面向防空反導一體化的緊耦合艦載綜合射頻系統技術研究

蔣瑩瑩,彭 芃

(中國船舶集團有限公司第八研究院,南京 211153)

0 引 言

隨著海軍由“近海防御,遠海防衛”向“大洋存在,兩極拓展”的戰略定位延伸,驅護艦等大中型水面作戰艦艇不僅承擔著傳統的區域防空和平臺自防御任務,更肩負著遠程預警、國土防御、海基協同支援作戰等多元化的作戰使命。依托于無人系統技術、網絡信息技術、人工智能技術的快速發展,未來海上戰爭勢必走向無人化、分布式、智能化和體系化的發展方向,其相應的作戰樣式也將向“有人/無人混合集群”作戰、“廣域分布式殺傷”、“多軍兵種深度融合”的模式快速演進。在此進程中,空間、水面、水下、島岸電磁空間“多維一體”制信息權的奪取將成為未來海戰的主要特征。集遠程海/空目標/輻射源預警探測、遠/中/近程武器系統制導、近程電磁干擾、敵我識別及空中交通管制、廣域信息接入與共享等多功能為一體的艦載綜合射頻系統可為水面作戰艦艇提供強大、高效的信息保障與信息對抗能力,必將成為各國海軍艦載電子信息系統的主流技術體制和裝備形態。

1 防空反導一體化

1.1 海基一體化防空反導信息攻防能力需求

?；揽辗磳б惑w化的本質在于以本艦、編隊、衛星及情報等外部信息源的深度融合為基礎,通過作戰管理和指揮控制的綜合集成,統籌調配各作戰單元的軟、硬武器系統資源,高效完成平臺自衛、區域防空和國土防御作戰任務。

依據艦載軟硬件武器系統威力與作戰定位,通?？蓪⒑？兆鲬饏^域劃分為外圍、中遠程、中近程、末段等4個層次[1],如圖1所示。各區域所面臨的作戰對象、作戰任務以及平臺對信息保障和信息對抗能力的需求存在較大差異。在從外圍區至末端區的防空反導作戰全過程中,水面艦艇平臺對于信息保障和信息對抗能力的需求呈現出寬頻帶覆蓋(通常從米波至毫米波)、大空間跨度(通常從幾公里至上千公里)、信息種類繁雜(涵蓋外源情報、主被動探測、數據鏈等多元異構數據)、多功能任務高度并行(涵蓋偵-干-探-通-攻-管-評等多功能任務)等幾個顯著特點。

圖1 水面艦艇平臺層次化作戰區域與信息需求

1.2 緊耦合綜合射頻系統概念內涵

緊耦合綜合射頻系統是指以超寬帶射頻孔徑多功能共享,探-偵-干-通多任務交織并發,全艦信息探測/對抗/存儲/處理資源可柔性重構為典型技術特征的下一代高效費比艦載綜合電子信息系統,其概念內涵主要體現在以下4個方面:

(1)頻譜/功率/孔徑資源及上層建筑空間的高效利用

以“C-X-Ku”三頻段“雷達-電子戰-協同通信”集成和“P-L-S”三頻段“IFF-ELINT-RESM-CESM”集成為典型應用的射頻孔徑共享,可大幅提升艦船上層建筑空間資源的利用效率,在全面提升水面艦艇平臺隱身性能的同時,可顯著改善艦載電子設備的電磁兼容性能。另外,緊耦合綜合射頻系統通過多粒度的頻譜/功率/孔徑資源敏捷管控,為基于超寬帶有源射頻孔徑共享的探-偵-干-通多任務并發提供了有力支撐,可以較為理想地實現任務規劃和資源管理的契合。

(2)多源多尺度信息的深度融合應用

與傳統的多分立設備集成式綜合射頻系統相較,緊耦合綜合射頻系統更注重主動探測、被動偵察、有源干擾等不同工作模式間的動態交替引導,以及歷史觀監測數據的認知化積累與反饋應用。例如,通過中遠程主動探測與ELINT功能的互引導可顯著提升?？针[身目標的發現能力及參數捷變輻射源的截獲概率;通過ELINT/RESM/CESM一體化設計并結合數據挖掘技術,能夠實現散落在廣域頻譜、長時間序列上電磁信號碎片的長時準確關聯,從而顯著提高復雜輻射源分選識別準確率;基于強實時高速數據傳輸鏈路的跨平臺區域級協同則在完成海上輻射源交叉定位等傳統功能的同時,可進一步拓展信號級聯合檢測、協同主瓣干擾抑制等新興應用。

(3)多視角態勢理解與信息呈現

由于接入了更廣泛的外部信息源,再結合系統自身多種探測手段的綜合運用,緊耦合綜合射頻系統能夠呈現出更為豐富的態勢信息,更好地輔助戰斗決策。在實現目標精確匹配的前提下,通過不同探測方式、不同探測粒度信息的融合、互補和針對性處理,從全局角度更好地展現水面艦艇平臺的現狀,包括其威脅狀態及整體安全環境;基于對積累的海量探測數據的長時迭代分析、挖掘、認知、反饋,預測水面艦艇平臺乃至編隊平臺的未來狀態,提升?？諔B勢的綜合感知能力。

(4)與指火控及作戰系統的無縫對接

緊耦合綜合射頻系統更有利于作戰系統設計和使用,其對多功能射頻前端的集成和射頻資源的敏捷管控更符合作戰管理系統一體化發展的趨勢,便于作戰系統的優化集成設計,更有利于射頻資源的合理分配以及射頻資源作戰使用流程的合理設計。在防空反導作戰中,緊耦合綜合射頻系統能夠為指火控系統提供針對高速高機動目標(如彈道導彈、反艦導彈乃至高超聲速武器)更高精度的目指能力,降低未來防空反導作戰任務的響應時間,提高反導作戰效率。

因此,相對于傳統的電子信息系統的松散堆砌,緊耦合艦載綜合射頻系統在防空反導一體化中應具有更高精度的信息融合能力、更高效的資源利用率、更快的系統響應時間,以及為新式武器系統如電磁炮和激光武器等,提供與之匹配的信息保障的能力。

2 緊耦合綜合射頻系統關鍵技術

緊耦合艦載綜合射頻系統在為未來信息保障帶來眾多利好的同時,也對綜合射頻系統的高效資源管控、多任務調度以及協同網絡設計提出了更高的要求。為此,除高精度目標識別等傳統雷達電子戰領域關鍵技術之外,還須研究射頻孔徑資源和信息處理資源的靈活調度和動態重構、面向全生命周期的多功能任務調度以及開放式協同網絡設計等技術。

2.1 系統架構設計

為了通過充分發揮綜合射頻系統中集成的射頻孔徑和信息處理資源,實現探-偵-干-通聯動的高效一體化信息攻防,須要在緊耦合綜合射頻系統總體架構設計、多粒度頻譜/功率/孔徑資源敏捷管控、面向多功能并發應用的多任務調度模型與算法、基于歷史探測數據認知反饋的綜合射頻系統迭代優化、區域級網絡化協同探測系統設計等關鍵技術方面開展深入研究,如圖2所示。

在體系架構方面,采用寬帶有源/無源數字陣列射頻前端、信息預處理與數據適配、統合資源調度、聯合信息處理和綜合顯示控制五層體系架構。

在資源調度方面,借鑒虛擬化技術,結合射頻前端的軟硬件工作原理,嘗試實現孔徑/頻譜/功率等資源的虛擬化表示和細粒度管控,其核心是實現各類資源的模塊化及模塊的標準化接口,最終實現軟硬件解耦。

圖2 緊耦合綜合射頻系統關鍵技術

開展綜合射頻系統多功能一體化探測時多任務情形下各類資源的按需動態重構方法研究,基于不同任務場景實現面陣、波束資源的動態配置[2]。在此基礎上,以虛擬資源池為基礎支撐,研究不同作戰場景、不同任務類型、不同電磁環境、不同目標態勢下綜合射頻系統的工作策略、傳感資源使用規則和探-偵-干-通并發模式下的多任務調度算法,實現并發任務規劃和資源管理的理想契合。

在信息處理方面,以“高性能全艦公共計算環境”為基礎平臺,通過設計與各射頻前端設備相適配的數據接口提供開放式的數據/協議轉換服務,實現射頻前端的信號級匯集融合。分析探、偵、干、通等多功能任務的處理流程和各級數據特征,歸納出符合公共計算環境平臺架構的計算任務分解組合策略、數據并行算法和數據放置算法等。通過信息處理的高效利用與射頻孔徑資源的敏捷管控相結合,實現綜合射頻系統工作模式柔性重構和信息攻防效能提升。

2.2 多粒度頻譜/功率/孔徑資源敏捷管控技術

通過虛擬化技術實現資源的細粒度管控是提高資源利用率的有效方式。所謂虛擬,是指每個硬件功能單元的組成并不是固定形式,可以根據功能需求調整所包含的資源類型和資源數目,即每個虛擬硬件功能單元都能夠按需從各種類型的虛擬資源池中獲取各種相應類型的資源并形成整體。這種按需使用資源的方式使得虛擬硬件功能單元具備良好的可擴展性,且能極大地提高資源利用率。具體到緊耦合綜合射頻系統,通過虛擬化技術將面陣資源、射頻資源、信號處理資源、計算資源等以統一的表示方式表示,構成一個動態的虛擬化資源池。虛擬資源池的主要類型包括射頻前端資源池、信息處理資源池(FPGA、通用CPU等)等。資源池中資源實現細粒度化、模塊化,提供多種粒度的標準化調用接口,并實現軟硬件解耦。

資源可重構是虛擬資源的重要特性,也是實現虛擬硬件功能單元的必需。圖3是資源虛擬化重組的邏輯示意圖。實現資源虛擬化重組必需的3個主要邏輯功能模塊包括任務調度、數據分發和資源監控模塊,其中資源監控負責監控各個資源的狀態和屬性(例如資源是否空閑、資源的負載等),并將所監控的信息傳輸給任務調度模塊進行參考;任務調度模塊負責結合資源監控信息,將任務按照一定的調度策略分配給各個資源執行;當任務調度模塊確定了完成某個任務所需的所有資源后,數據分發模塊負責將各個資源執行任務所需的程序和數據分發給指定的所有資源進行加載和預存儲。在射頻前端資源的動態重構方面,重點研究系統工作模式瞬態切換、陣面孔徑與通道自適應重構、工作參數與處理算法快速加載、信息流程重構等系統功能動態重構技術,滿足執行多任務的實時功能轉換需求。

圖3 資源虛擬化重組邏輯示意圖

2.3 多功能任務調度技術

探-偵-干-通多任務并發執行是緊耦合綜合射頻系統必須具備的核心能力之一,與之適應的多功能并發任務調度策略如圖4所示。

圖4 主被動探測多任務動態管理與資源調度架構

考慮到在容忍一定性能損失的前提下主被動探測、協同通信和有源干擾任務所占據的系統資源能夠在可控范圍內調整,嘗試對多功能任務進行全周期生命模型建模,充分利用不同任務發射、接收間的可變等待間隔去執行其他可能的任務,通過基于可變駐留時間的全周期多功能任務調度技術實現綜合射頻系統時間、孔徑、頻譜資源的高效利用。具體到任務調度策略模型上,從抽象層面將探測、偵察、干擾、協同通信等任務皆可分解為信號發射、等待、信號接收等3個基本行為,且不同功能的任務均要以各自期望的數據率進行動態更新,將任務調度轉變為一定約束條件下資源池優化問題,其目標是合理調度盡可能多的任務,同時對于每一個被調度的任務,用最大可能的(接近理想)駐留時間去規劃其駐留次數。此外,調度時還應充分考慮綜合射頻系統有源/無源數字陣列設備多元化互引導的工作模式設計以及有源數字陣列子陣級并發工作的自由度,設計完善的資源調度預案和魯棒的動態調整策略。

其次,緊耦合綜合射頻系統要具備較強的自主工作能力,支持自主任務規劃,能夠根據不同的作戰場景,在系統工作預案的基礎上認知化地完成系統工作模式和工作參數的動態調整。具體而言,射頻傳感器在執行作戰任務時依據任務類型、電磁環境和目標態勢等多重因素自動選擇相應的射頻傳感器控制規則,并基于這些規則對工作參數和模式進行控制。這些規則以專家知識的形態預先存儲在綜合射頻系統先驗知識庫中,下一節中闡述的“基于歷史探測數據認知反饋的綜合射頻系統優化”涵蓋了對該規則庫的迭代更新。當綜合射頻傳感器在工作過程中檢測到滿足預先設置的規則觸發條件時,即自動調用該規則,以此實現傳感器工作模式和工作參數的自動化操控。

2.4 基于歷史探測數據認知反饋的綜合射頻系統優化

基于歷史探測數據認知反饋的系統參數和工作模式迭代優化設計對于工作于復雜海洋電磁環境中的海用電子信息系統性能提升至關重要。美國海軍AN/SPY-6雷達的自主孔徑-頻譜-時間資源配置策略、法國Thales公司SeaMaster-400型S波段艦載多功能相控陣雷達的All-in-one mode全自動工作模式、荷蘭Thales公司VIGILE 400型ESM/Elint一體化電子偵察系統編隊輻射源目標識別等核心能力的形成,皆是以長期海量觀測數據的多維度認知和多角度挖掘為基礎。

鑒于艦載綜合射頻系統觀監測數據的維度、數據量和信息豐富程度遠超傳統的雷達系統和電子情報偵察系統,擬從以下4個角度開展基于數據認知反饋的綜合射頻系統優化設計工作(如圖5所示):

圖5 基于歷史探測數據認知反饋的綜合射頻系統優化設計

(1)探-偵-干-通多功能匹配度優化

以水面艦艇平臺作戰使命和任務、典型作戰對象技戰術指標等要素為出發點,同時結合不同作戰場景、不同海域海況下工作流程回放和全景實測數據分析,迭代優化設計對空對海主/被動探測威力/精度、協同控制區域、協同網絡規模及數據傳輸速率、機載火控雷達/反艦導彈最小有源干擾距離等綜合射頻系統的核心能力指標,提升系統綜合作戰效能和效費比。

(2)工作模式優化

艦載綜合射頻系統的基礎工作模式包括常態化區域?？漳繕吮O視、協同偵測、集群式協同偵察定位等基礎工作模式,在此基礎上將嘗試依據實測數據后分析結果對工作模式進行進一步的細分或簡并,優化設計各種工作模式下任務優先級及多功能交織優先級等系統級和設備級調度邏輯。

(3)場景認知能力優化

基于對綜合射頻系統中長期觀測數據的多維度分析和敏感信息挖掘,制訂系統主動探測目標信息、被動探測輻射源信息、有源干擾對抗對象信息的關聯和管理規范,制訂主被動探測作戰對象及探測場景的威脅等級劃分標準、實時判定準則以及不同工作場景下的主被動探測、有源干擾、信息傳輸/處理/存儲資源的部署規范。

(4)先驗知識庫優化

完備且低冗余的先驗知識庫是綜合射頻系統具備高效自主工作能力的核心前提。通過構建全維廣域信息感知與對抗數據池,常態化的對探偵干通多種功能及多功能交織工作模式下的探測、偵察、干擾等過程進行全景式數據復現,在此基礎上通過對水面艦艇工作區域的自然/氣象/電磁環境特征、特定主動目標的檢測/跟蹤全過程、特定輻射源目標的截獲/分選/精細分析全過程、特定高威脅目標的無源偵察/有源干擾全過程的綜合分析,建立適用于各類型作戰任務的艦載綜合射頻系統先驗知識庫,為綜合射頻系統工作模式和技戰術指標優化設計提供基礎支撐。

2.5 區域級網絡化協同探測系統設計

針對水面艦艇對強實時高速數據傳輸、靈活可擴展區域級協同愈發強烈的需求,借鑒軟件化雷達中成熟的層次化設計理念,構建區域級水面協同探測系統,包含4個層次:軟件定義的多任務應用層、軟件定義的無線網絡層、軟件定義無線電分發層、軟件定義的陣列天線層,各層間的邏輯互聯關系如圖6所示。

圖6 軟件定義的水面艦艇協同網絡架構

(1)軟件定義的多任務應用層(SDA)

實戰狀態下的編隊協同探測系統將存在同構或異構傳感器之間的多種協同任務。SDA層通過采取面向應用任務的進(線)程級的輪換、制訂統一開放的協議接口等措施,盡量確保各種協同任務實時高效運行。

(2)軟件定義的無線網絡層(SDN)

用于將數據與控制分離,且控制與數據兩個子層之間采用開放的統一接口進行交互。實現的功能包括:掌握整個編隊節點態勢、任務分配和節點路由路徑管理;管理多個節點簇并組織分布式聯合探測;在線部署和下發協同協議等。

(3)軟件定義的無線電分發層(SDR)

通過軟件配置與功能重構實現調制、解調、糾錯編解碼以及網絡接入與網絡管理等無線通信網絡的基本功能,通過多協議、多速率、多帶寬、多調制解調方法的兼容,實現現有多種協同節點的接入,并通過預留適度冗余的帶寬和處理能力實現面向未來裝備發展需求的通信速率和網絡接入擴展能力。

(4)軟件定義的陣列天線層(SDPA)

充分利用各節點信號空間的特征差異,自動調節各天線陣元的加權向量,使得天線主波束對準期望節點信號到達方向,而旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向,以逼近陣列天線的最佳接收和發射增益。在網絡化協同工作狀態下,通過全數字波束形成的方式進行同時多波束的寬角覆蓋,以實現編隊節點的快速接入,同時也可以基于凝視工作狀態將各波束分別對準各編隊節點,實現全時信息高速率分發。此外,數字可編程的波束形成方式可根據傳輸信道質量、電磁環境、目標位置等信息,充分利用天線孔徑實現大動態范圍的接收和定向干擾抑制。

3 結束語

本文分析了當前作戰環境對多功能艦載綜合射頻系統的需求和緊耦合綜合射頻系統較傳統電子信息系統的優勢,給出了緊耦合綜合射頻系統的概念內涵,重點研究了緊耦合綜合射頻系統關鍵技術,包括系統架構設計、多粒度頻譜/功率/孔徑資源敏捷管控技術、多功能任務調度技術、基于歷史探測數據認知反饋的綜合射頻系統優化、區域級網絡化協同探測系統設計等,對相關系統和裝備研發有較大的參考價值。