艦載相控陣?yán)走_(dá)與超視距通信一體化技術(shù)研究

左 斌，馮 雷，甘啟光

(1.南海艦隊(duì)參謀部信保處，廣東 湛江 524002；2.中國(guó)人民解放軍96275部隊(duì)，河南 洛陽(yáng) 471003；3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

艦載相控陣?yán)走_(dá)與超視距通信一體化技術(shù)研究

左 斌1，馮 雷2，甘啟光3

(1.南海艦隊(duì)參謀部信保處，廣東 湛江 524002；2.中國(guó)人民解放軍96275部隊(duì)，河南 洛陽(yáng) 471003；3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對(duì)現(xiàn)代作戰(zhàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)小型化和多功能化的需求，提出了在艦載相控陣?yán)走_(dá)中增加超視距功能，是未來(lái)作戰(zhàn)平臺(tái)電子綜合一體化系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。從雷達(dá)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)二者的工作頻率、發(fā)射功率、信號(hào)波形和信號(hào)帶寬等方面，介紹了艦載相控陣?yán)走_(dá)與超視距通信的共用基礎(chǔ)、共享的可行性及共享的方式，給出了艦載相控陣?yán)走_(dá)與超視距通信一體化裝備的解決方案，并根據(jù)某種雷達(dá)裝備的主要技術(shù)參數(shù)對(duì)超視距通信能力進(jìn)行了示例分析，為雷達(dá)與超視距通信一體化設(shè)計(jì)提供了一種可行的技術(shù)思路。

雷達(dá)-通信；一體化；相控陣?yán)走_(dá)；超視距通信

0 引言

過(guò)去一段時(shí)間以來(lái)，雷達(dá)和通信在作戰(zhàn)平臺(tái)上被嚴(yán)格區(qū)分，在各自的應(yīng)用領(lǐng)域中幾乎平行發(fā)展，形成了獨(dú)立的發(fā)展方向。這種發(fā)展方式，造成了相關(guān)電子設(shè)備模塊化集成度低、重量體積功耗大、成本高且融合困難[1]。事實(shí)上，雷達(dá)和通信作為信息發(fā)送、獲取和處理的典型方式，雖然在功能、應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)方式有顯著差異，但從它們的系統(tǒng)架構(gòu)、硬件組成、工作頻率和信號(hào)處理算法等方面來(lái)看，又有許多相同的地方。

在信息化戰(zhàn)爭(zhēng)條件下，面對(duì)日益復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，作戰(zhàn)平臺(tái)需要配備多種型號(hào)的雷達(dá)設(shè)備和通信設(shè)備，多種電子裝備的簡(jiǎn)單堆砌，不利于作戰(zhàn)平臺(tái)綜合對(duì)抗能力和作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)進(jìn)行功能整合和硬件共享，不僅是未來(lái)作戰(zhàn)平臺(tái)電子設(shè)備綜合一體化的主要發(fā)展方向，而且將雷達(dá)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)進(jìn)行多功能一體化設(shè)計(jì)，利用雷達(dá)系統(tǒng)的相控陣天線采用的自適應(yīng)置零，低旁瓣等抗干擾技術(shù)，可提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力和抗毀能力，克服傳統(tǒng)通信系統(tǒng)傳遞情報(bào)速度慢、保密性差等方面的不足[2-3]。

本文從船載雷達(dá)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)一體化的實(shí)際應(yīng)用需求出發(fā)，主要分析了二者共用的基礎(chǔ)和幾種共享方式，并根據(jù)某型雷達(dá)系統(tǒng)的主要參數(shù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)超視距通信的能力進(jìn)行了計(jì)算和仿真。

1 國(guó)內(nèi)外研究情況

雷達(dá)與通信一體化在國(guó)外的研究比較早，已經(jīng)有實(shí)用化的裝備，而國(guó)內(nèi)的研究還處在探索階段。特別是美國(guó)，目前已經(jīng)有了實(shí)戰(zhàn)化的裝備，其典型代表的裝備是美國(guó)空軍F-22A戰(zhàn)斗機(jī)平臺(tái)上裝備的APG-77雷達(dá)[4]，該雷達(dá)天線能同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)波束：用第1組波束來(lái)檢測(cè)和定位空中或地面目標(biāo)，可引導(dǎo)第2組波束對(duì)目標(biāo)進(jìn)行干擾，用第3組波束與己(友)方進(jìn)行協(xié)同資源通信。也就是說(shuō)，以前分別由飛機(jī)上雷達(dá)天線、干擾天線和通信天線等各自獨(dú)立天線完成的功能，現(xiàn)在由一個(gè)有源相控陣(AESA)天線幾乎同步完成，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)和通信等多種功能的一體化。APG-77雷達(dá)的通信發(fā)送速率達(dá)548 Mb/s，接收速率1 Gb/s。近些年來(lái)，關(guān)于艦載平臺(tái)的相控陣?yán)走_(dá)與超視距通信一體化設(shè)計(jì)又成為一個(gè)全新的綜合性研究?jī)?nèi)容。美國(guó)近年來(lái)已對(duì)此開(kāi)展了研究，并已取得了一體化裝備成果。2007年8月29日美國(guó)《每日防務(wù)》報(bào)道，通過(guò)美國(guó)雷聲公司和L-3通信公司的技術(shù)合作，使得有源相控陣?yán)走_(dá)可以具有高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊暰嗤馔ㄐ拍芰Α?/p>

目前，盡管我國(guó)在雷達(dá)、通信系統(tǒng)等方面的研究已取得了很多成果，并積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，但在一體化方面的研究還落后于歐美，技術(shù)成果很少。

2 現(xiàn)狀分析

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)相關(guān)科研院所及高校，在雷達(dá)與通信一體化設(shè)計(jì)及工程化方面進(jìn)行了深入研究，在體系構(gòu)建、系統(tǒng)仿真、波形設(shè)計(jì)和綜合射頻等方面做了不少應(yīng)用研究工作，做出了工程樣機(jī)，也在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)一些關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)試，比如通信距離和傳輸速率等。根據(jù)文獻(xiàn)[5]，國(guó)內(nèi)某研究所在實(shí)驗(yàn)室條件下完成了相距2 km的中心站與外圍站間通信測(cè)試，中心站平均速率可達(dá)155 kb/s。但是相關(guān)研究都是基于視距條件下展開(kāi)的。本文以超視距條件下的應(yīng)用為背景，就艦載相控陣?yán)走_(dá)與超視距通信共用的基礎(chǔ)、一體化裝備的實(shí)現(xiàn)方案以及一體化裝備的通信能力等方面進(jìn)行初步探討。

3 共用的可行性分析

雷達(dá)的功能[6]是通過(guò)接收目標(biāo)反射或發(fā)射的信號(hào)確定目標(biāo)的空間位置、速度和類型等參數(shù)，而通信的目的是通過(guò)發(fā)射電磁波信號(hào)以實(shí)現(xiàn)信息快速和安全的傳遞。雷達(dá)和通信雖然完成的功能各有不同，但是從它們的系統(tǒng)架構(gòu)、硬件組成、電磁波頻段和信號(hào)的處理算法等方面來(lái)看，二者又有許多相通的地方。下面從信號(hào)工作的頻段[7]、發(fā)射機(jī)功率[8]、調(diào)制波形[9]、信號(hào)帶寬[10]和信號(hào)處理算法等方面，詳細(xì)論述雷達(dá)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)的可行性。

3.1 工作頻段

現(xiàn)在裝備的雷達(dá)一般工作在L、S、C、X和Ku等射頻頻段，而適合超視距通信的信號(hào)也在上述相近的頻率范圍內(nèi)，二者的信號(hào)存在有重疊應(yīng)用的頻率，這是雷達(dá)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)能夠共用的前提條件。

3.2 發(fā)射機(jī)功率

由于雷達(dá)功能各不相同，其發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)的功率變化范圍很寬，發(fā)射功率可從幾W到幾kW甚至到幾MW變化；相比而言，通信設(shè)備的發(fā)射機(jī)功率較小，從幾mW到幾十W，最大的一般也不超過(guò)幾kW。因此，雷達(dá)發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率完全可以滿足超視距對(duì)流層散射通信對(duì)信號(hào)發(fā)射功率的需求。

3.3 調(diào)制波形

雷達(dá)系統(tǒng)常用的調(diào)制波形一般有2種：連續(xù)調(diào)制波形和脈沖調(diào)制波形。雷達(dá)系統(tǒng)有一種常用的連續(xù)波信號(hào)形式是線性調(diào)頻信號(hào)。線性調(diào)頻的調(diào)制信號(hào)在通信系統(tǒng)中也得到了廣泛應(yīng)用，這種調(diào)制信號(hào)既具有較強(qiáng)的抗干擾性能，也具有恒包絡(luò)特性，可以充分利用發(fā)射機(jī)功率。線性調(diào)頻信號(hào)在一定條件下也具有隱分集的效果，適合于超視距傳輸?shù)淖儏⑿诺?。脈沖調(diào)制信號(hào)波形，在高速猝發(fā)通信中也有廣泛的應(yīng)用。

3.4 信號(hào)帶寬

雷達(dá)系統(tǒng)的信號(hào)帶寬一般比較寬，通信信號(hào)相對(duì)而言占用的帶寬比較窄。通常，在通信系統(tǒng)中，如果傳輸信息速率為1 Mb/s時(shí)，需要的射頻信號(hào)傳輸帶寬也不超過(guò)幾MHz。因此，在不影響雷達(dá)信號(hào)正常工作的情況下，雷達(dá)系統(tǒng)的射頻帶寬完全滿足通信信號(hào)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

3.5 信號(hào)處理算法

信息的處理一般分為信息的發(fā)送和接收過(guò)程，相對(duì)應(yīng)的是對(duì)信息的調(diào)制和解調(diào)。信息處理中具體算法主要有編碼、基帶成形、數(shù)字頻率合成、采樣、數(shù)字變頻、濾波和譯碼等相關(guān)算法，這些算法的原理都是相通的。雷達(dá)信息和通信信息的處理也都要遵循上述的過(guò)程，采用的數(shù)學(xué)原理和算法基本上相同，只是針對(duì)不同的參數(shù)和要求有各自的關(guān)鍵算法和側(cè)重點(diǎn)而已。比如，對(duì)通信信號(hào)而言，主要的要求是更加有效而正確地傳送更多的信息；但對(duì)于雷達(dá)信號(hào)來(lái)說(shuō)，側(cè)重的要求是要提高對(duì)探測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)的檢測(cè)精度。針對(duì)雷達(dá)信號(hào)和通信信號(hào)的處理，采用軟件無(wú)線電技術(shù)進(jìn)行一體化的信號(hào)處理設(shè)計(jì)，統(tǒng)一雷達(dá)和通信對(duì)信號(hào)處理算法方面的要求。

通過(guò)上述這些參數(shù)的分析，雷達(dá)與超視距通信實(shí)現(xiàn)共用的主要條件具備，主要的系統(tǒng)架構(gòu)相近。根據(jù)工作頻段、大功率發(fā)射機(jī)和信號(hào)處理算法等因素，二者有選擇性地共享硬件資源是可行的。

4 一體化解決方案

雷達(dá)和通信系統(tǒng)的工作原理[10]都是利用電磁波的發(fā)射和接收來(lái)處理信息的過(guò)程,在系統(tǒng)的架構(gòu)組成上體現(xiàn)為二者的子系統(tǒng)有很大部分的重疊[11]。例如：二者的天線系統(tǒng)、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和信號(hào)處理終端等。通過(guò)對(duì)二者子系統(tǒng)組成的分析，通信系統(tǒng)共享雷達(dá)系統(tǒng)的主要方式有：

① 只共享雷達(dá)設(shè)備的天線系統(tǒng)；

② 可共享雷達(dá)設(shè)備的發(fā)射機(jī)和天線系統(tǒng)；

③ 共享雷達(dá)設(shè)備的信號(hào)處理終端、接收機(jī)、發(fā)射機(jī)和天線系統(tǒng)。

一體化裝備的解決方案既完成對(duì)通信信號(hào)的處理功能，也能實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)信號(hào)的處理功能。這種一體化裝備發(fā)射的雷達(dá)信號(hào)是已調(diào)制的通信信號(hào)，其既具有探測(cè)目標(biāo)功能又具有通信功能。一體化裝備可控制相控陣列天線分波束執(zhí)行不同的功能，一個(gè)波束用來(lái)通信，一個(gè)波束用來(lái)探測(cè)，支持連續(xù)通信體制；也可以只形成一個(gè)掃描波束，當(dāng)掃描到通信站時(shí)伺機(jī)進(jìn)行突發(fā)通信，當(dāng)掃描到目標(biāo)時(shí)，返回目標(biāo)信號(hào)，支持突發(fā)通信體制。

一體化裝備的基本工作過(guò)程為:雷達(dá)增加通信功能后，如果是脈沖雷達(dá)，一體化設(shè)計(jì)的波形信號(hào)經(jīng)發(fā)射機(jī)變頻、放大等處理后送入相控陣天線，相控陣天線進(jìn)行電掃，當(dāng)掃到目標(biāo)時(shí)，返回目標(biāo)回波，當(dāng)掃到對(duì)端通信站時(shí)，首先完成信號(hào)的握手，然后進(jìn)行通信。含有目標(biāo)的回波或通信信號(hào)經(jīng)相控陣天線送入接收機(jī)低噪放、變頻處理后送給信號(hào)分離器，將目標(biāo)回波信號(hào)和通信信號(hào)分離后送給各自的信號(hào)接收處理器。雷達(dá)與通信共用的系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

圖1 雷達(dá)與通信共用系統(tǒng)組成

5 雷達(dá)硬件進(jìn)行超視距通信的計(jì)算示例

共享雷達(dá)系統(tǒng)現(xiàn)有的部分模塊，利用大功率發(fā)射機(jī)，也可實(shí)現(xiàn)超視距通信功能，但其實(shí)質(zhì)上是對(duì)流層散射通信原理。它是利用對(duì)流層中大氣的不均勻性對(duì)微波、超短波和短波的前向散射或反射作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種超視距無(wú)線通信方式[12-13]，特別是在海面上，借助天然良好的信號(hào)傳播條件，海面無(wú)地形阻擋和艦體天線架高的優(yōu)勢(shì)，散射通信表現(xiàn)出較陸地鏈路更為優(yōu)良的傳輸性能[14-16]，更加凸顯了其在海域戰(zhàn)場(chǎng)的重要應(yīng)用價(jià)值。

對(duì)流層散射通信鏈路的通信距離預(yù)計(jì)方法按照國(guó)際電信聯(lián)盟推薦的ITU-R P.617-1進(jìn)行計(jì)算[17]，并假定工作環(huán)境為光滑地球表面、大氣折射指數(shù)為340、天線架設(shè)高度為10 m、氣候區(qū)類型為海上海洋性溫帶氣候。雷達(dá)的工作頻率范圍選擇S頻段，發(fā)射功率假定為100 kW。裝備主要參數(shù)如表1所示。

表1 裝備主要參數(shù)

通信距離為200～400 km時(shí)，預(yù)計(jì)的通信距離與傳播可靠度的關(guān)系曲線如圖2所示。當(dāng)傳播可靠度為98%時(shí)，預(yù)計(jì)的通信距離為260 km。

圖2 通信距離與傳播可靠度的關(guān)系

6 結(jié)束語(yǔ)

討論了在相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)超視距通信功能的可行性，簡(jiǎn)要介紹了一種具體的實(shí)現(xiàn)方案以及一體化裝備中通信能力的仿真分析。雷達(dá)與通信一體化的研究是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程,具體實(shí)現(xiàn)還需要突破很多方面的技術(shù)，許多具體問(wèn)題還有待在今后工作中做進(jìn)一步的研究和探索。發(fā)展雷達(dá)與通信一體化是未來(lái)我軍電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì),也是適應(yīng)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境的需要。

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左 斌 男，(1983—)，工程師。主要研究方向：通信裝備建設(shè)、信息安全技術(shù)。

甘啟光 男，(1977—)，高級(jí)工程師。主要研究方向：散射通信、信號(hào)處理。

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,馮 雷,甘啟光.艦載相控陣?yán)走_(dá)與超視距通信一體化技術(shù)研究[J].無(wú)線電工程,2017,47(1):67-70.

2016-11-08

國(guó)家國(guó)際科研專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2016-137)。

TN926.4

A

1003-3106(2017)01-0067-04