方向。

另外,從多功能的角度來看,我國地空數(shù)據(jù)鏈仍面臨被不斷提高的電子偵察手段、無線電干擾和反輻射攻擊破壞和摧毀的威脅。而利用相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)所廣泛采用的自適應(yīng)置零、低副瓣等技術(shù)手段,可提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力和戰(zhàn)場(chǎng)生存能力,有助于我軍在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下,解決未來連續(xù)可靠的聯(lián)合指揮地空引導(dǎo)問題;而如果能對(duì)雷達(dá)進(jìn)行改裝使之具有實(shí)時(shí)通信功能,也可以克服情報(bào)傳遞速度慢、保密性差和誤報(bào)等缺陷,大大提高系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力[2]。

總之,日趨復(fù)雜的電磁環(huán)境、隱身技術(shù)的使用、反輻射導(dǎo)彈的威脅和各種電子干擾使雷達(dá)的作戰(zhàn)效能受到越來越多的威脅。為及時(shí)掌握瞬息變化的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì),并進(jìn)行有效的武器攻擊和“軟殺傷”,多傳感器、多功能綜合的綜合射頻技術(shù)是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)電子裝備的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì),而雷達(dá)-通信一體化又是綜合射頻技術(shù)的重要發(fā)展方向之一,可以預(yù)期通信與信息獲取的結(jié)合將帶來電子裝備整體性能的提升和作戰(zhàn)效率的大幅提高。

1 國內(nèi)外研究情況

用幾個(gè)分布式寬帶多功能孔徑取代目前平臺(tái)上為數(shù)眾多的天線孔徑,采用模塊化、開放式、可重構(gòu)的射頻傳感器系統(tǒng)體系架構(gòu),并結(jié)合功能控制與資源管理調(diào)度算法、軟件,同時(shí)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、識(shí)別等多種射頻功能,這就是綜合射頻技術(shù)。如圖1所示,多功能一體化綜合射頻航空電子系統(tǒng)基于共用射頻模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)控制與資源共享、資源管理和資源分配,系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能用盡可能少的多功能射頻模塊構(gòu)建出一個(gè)兼具任務(wù)規(guī)劃,導(dǎo)航通信識(shí)別,態(tài)勢(shì)感知和目標(biāo)探測(cè)、跟蹤、攻擊的多任務(wù)綜合體;同時(shí)使航空電子系統(tǒng)的成本、重量、功耗、失效率顯著下降。美國空軍“寶石臺(tái)”計(jì)劃研究表明,采用綜合射頻傳感器系統(tǒng)可將射頻電子部分的成本和重量降低50%。

圖1 綜合射頻技術(shù)將“綜合”推進(jìn)到天線及射頻前端

綜合射頻技術(shù)的研究在全球范圍內(nèi)呈現(xiàn)出蓬勃的發(fā)展勢(shì)頭,美國自20世紀(jì)80年代以來通過持續(xù)不斷的研究和發(fā)展,目前已經(jīng)取得了引人矚目的成績(jī),其典型代表就是美國空軍F-22A的APG-77雷達(dá)[3],該雷達(dá)天線孔徑能同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)波束：用第1組波束來檢測(cè)和定位空中或地面目標(biāo),引導(dǎo)第2組波束對(duì)目標(biāo)干擾,用第3組波束與己(友)方的協(xié)同資源通信。也就是說,以前分別由飛機(jī)上雷達(dá)天線、通信天線、干擾天線和電子支援措施(ESM)接收機(jī)天線完成的功能,現(xiàn)在可由一個(gè)有源電掃陣列天線(AESA)近乎同步地進(jìn)行,實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)、電子戰(zhàn)和通信等多種射頻功能的一體化。APG-77雷達(dá)的通信發(fā)送速率達(dá)548 MB/s,接收速率達(dá)1 GB/s。這種低可探測(cè)性多功能射頻系統(tǒng)是為獲取空中優(yōu)勢(shì)、爭(zhēng)奪制空權(quán)而研制的,代表了包括電子戰(zhàn)系統(tǒng)在內(nèi)的航空電子設(shè)備的未來發(fā)展方向。

國內(nèi)目前尚無成熟的一體化系統(tǒng),但是多家單位已經(jīng)在體系構(gòu)建、寬帶共口徑天線、一體化波形理論仿真等關(guān)鍵技術(shù)方面開展了大量研究工作[4-5]。其中,中國電科38所在數(shù)字陣列雷達(dá)領(lǐng)域取得的豐碩成果為雷達(dá)-通信一體化研究提供了重要的技術(shù)支撐。數(shù)字陣列雷達(dá)在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)了發(fā)射與接收的數(shù)字波束形成,與傳統(tǒng)有源相控陣?yán)走_(dá)相比雷達(dá)的系統(tǒng)性能有了很大提升,具有低副瓣、大動(dòng)態(tài)、波束形成靈活等特點(diǎn),更能應(yīng)對(duì)未來戰(zhàn)爭(zhēng)中復(fù)雜地理、電磁和目標(biāo)環(huán)境的威脅。數(shù)字陣列雷達(dá)開放式、通用化的體系結(jié)構(gòu),良好的升級(jí)和擴(kuò)展能力,可以滿足雷達(dá)、通信、偵察、對(duì)抗、識(shí)別等多樣化任務(wù)需求。

在中國電科38所數(shù)字陣列雷達(dá)研究成果的基礎(chǔ)上,筆者構(gòu)建了一個(gè)基于數(shù)字陣列雷達(dá)技術(shù)的雷達(dá)-通信一體化試驗(yàn)系統(tǒng),解決了一體化數(shù)字陣列模塊等關(guān)鍵技術(shù)并通過了工程化驗(yàn)證,最后通過系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行了數(shù)據(jù)率測(cè)試和圖片、語音傳輸試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果與理論分析相符,證明了基于數(shù)字陣列體制雷達(dá)-通信一體化試驗(yàn)系統(tǒng)的可行性。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雷達(dá)-通信一體化數(shù)字陣列技術(shù)的研究擬采用“數(shù)字陣列天線+數(shù)字陣列模塊+多模式信號(hào)處理機(jī)”的總體架構(gòu),進(jìn)行數(shù)字陣列雷達(dá)-通信一體化系統(tǒng)的各項(xiàng)功能試驗(yàn),通過共用天線孔徑和收發(fā)通道,采用時(shí)分復(fù)用,在同一個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、通信、識(shí)別等多種功能。

考慮到設(shè)備數(shù)量較少以及試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)主要是驗(yàn)證雷達(dá)-通信一體化的功能可行性,因此對(duì)試驗(yàn)要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)作了簡(jiǎn)單要求。

● 工作頻段：S波段

● 方位覆蓋：±45°

● 通信距離：大于2 km

● 通信數(shù)據(jù)率：大于100 Kbit/s

要達(dá)到以上設(shè)計(jì)指標(biāo),需要在總體設(shè)計(jì)技術(shù)、通信信號(hào)波形設(shè)計(jì)技術(shù)以及數(shù)字陣列模塊設(shè)計(jì)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)方面開展深入研究。

(1)雷達(dá)-通信一體化系統(tǒng)時(shí)序設(shè)計(jì)技術(shù)

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)工作時(shí)序的時(shí)候,考慮到由于是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信,節(jié)點(diǎn)間有較高的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)需要傳遞,這里采用預(yù)先分配的時(shí)分多址方式,資源雖然有所流失,但網(wǎng)絡(luò)效率較高,而且便于今后在通信的時(shí)段內(nèi)加入跳頻圖案,增加保密性和抗干擾性,如圖2所示。

圖2 預(yù)先分配的時(shí)分多址方式

由于本試驗(yàn)系統(tǒng)中雷達(dá)接收通道的信號(hào)處理帶寬是5 MHz,根據(jù)MSK的波形通信,最大傳輸數(shù)據(jù)率為3 Mbit/s,為了留有帶寬裕量,通信主站的傳輸數(shù)據(jù)率為3 Mbit/s,演示系統(tǒng)中的雷達(dá)主站和通信主站(2個(gè))都同步上之后,每個(gè)節(jié)點(diǎn)各占1/3的時(shí)間,設(shè)定系統(tǒng)周期為3 ms,則雷達(dá)主站和兩個(gè)通信從站各占1 ms的時(shí)間,如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)周期時(shí)間分配圖

以雷達(dá)主站為例,受功率器件的限制,本次試驗(yàn)中雷達(dá)發(fā)射脈寬最大為300μs,也就是說用于通信的時(shí)間只有300μs,計(jì)算出在每一幀300μs發(fā)射周期內(nèi)能傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)約為

除去12字節(jié)的幀頭和幀尾,還剩約100字節(jié)的數(shù)據(jù),在100字節(jié)內(nèi)包含有40字節(jié)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)(用于3個(gè)站點(diǎn)之間構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)),所以實(shí)際有用的數(shù)據(jù)為60字節(jié),對(duì)于主站來說,相當(dāng)于在3 ms的時(shí)間內(nèi)能傳輸60字節(jié)的有用數(shù)據(jù),所以單個(gè)主站的有效數(shù)據(jù)率理論值為

(2)通信信號(hào)設(shè)計(jì)技術(shù)

在數(shù)字調(diào)制傳輸系統(tǒng)中,PSK(移相鍵控)調(diào)制,由于在其碼元轉(zhuǎn)換處有載波相位突變,引起旁瓣功率分量較大,鄰近信道干擾較強(qiáng)。若采用帶限濾波器消除旁瓣還會(huì)引起信號(hào)包絡(luò)的起伏,從而影響傳輸質(zhì)量。MSK(最小頻移鍵控)是2FSK(2進(jìn)制頻移鍵控)信號(hào)的改進(jìn)型,它的相位是連續(xù)變化的,以載波相位為基準(zhǔn)的信號(hào)相位在一個(gè)碼元間隔內(nèi)線性變化±π/2,信號(hào)波形沒有突跳。MSK的表達(dá)式為

式中,σc為載波角頻率;Ts為碼元寬度;a k為第k個(gè)碼元中的信息,取值為±1;φk為第k個(gè)碼元的相位常數(shù),在時(shí)間(k-1)Ts≤t≤k Ts內(nèi)保持不變。

MSK信號(hào)與QPSK的頻譜函數(shù)為

圖4給出了MSK信號(hào)與QPSK的功率譜,MSK信號(hào)的主瓣比較寬,第一個(gè)零點(diǎn)在0.75/Tb處,第一旁瓣峰值比主瓣低約30 dB,旁瓣以1/f4的速度下降,速度比較快。QPSK信號(hào)的主瓣比較窄,第一個(gè)零點(diǎn)在0.5/Tb處,旁瓣以1/f2的速度下降,速度較MSK慢。若以99%的能量集中度為標(biāo)準(zhǔn),MSK信號(hào)的頻帶寬度約為1.2Tb。這是MSK信號(hào)在功率譜方面一個(gè)很顯著的優(yōu)點(diǎn),對(duì)帶外產(chǎn)生的干擾非常小,這能提高信道中頻率的利用率,這對(duì)于本就緊張的頻帶資源來說是很有意義。

圖4 MSK和QPSK功率譜的比較

(3)數(shù)字陣列模塊設(shè)計(jì)技術(shù)

數(shù)字陣列模塊是采用一體化、集成化設(shè)計(jì)思路將多通道接收模塊和多通道發(fā)射模塊有機(jī)結(jié)合起來而形成的高集成射頻前端系統(tǒng),包含有大功率發(fā)射、小信號(hào)接收、數(shù)字接收與數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生等功能,是構(gòu)成數(shù)字陣列雷達(dá)的一個(gè)基本核心單元。它具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、系統(tǒng)連接電纜少、可任意組合等特點(diǎn)。

數(shù)字陣列模塊的主要功能應(yīng)包括：全機(jī)定時(shí)基準(zhǔn),通過高穩(wěn)定低相位噪聲晶體振蕩器實(shí)現(xiàn)全部通道的全相參;發(fā)射波形產(chǎn)生及微波功率放大,同步實(shí)現(xiàn)發(fā)射波束空間合成及掃描,具體通過DDS控制發(fā)射中頻波形相位控制來實(shí)現(xiàn);微弱回波信號(hào)無失真放大及數(shù)字化;有源陣面收發(fā)校正,通過校正網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)校正測(cè)試源和校正接收功能;收發(fā)分系統(tǒng)與信號(hào)處理等其他分系統(tǒng)之間的高效數(shù)據(jù)傳輸,包括包含目標(biāo)信息的數(shù)字化回波信號(hào),實(shí)現(xiàn)收發(fā)波束掃描的幅相控制信號(hào)等。

在本試驗(yàn)系統(tǒng)中,數(shù)字陣列模塊為雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)和通信信號(hào)處理機(jī)提供了共有的射頻發(fā)射與接收通道。在發(fā)射時(shí),實(shí)現(xiàn)雷達(dá)與通信信號(hào)的產(chǎn)生與發(fā)射;在接收時(shí),實(shí)現(xiàn)雷達(dá)與通信信號(hào)的接收與放大;同時(shí)在數(shù)字陣列模塊的數(shù)字部分,還要實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)與基帶信號(hào)的相互變換,數(shù)字陣列模塊功能組成如圖5所示。

3 系統(tǒng)試驗(yàn)

3.1 設(shè)備組成

雷達(dá)-通信一體化試驗(yàn)系統(tǒng)由1個(gè)雷達(dá)主站和2個(gè)通信從站構(gòu)成,其中主站設(shè)備由數(shù)字陣列天線、數(shù)字陣列模塊、雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)以及通信信號(hào)處理機(jī)組成。從站為S波段通信設(shè)備。主站位置固定,從站處于主站的探測(cè)范圍以內(nèi),可以固定,也可以自由移動(dòng)(車載)。試驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖6所示。

圖5 數(shù)字陣列模塊功能組成

圖6 雷達(dá)-通信一體化試驗(yàn)系統(tǒng)組成

3.2 工作模式設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開機(jī)后,雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)形成當(dāng)前波位下的多個(gè)發(fā)射單元的幅相控制碼,在空間形成波束并掃描,當(dāng)波束跟蹤到通信目標(biāo)位置時(shí),轉(zhuǎn)入通信模式。在該模式下,雷達(dá)對(duì)準(zhǔn)設(shè)置的波位,發(fā)射加載了通信信息的射頻信號(hào),通信目標(biāo)接收到雷達(dá)發(fā)出的波束后,構(gòu)成數(shù)據(jù)通信鏈路,進(jìn)行通信信號(hào)收發(fā)工作。待通信目標(biāo)和雷達(dá)信息交換內(nèi)容結(jié)束,通信目標(biāo)向雷達(dá)發(fā)出結(jié)束標(biāo)志,本次通信任務(wù)完成,系統(tǒng)詳細(xì)工作流程如圖7所示。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

(1)數(shù)據(jù)率測(cè)試

該試驗(yàn)系統(tǒng)在某試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)率測(cè)試,雷達(dá)主站與通信從站間相距2 km,通信從站1和從站2分別位于主站雷達(dá)天線陣面的法線及45°方位。試驗(yàn)時(shí),雷達(dá)波束在±45°范圍內(nèi)掃描,發(fā)現(xiàn)從站1、2位置后分別與1、2通信從站進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸,經(jīng)實(shí)測(cè),單個(gè)主站的平均數(shù)據(jù)率為155 Kbit/s,這與第3節(jié)中分析的設(shè)計(jì)值較接近。

另外,當(dāng)從站2在移動(dòng)狀態(tài)下,還進(jìn)行了雷達(dá)與從站2的數(shù)據(jù)率傳輸試驗(yàn),經(jīng)實(shí)測(cè),其平均數(shù)據(jù)率為153 Kbit/s,滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)圖片及語音傳輸試驗(yàn)

本試驗(yàn)系統(tǒng)還進(jìn)行了圖片傳輸和話音傳輸?shù)脑囼?yàn)。試驗(yàn)中發(fā)送和接收?qǐng)D片的過程流暢,偶有誤碼,但無中斷的現(xiàn)象,速率保持在140 Kbit/s以上。語音通話連續(xù),話音質(zhì)量較好。

圖7 雷達(dá)與通信工作流程

4 結(jié)束語

雷達(dá)-通信一體化具有廣闊的應(yīng)用前景,本文將數(shù)字陣列雷達(dá)技術(shù)與通信技術(shù)相結(jié)合,創(chuàng)新性地構(gòu)建了一個(gè)基于數(shù)字陣列雷達(dá)技術(shù)的雷達(dá)-通信一體化試驗(yàn)系統(tǒng),探索在數(shù)字陣列雷達(dá)上實(shí)現(xiàn)通信傳輸?shù)目尚行圆⑦M(jìn)行了工程試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明在通信從站固定和移動(dòng)兩種狀態(tài)下,該系統(tǒng)均能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工作,實(shí)際傳輸數(shù)據(jù)率與設(shè)計(jì)值相當(dāng),傳輸語音和圖片快速、流暢,達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

隨著數(shù)字陣列模塊寬帶化以及一體化波形的工程化實(shí)現(xiàn)[6],構(gòu)建實(shí)時(shí)處理的雷達(dá)、通信一體化工程樣機(jī)正在成為可能,在同時(shí)工作模式下,可構(gòu)建以雷達(dá)為中心的通信網(wǎng)絡(luò),通信終端與雷達(dá)同步。雷達(dá)在搜索目標(biāo)時(shí),工作于窄帶探測(cè)模式,但是會(huì)在每個(gè)波位的第一個(gè)脈沖發(fā)送一個(gè)窄帶通信鏈路握手信號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)通過握手信號(hào)搜索到我方通信終端時(shí),根據(jù)通信終端和主站系統(tǒng)之間的協(xié)定,建立通信鏈路。雷達(dá)系統(tǒng)再發(fā)送寬帶一體化波形信號(hào),并將接收到的回波信號(hào)正交分離成雷達(dá)信號(hào)和通信信號(hào),分別送通信處理分機(jī)和雷達(dá)信號(hào)處理分機(jī)進(jìn)行處理。這樣通過采用寬帶一體化波形,系統(tǒng)同時(shí)完成了通信和雷達(dá)探測(cè)功能。關(guān)于這方面的研究正在進(jìn)行中。

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