1 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，艦船需要在更加復(fù)雜的電磁環(huán)境中，通過艦載射頻設(shè)備實時掌握瞬息萬變的海戰(zhàn)態(tài)勢，這就對艦載射頻設(shè)備的種類、數(shù)量、功能和指標有了更高的要求。但艦船裝備了大量孤立的、功能單一的天線射頻設(shè)備，不僅給艦船平臺增加了負擔，而且影響艦體隱身性設(shè)計；甚至引起射頻設(shè)備間的電磁干擾，使有的設(shè)備無法正常工作，全艦綜合作戰(zhàn)效能難以達到預(yù)期目標。為了適應(yīng)作戰(zhàn)需求的轉(zhuǎn)變，解決目前艦載射頻設(shè)備存在的一些問題，靠單一的射頻裝備或多種裝備的簡單疊加已不能滿足要求。

艦載射頻設(shè)備集成是將艦上采用孤立的天線，實現(xiàn)不同功能的單一射頻設(shè)備采用相控陣或共用孔徑等先進技術(shù)，分頻段地在艦船這個特定的有限空間內(nèi)與艦體平臺和作戰(zhàn)系統(tǒng)有機地融合，充分利用和發(fā)揮艦船平臺、作戰(zhàn)系統(tǒng)和射頻設(shè)備各自的優(yōu)勢，提高艦船的綜合作戰(zhàn)效能。艦載射頻設(shè)備的綜合優(yōu)化已成為提高艦船作戰(zhàn)能力和生存能力的重要途徑之一，也是目前世界上各海軍強國水面艦艇發(fā)展的重點之一。

本文從艦體平臺、作戰(zhàn)系統(tǒng)以及射頻設(shè)備3個層面介紹了艦載射頻設(shè)備集成的發(fā)展過程和重要意義，提出了艦載射頻設(shè)備集成的發(fā)展思路和建議。

2 概念內(nèi)涵

下文從艦船平臺、作戰(zhàn)系統(tǒng)以及射頻設(shè)備3個層面說明艦載射頻設(shè)備集成技術(shù)的內(nèi)涵：

1) 艦船平臺層面

在艦船平臺層面，射頻設(shè)備的集成主要是射頻設(shè)備的前端部件和有關(guān)性能(包括天線、冷卻設(shè)備以及電磁兼容性等)與艦船平臺的一體化設(shè)計，目前主要有2種形式：

① 封裝集成：由機械掃描天線置于具有頻選透波性能復(fù)合材料圍成的封閉式腔體內(nèi)，多層腔體堆疊而成。典型代表是美國“圣·安東尼奧”號兩棲船塢運輸艦上的封閉式桅桿(AEM/S)[1](圖1)和以英國45型驅(qū)逐艦上為代表的歐洲先進技術(shù)桅桿/集成技術(shù)桅桿(ATM/ITM)(圖2)。

圖1 “圣·安東尼奧”號兩棲船塢運輸艦的封閉式桅桿示意圖

圖2 英國45型艦先進技術(shù)桅桿/集成技術(shù)桅桿

② 共形集成：天線采用平面陣或平板形式，貼壁安裝于上層建筑主體或桅桿的外壁。典型代表就是美國的DD(X)驅(qū)逐艦的集成上層建筑[1,2](圖3)。

圖3 DD(X)驅(qū)逐艦共形集成上層建筑

根據(jù)艦船使命任務(wù)、綜合作戰(zhàn)效費比和射頻設(shè)備集成技術(shù)發(fā)展的程度不同，射頻設(shè)備集成在艦船平臺層面上可分為部分共形集成與全共形集成2個發(fā)展步驟:

a. 部分共形集成：全艦部分射頻設(shè)備以集成設(shè)計形式裝艦，部分射頻設(shè)備以離散形式裝艦。

b. 全共形集成：將雷達、電子偵察與干擾、敵我識別、通信與通信對抗等射頻設(shè)備天線進行全陣面化(或平板化)高度集成，并分頻段以多組模塊形式裝艦。

2) 作戰(zhàn)系統(tǒng)層面

艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)對射頻設(shè)備的集成大致可分為3個發(fā)展階段[3-5]。

20世紀70年代初期作戰(zhàn)系統(tǒng)的設(shè)計是將大量現(xiàn)有的傳感器、武器和眾多顯示器、控制器、控制臺集成在一起，構(gòu)成了集中式系統(tǒng)。集中式系統(tǒng)是指：由一臺或一組計算機統(tǒng)一接收或處理各種原始數(shù)據(jù)，集中實現(xiàn)作戰(zhàn)指揮和武器控制功能。這個階段射頻設(shè)備與中心計算機間傳輸?shù)闹饕且曨l模擬量，航跡信息由航跡處理機集中負責提取。作戰(zhàn)系統(tǒng)對射頻設(shè)備的集成是以視頻模擬量為主要信息載體，以中心計算機(航跡處理)為核心的集中方式。如法國海軍SENIT戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)1-3型、英國海軍ADAWS4作戰(zhàn)數(shù)據(jù)自動化系統(tǒng)都是比較典型的集中式系統(tǒng)。如圖4所示。

圖4 以視頻模擬量為主要信息載體的集中式集成

20世紀80年代至90年代初，隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，分布式系統(tǒng)成為了作戰(zhàn)系統(tǒng)發(fā)展的主流，分布式系統(tǒng)的顯著特點是分布式結(jié)構(gòu)，分布式總線、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、標準化和通用化的設(shè)備，大量采用微機、軟件機接口等，分布式計算結(jié)構(gòu)與集中式計算是不同的。它將一個大的計算任務(wù)分割成許多小的步驟或計算機程序。然后這些小的程序被分發(fā)到許多計算機中，以充分利用所有計算機的處理能力。分布式根據(jù)其程度的不同又可劃分為局部分布式和全分布式：局部分布式的系統(tǒng)是通過分布式總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享，全分布式的系統(tǒng)是實現(xiàn)在地點、功能、控制上的完全分布。這個階段還處于分布式的初級形式——局部分布式。

在該階段的分布式作戰(zhàn)系統(tǒng)里，射頻設(shè)備通過作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)交換的不再是視頻模擬量，而是以目標參數(shù)信息(比如目標航跡等)為主的數(shù)字信息，而且航跡信息的產(chǎn)生也不再由航跡機集中提取，而是各射頻設(shè)備分別產(chǎn)生。作戰(zhàn)系統(tǒng)對射頻設(shè)備的集成發(fā)展到以目標信息(目標航跡、目標參數(shù)、姿態(tài)信息等數(shù)字化參數(shù))為主要信息載體，采用分布式的集成方式(圖5)。如美國海軍采用分布式局域網(wǎng)絡(luò)改造宙斯盾作戰(zhàn)系統(tǒng)和DD(X)驅(qū)逐艦作戰(zhàn)系統(tǒng)；英國海軍全分布式水面艦船指揮系統(tǒng)SSCS；法國海軍TAVITAC-2000指控系統(tǒng)(用于護衛(wèi)艦)和開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)SENIT-8(首裝于“戴高樂”號航母)。

圖5 以目標信息為主要載體的分布式集成示意圖

隨著數(shù)字技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，未來射頻設(shè)備中越來越多原來需要由硬件或模擬設(shè)備獨立實現(xiàn)的功能，逐漸由有軟件或數(shù)字化的通用模塊替代，數(shù)字化的進程逐漸向射頻設(shè)備的前端靠近，將逐漸實現(xiàn)目標信息的主要載體從視頻模擬量到航跡數(shù)字量再到數(shù)字信號量的發(fā)展。因此，可以說未來作戰(zhàn)系統(tǒng)對射頻設(shè)備的集成將是以數(shù)字信號為主要信息載體的通用功能模塊的集成，同時也將是未來作戰(zhàn)系統(tǒng)集成的發(fā)展趨勢。如圖6所示，該階段有如下特點：

1) 各分系統(tǒng)的管理和資源的分配通過高速實時網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了統(tǒng)一調(diào)度管理，方便了資源的共享和信息的融合。

2) 采用大量多功能通用功能模塊，各種功能模塊均以軟件的形式實現(xiàn)，軟件模塊都運行在統(tǒng)一的硬件平臺上，為功能的動態(tài)重組提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

圖6 以數(shù)字信號為載體的功能模塊集成

綜合以上分析，在作戰(zhàn)系統(tǒng)層面，作戰(zhàn)系統(tǒng)對艦載射頻設(shè)備的集成可以概括為3種形式：模擬視頻化集成、信息數(shù)字化集成和信號數(shù)字化集成。其主要內(nèi)涵是以“小粒度”的原則對射頻功能模塊的劃分和以全分布、開放式體系結(jié)構(gòu)對全艦射頻功能的“大集成”。

3) 在射頻設(shè)備層面

在射頻設(shè)備層面，射頻設(shè)備經(jīng)歷了從單一功能系統(tǒng)到多功能系統(tǒng)再到一體化綜合射頻系統(tǒng)的3個發(fā)展階段[5-7]。

第一階段為分立式單一功能的射頻設(shè)備。在此階段，射頻設(shè)備主要以機械掃描的方式實現(xiàn)對目標的電磁探測，射頻設(shè)備各功能是各自獨立設(shè)計的。一種功能、一套設(shè)備，具有各自的傳感器、處理器、顯示器，不相互聯(lián)系,基本上是不同的分離傳感器完成各自不同的功能，傳感器之間缺少綜合與協(xié)調(diào)。比如，傳統(tǒng)的常規(guī)雷達分為遠程警戒雷達、目標指示雷達、對海探測雷達、火控雷達、照射雷達、二次雷達等多種形式，而且雷達體制也多種多樣，如目標指示三坐標雷達主要有頻掃、相掃、相頻結(jié)合以及多波束等體制；火控雷達也有圓錐掃描、單脈沖、隱蔽錐掃等體制。

第二階段，以相控陣雷達和綜合電子戰(zhàn)系統(tǒng)為代表的多功能射頻設(shè)備，是目前射頻設(shè)備的發(fā)展主流，得到了廣泛的應(yīng)用。艦載相控陣雷達通過計算機控制波束實現(xiàn)電掃，使其能具有同時完成搜索、跟蹤、制導(dǎo)等多種功能，能取代多部搜索雷達和跟蹤雷達。組合式的綜合電子戰(zhàn)系統(tǒng)具有了初步的數(shù)據(jù)融合與綜合管理，能進行威脅數(shù)據(jù)綜合，并對威脅目標自動響應(yīng)。目前世界上裝備艦艇最多的美國SPY-1系列多功能相控陣雷達，裝備了“提康特羅加”級導(dǎo)彈巡洋艦(以下稱“提”級)和“阿利·伯克”級(以下稱“伯克”級)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦，能對空中和海面目標進行搜索、跟蹤，為“標準-2”、“標準-3”導(dǎo)彈提供制導(dǎo)。而美國海軍的AN/SLQ-32(V)綜合電子戰(zhàn)系統(tǒng)是世界上最早將雷達電子偵察 、有源電子干擾 、無源箔條和紅外誘餌綜合為一體的多功能艦載電子戰(zhàn)系統(tǒng)。

雖然這個階段比分立式單一功能系統(tǒng)有了大的進步，但其各多功能系統(tǒng)的前端或傳感器仍是分立的，各獨立系統(tǒng)之間幾乎沒有任何聯(lián)系，更沒有信息綜合或融合。對每個威脅都得采取單獨的響應(yīng)措施。系統(tǒng)功能不能代替，更不能立即由其它功能單元動態(tài)重組來執(zhí)行出故障單元的功能。

第三階段是共用寬帶孔徑的多功能射頻綜合集成的概念，是在相控陣的基礎(chǔ)上，通過將許多功能共享一個傳感器孔徑和傳感器前端，來實現(xiàn)多個射頻功能。該階段以美國海軍于20世紀90年代中后期開始啟動“先進多功能射頻系統(tǒng)[8,9]”演示驗證項目為代表。該項目的目的是對用寬帶射頻孔徑來實現(xiàn)典型的雷達、電子戰(zhàn)和通信的功能進行技術(shù)探索和演示驗證。其關(guān)鍵技術(shù)是采用寬帶共用孔徑天線技術(shù)，實現(xiàn)將多個天線功能結(jié)合到一個孔徑中。就射頻設(shè)備集成而言，它是將雷達、電子戰(zhàn)及其它射頻設(shè)備功能集成到一個硬件設(shè)備上的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

3 意 義

射頻設(shè)備集成的意義，也可以從艦船平臺、作戰(zhàn)系統(tǒng)和射頻設(shè)備這3個方面進行闡述：

1) 從艦船平臺層面。射頻設(shè)備的集成給艦船的外形，特別是上層建筑的外形帶來了革命性的變化。按國際艦艇技術(shù)發(fā)展趨勢，艦艇的上層建筑逐步趨向小型化。艦載射頻設(shè)備集成技術(shù)是實現(xiàn)艦艇上層建筑小型化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。如對于航母，小型化上層建筑不僅能大大降低航母RCS，還可擴大飛行甲板的利用率，提高航母載機能力，減輕上層建筑對飛行氣流場的干擾；對于驅(qū)逐艦，小型化上層建筑不僅能大大降低RCS，減小被敵早期發(fā)現(xiàn)的距離，改善全艦電磁兼容性，還能留出更多的甲板空間，布置更多的攻擊打擊武器，提高全艦作戰(zhàn)效能。

2) 從作戰(zhàn)系統(tǒng)層面。作戰(zhàn)系統(tǒng)對射頻設(shè)備進行集成設(shè)計后帶來的好處主要有2點：作戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計方面和作戰(zhàn)系統(tǒng)使用方面。

在設(shè)計方面，符合作戰(zhàn)系統(tǒng)一體化發(fā)展的趨勢，更便于作戰(zhàn)系統(tǒng)的優(yōu)化集成設(shè)計：射頻設(shè)備的集成無論是從硬件結(jié)構(gòu)還是從軟件分層來說都與作戰(zhàn)系統(tǒng)的發(fā)展吻合，如逐漸采用成熟商用技術(shù)、采用開放式結(jié)構(gòu)、采用軟件中間件等,更有利于作戰(zhàn)系統(tǒng)從作戰(zhàn)需求出發(fā)，統(tǒng)一規(guī)劃射頻設(shè)備功能；更有利于合理分配各射頻設(shè)備的資源;更有利于合理地設(shè)計射頻設(shè)備在作戰(zhàn)中的使用流程;更有利于應(yīng)用接口的規(guī)范設(shè)計。

在使用方面，它增強了作戰(zhàn)系統(tǒng)射頻資源共享和動態(tài)重組能力：射頻設(shè)備的集成將射頻設(shè)備劃分為若干小粒度的功能性標準模塊，在模塊間進行統(tǒng)一的應(yīng)用接口設(shè)計，從而克服了信息或設(shè)備資源不能共享造成的資源浪費，在較大程度上實現(xiàn)了射頻資源(頻率資源、時間資源、信息資源等)的共享；另一方面，通用功能模塊可以根據(jù)所執(zhí)行任務(wù)性質(zhì)和要求在作戰(zhàn)過程中重新配置，保障對整個任務(wù)起緊急作用的某些功能得以順利完成。

3) 從射頻設(shè)備層面來說：射頻設(shè)備的集成充分利用和發(fā)揮各射頻設(shè)備的優(yōu)勢，提高設(shè)備資源冗余度、利用率和可維修性。射頻設(shè)備集成設(shè)計由于采用多功能通用模塊，可通過各系統(tǒng)之間資源共享來提高系統(tǒng)資源的冗余度，即當某一模塊失效時，可通過使用另一分系統(tǒng)中的相同功能模塊來替代；另外，各模塊都具有故障檢測/隔離能力，提高了模塊級的可靠性、可測性和可維修性。除了硬件本身高可靠性技術(shù)的支持外，軟件重組能力也為利用率提供額外的保障。

4 系列化發(fā)展

系列化是將同一品種或同一型式產(chǎn)品的規(guī)格按最佳數(shù)列科學(xué)排列，以最少的品種滿足最廣泛的需要的一種標準化形式[10]。它通過對同一類產(chǎn)品發(fā)展規(guī)律的分析研究和國內(nèi)外市場發(fā)展趨勢的預(yù)測，結(jié)合生產(chǎn)技術(shù)，經(jīng)過全面的技術(shù)經(jīng)濟比較，將產(chǎn)品的主要參數(shù)、要求、尺寸、基本結(jié)構(gòu)等做合理的安排與規(guī)劃，以協(xié)調(diào)同類產(chǎn)品和配套產(chǎn)品之間的關(guān)系。系列化的目的是合理地簡化產(chǎn)品品種，提高設(shè)備的通用化程度。這對于縮短產(chǎn)品的研制周期、降低研制費用、提高產(chǎn)品在市場上的競爭力等，都具有重要意義。

下面從美國海軍的“伯克”級導(dǎo)彈驅(qū)逐艦、宙斯盾作戰(zhàn)系統(tǒng)以及AN/SPY-1系列雷達為例，從艦船平臺、作戰(zhàn)系統(tǒng)以及射頻設(shè)備3個方面來分析系列化的發(fā)展和它們間的對應(yīng)關(guān)系，如圖7所示。

圖7 美國海軍系列化發(fā)展的示意圖

“伯克”級驅(qū)逐艦(首艦DDG-51)，是世界上第一艘裝備宙斯盾作戰(zhàn)系統(tǒng)的驅(qū)逐艦，具有對陸、對海、對空和反潛的全面作戰(zhàn)能力。該級艦共建造62艘(DDG51～DDG112)，形成了3種系列型號，即I型——DDG51～DDG71，Ⅱ型——DDG72～DDG78和ⅡA型——DDG79～DDG112。它們都具有相同的艦體和動力裝置，不同之處主要表現(xiàn)在裝備的作戰(zhàn)系統(tǒng)的系列化改進和更多高新技術(shù)的應(yīng)用。

宙斯盾作戰(zhàn)系統(tǒng)是目前世界上裝備數(shù)量最多，最成功的艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)，已經(jīng)形成了一個作戰(zhàn)系統(tǒng)系列。迄今為止，宙斯盾作戰(zhàn)系統(tǒng)系列已包括8種系列類型，即基線0～7型[11]。宙斯盾作戰(zhàn)系統(tǒng)系列的形成過程就是美國海軍作戰(zhàn)系統(tǒng)系列化的不斷改進和升級，使之一直處于世界領(lǐng)先水平的過程。

基線0型是宙斯盾作戰(zhàn)系統(tǒng)的原始基本型，以AN/SPY-1A雷達多功能相控陣雷達為核心。

基線1型是在基線0型的基礎(chǔ)上采用AN/UYK-7計算機等系統(tǒng)(設(shè)備)略加改進。

基線2型在基線1型基礎(chǔ)上增加了Mk41導(dǎo)彈垂直發(fā)射系統(tǒng)、“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈以及AN/SQQ-89聲吶等。

基線3型的主要改進是采用了AN/SPY-1B相控陣雷達，AN/SPY-1B雷達在AN/SPY-1A雷達的基礎(chǔ)上改善了對干擾環(huán)境下低飛的小雷達截面導(dǎo)彈的跟蹤性能；

基線4型在基線3型的基礎(chǔ)上采用了改進的AN/SPY-1B(V)雷達和AN/UYK-43/44計算機代替了早期的AN/UYK-7計算機。

從基線4型開始，宙斯盾作戰(zhàn)系統(tǒng)開始裝備“伯克”級驅(qū)逐艦。相對于裝備“提”級巡洋艦上的基線4型，“伯克”級驅(qū)逐艦上的基線4型主要不同在于采用的是AN/SPY-1D雷達，是專門針對“伯克”級驅(qū)逐艦進行了適應(yīng)性改進。

基線5型的主要改進包括增加“標準”SM-2Block IV增程艦空導(dǎo)彈、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分布系統(tǒng)16號戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈等。

基線6型的改進主要包括采用適合近海作戰(zhàn)的AN/SPY-1D(V)相控陣雷達,改進識別系統(tǒng),提高協(xié)同作戰(zhàn)能力以及采用分布式局域網(wǎng)互連各分系統(tǒng)。

基線7型是宙斯盾作戰(zhàn)系統(tǒng)的最新改進系列，其主要特點是首次采用了商用成品(COTS)計算機來取代AN/UYK-43一類美國海軍標準計算機，采用分布式、開放式體系結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)更新升級更加靈活。

宙斯盾作戰(zhàn)系統(tǒng)的核心AN/SPY-1系列雷達是美國海軍70年代研制成功、80年代初開始裝艦服役的一種無源艦載多功能相控陣雷達，它工作在S波段，具有搜索、跟蹤和制導(dǎo)等多種功能。SPY-1系列雷達采用了積木式的功能模塊化設(shè)計和大量的標準化電子元件，為系列化的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。目前AN/SPY-1系列雷達現(xiàn)已發(fā)展出 AN/SPY-1A、AN/SPY-1B、AN/SPY-1C、AN/SPY-1D和AN/SPY+1D(V)多種系列類型。其中AN/SPY-1為試驗型(未裝備)；AN/SPY-1A為首批定型雷達，AN/SPY-1B和 AN/SPY-1D在 AN/SPY- 1A的基礎(chǔ)上對天線組合、信號處理機以及控制器等進行了改進，在降低成本、減輕重量、縮小體積、提高可靠性和可用性以及抗干擾性能等方面都取得了顯著成效，從而更有效地對抗低空飛行和小雷達橫截面導(dǎo)彈，其中AN/SPY-1D還針對“伯克”級驅(qū)逐艦進行了單艙單發(fā)射機的改進； AN/SPY-1D(V)型為 AN/SPY-l的最新改進型，改進的目的是對付沿海環(huán)境中出現(xiàn)的多種威脅，提高了雷達在具有大量雜波的環(huán)境中對抗難以觀察到的目標的能力。

從以上分析和圖7中可以清楚地看到，射頻設(shè)備的系列化發(fā)展可以實現(xiàn)一型射頻設(shè)備對應(yīng)多型作戰(zhàn)系統(tǒng)，而作戰(zhàn)系統(tǒng)的系列化可以實現(xiàn)一型作戰(zhàn)系統(tǒng)裝備多艘艦平臺。因此，無論是艦載射頻設(shè)備、作戰(zhàn)系統(tǒng)還是艦平臺都應(yīng)大力發(fā)展標準化、模塊化設(shè)計，根據(jù)不同艦船所承擔的使命任務(wù)、作戰(zhàn)效能以及經(jīng)濟成本等綜合因素進行系列化設(shè)計，走基本型派生發(fā)展的道路，實現(xiàn)“一機多用”、“一機多型”。

5 結(jié)束語

艦載射頻綜合集成是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及艦平臺、作戰(zhàn)系統(tǒng)和射頻設(shè)備等多個方面，既需要有艦總體、作戰(zhàn)系統(tǒng)總體的統(tǒng)籌規(guī)劃、頂層設(shè)計，也需要射頻設(shè)備在如寬帶孔徑、軟件無線電等關(guān)鍵技術(shù)上的突破；同時還需綜合考慮技術(shù)和成本等綜合因素，注重經(jīng)濟和效能的平衡性。

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