姚 迪，趙 楠，杜曉佳

(1.海軍駐426廠軍事代表室，遼寧 大連 116005；2.海軍裝備部艦船辦公室，北京 100071；3.中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064)

0 引 言

隨著海上戰(zhàn)爭模式和作戰(zhàn)體系的不斷更新和變化，為了保證在多任務(wù)形勢下的綜合戰(zhàn)斗力，水面艦船對雷達偵測、通信、電子戰(zhàn)等射頻功能的需求越來越多，因此水面艦船上層建筑設(shè)計將面對越來越多的挑戰(zhàn)[1]。這些挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在：若采用傳統(tǒng)設(shè)計方法，上層建筑將會布設(shè)有大量離散的射頻孔徑及天線，上層建筑的隱身性很難被控制，難以滿足要求；不斷新增的通信和雷達設(shè)備會增加上層建筑及桅桿的空間需求、重量及電力消耗，同時也會導(dǎo)致船型不斷增大和建造成本增加；考慮到每個射頻設(shè)備都需要在其工作角域內(nèi)無障礙傳播，且要避免電磁干擾現(xiàn)象發(fā)生，射頻設(shè)備的布置難度不斷加大；由于每個系統(tǒng)或設(shè)備會對操作和維修的人員培訓(xùn)、維護保養(yǎng)和備品備件等提出需求，這無形中會增加后勤保障方面的問題。

面對以上困難，美國海軍通過其海軍研究辦公室（Office of Naval Research，ONR）牽頭組織的集成上層建筑（Integrated Topside，InTop）演示驗證項目予以解決。該項目作為創(chuàng)新海軍樣機計劃（Innovative Naval，INP）之一，其研究的重點是開發(fā)一個通用化、模塊化、可擴展的電子戰(zhàn)、雷達和通信的設(shè)備和平臺，以支持多種艦船綜合射頻設(shè)計[2]。

本文通過對InTop項目的前期研究基礎(chǔ)、研制的基本情況、后續(xù)衍生項目進行介紹和分析，梳理該項目的組成和研制特點，給出了該項目的思考和啟發(fā)，為我國艦船在綜合集成上層建筑設(shè)計及綜合射頻方面的研制工作提供參考。

1 前期研究基礎(chǔ)

InTop建立在ONR前期開展的先進多功能射頻概念（Advanced Multi-function Radio Frequency Concept，AMRFC）和多功能電子戰(zhàn)爭（Multi-Function Electronic Warfare，MFEW）先進發(fā)展模型的研究基礎(chǔ)之上[4]。

1）AMRFC項目

AMRFC由海軍研究實驗室（Naval Research Laboratory，NRL）牽頭實施。該項目的研究目的是解決當(dāng)時水面艦艇電子設(shè)備和天線數(shù)量急劇增加所帶來的一系列問題。該項目提出了在寬帶有源相控陣體制上實現(xiàn)電子設(shè)備的雷達、通信、電子戰(zhàn)等多功能、多任務(wù)綜合一體化設(shè)計的概念，被認為是集成上層建筑概念的第1次嘗試。

在這個項目中，NRL和相關(guān)工業(yè)部門對通用化的激勵/接收器陣面進行研制，并開發(fā)了射頻資源分配管理器（Resource Allocation Manager，RAM）。在NRL的切薩皮克灣分部（Chesapeake Bay Detachment，CBD）的試驗臺上，這些裝備進行總裝[5]，見圖2?；谠撛囼炂脚_，AMRFC通過采用獨立的接收陣面和發(fā)射陣面，在共用6～18GHz綜合射頻孔徑、波形產(chǎn)生與發(fā)射器、核心系統(tǒng)軟件、綜合射頻軟件等條件下，完成了電子戰(zhàn)（主動和被動）、通信和雷達探測等方面的演示試驗。

AMRFC項目最終實現(xiàn)了利用1套通用和隱身化的雷達孔徑、通用的信號處理設(shè)備及通用的數(shù)據(jù)處理設(shè)備來模擬實現(xiàn)大量的雷達、電子戰(zhàn)和通信的功能。

2）MFEW項目

AMRFC項目之后，ONR和NRL在2005年開展了MFEW未來海軍能力（Future Naval Capability，F(xiàn)NC）計劃。ONR對MFEW項目提出了幾個關(guān)鍵指標(biāo)：頻率和空間覆蓋、靈敏度、系統(tǒng)響應(yīng)時間、電磁環(huán)境需求、信號到達角AOA、天線的RCS、對抗特殊新興威脅的性能提出要求。此外，ONR要求MFEW的設(shè)計是模塊化、開放式和可拓展的，這樣才能夠滿足不同操作平臺的需求，能夠勝任未來不斷增加的電子戰(zhàn)功能的能力。

MFEW樣機演示了可執(zhí)行多種電子支援功能的能力（包括高概率竊聽、精確方位搜尋和特殊的發(fā)射器識別），同時還展示了對RAM和其他射頻系統(tǒng)集成的能力[6]。在完成陸上演示驗證后，MFEW樣機被安裝在美國海軍的船塢登陸艦“康斯托克”號上，并參加了當(dāng)年的環(huán)太平洋聯(lián)合軍演。

圖2 AMRFC測試平臺Fig.2 Advanced multi-function radio frequency concept testbed

2 InTop項目基本組成

在InTop項目的名義下，ONR構(gòu)建了一系列致力于處理各種多功能射頻系統(tǒng)的樣機/技術(shù)演示項目，具體可見表1和圖3。

1）多波束電子戰(zhàn)/信息戰(zhàn)/視距內(nèi)通信樣機

多波束電子戰(zhàn)/信息戰(zhàn)/視距內(nèi)（Line of Sight，LOS）通信樣機的開發(fā)集成合同種具有多波段、多波束、寬頻帶功能的原理樣機，主要功能包含了X到Ka波段的電子攻擊、電子攻擊支援、“鷹鏈”（Hawk link）系統(tǒng)備份、通用數(shù)據(jù)鏈路、視距內(nèi)數(shù)據(jù)交換功能、SEI/ES支援和信息戰(zhàn)支援，以及衛(wèi)星通訊（SATCOM）增強等附屬功能。該多波束樣機原理樣機包含了4個覆蓋C波段到Ka波段寬波段的傳輸/接收AESA陣面，如圖4所示。

表1 InTop項目相關(guān)的工程樣機Tab.1 Prototype developments of InTop INP

圖3 從AMRFC致InTop的綜合射頻系統(tǒng)進化[7]Fig.3 Multifunction RF systems evolution AMRFC to InTop

圖4 多波束電子戰(zhàn)/信息戰(zhàn)/通信樣機[8]Fig.4 The multibeam EW/IO/Comms ADM

該方案通過利用ONR開發(fā)的低成本、窄頻帶的相控陣技術(shù)來支持通用數(shù)據(jù)鏈波段范圍內(nèi)的通信。這種相控陣技術(shù)也是高處理網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施（High Throughput Networking Infrastructure）項目的一部分。InTop的陣列在波束構(gòu)型、降低干擾和頻率覆蓋范圍上擁有更多的靈活性。

基于通信數(shù)據(jù)鏈的特殊需求，當(dāng)每艘船列裝4個通用數(shù)據(jù)鏈路陣面時，在獨立使用模式下能提供多達8個接收波束；在海拔多樣性模式下，為減輕多徑現(xiàn)象及大氣效應(yīng)，可提供4個波束；在進行最遙遠距離的數(shù)據(jù)鏈接時，有潛力去支撐最多16個或最少4個傳播波束。

多波束電子戰(zhàn)/信息戰(zhàn)/視距內(nèi)通信樣機通過對陣列進行集成，可提供更多的數(shù)據(jù)鏈冗余，降低了多路徑和頻率分離現(xiàn)象，在現(xiàn)有頻率的限制下來實現(xiàn)軍方期望的數(shù)據(jù)鏈路數(shù)量。這種陣列有效減少天線孔徑資源，增強艦船的頻譜管控能力，防止電磁干擾的情況發(fā)生。

目前這個多波束電子戰(zhàn)/信息戰(zhàn)/通信樣機已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗骐娮討?zhàn)改進（Surface Electronic Warfare Improvement，SEWIP）研究中的Block Ⅲ項目。

2）靈活分布陣列雷達

“靈活分布陣列雷達”（Flex DAR）的演示驗證的目的是：在結(jié)合網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)和時間精確同步情況下，驗證雷達單元的數(shù)字波束成型技術(shù)帶來的新性能[9]。

Flex DAR開發(fā)出一種能夠增強雷達傳感器性能的技術(shù)，即軟件定義的在根基水平上的數(shù)字可重構(gòu)能力。通過將先進數(shù)字技術(shù)引入雷達的前端，F(xiàn)lex DAR可執(zhí)行各種包含監(jiān)視、通信和電子戰(zhàn)的動態(tài)多任務(wù)雷達能力，顯著提高雷達前端的功能靈活性。

Flex DAR項目驗證了雷達之間的通信功能，實現(xiàn)了收發(fā)分置的改變及控制，這將增加雷達探測和穩(wěn)定追蹤的距離，同時該項目還針對現(xiàn)有單站雷達電子防護能力進行提高。

3）潛艇和水面艦船的聯(lián)合衛(wèi)星通信系統(tǒng)

潛艇和水面艦船的聯(lián)合衛(wèi)星通信項目實現(xiàn)了除UHF外的全頻段衛(wèi)星通信，能夠支撐4～8個通信鏈路的同時鏈接，并具備信息戰(zhàn)/電子戰(zhàn)支援的能力。

面向潛艇的寬帶衛(wèi)通X波段傳輸陣列已經(jīng)成功地完成了海軍水下戰(zhàn)爭中心的空氣測試。對于水面艦船的聯(lián)合衛(wèi)星通信，ONR目前已經(jīng)完成了幾個構(gòu)架和新型波長衡量陣列及印刷陣列的研究和發(fā)展。

4）LLRAM & ID模塊

資源分配管理和基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)（LLRAM & ID）模塊是InTop的重要研究內(nèi)容，該模塊的功能是通過管理射頻資源的分配、優(yōu)先次序、標(biāo)校和全系統(tǒng)頻率干擾消除來優(yōu)化射頻功能。該模塊目前已集成到水面艦船多波束電子戰(zhàn)/信息戰(zhàn)/視距內(nèi)通信樣機。

5）其他研究

InTop項目還開展了其他發(fā)展工作，例如開發(fā)了許多固態(tài)電子器件技術(shù)，開發(fā)了支持其他射頻功能的寬頻帶水面艦艇通信陣列，開發(fā)了企業(yè)級通用資源分配管理器和全數(shù)字陣列雷達以演示相參雷達網(wǎng)絡(luò)化和控制。

3 InTop后續(xù)相關(guān)項目

3.1 水面電子戰(zhàn)改進項目SEWIP

水面電子戰(zhàn)改進項目SEWIP是美軍的核心電子戰(zhàn)項目，旨在通過模塊化、開放式的體系方法來升級AN/SLQ-32電子戰(zhàn)系統(tǒng)，最終實現(xiàn)針對反艦導(dǎo)彈的預(yù)警檢側(cè)、分析、威脅告警和防護的功能。

SEWIP項目分為4個階段進行改進研究: Block Ⅰ階段旨在提升系統(tǒng)的反艦導(dǎo)彈防御能力、反定位和反監(jiān)視能力；Block Ⅱ系階段引入InTop項目中的靈活分布陣列雷達項目和LowRIDR，增強輻射源探測能力和測量精度，以適應(yīng)戰(zhàn)場新威脅的發(fā)展；Block Ⅲ階段新增了電子攻擊能力，同時也應(yīng)用InTop項目中多波束電子戰(zhàn)/信息戰(zhàn)/視距內(nèi)通信樣機和LLRAM & ID模塊技術(shù)；Block 4階段將為AN/SLQ-32系統(tǒng)提供先進的光電與紅外（EO/IR）偵察能力。

3.2 EMC2項目

利用InTop的科研成果，海軍研究辦公室目前正在開展EMC2工程樣機研制工作。作為電磁頻譜戰(zhàn)的推動者，EMC2項目旨在提供開放式構(gòu)架系統(tǒng)的系統(tǒng)功能，可擴展任務(wù)目標(biāo)的大小和承載平臺，并融合資源分配管理器和頻譜管理系統(tǒng)，從而實現(xiàn)實時適應(yīng)各種射頻系統(tǒng)，使美國海軍獲得快速頻譜分配能力。

EMC2原理樣機能夠支撐射頻多功能和射頻資源管控，在面對不同裝載平臺時更靈活性，且能更好適應(yīng)快速變化的戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)環(huán)境。EMC2在不影響整個系統(tǒng)的基本設(shè)計情況下，通過模塊化、開放式接口和增加/刪除（縮比）硬件或軟件等形式實現(xiàn)對新增功能的集成能力。EMC2建立一系列的研究、設(shè)計、制造、集成、試驗和評估任務(wù)，支撐了多個原理樣機及其部件/子系統(tǒng)的發(fā)展和演示驗證，其中比較典型的是LowRIDR樣機。

LowRIDR樣機研制目標(biāo)是：盡可能的將更多的功能集成到一個通用的前端射頻設(shè)備和后端處理設(shè)備上，以減少從HF到C波段的專用的通信/信息戰(zhàn)天線的數(shù)量。根據(jù)ONR所發(fā)布的信息，LowRIDR樣機工作主要集中于100～525 MHz和0.5～2.7 GHz兩個波段的射頻集成。通過采用模塊化開放式的構(gòu)架，LowRIDR樣機可實現(xiàn)的射頻功能包括了Link 16、敵我識別、塔康、信息戰(zhàn)設(shè)備、電子戰(zhàn)設(shè)備和實時頻譜操作設(shè)備。

此外，EMC2建立了命令和控制（C2）系統(tǒng)，這個C2系統(tǒng)可以優(yōu)化所有InTop原理樣機的使用性能，也可以來優(yōu)化InTop樣機的射頻功能，使得艦船射頻功能在不同作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)都能夠滿足指揮官的使用要求。

4 InTop項目的思考和啟發(fā)

在以往艦船射頻設(shè)計和總體規(guī)劃時，每個通信、電子戰(zhàn)和雷達設(shè)備都由各設(shè)備單位獨立開發(fā)，每個設(shè)備的每個功能都需要完成大量的測試工作。這些獨立設(shè)備還要在擁擠的上層建筑上競爭安裝空間。當(dāng)每次艦船新增某項射頻功能時，都要花費大量經(jīng)費和時間對全船射頻系統(tǒng)進行優(yōu)化和電磁兼容試驗。InTop項目從根本上改變了海軍艦船射頻系統(tǒng)設(shè)計思路：

1）InTop項目的核心是研發(fā)一部能夠適應(yīng)海軍作戰(zhàn)需求變化和時代技術(shù)變化的模塊化、開放式的體系架構(gòu)。通過模塊化和開放式設(shè)計，InTop在不影響基本系統(tǒng)設(shè)計的情況下添加或縮減射頻硬件/軟件，在不同艦船平臺的擴展上有更大的靈活性。

2）InTop關(guān)注于將更多射頻功能集成到單個射頻系統(tǒng)或射頻體系中。通過開發(fā)能夠支持射頻多功能（雷達/電子戰(zhàn)/信息戰(zhàn)/通信）、多波段、多波束寬波段陣列，實現(xiàn)共享從H波段到Q波段的天線或電子設(shè)備的集成，在保持原有射頻功能下，有效緩解艦船在總體資源、經(jīng)費、后勤維護等方面的需求。

3）InTop將射頻功能作為一種資源，并利用資源分配器去管理這些射頻功能，使射頻資源能夠?qū)崟r靈活調(diào)配，能夠在當(dāng)時給定的工況和使用需求下，提供最佳的射頻性能。此外資源管理器也為重新配置天線孔徑和電子器件提供了更多的靈活性，能夠在給定的時間里來支撐最緊急的功能，且不斷地優(yōu)化射頻資源以滿足最高優(yōu)先級的需求。

4）相對于傳統(tǒng)上層建筑設(shè)計，InTop系統(tǒng)顯著縮減了上層建筑的尺寸、重量，顯著地降低了采購和全壽命使用費用，能夠在上層建筑上賦予更多的射頻功能。通過陣面設(shè)計，實現(xiàn)雷達孔徑與承載平臺的結(jié)構(gòu)框架的無縫的貼合，有效提高上層艦船的雷達波隱身性能。

5）InTop開發(fā)了一批統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，并在整個行業(yè)中推薦使用。這樣可以讓更多的供應(yīng)商具備系統(tǒng)集成和升級能力。這些統(tǒng)一接口使得各系統(tǒng)之間更易于相互操作、交換和構(gòu)建，能夠通過軟件升級來實現(xiàn)對新威脅或新需求的快速更新?lián)Q代，以促進艦船在更高經(jīng)濟效益基礎(chǔ)上實現(xiàn)對最先進射頻技術(shù)的升級。

圖5 傳統(tǒng)設(shè)計和InTop理念設(shè)計航母艦島圖像對比Fig.5 Compares a legacy CVN island with a national InTop island concept

5 結(jié) 語

隨著艦載綜合射頻技術(shù)不斷成熟，上層建筑綜合集成設(shè)計將是未來先進水面艦船的重要特征之一。針對艦船射頻集成工作的種種挑戰(zhàn)，美國海軍通過In-Top樣機等一系列研制工作，實現(xiàn)了船載多功能多波段多波束寬波段陣列、模塊化開放式的射頻構(gòu)架設(shè)計、軟件控制的動態(tài)資源分配器的研制，提高艦船射頻集成效率，并有效解決解決電磁干擾和兼容性問題，使美國海軍在電磁頻譜戰(zhàn)中的作戰(zhàn)能力大幅提高。同時InTop樣機作為一個開放架構(gòu)的綜合集成系統(tǒng)，具有開放式、模塊化和可縮放三大特點，可無縫集成到新平臺的設(shè)計和結(jié)構(gòu)中，可滿足未來新的作戰(zhàn)要求和功能升級。通過借鑒美國海軍在InTop項目上的研究思路、管理經(jīng)驗和研制經(jīng)驗，可為我國艦船在上層建筑綜合集成設(shè)計及綜合射頻方面的研制工作提供參考。