艦載相控陣雷達與超視距通信一體化技術研究

左 斌，馮 雷，甘啟光

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

艦載相控陣雷達與超視距通信一體化技術研究

左 斌1，馮 雷2，甘啟光3

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

針對現代作戰平臺實現小型化和多功能化的需求，提出了在艦載相控陣雷達中增加超視距功能，是未來作戰平臺電子綜合一體化系統的主要發展方向。從雷達系統和通信系統二者的工作頻率、發射功率、信號波形和信號帶寬等方面，介紹了艦載相控陣雷達與超視距通信的共用基礎、共享的可行性及共享的方式，給出了艦載相控陣雷達與超視距通信一體化裝備的解決方案，并根據某種雷達裝備的主要技術參數對超視距通信能力進行了示例分析，為雷達與超視距通信一體化設計提供了一種可行的技術思路。

雷達-通信；一體化；相控陣雷達；超視距通信

0 引言

過去一段時間以來，雷達和通信在作戰平臺上被嚴格區分，在各自的應用領域中幾乎平行發展，形成了獨立的發展方向。這種發展方式，造成了相關電子設備模塊化集成度低、重量體積功耗大、成本高且融合困難[1]。事實上，雷達和通信作為信息發送、獲取和處理的典型方式，雖然在功能、應用和實現方式有顯著差異，但從它們的系統架構、硬件組成、工作頻率和信號處理算法等方面來看，又有許多相同的地方。

在信息化戰爭條件下，面對日益復雜的戰場環境，作戰平臺需要配備多種型號的雷達設備和通信設備，多種電子裝備的簡單堆砌，不利于作戰平臺綜合對抗能力和作戰效能的發揮。對雷達系統和通信系統進行功能整合和硬件共享，不僅是未來作戰平臺電子設備綜合一體化的主要發展方向，而且將雷達系統和通信系統進行多功能一體化設計，利用雷達系統的相控陣天線采用的自適應置零，低旁瓣等抗干擾技術，可提高通信系統的抗干擾能力和抗毀能力，克服傳統通信系統傳遞情報速度慢、保密性差等方面的不足[2-3]。

本文從船載雷達系統和通信系統一體化的實際應用需求出發，主要分析了二者共用的基礎和幾種共享方式，并根據某型雷達系統的主要參數，對實現超視距通信的能力進行了計算和仿真。

1 國內外研究情況

雷達與通信一體化在國外的研究比較早，已經有實用化的裝備，而國內的研究還處在探索階段。特別是美國，目前已經有了實戰化的裝備，其典型代表的裝備是美國空軍F-22A戰斗機平臺上裝備的APG-77雷達[4]，該雷達天線能同時產生多個波束：用第1組波束來檢測和定位空中或地面目標，可引導第2組波束對目標進行干擾，用第3組波束與己(友)方進行協同資源通信。也就是說，以前分別由飛機上雷達天線、干擾天線和通信天線等各自獨立天線完成的功能，現在由一個有源相控陣(AESA)天線幾乎同步完成，實現了雷達和通信等多種功能的一體化。APG-77雷達的通信發送速率達548 Mb/s，接收速率1 Gb/s。近些年來，關于艦載平臺的相控陣雷達與超視距通信一體化設計又成為一個全新的綜合性研究內容。美國近年來已對此開展了研究，并已取得了一體化裝備成果。2007年8月29日美國《每日防務》報道，通過美國雷聲公司和L-3通信公司的技術合作，使得有源相控陣雷達可以具有高速數據傳輸的視距外通信能力。

目前，盡管我國在雷達、通信系統等方面的研究已取得了很多成果，并積累了豐富的工程經驗，但在一體化方面的研究還落后于歐美，技術成果很少。

2 現狀分析

近年來，國內相關科研院所及高校，在雷達與通信一體化設計及工程化方面進行了深入研究，在體系構建、系統仿真、波形設計和綜合射頻等方面做了不少應用研究工作，做出了工程樣機，也在實驗室條件下對一些關鍵指標進行了驗證測試，比如通信距離和傳輸速率等。根據文獻[5]，國內某研究所在實驗室條件下完成了相距2 km的中心站與外圍站間通信測試，中心站平均速率可達155 kb/s。但是相關研究都是基于視距條件下展開的。本文以超視距條件下的應用為背景，就艦載相控陣雷達與超視距通信共用的基礎、一體化裝備的實現方案以及一體化裝備的通信能力等方面進行初步探討。

3 共用的可行性分析

雷達的功能[6]是通過接收目標反射或發射的信號確定目標的空間位置、速度和類型等參數，而通信的目的是通過發射電磁波信號以實現信息快速和安全的傳遞。雷達和通信雖然完成的功能各有不同，但是從它們的系統架構、硬件組成、電磁波頻段和信號的處理算法等方面來看，二者又有許多相通的地方。下面從信號工作的頻段[7]、發射機功率[8]、調制波形[9]、信號帶寬[10]和信號處理算法等方面，詳細論述雷達系統和通信系統進行一體化設計的可行性。

3.1 工作頻段

現在裝備的雷達一般工作在L、S、C、X和Ku等射頻頻段，而適合超視距通信的信號也在上述相近的頻率范圍內，二者的信號存在有重疊應用的頻率，這是雷達系統和通信系統能夠共用的前提條件。

3.2 發射機功率

由于雷達功能各不相同，其發射機發射信號的功率變化范圍很寬，發射功率可從幾W到幾kW甚至到幾MW變化；相比而言，通信設備的發射機功率較小，從幾mW到幾十W，最大的一般也不超過幾kW。因此，雷達發射機的發射功率完全可以滿足超視距對流層散射通信對信號發射功率的需求。

3.3 調制波形

雷達系統常用的調制波形一般有2種：連續調制波形和脈沖調制波形。雷達系統有一種常用的連續波信號形式是線性調頻信號。線性調頻的調制信號在通信系統中也得到了廣泛應用，這種調制信號既具有較強的抗干擾性能，也具有恒包絡特性，可以充分利用發射機功率。線性調頻信號在一定條件下也具有隱分集的效果，適合于超視距傳輸的變參信道。脈沖調制信號波形，在高速猝發通信中也有廣泛的應用。

3.4 信號帶寬

雷達系統的信號帶寬一般比較寬，通信信號相對而言占用的帶寬比較窄。通常，在通信系統中，如果傳輸信息速率為1 Mb/s時，需要的射頻信號傳輸帶寬也不超過幾MHz。因此，在不影響雷達信號正常工作的情況下，雷達系統的射頻帶寬完全滿足通信信號傳輸的需求。

3.5 信號處理算法

信息的處理一般分為信息的發送和接收過程，相對應的是對信息的調制和解調。信息處理中具體算法主要有編碼、基帶成形、數字頻率合成、采樣、數字變頻、濾波和譯碼等相關算法，這些算法的原理都是相通的。雷達信息和通信信息的處理也都要遵循上述的過程，采用的數學原理和算法基本上相同，只是針對不同的參數和要求有各自的關鍵算法和側重點而已。比如，對通信信號而言，主要的要求是更加有效而正確地傳送更多的信息；但對于雷達信號來說，側重的要求是要提高對探測目標的運動參數的檢測精度。針對雷達信號和通信信號的處理，采用軟件無線電技術進行一體化的信號處理設計，統一雷達和通信對信號處理算法方面的要求。

通過上述這些參數的分析，雷達與超視距通信實現共用的主要條件具備，主要的系統架構相近。根據工作頻段、大功率發射機和信號處理算法等因素，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

雷達和通信系統的工作原理[10]都是利用電磁波的發射和接收來處理信息的過程,在系統的架構組成上體現為二者的子系統有很大部分的重疊[11]。例如：二者的天線系統、發射機、接收機和信號處理終端等。通過對二者子系統組成的分析，通信系統共享雷達系統的主要方式有：

① 只共享雷達設備的天線系統；

② 可共享雷達設備的發射機和天線系統；

③ 共享雷達設備的信號處理終端、接收機、發射機和天線系統。

一體化裝備的解決方案既完成對通信信號的處理功能，也能實現對雷達信號的處理功能。這種一體化裝備發射的雷達信號是已調制的通信信號，其既具有探測目標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行不同的功能，一個波束用來通信，一個波束用來探測，支持連續通信體制；也可以只形成一個掃描波束，當掃描到通信站時伺機進行突發通信，當掃描到目標時，返回目標信號，支持突發通信體制。

一體化裝備的基本工作過程為:雷達增加通信功能后，如果是脈沖雷達，一體化設計的波形信號經發射機變頻、放大等處理后送入相控陣天線，相控陣天線進行電掃，當掃到目標時，返回目標回波，當掃到對端通信站時，首先完成信號的握手，然后進行通信。含有目標的回波或通信信號經相控陣天線送入接收機低噪放、變頻處理后送給信號分離器，將目標回波信號和通信信號分離后送給各自的信號接收處理器。雷達與通信共用的系統組成示意圖如圖1所示。

圖1 雷達與通信共用系統組成

5 雷達硬件進行超視距通信的計算示例

共享雷達系統現有的部分模塊，利用大功率發射機，也可實現超視距通信功能，但其實質上是對流層散射通信原理。它是利用對流層中大氣的不均勻性對微波、超短波和短波的前向散射或反射作用來實現的一種超視距無線通信方式[12-13]，特別是在海面上，借助天然良好的信號傳播條件，海面無地形阻擋和艦體天線架高的優勢，散射通信表現出較陸地鏈路更為優良的傳輸性能[14-16]，更加凸顯了其在海域戰場的重要應用價值。

對流層散射通信鏈路的通信距離預計方法按照國際電信聯盟推薦的ITU-R P.617-1進行計算[17]，并假定工作環境為光滑地球表面、大氣折射指數為340、天線架設高度為10 m、氣候區類型為海上海洋性溫帶氣候。雷達的工作頻率范圍選擇S頻段，發射功率假定為100 kW。裝備主要參數如表1所示。

表1 裝備主要參數

通信距離為200～400 km時，預計的通信距離與傳播可靠度的關系曲線如圖2所示。當傳播可靠度為98%時，預計的通信距離為260 km。

圖2 通信距離與傳播可靠度的關系

6 結束語

討論了在相控陣雷達系統中實現超視距通信功能的可行性，簡要介紹了一種具體的實現方案以及一體化裝備中通信能力的仿真分析。雷達與通信一體化的研究是一個循序漸進的過程,具體實現還需要突破很多方面的技術，許多具體問題還有待在今后工作中做進一步的研究和探索。發展雷達與通信一體化是未來我軍電子技術發展的一個趨勢,也是適應未來戰爭環境的需要。

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

甘啟光 男，(1977—)，高級工程師。主要研究方向：散射通信、信號處理。

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.艦載相控陣雷達與超視距通信一體化技術研究[J].無線電工程,2017,47(1):67-70.

2016-11-08

國家國際科研專項基金資助項目(2016-137)。

TN926.4

A

1003-3106(2017)01-0067-04