雷达-通信一体化系统设计

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

长期以来,战斗机及军舰都采用大量分别独立开发的射频传感器并“松散”综合在整个航空电子系统结构内,完成所需各种功能。这种分布式射频传感器结构模块化程度低、重量体积功耗大、成本高、可靠性差、改进困难,难以适应未来的信息化高技术战争的要求。以美军“伯克”级驱逐舰为例,其较新型号上已配备有108副天线,在舰上寻找合适的安装位置已非常困难而且带来了严重的电磁兼容问题。航空平台的情况类似,20世纪50年代,航空电子系统占飞机总成本的比例不超过10%,80年代已经达到30%;90年代后,这一比例继续攀升;在整个航电设备中,传感器成本约占63%[1],而降低飞机成本的有效措施就是从传感器系统入手,综合射频传感器技术是一个有吸引力的方向。

另外,从多功能的角度来看,我国地空数据链仍面临被不断提高的电子侦察手段、无线电干扰和反辐射攻击破坏和摧毁的威胁。而利用相控阵雷达系统所广泛采用的自适应置零、低副瓣等技术手段,可提高通信系统的抗干扰能力和战场生存能力,有助于我军在强电磁干扰环境下,解决未来连续可靠的联合指挥地空引导问题;而如果能对雷达进行改装使之具有实时通信功能,也可以克服情报传递速度慢、保密性差和误报等缺陷,大大提高系统的作战能力[2]。

总之,日趋复杂的电磁环境、隐身技术的使用、反辐射导弹的威胁和各种电子干扰使雷达的作战效能受到越来越多的威胁。为及时掌握瞬息变化的战场态势,并进行有效的武器攻击和“软杀伤”,多传感器、多功能综合的综合射频技术是现代战争电子装备的一个重要发展趋势,而雷达-通信一体化又是综合射频技术的重要发展方向之一,可以预期通信与信息获取的结合将带来电子装备整体性能的提升和作战效率的大幅提高。

1 国内外研究情况

用几个分布式宽带多功能孔径取代目前平台上为数众多的天线孔径,采用模块化、开放式、可重构的射频传感器系统体系架构,并结合功能控制与资源管理调度算法、软件,同时实现雷达、通信、导航、识别等多种射频功能,这就是综合射频技术。如图1所示,多功能一体化综合射频航空电子系统基于共用射频模块进行实时控制与资源共享、资源管理和资源分配,系统设计师能用尽可能少的多功能射频模块构建出一个兼具任务规划,导航通信识别,态势感知和目标探测、跟踪、攻击的多任务综合体;同时使航空电子系统的成本、重量、功耗、失效率显著下降。美国空军“宝石台”计划研究表明,采用综合射频传感器系统可将射频电子部分的成本和重量降低50%。

图1 综合射频技术将“综合”推进到天线及射频前端

综合射频技术的研究在全球范围内呈现出蓬勃的发展势头,美国自20世纪80年代以来通过持续不断的研究和发展,目前已经取得了引人瞩目的成绩,其典型代表就是美国空军F-22A的APG-77雷达[3],该雷达天线孔径能同时产生多个波束：用第1组波束来检测和定位空中或地面目标,引导第2组波束对目标干扰,用第3组波束与己(友)方的协同资源通信。也就是说,以前分别由飞机上雷达天线、通信天线、干扰天线和电子支援措施(ESM)接收机天线完成的功能,现在可由一个有源电扫阵列天线(AESA)近乎同步地进行,实现了雷达、电子战和通信等多种射频功能的一体化。APG-77雷达的通信发送速率达548 MB/s,接收速率达1 GB/s。这种低可探测性多功能射频系统是为获取空中优势、争夺制空权而研制的,代表了包括电子战系统在内的航空电子设备的未来发展方向。

国内目前尚无成熟的一体化系统,但是多家单位已经在体系构建、宽带共口径天线、一体化波形理论仿真等关键技术方面开展了大量研究工作[4-5]。其中,中国电科38所在数字阵列雷达领域取得的丰硕成果为雷达-通信一体化研究提供了重要的技术支撑。数字阵列雷达在数字域实现了发射与接收的数字波束形成,与传统有源相控阵雷达相比雷达的系统性能有了很大提升,具有低副瓣、大动态、波束形成灵活等特点,更能应对未来战争中复杂地理、电磁和目标环境的威胁。数字阵列雷达开放式、通用化的体系结构,良好的升级和扩展能力,可以满足雷达、通信、侦察、对抗、识别等多样化任务需求。

在中国电科38所数字阵列雷达研究成果的基础上,笔者构建了一个基于数字阵列雷达技术的雷达-通信一体化试验系统,解决了一体化数字阵列模块等关键技术并通过了工程化验证,最后通过系统平台进行了数据率测试和图片、语音传输试验,试验结果与理论分析相符,证明了基于数字阵列体制雷达-通信一体化试验系统的可行性。

2 系统设计

雷达-通信一体化数字阵列技术的研究拟采用“数字阵列天线+数字阵列模块+多模式信号处理机”的总体架构,进行数字阵列雷达-通信一体化系统的各项功能试验,通过共用天线孔径和收发通道,采用时分复用,在同一个系统中实现雷达、通信、识别等多种功能。

考虑到设备数量较少以及试验目标主要是验证雷达-通信一体化的功能可行性,因此对试验要达到的技术指标作了简单要求。

● 工作频段：S波段

● 方位覆盖：±45°

● 通信距离：大于2 km

● 通信数据率：大于100 Kbit/s

要达到以上设计指标,需要在总体设计技术、通信信号波形设计技术以及数字阵列模块设计技术等关键技术方面开展深入研究。

(1)雷达-通信一体化系统时序设计技术

在设计系统工作时序的时候,考虑到由于是点对点的通信,节点间有较高的实时数据需要传递,这里采用预先分配的时分多址方式,资源虽然有所流失,但网络效率较高,而且便于今后在通信的时段内加入跳频图案,增加保密性和抗干扰性,如图2所示。

图2 预先分配的时分多址方式

由于本试验系统中雷达接收通道的信号处理带宽是5 MHz,根据MSK的波形通信,最大传输数据率为3 Mbit/s,为了留有带宽裕量,通信主站的传输数据率为3 Mbit/s,演示系统中的雷达主站和通信主站(2个)都同步上之后,每个节点各占1/3的时间,设定系统周期为3 ms,则雷达主站和两个通信从站各占1 ms的时间,如图3所示。

图3 系统周期时间分配图

以雷达主站为例,受功率器件的限制,本次试验中雷达发射脉宽最大为300μs,也就是说用于通信的时间只有300μs,计算出在每一帧300μs发射周期内能传输的字节数约为

除去12字节的帧头和帧尾,还剩约100字节的数据,在100字节内包含有40字节的网络协议数据(用于3个站点之间构建通信网络),所以实际有用的数据为60字节,对于主站来说,相当于在3 ms的时间内能传输60字节的有用数据,所以单个主站的有效数据率理论值为

(2)通信信号设计技术

在数字调制传输系统中,PSK(移相键控)调制,由于在其码元转换处有载波相位突变,引起旁瓣功率分量较大,邻近信道干扰较强。若采用带限滤波器消除旁瓣还会引起信号包络的起伏,从而影响传输质量。MSK(最小频移键控)是2FSK(2进制频移键控)信号的改进型,它的相位是连续变化的,以载波相位为基准的信号相位在一个码元间隔内线性变化±π/2,信号波形没有突跳。MSK的表达式为

式中,σc为载波角频率;Ts为码元宽度;a k为第k个码元中的信息,取值为±1;φk为第k个码元的相位常数,在时间(k-1)Ts≤t≤k Ts内保持不变。

MSK信号与QPSK的频谱函数为

图4给出了MSK信号与QPSK的功率谱,MSK信号的主瓣比较宽,第一个零点在0.75/Tb处,第一旁瓣峰值比主瓣低约30 dB,旁瓣以1/f4的速度下降,速度比较快。QPSK信号的主瓣比较窄,第一个零点在0.5/Tb处,旁瓣以1/f2的速度下降,速度较MSK慢。若以99%的能量集中度为标准,MSK信号的频带宽度约为1.2Tb。这是MSK信号在功率谱方面一个很显著的优点,对带外产生的干扰非常小,这能提高信道中频率的利用率,这对于本就紧张的频带资源来说是很有意义。

图4 MSK和QPSK功率谱的比较

(3)数字阵列模块设计技术

数字阵列模块是采用一体化、集成化设计思路将多通道接收模块和多通道发射模块有机结合起来而形成的高集成射频前端系统,包含有大功率发射、小信号接收、数字接收与数字信号产生等功能,是构成数字阵列雷达的一个基本核心单元。它具有体积小、重量轻、结构简洁、系统连接电缆少、可任意组合等特点。

数字阵列模块的主要功能应包括：全机定时基准,通过高稳定低相位噪声晶体振荡器实现全部通道的全相参;发射波形产生及微波功率放大,同步实现发射波束空间合成及扫描,具体通过DDS控制发射中频波形相位控制来实现;微弱回波信号无失真放大及数字化;有源阵面收发校正,通过校正网络,实现校正测试源和校正接收功能;收发分系统与信号处理等其他分系统之间的高效数据传输,包括包含目标信息的数字化回波信号,实现收发波束扫描的幅相控制信号等。

在本试验系统中,数字阵列模块为雷达信号处理机和通信信号处理机提供了共有的射频发射与接收通道。在发射时,实现雷达与通信信号的产生与发射;在接收时,实现雷达与通信信号的接收与放大;同时在数字阵列模块的数字部分,还要实现射频信号与基带信号的相互变换,数字阵列模块功能组成如图5所示。

3 系统试验

3.1 设备组成

雷达-通信一体化试验系统由1个雷达主站和2个通信从站构成,其中主站设备由数字阵列天线、数字阵列模块、雷达信号处理机以及通信信号处理机组成。从站为S波段通信设备。主站位置固定,从站处于主站的探测范围以内,可以固定,也可以自由移动(车载)。试验系统组成如图6所示。

图5 数字阵列模块功能组成

图6 雷达-通信一体化试验系统组成

3.2 工作模式设计

系统开机后,雷达信号处理机形成当前波位下的多个发射单元的幅相控制码,在空间形成波束并扫描,当波束跟踪到通信目标位置时,转入通信模式。在该模式下,雷达对准设置的波位,发射加载了通信信息的射频信号,通信目标接收到雷达发出的波束后,构成数据通信链路,进行通信信号收发工作。待通信目标和雷达信息交换内容结束,通信目标向雷达发出结束标志,本次通信任务完成,系统详细工作流程如图7所示。

3.3 试验结果

(1)数据率测试

该试验系统在某试验场进行了数据率测试,雷达主站与通信从站间相距2 km,通信从站1和从站2分别位于主站雷达天线阵面的法线及45°方位。试验时,雷达波束在±45°范围内扫描,发现从站1、2位置后分别与1、2通信从站进行了数据传输,经实测,单个主站的平均数据率为155 Kbit/s,这与第3节中分析的设计值较接近。

另外,当从站2在移动状态下,还进行了雷达与从站2的数据率传输试验,经实测,其平均数据率为153 Kbit/s,满足设计要求。

(2)图片及语音传输试验

本试验系统还进行了图片传输和话音传输的试验。试验中发送和接收图片的过程流畅,偶有误码,但无中断的现象,速率保持在140 Kbit/s以上。语音通话连续,话音质量较好。

图7 雷达与通信工作流程

4 结束语

雷达-通信一体化具有广阔的应用前景,本文将数字阵列雷达技术与通信技术相结合,创新性地构建了一个基于数字阵列雷达技术的雷达-通信一体化试验系统,探索在数字阵列雷达上实现通信传输的可行性并进行了工程试验。

试验结果表明在通信从站固定和移动两种状态下,该系统均能实现稳定工作,实际传输数据率与设计值相当,传输语音和图片快速、流畅,达到了预期目标。

随着数字阵列模块宽带化以及一体化波形的工程化实现[6],构建实时处理的雷达、通信一体化工程样机正在成为可能,在同时工作模式下,可构建以雷达为中心的通信网络,通信终端与雷达同步。雷达在搜索目标时,工作于窄带探测模式,但是会在每个波位的第一个脉冲发送一个窄带通信链路握手信号。当系统通过握手信号搜索到我方通信终端时,根据通信终端和主站系统之间的协定,建立通信链路。雷达系统再发送宽带一体化波形信号,并将接收到的回波信号正交分离成雷达信号和通信信号,分别送通信处理分机和雷达信号处理分机进行处理。这样通过采用宽带一体化波形,系统同时完成了通信和雷达探测功能。关于这方面的研究正在进行中。

[1]徐艳国,胡学成.综合射频技术及其发展[J].中国电子科学研究院学报,2009,4(6)：551-559.

[2]张明友.雷达-电子战-通信一体化概论[M].北京：国防工业出版社,2010：94-98.

[3]唐臻富.机载多功能射频系统是21世纪防空电子对抗的新威胁[J].现代防御技术,2001,29(5)：24-27.

[4]杨瑞娟,陈小民,李晓柏,等.雷达通信一体化共享信号技术研究[J].空军预警学院学报,2013,27(1)：39-43.

[5]李晓柏,杨瑞娟,程伟.基于Chirp信号的雷达通信一体化研究[J].雷达科学与技术,2012,10(2)：180-186.LI Xiao-bo,YANG Rui-juan,CHENG Wei.Integrated Radar and Communication Based on Chirp[J].Radar Science and Technology,2012,10(2)：180-186.(in Chinese)

[6]邹广超,刘以安,吴少鹏,等.雷达-通信一体化系统设计[J].计算机仿真,2011,28(8)：1-4.