舰艇通信与电子系统一体化集成技术研究*

王立夫　程　宇

(海军驻武汉地区通信军事代表室　武汉　430079)



舰艇通信与电子系统一体化集成技术研究*

王立夫程宇

(海军驻武汉地区通信军事代表室武汉430079)

摘要舰艇电子信息系统正在向“一体化结构”演变,舰艇电子信息系统一体化集成是国内外十分关注的重大课题。论文在分析舰艇电子信息系统结构演变方向基础上,重点研究舰艇通信作战使用特点,分析通信与其它电子信息系统实现一体化集成的必要性和可行性,探讨通信系统集成发展趋势、发展阶段和目标,概要分析相关的核心技术。

关键词舰艇通信; 通信系统; 电子信息系统; 一体化集成

Integration Techniques of Shipboard Communication and Electronic System

WANG LifuCHENG Yu

(Navy Representative Office of Communication in Wuhan, Wuhan430079)

AbstractShipboard electronic information system is evolving towards the integration architecture, which is a subject drawn special attention at home and aboard. In this paper, on the basis of analyzing the evolution of shipboard electronic information system, the operational application features of shipboard communication are studied. The necessity and feasibility of the integration of communication and other electronic information systems are analyzed. Finally, the development phases, trends and goals of communication system integration are discussed, and related critical techniques are introduced.

Key Wordsship communication, communication system, electronic information system, integration

Class NumberTN914

1引言

进入21世纪,发达国家海军发展新一代舰艇十分重视舰艇上层结构和电子信息系统集成化设计,如美海军DD(X)概念舰、新一代航母构想等,其主要目的是进一步提高舰艇兼容性能、最大限度改进舰艇隐身性能、提升舰艇整体作战能力。这些概念舰船主要技术特征包括舰艇平台隐身外形、上层结构集成化、电子信息系统集成化等。

舰艇通信系统是舰艇传输各种信息的“纽带”,是获取信息优势的重要保障。因此,设计新一代舰艇通信系统必须充分考虑舰艇通信作战使用特点,重视舰艇上层结构和电子信息系统一体化集成的发展要求。

2舰艇电子信息系统演变趋势

由于舰艇作战需求的牵引和技术发展的推动,现代新型舰艇电子信息系统设计理念正在改变。从技术角度看,舰艇电子信息系统演变方向为实现“纵向—横向”一体化集成,发展目标为构建扁平化的一体化电子信息系统。

2.1舰艇电子信息系统结构演变方向

在移动作战平台上构建一体化电子信息系统,目前飞机平台走在前面,其中以美军飞机航电系统为主要代表。美军F22飞机已采用了“综合结构”构建综合航电系统;美军联合攻击机JSF正瞄准“一体化结构”来构建一体化航电系统。在飞机平台上采用一体化集成的理念设计航电系统,其原动力是电子设备、电子天线布置困难和便于飞行员操作使用的要求,同时电子信息技术的发展也起着重要的推动作用。

在舰艇平台布置电子信息系统没有飞机平台那么困难,因而不像研究飞机一体化航电系统那样紧迫和受到高度重视。随着在复杂电磁环境遂行作战任务对舰艇电子信息系统作战使用和舰艇隐身性要求的提高,支持舰艇电子信息系统一体化集成的基础技术的发展,设计舰艇一体化电子信息系统正在成为一种发展趋势。舰艇电子信息系统结构正在由“综合结构”向“一体化结构”方向演变。

2.2舰艇电子信息系统组成演变趋势

由于舰艇电子信息系统设计理念和体系结构的改变,舰艇电子信息系统组成和设备配置将发生相适应的变化。

1) 在系统构成层面,各种传统上的独立电子系统之间的界面趋向模糊,由相对独立的功能系统内部“纵向”集成向多个电子系统“纵向—横向”一体化集成发展;

2) 在组织使用层面,舰艇电子信息系统控制管理趋向综合化、自动化、智能化,向实现资源统一调度和面向作战任务管理方式转变;

3) 在天线层面,电子天线由单一频段、单一功能向多频段、多波束、多功能转变,向实现天线孔径共用、天线集成、天线与上层建筑共形设计和集成发展;

4) 在大功率射频电路层面,单一频段、单一功能专用射频设备向多频段、综合功能射频设备转变,向射频资源实现共用和统一调度发展;

5) 在低电平电子设备层面,基于软件无线电技术和网络技术应用,电子设备向硬件和软件模块化转变,向依托核心网络实现基于模块级的一体化集成发展。

3舰艇通信基本需求与作战使用特点分析

舰艇电子信息系统实现一体化集成是建造现代水面舰艇的发展趋势,但实现通信系统集成化需要以满足作战使用要求为基础。从舰艇通信基本需求和作战使用特点角度看,如下几个方面是舰艇通信系统进行集成化设计必需考虑的“基点”。

3.1全时不间断通信

舰艇通信系统是舰艇遂行作战任务过程中传输各种信息的重要保障。在遂行作战任务过程中,何时接收信息是不确知的,何时发送信息是不确定的。因此,舰艇必须具备全时不间断的通信保障能力。

3.2立体空间全方位通信

舰艇从物理结构概念上看是一个独立的海上移动作战平台,但从作战结构和指挥结构上看则可能是与陆、海、空、天、潜不同平台(节点)有着全方位信息关系的平台。舰艇必须具备立体空间全方位通信的能力。

3.3双工通信

舰艇对外通信网络(链路)的设计和组织使用,有单工、半双工和全双工三种方式,主要使用半双工和全双工通信方式。因而,舰艇通信网络(链路)应具备双向通信能力。

3.4全频段通信

军事通信网几乎使用了射频的全部频段。为了使舰艇平台在军事通信网系中达成互连互通,舰艇应具备与军事通信网相匹配的“全频段”通信能力。

3.5多网络协同通信

根据舰艇作战需求、通信组织及远程通信网络以接入网为重点通信手段的特点,舰艇通信系统必须具备按不同的指挥关系向多个方向、以多种工作方式和多类通信业务,同时进行多网络协同通信的能力。

3.6高可靠性通信

通信系统传递的信息,在作战行动中都具有特殊的重要性。一个错误或漏掉某个重要的信息,可能对整个作战行动产生严重的影响,甚至影响行动的成败。因此,通信要“连得通、通得好”。

4舰艇通信系统向集成化发展的必要性与可行性

4.1必要性分析

舰艇是一个“空间受限”的海上移动平台,随着武器系统和电子信息系统设备增加,舰艇总体上的电磁兼容性和隐身性成为长期不能很好解决的难题。设计隐身性能优良和舰艇综合性能最优的新一代先进舰艇,舰船电子信息系统减少天线、实现射频及天线集成化是一个重要的技术支撑。因此,从解决舰艇整体隐身性和兼容性问题看,尽量减少舰艇通信天线数量,舰艇通信射频及天线集成,进而实现通信与其它电子系统射频集成是非常必要的。

目前的舰艇电子信息系统是一种典型的“烟筒型”系统。舰艇电子信息系统的各个功能系统的物理构成、组织使用、管理控制等基本上是相互独立的。舰艇电子信息系统是重要作战资源,一体化集成的电子信息系统更便于作战资源统一管理、优化综合性能和更好满足信息化作战使用需求。因而,舰艇通信系统自身集成化设计、进一步与其它电子系统一体化集成也是必要的。

4.2可行性分析

从技术发展角度看,宽带射频电路技术、多频段/多波束宽带天线技术、射频电路和舰载天线共用技术等,可以支撑电子系统射频前端实现集成化;网络技术、软件无线电技术、一体化硬件和软件平台设计技术、电子设备模块化技术等,可以支撑电子系统在低电平电路、信息处理及波形应用等方面实现一体化集成。因而,在基础技术层面具有较好的可行性。

从作战使用角度看,传统上的舰艇电子系统的各个功能系统,均依据满足各个功能系统的作战使用要求进行开发和组织使用。一体化集成的舰艇电子系统与各个功能系统在传统上形成的战术技术指标和组织使用方法将存在差异,完成作战使用需求的转变和形成新的战术技术指标体系存在较大的困难,需要较长的过程。因而,从作战使用层面看,舰艇通信与其它电子系统在短时期内实现一体化集成的可行性较小,作为远期目标是可行的。

5舰艇通信与电子系统集成化发展的阶段与目标

5.1舰艇电子系统集成化发展阶段与目标

实现舰艇电子信息系统一体化集成的目标需要长期的过程,过程的长短受作战使用需求变化和基础技术成熟度的制约,其发展过程大致可以分为近期、中期和远期三个阶段。近期阶段目标以实现各个功能系统纵向集成为主、不同功能系统间局部横向有限集成,重点解决舰载天线、射频电路综合集成的问题,本阶段各个功能系统仍然保留比较完整的物理形态。中期阶段目标是扩大各个功能系统之间实现“横向”集成的范围,实现采用“综合结构”集成的舰艇综合电子系统,本阶段各个功能系统在物理构成上将仍然保留实体性的系统形态,但功能系统的界面逐步变得模糊。远期阶段目标是实现舰艇各个功能系统“纵向—横向”一体化集成,传统上的舰艇通信、雷达、电子战、指控等功能系统基本上不以独立物理系统形态存在。从信息应用、处理,基带、中频、射频信号处理、射频信号发送和接收等,完全由一个一体化电子信息系统完成。

5.2舰艇通信系统集成化发展阶段与目标

舰艇通信系统是舰艇电子信息系统的组成部分,其发展方向、发展阶段和目标需要与舰艇电子信息系统的发展相适应。

· 近期阶段:发展目标为实现通信内部“纵向集成”和初步实现通信天线集成。本阶段主要实现通信天线小型化、平面化、复合化和共形设计,根据隐身性原理改进通信天线外形设计,达到减少通信天线种类、数量和实现舰载通信天线初步集成,实现通信与其它电子系统共用集成电子桅杆的目标,支撑舰艇隐身性设计。

· 中期阶段:在舰艇通信系统“纵向集成”基础上,进一步实现通信与其它电子系统射频集成。本阶段主要是进一步完善舰载通信射频与天线集成,在通信与其它电子系统频谱覆盖范围相近的部分频段,初步实现一些新体制通信设备与雷达、电子战、导航、敌我识别等其它电子系统在天线的共形集成、孔径共用,大功率射频电路共用;在舰艇通信系统内部,基于软件无线电和平台核心网络技术实现设备模块化集成。

· 远期阶段:实现通信与其它电子系统“纵向—横向”一体化集成,支持构建舰艇一体化电子信息系统。本阶段主要是针对不同舰型特点,实现多种通信射频和天线集成的优化设计;实现通信射频及天线与其它电子系统的射频资源共享、天线孔径共用,支持实现舰载电子射频综合集成;基于软件无线电、平台核心网络和设备模块化等技术,实现通信与其它电子系统组合化设计和一体化集成。

6舰艇通信系统一体化集成核心技术分析

舰艇通信系统从目前“纵向集成”的独立物理系统逐步演变到舰艇一体化电子信息系统中的一个“功能系统”,需要众多新技术的支撑,如下几项技术是其核心技术。

6.1舰艇通信系统一体化集成顶层设计技术

传统上的舰艇通信系统以纵向集成的、独立的系统形态存在,与其它电子系统在设备配置、控制管理、组织使用等方面基本上不直接关联,在使用上为其它电子系统提供通信接口和信息传输功能。舰艇电子信息系统实现“纵向—横向”一体化集成,需要改变舰艇电子信息系统的结构、传统上独立物理系统的形态和设备配置、组织使用方法和控制管理方式等。因此,需要深入研究未来舰艇通信作战使用要求和特点、通信能力构成和战术技术指标体系;未来舰艇通信系统在不同发展阶段需要采用的体系结构和存在的物理形态、不同阶段通信系统与其它电子系统实现集成的目标和范围;通信系统与其它电子系统“横向”集成的可能方案和技术途径等。美军联合战斗机JSF一体化航电系统结构框架如图1所示。该系统体现了电子信息系统集成化设计理念和系统顶层设计技术发展方向,对研究舰艇一体化电子信息系统顶层设计技术有一定的借鉴作用。

图1　美军JSF一体化航空电子信息系统结构框架示意图

6.2舰艇通信射频一体化集成技术

与未来舰艇隐身性设计和电磁兼容性设计关系密切的是通信射频及天线,实现舰艇通信射频及天线集成化设计和实现通信射频及天线与其它电子系统射频及天线集成化设计是建造新一代先进舰艇的重要目标。实现舰艇通信射频集成化涉及通信内部和通信与其它电子系统射频集成两个方面,基本发展思路是:在通信专用频段实现通信射频集成化设计;在通信与其它电子系统共用或相近频段,根据需要和可能实现通信射频集成或通信与其它电子系统射频一体化集成。舰载通信射频集成和通信射频与其它电子系统射频集成主要涉及多频段、多波束宽带天线技术、宽频带大功率射频电路技术、天线综合集成技术、天线和射频电路资源共用和控制管理技术等等。

世界海军强国均在开展舰艇射频集成技术研究,设计理念、采用技术、实现方法不尽相同,其中欧洲泰利斯公司进行的“舰船集成上部结构(ITD)”技术研究是一个典型代表。ITD研究目标将舰艇上各种传感器、对抗设备、通信设备、导航设备和各种电子天线等射频设备集成一个综合桅杆系统。ITD研究项目提出了一个四层集成综合桅杆的方案:最底层配置电子射频机柜、通信设备、数据链设备、卫通设备和敌我识别设备等;第二层配置多功能雷达和通信网络设备;第三层配置三坐标体搜索雷达;最上配置导航雷达、导航灯和电子侦察设备、光电传感器等设备。ITD集成电子桅杆模块结构如图2所示。该项目已完成演示验证,其设计理念和取得的技术成果具有指向性意义。

6.3舰艇通信信道设备一体化集成技术

舰艇上另一类通信设备是低电平的信道设备和终端设备,这些设备传统上都是以独立设备单元或设备机柜形式进行配置、安装和使用。在舰艇通信系统和通信与其它电子系统实现一体化集成的过程中,设计思想和设备存在形态均将发生改变。新的设计理念将基于数字电路技术、网络技术和软件无线电技术首先在舰艇通信系统内部构建由各种模块一体化集成的低电平信道和终端系统,并进一步实现通信与其它电子系统低电平电路设备的一体化设计和模块级集成。实现这种构想需要研究和突破一体化硬件平台、软件平台总体设计技术,建立统一的、标准的开发测试环境;研究和突破模块化设计技术,建立设计硬件模块和软件模块的规范标准;研究和突破核心网络技术和接口设计技术,统一和规范接口标准,基于能力强大的核心网络实现模块级集成的技术途径等。

图2　泰利斯公司ITD集成上部结构概念示意图

6.4舰艇一体化通信控制管理技术

舰艇通信系统传统上主要采用面向系统内部设备的管理方式实现通信内部的控制管理,比较先进的舰艇综合通信系统则正在向面向通信业务和面向通信网络(链路)管理方式发展,达到舰艇编队或战斗群通信网络一体化管理的目标。在舰艇电子信息系统逐步向一体化集成发展的过程中,电子信息系统本身要求实现一体化管理,支持按照舰艇作战需求实现作战资源统一调度和组织使用;按照网络中心作战模式的使用要求,一是要实现面向作战任务的管理,二是要将包括舰艇通信系统在内的舰艇电子信息系统纳入作战资源管理范畴实现一体化管理。因此,舰艇通信系统需要实现一体化控制管理和支持舰艇电子信息系统统一管理。实现舰艇通信系统一体化控制管理的核心技术主要包括舰艇通信系统和编队通信网络一体化管理结构设计技术、基于分布式数据库和管理信息互连互通互操作技术、面向作战任务实现综合控制管理的技术途径、通信动态组网和资源统一调度技术等等。

7结语

舰艇通信系统由“纵向”集成向通信与其它电子系统实现“纵向—横向”一体化集成是发展方向。完成这种转变需要一个长期过程,需要深入研究和突破众多核心技术。本文对此进行了初步分析和探索性研究,错漏之处,敬请指正。

参 考 文 献

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中图分类号TN914

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.002

作者简介:王立夫,男,工程师,研究方向:无线通信、信号处理。程宇,男,工程师,研究方向:无线通信、信号处理。

收稿日期:2015年9月1日,修回日期:2015年10月19日