雷達-通信一體化系統(tǒng)設計

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

長期以來,戰(zhàn)斗機及軍艦都采用大量分別獨立開發(fā)的射頻傳感器并“松散”綜合在整個航空電子系統(tǒng)結構內(nèi),完成所需各種功能。這種分布式射頻傳感器結構模塊化程度低、重量體積功耗大、成本高、可靠性差、改進困難,難以適應未來的信息化高技術戰(zhàn)爭的要求。以美軍“伯克”級驅(qū)逐艦為例,其較新型號上已配備有108副天線,在艦上尋找合適的安裝位置已非常困難而且?guī)砹藝乐氐碾姶偶嫒輪栴}。航空平臺的情況類似,20世紀50年代,航空電子系統(tǒng)占飛機總成本的比例不超過10%,80年代已經(jīng)達到30%;90年代后,這一比例繼續(xù)攀升;在整個航電設備中,傳感器成本約占63%[1],而降低飛機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是一個有吸引力的方向。

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。而利用相控陣雷達系統(tǒng)所廣泛采用的自適應置零、低副瓣等技術手段,可提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力和戰(zhàn)場生存能力,有助于我軍在強電磁干擾環(huán)境下,解決未來連續(xù)可靠的聯(lián)合指揮地空引導問題;而如果能對雷達進行改裝使之具有實時通信功能,也可以克服情報傳遞速度慢、保密性差和誤報等缺陷,大大提高系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力[2]。

總之,日趨復雜的電磁環(huán)境、隱身技術的使用、反輻射導彈的威脅和各種電子干擾使雷達的作戰(zhàn)效能受到越來越多的威脅。為及時掌握瞬息變化的戰(zhàn)場態(tài)勢,并進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是現(xiàn)代戰(zhàn)爭電子裝備的一個重要發(fā)展趨勢,而雷達-通信一體化又是綜合射頻技術的重要發(fā)展方向之一,可以預期通信與信息獲取的結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

用幾個分布式寬帶多功能孔徑取代目前平臺上為數(shù)眾多的天線孔徑,采用模塊化、開放式、可重構的射頻傳感器系統(tǒng)體系架構,并結合功能控制與資源管理調(diào)度算法、軟件,同時實現(xiàn)雷達、通信、導航、識別等多種射頻功能,這就是綜合射頻技術。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行實時控制與資源共享、資源管理和資源分配,系統(tǒng)設計師能用盡可能少的多功能射頻模塊構建出一個兼具任務規(guī)劃,導航通信識別,態(tài)勢感知和目標探測、跟蹤、攻擊的多任務綜合體;同時使航空電子系統(tǒng)的成本、重量、功耗、失效率顯著下降。美國空軍“寶石臺”計劃研究表明,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 綜合射頻技術將“綜合”推進到天線及射頻前端

綜合射頻技術的研究在全球范圍內(nèi)呈現(xiàn)出蓬勃的發(fā)展勢頭,美國自20世紀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,其典型代表就是美國空軍F-22A的APG-77雷達[3],該雷達天線孔徑能同時產(chǎn)生多個波束：用第1組波束來檢測和定位空中或地面目標,引導第2組波束對目標干擾,用第3組波束與己(友)方的協(xié)同資源通信。也就是說,以前分別由飛機上雷達天線、通信天線、干擾天線和電子支援措施(ESM)接收機天線完成的功能,現(xiàn)在可由一個有源電掃陣列天線(AESA)近乎同步地進行,實現(xiàn)了雷達、電子戰(zhàn)和通信等多種射頻功能的一體化。APG-77雷達的通信發(fā)送速率達548 MB/s,接收速率達1 GB/s。這種低可探測性多功能射頻系統(tǒng)是為獲取空中優(yōu)勢、爭奪制空權而研制的,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)在體系構建、寬帶共口徑天線、一體化波形理論仿真等關鍵技術方面開展了大量研究工作[4-5]。其中,中國電科38所在數(shù)字陣列雷達領域取得的豐碩成果為雷達-通信一體化研究提供了重要的技術支撐。數(shù)字陣列雷達在數(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)有源相控陣雷達相比雷達的系統(tǒng)性能有了很大提升,具有低副瓣、大動態(tài)、波束形成靈活等特點,更能應對未來戰(zhàn)爭中復雜地理、電磁和目標環(huán)境的威脅。數(shù)字陣列雷達開放式、通用化的體系結構,良好的升級和擴展能力,可以滿足雷達、通信、偵察、對抗、識別等多樣化任務需求。

在中國電科38所數(shù)字陣列雷達研究成果的基礎上,筆者構建了一個基于數(shù)字陣列雷達技術的雷達-通信一體化試驗系統(tǒng),解決了一體化數(shù)字陣列模塊等關鍵技術并通過了工程化驗證,最后通過系統(tǒng)平臺進行了數(shù)據(jù)率測試和圖片、語音傳輸試驗,試驗結果與理論分析相符,證明了基于數(shù)字陣列體制雷達-通信一體化試驗系統(tǒng)的可行性。

2 系統(tǒng)設計

雷達-通信一體化數(shù)字陣列技術的研究擬采用“數(shù)字陣列天線+數(shù)字陣列模塊+多模式信號處理機”的總體架構,進行數(shù)字陣列雷達-通信一體化系統(tǒng)的各項功能試驗,通過共用天線孔徑和收發(fā)通道,采用時分復用,在同一個系統(tǒng)中實現(xiàn)雷達、通信、識別等多種功能。

考慮到設備數(shù)量較少以及試驗目標主要是驗證雷達-通信一體化的功能可行性,因此對試驗要達到的技術指標作了簡單要求。

● 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

要達到以上設計指標,需要在總體設計技術、通信信號波形設計技術以及數(shù)字陣列模塊設計技術等關鍵技術方面開展深入研究。

(1)雷達-通信一體化系統(tǒng)時序設計技術

在設計系統(tǒng)工作時序的時候,考慮到由于是點對點的通信,節(jié)點間有較高的實時數(shù)據(jù)需要傳遞,這里采用預先分配的時分多址方式,資源雖然有所流失,但網(wǎng)絡效率較高,而且便于今后在通信的時段內(nèi)加入跳頻圖案,增加保密性和抗干擾性,如圖2所示。

圖2 預先分配的時分多址方式

由于本試驗系統(tǒng)中雷達接收通道的信號處理帶寬是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)中的雷達主站和通信主站(2個)都同步上之后,每個節(jié)點各占1/3的時間,設定系統(tǒng)周期為3 ms,則雷達主站和兩個通信從站各占1 ms的時間,如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)周期時間分配圖

以雷達主站為例,受功率器件的限制,本次試驗中雷達發(fā)射脈寬最大為300μs,也就是說用于通信的時間只有300μs,計算出在每一幀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)絡協(xié)議數(shù)據(jù)(用于3個站點之間構建通信網(wǎng)絡),所以實際有用的數(shù)據(jù)為60字節(jié),對于主站來說,相當于在3 ms的時間內(nèi)能傳輸60字節(jié)的有用數(shù)據(jù),所以單個主站的有效數(shù)據(jù)率理論值為

(2)通信信號設計技術

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。若采用帶限濾波器消除旁瓣還會引起信號包絡的起伏,從而影響傳輸質(zhì)量。MSK(最小頻移鍵控)是2FSK(2進制頻移鍵控)信號的改進型,它的相位是連續(xù)變化的,以載波相位為基準的信號相位在一個碼元間隔內(nèi)線性變化±π/2,信號波形沒有突跳。MSK的表達式為

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

MSK信號與QPSK的頻譜函數(shù)為

圖4給出了MSK信號與QPSK的功率譜,MSK信號的主瓣比較寬,第一個零點在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信號的主瓣比較窄,第一個零點在0.5/Tb處,旁瓣以1/f2的速度下降,速度較MSK慢。若以99%的能量集中度為標準,MSK信號的頻帶寬度約為1.2Tb。這是MSK信號在功率譜方面一個很顯著的優(yōu)點,對帶外產(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)字陣列模塊設計技術

數(shù)字陣列模塊是采用一體化、集成化設計思路將多通道接收模塊和多通道發(fā)射模塊有機結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、小信號接收、數(shù)字接收與數(shù)字信號產(chǎn)生等功能,是構成數(shù)字陣列雷達的一個基本核心單元。它具有體積小、重量輕、結構簡潔、系統(tǒng)連接電纜少、可任意組合等特點。

數(shù)字陣列模塊的主要功能應包括：全機定時基準,通過高穩(wěn)定低相位噪聲晶體振蕩器實現(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現(xiàn);微弱回波信號無失真放大及數(shù)字化;有源陣面收發(fā)校正,通過校正網(wǎng)絡,實現(xiàn)校正測試源和校正接收功能;收發(fā)分系統(tǒng)與信號處理等其他分系統(tǒng)之間的高效數(shù)據(jù)傳輸,包括包含目標信息的數(shù)字化回波信號,實現(xiàn)收發(fā)波束掃描的幅相控制信號等。

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

3 系統(tǒng)試驗

3.1 設備組成

雷達-通信一體化試驗系統(tǒng)由1個雷達主站和2個通信從站構成,其中主站設備由數(shù)字陣列天線、數(shù)字陣列模塊、雷達信號處理機以及通信信號處理機組成。從站為S波段通信設備。主站位置固定,從站處于主站的探測范圍以內(nèi),可以固定,也可以自由移動(車載)。試驗系統(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-通信一體化試驗系統(tǒng)組成

3.2 工作模式設計

系統(tǒng)開機后,雷達信號處理機形成當前波位下的多個發(fā)射單元的幅相控制碼,在空間形成波束并掃描,當波束跟蹤到通信目標位置時,轉入通信模式。在該模式下,雷達對準設置的波位,發(fā)射加載了通信信息的射頻信號,通信目標接收到雷達發(fā)出的波束后,構成數(shù)據(jù)通信鏈路,進行通信信號收發(fā)工作。待通信目標和雷達信息交換內(nèi)容結束,通信目標向雷達發(fā)出結束標志,本次通信任務完成,系統(tǒng)詳細工作流程如圖7所示。

3.3 試驗結果

(1)數(shù)據(jù)率測試

該試驗系統(tǒng)在某試驗場進行了數(shù)據(jù)率測試,雷達主站與通信從站間相距2 km,通信從站1和從站2分別位于主站雷達天線陣面的法線及45°方位。試驗時,雷達波束在±45°范圍內(nèi)掃描,發(fā)現(xiàn)從站1、2位置后分別與1、2通信從站進行了數(shù)據(jù)傳輸,經(jīng)實測,單個主站的平均數(shù)據(jù)率為155 Kbit/s,這與第3節(jié)中分析的設計值較接近。

另外,當從站2在移動狀態(tài)下,還進行了雷達與從站2的數(shù)據(jù)率傳輸試驗,經(jīng)實測,其平均數(shù)據(jù)率為153 Kbit/s,滿足設計要求。

(2)圖片及語音傳輸試驗

本試驗系統(tǒng)還進行了圖片傳輸和話音傳輸?shù)脑囼灐Ｔ囼炛邪l(fā)送和接收圖片的過程流暢,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 雷達與通信工作流程

4 結束語

雷達-通信一體化具有廣闊的應用前景,本文將數(shù)字陣列雷達技術與通信技術相結合,創(chuàng)新性地構建了一個基于數(shù)字陣列雷達技術的雷達-通信一體化試驗系統(tǒng),探索在數(shù)字陣列雷達上實現(xiàn)通信傳輸?shù)目尚行圆⑦M行了工程試驗。

試驗結果表明在通信從站固定和移動兩種狀態(tài)下,該系統(tǒng)均能實現(xiàn)穩(wěn)定工作,實際傳輸數(shù)據(jù)率與設計值相當,傳輸語音和圖片快速、流暢,達到了預期目標。

隨著數(shù)字陣列模塊寬帶化以及一體化波形的工程化實現(xiàn)[6],構建實時處理的雷達、通信一體化工程樣機正在成為可能,在同時工作模式下,可構建以雷達為中心的通信網(wǎng)絡,通信終端與雷達同步。雷達在搜索目標時,工作于窄帶探測模式,但是會在每個波位的第一個脈沖發(fā)送一個窄帶通信鏈路握手信號。當系統(tǒng)通過握手信號搜索到我方通信終端時,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。雷達系統(tǒng)再發(fā)送寬帶一體化波形信號,并將接收到的回波信號正交分離成雷達信號和通信信號,分別送通信處理分機和雷達信號處理分機進行處理。這樣通過采用寬帶一體化波形,系統(tǒng)同時完成了通信和雷達探測功能。關于這方面的研究正在進行中。

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