基于柔性通用架构的电子对抗装备应用思考与展望

2018-03-04朱玉鹏周东青

航天电子对抗 2018年6期

朱玉鹏，周东青，常仁

(北方电子设备研究所，北京 100191)

0 引言

随着微波光子、数字阵列、高速信号处理、大数据与云计算、人工智能等技术的发展，下一代电子对抗装备的体系架构逐渐呈现出“硬件可重构+软件可定义”的技术特征。基于柔性通用架构的电子对抗装备具备通用化、可定义、可扩展、可重构、可升级能力，能够在复杂电磁环境下对未知雷达、通信等电子目标威胁信号进行自适应、认知对抗等；其应用架构应支持“全时侦察全时干扰、多干扰机体系协同、自组织灵活对抗”的作战应用；装备形态支持球载、机载、舰载、地面、弹载等多种平台应用；技术能力可适应电子目标技术发展演进、电子对抗算法软件升级等，相比当前对抗能力具备显著的跨代性跃升，具有广阔的应用前景。

1 军事需求分析

1)电子对抗目标能力发展的必然需求

雷达、通信等在天线、接收前端、接收中频、信号处理、软件等组成部分不断进行开放式和模块化的发展，各硬件模块与软件组件高度标准化，尤其是信号处理分系统的数字化成为软件化雷达的支撑技术，促使在硬件模块化的基础上，逐步形成了整体的开放式架构。如美国海军下一代舰载防空反导雷达(AMDR)是固态有源相控阵雷达，可以有效对抗各类现役及未来的战机、弹道导弹及超声速反舰导弹，具备完全可升级性，该雷达系统基于一个0.61 m×0.61 m×0.61 m的雷达组装模块，该模块能堆叠，可根据任务要求组成大型雷达或小型雷达，且系统的冷却、校准、功率和逻辑界面是完全可升级的，能适合多种应用，并非仅适用于AMDR，同时具备实用性、可靠性和可维护性。

2)电子对抗装备技术体制发展的必然趋势

为适应雷达、通信等新体制和新架构，电子对抗装备技术体制需瞄准数字化技术、软件无线电技术和综合射频技术等发展方向，实现硬件模块化、软件组件化以及接口的模块化、标准化，功能灵活可重构，快速适应对灵活未知威胁对象的侦察干扰需求。一是以数字化为基础。数字化不断前移，未来将进一步向数字射频方向发展；采用标准总线连接数字处理部件，实现高速数据传输与交换，为装备的良好演进性奠定了基础。二是功能软件化。系统从以硬件设计为核心向以硬件设计为基础、软件设计为核心的方向发展，从而大大缩短装备研制周期，降低研制成本和技术风向，显著增强装备的适应性和灵活性。三是支持多任务、多功能的综合集成。目前，国外电子对抗装备利用综合孔径、综合射频和综合处理技术，广泛支持综合电子战系统的多任务、多功能集成。

3)电子对抗装备生成模式变革的必然要求

电子对抗装备生成模式实现从“基于威胁”向“基于能力”的转变，必须满足四个方面的要求。一是能够在较短的时间内快速形成新装备的能力。电子对抗作战的特点是“针对性强，时效性高”，这就要求电子对抗装备必须具备快速应对新威胁的能力，缩短电子对抗装备与对抗目标发展之间的时间差，确保装备的作战效能。二是能够快速实现新技术的即插即用和装备持续升级能力。在保证装备基本形态和架构不变的情况下，通过局部的技术提升和改进快速提升装备能力。三是具备开放式的商用货架产品(COTS)集成能力。为加快装备研制周期，减少成本，要求体系结构集成平台能够采用开放式标准，快速集成COTS，快速生成装备原型。四是具备成体系构建系列化产品能力。通过在统一的硬件架构下，对模块进行升级或扩展，以适应不同平台、不同作战环境的需求。同时，各产品之间能够接入体系，发挥体系作战效能。

2 国外发展现状

1)可重构天线技术

在美国DARPA的电控可重构天线项目(RECAP)的资助下，莱特州立大学的Brown等人研究了二维口径电控可重构天线。该天线的结构为由MEMS开关相互连接的细条状的微带电偶极子阵，运用矩量法(MOM)进行分析，能分别在2 GHz、4 GHz、5 GHz和16 GHz处实现重构，实现了天线在2～16 GHz的范围内保持半波长谐振。同属于RECAP项目支持的伊力诺依大学的Bemhard等人设计了一种能用于空基雷达的低剖面多层栈式频率可重构天线单元。天线单元通过开关的控制能实现多个频点的重构，同时能形成数个波束，实现方向图的变化。

2)多功能综合孔径技术

AMRFC是由美国海军研究署(ONR)资助的项目，主要是为了解决美国海军舰艇顶部天线数量不断增长等问题。AMRFC计划力求为雷达、电子战和通信功能提供一种通用宽带有源阵列天线体系结构，这种天线体系结构能够同时收发多个雷达、电子战和通信的独立波束。除了美国外，英国海军全分布式水面舰船指挥系统SSCS，法国海军TAV ITAC-2000指控系统(用于护卫舰)和开放式系统结构SEN IT-8(首装于“戴高乐”号航母)，都使用了射频综合系统理念进行武器装备的系统集成。

3)信号处理架构和软件化技术

2015年10月，美国柯蒂斯莱特公司宣布将继续加大对美国陆军模块化开放式射频体系结构(MORA)的支持。基于MORA体系结构的射频系统可以在通用的OpenVPX模块上实现，并统一由VITA总线管理。同时，美军开始了软件化雷达工程化应用的研究，确定了大的模块划分原则，设计了可用于有源/无源雷达系统的开放、分层的雷达数据和控制接口标准。目前，美国空军三坐标远程雷达(3DELRR)作为软件化雷达的示范性推广项目正处在研制阶段，其主要内容是设计一部承担远程对空警戒和战区弹道导弹防御任务的多功能雷达，它将成为美军下一代机动式防空反导预警一体化雷达。

4)多功能一体化技术

以美国为首的西方国家的航空电子系统经历了分立式、联合式、综合式和高度综合式4个发展阶段。第四代为高度综合化航空电子系统结构，以基于“宝石台”的联合攻击战斗机(JSF)为代表，是为适应未来战斗机战技指标而研制的高度综合化航空电子体系结构。在射频、通信、光电等领域中广泛采用了模块化、外场可更换设计思想，实现了飞机蒙皮传感器综合。机载射频共用功能划分及综合示意如图1所示。

在地海基平台，先进多功能射频概念(AMRFC)是美国海军研究署(ONR)1997年开始资助的项目，用于演示验证用一套共用的宽带阵列天线、信号与数据处理、信号产生和显示硬件，通过软件加卸载，实现多种舰载RF功能(雷达、电子战和通信)的一体化，如图2所示。

图1 传感器内部功能横向划分及综合示意图

图2 美国海军的AMRFC

3 关键技术体系分析

电子对抗装备能力提升来源于技术创新，基于通用柔性架构的电子对抗装备系统研发应重点关注以下技术方向：

1)数字阵列模块技术。宽带数字阵列技术通过阵列天线和数字波束形成实现瞬时宽带、宽空域和高灵敏度探测，能够大幅度提升电子侦察系统的探测灵敏度，且具有波束形成灵活，波束宽度、数目、指向均灵活可变，空间自由度高，瞬时动态范围大，幅相控制精度高，拓宽瞬时处理带宽等独特优势。作为宽带数字阵列技术的重要物质基础，数字阵列模块具备高度集成化、标准化的特点，将接收通道与发射通道进行一体化设计形成一个收发通道，再将多个收发通道进行集成化设计。因此，在功能上能够在模块内部形成宽带的频段覆盖，具备对复杂电磁环境的侦察适应能力；在规模上能够在模块内部有效纳入需要重构的射频收发单元、中频数字收发单元，为实现具有小型化、便携式特点的多功能可定义电子对抗装备提供基本模块。

2)可重构天线技术。多功能可定义电子对抗装备的天线为了能够同时满足侦察干扰的设计要求，往往既要保持所需的宽频段和高增益性能，又要受到各平台的限制，在极为有限的空间满足小体积、低剖面(共形或蒙皮的需求)高可靠性等个性化需求。上述要求在常规的天线设计中实现起来很困难，特别是超宽频带和多极化方面。可重构天线技术具有超宽频带和多极化的可重构功能，能够较好地满足上述需求，成为重要的解决途径之一。可重构天线的基本思想是天线孔径可针对不同应用场景配置成不同结构，可以实时分解成多个独立部分。这就要求天线阵面的不同位置可配置成不同频段。一般来说，电子对抗天线的需求特点是宽频带/多频段、小体积、多极化、高增益等。通过对可重构天线技术的攻关，预期使天线系统在有限的空间内获得较高空间自由度、较大的增益等，并提高无线系统的传输速率以及系统容量。

3)射频前端重构技术。多功能可定义电子对抗装备的射频前端，对微波放大器、振荡器、滤波器、开关、混频器等提出了满足单站装备小型化、集成化的要求，这需要进行子系统集成如微波前端、接收机、频率合成器等，而这些子系统级集成对薄膜基片加工技术和手段、复杂系统的微组装技术等提出了更高的要求。综合来看，高频、超宽带、多通道变频接收机的实现往往是个难点，主要是由于工作频率高、工作频带宽、通道数多、增益高、小型化集成及工艺实现难度很大。射频前端重构技术，主要基于多功能芯片技术完成0.8～18 GHz的接收通道及多通道集成，将整个接收通过2个多功能芯片、MEMS滤波器芯片和小型化的开关滤波器组进行系统集成，能实现系统动态及带宽可控。因此，围绕射频前端重构技术，开展频率、增益、带宽可重构的射频通道(芯片)技术攻关，适应战略电子对抗装备快速变化的作战环境和对象，以及未来自适应与认知电子战系统发展趋势很有必要。

4)多功能数字孔径技术。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、电子战与通信、导航、识别等多种射频功能，能够发挥数字技术优势，功能拓展，全面提升整体战技性能，可靠性、可维护性高，多种模式于一体，功能动态重构、高度灵活、提升容错性。国内相关单位根据数字阵列技术体制，采用多功能天线阵列层+多功能射频层+数据处理层三层架构，片式结构布局的方式，通过射频开关矩阵和数据开关矩阵组成多功能数字孔径，基于可重构天线、可重构射频前端、高速射频直接采样、宽带自适应滤波和高速数字信号预处理等一体化集成方法，实现电子对抗数字化孔径。满足包括天基平台在内的多平台应用需求的多功能数字孔径，能够大大提高系统集成度和可靠性，实现多功能、多系统、多领域的融合。

5)开放性电子对抗装备软硬件架构技术。克服传统电子对抗装备系统功能与硬件绑定，系统升级改造难以通过软件重构实现以及由此带来的装备功能单一、装备规模大等问题，还要考虑装备研制面向硬件、底层技术耦合而导致的重复性劳动量大、研制周期长、资源消耗大、研制总体费用高、对新作战需求响应慢等问题。开放式信号处理硬件架构应适应系统开放性和大数据量高效实时处理的应用需求，研制通用处理平台，支持数据处理方式由集中串行式向分布式同时转变，简化分机模块并提高系统多功能多任务运行效率。开放式软件体系架构要求通过软件方式灵活定义系统功能，将软件定义和硬件平台的耦合进行最大限度的隔离，使得软件定义只需要关注应用层面，并采用组件化设计，在设计过程中形成标准化软件接口。通过软硬件的协调配合，支撑新技术的快速应用、新装备的快速生成。

图4 地地协同作战示意图

4 典型应用设想

以车载、无人机载电子对抗装备为主要形态，以空地一体、协同作战为典型应用模式，提出了其技术原理框图和典型应用，以期为下一代电子对抗装备研发和改进提供借鉴和参考。多功能可定义电子对抗载荷，其原理框图如图3所示，可在系统统一调度下，由系统控制产生统一时序，协调全系统完成雷达侦察、有源干扰和有源探测三大任务，其中有源探测和雷达侦察可同时多任务并发执行。其多站情况下的应用模式，可分为地地协同电子防空、空空协同电子侦察及空地协同立体作战等。

图3 多功能可定义电子对抗载荷原理框图

1)地地协同防空作战

图5 空空协同电子侦察示意图

图6 空地协同立体作战示意图

地面作战平台的联合一般用于战术电子防空，作战场景如图4所示。若敌2架无人侦察机正在对我方领域进行对地侦察，我2辆车载电子战系统首先采用雷达侦察功能截获作战空域相关雷达信号电磁参数测量，实现双站定位，稳定侦察跟踪后开始进行双站协同分时侦察干扰，破坏其机载情报侦察与探测设备正常工作，迫使其离开我军保护区域，若敌无人机仍然工作，且通过协同侦察定位后发现目标信号越来越大，位置)〗正趋向我方空域，我1台车载电子战系统可切换为雷达侦察干扰工作模式继续干扰敌雷达信号，另1台车载电子战系统切换为雷达探测模式对2架无人机进行目标探测，待完成敌方无人机具体位置探测后，进行实时数据共享，最终可引导车载电子战系统视情协同实施火力打击。2)空空协同电子侦察无人机联合作战一般用于高效的协同电子侦察，协同侦察主要是战时的情报侦察运用，作战场景如图5所示。若我空中2架无人机接受上级命令对敌某一作战区域进行协同电子侦察和情报收集，首先2架无人机采用雷达侦察功能收集该区域相关雷达信号，通过双站协同定位和数据融合确定敌地面主要辐射源大致位置，然后引导雷达模式开始对重点区域进行SAR成像，当协同侦察发现某些威胁等级较高的火控雷达信号或接收到上级指令进行我空中目标掩护任务时，2架空中无人机可切换为分时侦察干扰工作模式，协同实现区域掩护及自卫撤退等战术目的。 3)空地协同立体作战车载及机载电子战系统的多站联合可支持我多军种空地协同立体作战，由于单个平台采用了柔性的多功能软件可定义架构，协同的内容、方式也较传统的立体协同作战更加丰富，典型的作战场景可构想为：我地面2台车载电子战系统与空中2架无人机电子战系统与我作战飞机构成地空立体作战体系，对抗敌方2架无人机、战机、地面火控雷达及战场监视雷达等构成的立体作战体系，如图6所示。