王立夫　程　宇

(海軍駐武漢地區(qū)通信軍事代表室　武漢　430079)

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艦艇通信與電子系統(tǒng)一體化集成技術研究*

王立夫程宇

(海軍駐武漢地區(qū)通信軍事代表室武漢430079)

摘要艦艇電子信息系統(tǒng)正在向“一體化結構”演變,艦艇電子信息系統(tǒng)一體化集成是國內(nèi)外十分關注的重大課題。論文在分析艦艇電子信息系統(tǒng)結構演變方向基礎上,重點研究艦艇通信作戰(zhàn)使用特點,分析通信與其它電子信息系統(tǒng)實現(xiàn)一體化集成的必要性和可行性,探討通信系統(tǒng)集成發(fā)展趨勢、發(fā)展階段和目標,概要分析相關的核心技術。

關鍵詞艦艇通信; 通信系統(tǒng); 電子信息系統(tǒng); 一體化集成

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

進入21世紀,發(fā)達國家海軍發(fā)展新一代艦艇十分重視艦艇上層結構和電子信息系統(tǒng)集成化設計,如美海軍DD(X)概念艦、新一代航母構想等,其主要目的是進一步提高艦艇兼容性能、最大限度改進艦艇隱身性能、提升艦艇整體作戰(zhàn)能力。這些概念艦船主要技術特征包括艦艇平臺隱身外形、上層結構集成化、電子信息系統(tǒng)集成化等。

艦艇通信系統(tǒng)是艦艇傳輸各種信息的“紐帶”,是獲取信息優(yōu)勢的重要保障。因此,設計新一代艦艇通信系統(tǒng)必須充分考慮艦艇通信作戰(zhàn)使用特點,重視艦艇上層結構和電子信息系統(tǒng)一體化集成的發(fā)展要求。

2艦艇電子信息系統(tǒng)演變趨勢

由于艦艇作戰(zhàn)需求的牽引和技術發(fā)展的推動,現(xiàn)代新型艦艇電子信息系統(tǒng)設計理念正在改變。從技術角度看,艦艇電子信息系統(tǒng)演變方向為實現(xiàn)“縱向—橫向”一體化集成,發(fā)展目標為構建扁平化的一體化電子信息系統(tǒng)。

2.1艦艇電子信息系統(tǒng)結構演變方向

在移動作戰(zhàn)平臺上構建一體化電子信息系統(tǒng),目前飛機平臺走在前面,其中以美軍飛機航電系統(tǒng)為主要代表。美軍F22飛機已采用了“綜合結構”構建綜合航電系統(tǒng);美軍聯(lián)合攻擊機JSF正瞄準“一體化結構”來構建一體化航電系統(tǒng)。在飛機平臺上采用一體化集成的理念設計航電系統(tǒng),其原動力是電子設備、電子天線布置困難和便于飛行員操作使用的要求,同時電子信息技術的發(fā)展也起著重要的推動作用。

在艦艇平臺布置電子信息系統(tǒng)沒有飛機平臺那么困難,因而不像研究飛機一體化航電系統(tǒng)那樣緊迫和受到高度重視。隨著在復雜電磁環(huán)境遂行作戰(zhàn)任務對艦艇電子信息系統(tǒng)作戰(zhàn)使用和艦艇隱身性要求的提高,支持艦艇電子信息系統(tǒng)一體化集成的基礎技術的發(fā)展,設計艦艇一體化電子信息系統(tǒng)正在成為一種發(fā)展趨勢。艦艇電子信息系統(tǒng)結構正在由“綜合結構”向“一體化結構”方向演變。

2.2艦艇電子信息系統(tǒng)組成演變趨勢

由于艦艇電子信息系統(tǒng)設計理念和體系結構的改變,艦艇電子信息系統(tǒng)組成和設備配置將發(fā)生相適應的變化。

1) 在系統(tǒng)構成層面,各種傳統(tǒng)上的獨立電子系統(tǒng)之間的界面趨向模糊,由相對獨立的功能系統(tǒng)內(nèi)部“縱向”集成向多個電子系統(tǒng)“縱向—橫向”一體化集成發(fā)展;

2) 在組織使用層面,艦艇電子信息系統(tǒng)控制管理趨向綜合化、自動化、智能化,向?qū)崿F(xiàn)資源統(tǒng)一調(diào)度和面向作戰(zhàn)任務管理方式轉(zhuǎn)變;

3) 在天線層面,電子天線由單一頻段、單一功能向多頻段、多波束、多功能轉(zhuǎn)變,向?qū)崿F(xiàn)天線孔徑共用、天線集成、天線與上層建筑共形設計和集成發(fā)展;

4) 在大功率射頻電路層面,單一頻段、單一功能專用射頻設備向多頻段、綜合功能射頻設備轉(zhuǎn)變,向射頻資源實現(xiàn)共用和統(tǒng)一調(diào)度發(fā)展;

5) 在低電平電子設備層面,基于軟件無線電技術和網(wǎng)絡技術應用,電子設備向硬件和軟件模塊化轉(zhuǎn)變,向依托核心網(wǎng)絡實現(xiàn)基于模塊級的一體化集成發(fā)展。

3艦艇通信基本需求與作戰(zhàn)使用特點分析

艦艇電子信息系統(tǒng)實現(xiàn)一體化集成是建造現(xiàn)代水面艦艇的發(fā)展趨勢,但實現(xiàn)通信系統(tǒng)集成化需要以滿足作戰(zhàn)使用要求為基礎。從艦艇通信基本需求和作戰(zhàn)使用特點角度看,如下幾個方面是艦艇通信系統(tǒng)進行集成化設計必需考慮的“基點”。

3.1全時不間斷通信

艦艇通信系統(tǒng)是艦艇遂行作戰(zhàn)任務過程中傳輸各種信息的重要保障。在遂行作戰(zhàn)任務過程中,何時接收信息是不確知的,何時發(fā)送信息是不確定的。因此,艦艇必須具備全時不間斷的通信保障能力。

3.2立體空間全方位通信

艦艇從物理結構概念上看是一個獨立的海上移動作戰(zhàn)平臺,但從作戰(zhàn)結構和指揮結構上看則可能是與陸、海、空、天、潛不同平臺(節(jié)點)有著全方位信息關系的平臺。艦艇必須具備立體空間全方位通信的能力。

3.3雙工通信

艦艇對外通信網(wǎng)絡(鏈路)的設計和組織使用,有單工、半雙工和全雙工三種方式,主要使用半雙工和全雙工通信方式。因而,艦艇通信網(wǎng)絡(鏈路)應具備雙向通信能力。

3.4全頻段通信

軍事通信網(wǎng)幾乎使用了射頻的全部頻段。為了使艦艇平臺在軍事通信網(wǎng)系中達成互連互通,艦艇應具備與軍事通信網(wǎng)相匹配的“全頻段”通信能力。

3.5多網(wǎng)絡協(xié)同通信

根據(jù)艦艇作戰(zhàn)需求、通信組織及遠程通信網(wǎng)絡以接入網(wǎng)為重點通信手段的特點,艦艇通信系統(tǒng)必須具備按不同的指揮關系向多個方向、以多種工作方式和多類通信業(yè)務,同時進行多網(wǎng)絡協(xié)同通信的能力。

3.6高可靠性通信

通信系統(tǒng)傳遞的信息,在作戰(zhàn)行動中都具有特殊的重要性。一個錯誤或漏掉某個重要的信息,可能對整個作戰(zhàn)行動產(chǎn)生嚴重的影響,甚至影響行動的成敗。因此,通信要“連得通、通得好”。

4艦艇通信系統(tǒng)向集成化發(fā)展的必要性與可行性

4.1必要性分析

艦艇是一個“空間受限”的海上移動平臺,隨著武器系統(tǒng)和電子信息系統(tǒng)設備增加,艦艇總體上的電磁兼容性和隱身性成為長期不能很好解決的難題。設計隱身性能優(yōu)良和艦艇綜合性能最優(yōu)的新一代先進艦艇,艦船電子信息系統(tǒng)減少天線、實現(xiàn)射頻及天線集成化是一個重要的技術支撐。因此,從解決艦艇整體隱身性和兼容性問題看,盡量減少艦艇通信天線數(shù)量,艦艇通信射頻及天線集成,進而實現(xiàn)通信與其它電子系統(tǒng)射頻集成是非常必要的。

目前的艦艇電子信息系統(tǒng)是一種典型的“煙筒型”系統(tǒng)。艦艇電子信息系統(tǒng)的各個功能系統(tǒng)的物理構成、組織使用、管理控制等基本上是相互獨立的。艦艇電子信息系統(tǒng)是重要作戰(zhàn)資源,一體化集成的電子信息系統(tǒng)更便于作戰(zhàn)資源統(tǒng)一管理、優(yōu)化綜合性能和更好滿足信息化作戰(zhàn)使用需求。因而,艦艇通信系統(tǒng)自身集成化設計、進一步與其它電子系統(tǒng)一體化集成也是必要的。

4.2可行性分析

從技術發(fā)展角度看,寬帶射頻電路技術、多頻段/多波束寬帶天線技術、射頻電路和艦載天線共用技術等,可以支撐電子系統(tǒng)射頻前端實現(xiàn)集成化;網(wǎng)絡技術、軟件無線電技術、一體化硬件和軟件平臺設計技術、電子設備模塊化技術等,可以支撐電子系統(tǒng)在低電平電路、信息處理及波形應用等方面實現(xiàn)一體化集成。因而,在基礎技術層面具有較好的可行性。

從作戰(zhàn)使用角度看,傳統(tǒng)上的艦艇電子系統(tǒng)的各個功能系統(tǒng),均依據(jù)滿足各個功能系統(tǒng)的作戰(zhàn)使用要求進行開發(fā)和組織使用。一體化集成的艦艇電子系統(tǒng)與各個功能系統(tǒng)在傳統(tǒng)上形成的戰(zhàn)術技術指標和組織使用方法將存在差異,完成作戰(zhàn)使用需求的轉(zhuǎn)變和形成新的戰(zhàn)術技術指標體系存在較大的困難,需要較長的過程。因而,從作戰(zhàn)使用層面看,艦艇通信與其它電子系統(tǒng)在短時期內(nèi)實現(xiàn)一體化集成的可行性較小,作為遠期目標是可行的。

5艦艇通信與電子系統(tǒng)集成化發(fā)展的階段與目標

5.1艦艇電子系統(tǒng)集成化發(fā)展階段與目標

實現(xiàn)艦艇電子信息系統(tǒng)一體化集成的目標需要長期的過程,過程的長短受作戰(zhàn)使用需求變化和基礎技術成熟度的制約,其發(fā)展過程大致可以分為近期、中期和遠期三個階段。近期階段目標以實現(xiàn)各個功能系統(tǒng)縱向集成為主、不同功能系統(tǒng)間局部橫向有限集成,重點解決艦載天線、射頻電路綜合集成的問題,本階段各個功能系統(tǒng)仍然保留比較完整的物理形態(tài)。中期階段目標是擴大各個功能系統(tǒng)之間實現(xiàn)“橫向”集成的范圍,實現(xiàn)采用“綜合結構”集成的艦艇綜合電子系統(tǒng),本階段各個功能系統(tǒng)在物理構成上將仍然保留實體性的系統(tǒng)形態(tài),但功能系統(tǒng)的界面逐步變得模糊。遠期階段目標是實現(xiàn)艦艇各個功能系統(tǒng)“縱向—橫向”一體化集成,傳統(tǒng)上的艦艇通信、雷達、電子戰(zhàn)、指控等功能系統(tǒng)基本上不以獨立物理系統(tǒng)形態(tài)存在。從信息應用、處理,基帶、中頻、射頻信號處理、射頻信號發(fā)送和接收等,完全由一個一體化電子信息系統(tǒng)完成。

5.2艦艇通信系統(tǒng)集成化發(fā)展階段與目標

艦艇通信系統(tǒng)是艦艇電子信息系統(tǒng)的組成部分,其發(fā)展方向、發(fā)展階段和目標需要與艦艇電子信息系統(tǒng)的發(fā)展相適應。

· 近期階段:發(fā)展目標為實現(xiàn)通信內(nèi)部“縱向集成”和初步實現(xiàn)通信天線集成。本階段主要實現(xiàn)通信天線小型化、平面化、復合化和共形設計,根據(jù)隱身性原理改進通信天線外形設計,達到減少通信天線種類、數(shù)量和實現(xiàn)艦載通信天線初步集成,實現(xiàn)通信與其它電子系統(tǒng)共用集成電子桅桿的目標,支撐艦艇隱身性設計。

· 中期階段:在艦艇通信系統(tǒng)“縱向集成”基礎上,進一步實現(xiàn)通信與其它電子系統(tǒng)射頻集成。本階段主要是進一步完善艦載通信射頻與天線集成,在通信與其它電子系統(tǒng)頻譜覆蓋范圍相近的部分頻段,初步實現(xiàn)一些新體制通信設備與雷達、電子戰(zhàn)、導航、敵我識別等其它電子系統(tǒng)在天線的共形集成、孔徑共用,大功率射頻電路共用;在艦艇通信系統(tǒng)內(nèi)部,基于軟件無線電和平臺核心網(wǎng)絡技術實現(xiàn)設備模塊化集成。

· 遠期階段:實現(xiàn)通信與其它電子系統(tǒng)“縱向—橫向”一體化集成,支持構建艦艇一體化電子信息系統(tǒng)。本階段主要是針對不同艦型特點,實現(xiàn)多種通信射頻和天線集成的優(yōu)化設計;實現(xiàn)通信射頻及天線與其它電子系統(tǒng)的射頻資源共享、天線孔徑共用,支持實現(xiàn)艦載電子射頻綜合集成;基于軟件無線電、平臺核心網(wǎng)絡和設備模塊化等技術,實現(xiàn)通信與其它電子系統(tǒng)組合化設計和一體化集成。

6艦艇通信系統(tǒng)一體化集成核心技術分析

艦艇通信系統(tǒng)從目前“縱向集成”的獨立物理系統(tǒng)逐步演變到艦艇一體化電子信息系統(tǒng)中的一個“功能系統(tǒng)”,需要眾多新技術的支撐,如下幾項技術是其核心技術。

6.1艦艇通信系統(tǒng)一體化集成頂層設計技術

傳統(tǒng)上的艦艇通信系統(tǒng)以縱向集成的、獨立的系統(tǒng)形態(tài)存在,與其它電子系統(tǒng)在設備配置、控制管理、組織使用等方面基本上不直接關聯(lián),在使用上為其它電子系統(tǒng)提供通信接口和信息傳輸功能。艦艇電子信息系統(tǒng)實現(xiàn)“縱向—橫向”一體化集成,需要改變艦艇電子信息系統(tǒng)的結構、傳統(tǒng)上獨立物理系統(tǒng)的形態(tài)和設備配置、組織使用方法和控制管理方式等。因此,需要深入研究未來艦艇通信作戰(zhàn)使用要求和特點、通信能力構成和戰(zhàn)術技術指標體系;未來艦艇通信系統(tǒng)在不同發(fā)展階段需要采用的體系結構和存在的物理形態(tài)、不同階段通信系統(tǒng)與其它電子系統(tǒng)實現(xiàn)集成的目標和范圍;通信系統(tǒng)與其它電子系統(tǒng)“橫向”集成的可能方案和技術途徑等。美軍聯(lián)合戰(zhàn)斗機JSF一體化航電系統(tǒng)結構框架如圖1所示。該系統(tǒng)體現(xiàn)了電子信息系統(tǒng)集成化設計理念和系統(tǒng)頂層設計技術發(fā)展方向,對研究艦艇一體化電子信息系統(tǒng)頂層設計技術有一定的借鑒作用。

圖1　美軍JSF一體化航空電子信息系統(tǒng)結構框架示意圖

6.2艦艇通信射頻一體化集成技術

與未來艦艇隱身性設計和電磁兼容性設計關系密切的是通信射頻及天線,實現(xiàn)艦艇通信射頻及天線集成化設計和實現(xiàn)通信射頻及天線與其它電子系統(tǒng)射頻及天線集成化設計是建造新一代先進艦艇的重要目標。實現(xiàn)艦艇通信射頻集成化涉及通信內(nèi)部和通信與其它電子系統(tǒng)射頻集成兩個方面,基本發(fā)展思路是:在通信專用頻段實現(xiàn)通信射頻集成化設計;在通信與其它電子系統(tǒng)共用或相近頻段,根據(jù)需要和可能實現(xiàn)通信射頻集成或通信與其它電子系統(tǒng)射頻一體化集成。艦載通信射頻集成和通信射頻與其它電子系統(tǒng)射頻集成主要涉及多頻段、多波束寬帶天線技術、寬頻帶大功率射頻電路技術、天線綜合集成技術、天線和射頻電路資源共用和控制管理技術等等。

世界海軍強國均在開展艦艇射頻集成技術研究,設計理念、采用技術、實現(xiàn)方法不盡相同,其中歐洲泰利斯公司進行的“艦船集成上部結構(ITD)”技術研究是一個典型代表。ITD研究目標將艦艇上各種傳感器、對抗設備、通信設備、導航設備和各種電子天線等射頻設備集成一個綜合桅桿系統(tǒng)。ITD研究項目提出了一個四層集成綜合桅桿的方案:最底層配置電子射頻機柜、通信設備、數(shù)據(jù)鏈設備、衛(wèi)通設備和敵我識別設備等;第二層配置多功能雷達和通信網(wǎng)絡設備;第三層配置三坐標體搜索雷達;最上配置導航雷達、導航燈和電子偵察設備、光電傳感器等設備。ITD集成電子桅桿模塊結構如圖2所示。該項目已完成演示驗證,其設計理念和取得的技術成果具有指向性意義。

6.3艦艇通信信道設備一體化集成技術

艦艇上另一類通信設備是低電平的信道設備和終端設備,這些設備傳統(tǒng)上都是以獨立設備單元或設備機柜形式進行配置、安裝和使用。在艦艇通信系統(tǒng)和通信與其它電子系統(tǒng)實現(xiàn)一體化集成的過程中,設計思想和設備存在形態(tài)均將發(fā)生改變。新的設計理念將基于數(shù)字電路技術、網(wǎng)絡技術和軟件無線電技術首先在艦艇通信系統(tǒng)內(nèi)部構建由各種模塊一體化集成的低電平信道和終端系統(tǒng),并進一步實現(xiàn)通信與其它電子系統(tǒng)低電平電路設備的一體化設計和模塊級集成。實現(xiàn)這種構想需要研究和突破一體化硬件平臺、軟件平臺總體設計技術,建立統(tǒng)一的、標準的開發(fā)測試環(huán)境;研究和突破模塊化設計技術,建立設計硬件模塊和軟件模塊的規(guī)范標準;研究和突破核心網(wǎng)絡技術和接口設計技術,統(tǒng)一和規(guī)范接口標準,基于能力強大的核心網(wǎng)絡實現(xiàn)模塊級集成的技術途徑等。

圖2　泰利斯公司ITD集成上部結構概念示意圖

6.4艦艇一體化通信控制管理技術

艦艇通信系統(tǒng)傳統(tǒng)上主要采用面向系統(tǒng)內(nèi)部設備的管理方式實現(xiàn)通信內(nèi)部的控制管理,比較先進的艦艇綜合通信系統(tǒng)則正在向面向通信業(yè)務和面向通信網(wǎng)絡(鏈路)管理方式發(fā)展,達到艦艇編隊或戰(zhàn)斗群通信網(wǎng)絡一體化管理的目標。在艦艇電子信息系統(tǒng)逐步向一體化集成發(fā)展的過程中,電子信息系統(tǒng)本身要求實現(xiàn)一體化管理,支持按照艦艇作戰(zhàn)需求實現(xiàn)作戰(zhàn)資源統(tǒng)一調(diào)度和組織使用;按照網(wǎng)絡中心作戰(zhàn)模式的使用要求,一是要實現(xiàn)面向作戰(zhàn)任務的管理,二是要將包括艦艇通信系統(tǒng)在內(nèi)的艦艇電子信息系統(tǒng)納入作戰(zhàn)資源管理范疇實現(xiàn)一體化管理。因此,艦艇通信系統(tǒng)需要實現(xiàn)一體化控制管理和支持艦艇電子信息系統(tǒng)統(tǒng)一管理。實現(xiàn)艦艇通信系統(tǒng)一體化控制管理的核心技術主要包括艦艇通信系統(tǒng)和編隊通信網(wǎng)絡一體化管理結構設計技術、基于分布式數(shù)據(jù)庫和管理信息互連互通互操作技術、面向作戰(zhàn)任務實現(xiàn)綜合控制管理的技術途徑、通信動態(tài)組網(wǎng)和資源統(tǒng)一調(diào)度技術等等。

7結語

艦艇通信系統(tǒng)由“縱向”集成向通信與其它電子系統(tǒng)實現(xiàn)“縱向—橫向”一體化集成是發(fā)展方向。完成這種轉(zhuǎn)變需要一個長期過程,需要深入研究和突破眾多核心技術。本文對此進行了初步分析和探索性研究,錯漏之處,敬請指正。

參 考 文 獻

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中圖分類號TN914

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.002

作者簡介:王立夫,男,工程師,研究方向:無線通信、信號處理。程宇,男,工程師,研究方向:無線通信、信號處理。

收稿日期:2015年9月1日,修回日期:2015年10月19日