多功能射頻系統的發展

美國海軍「阿利·伯克」級Flight IIA型導彈驅逐艦（DDG 51）「斯托克代爾」號的桅杆頂部視角

在現代作戰艦隻上開展桅杆集成工作給海軍體系架構和戰鬥系統工程領域都帶來了巨大的挑戰。目前，桅杆柱子和上層結構上都擠滿了大量射頻孔徑，分別用於電子戰、信息作戰、通信和雷達功能。如此擁擠的環境意味著每個射頻系統通常都擁有自己的天線孔徑；而把這些分立的系統集成到一起需要額外的開支，用於改造船上的電子系統、訓練操作員以及後勤維護。

在有限的空間中難以增加新功能的問題在潛艇上更為嚴重。在這種環境下，射頻天線必須是緊湊的，而且必須在氣密條件下進行集成。

長期以來，人們認為艦艇的桅杆集成面臨著諸多困難。例如，將多個射頻系統緊密安裝在一起，而每個系統都需要無障礙地使用電磁頻譜，這就不可避免帶來了電磁互擾/電磁兼容問題。由於要安裝大量分立的射頻孔徑/天線，導致艦船的射頻信號特徵和雷達截面積難以管理。此外，對於新建船隻，新的通信和雷達需求又增加了上層甲板和桅杆上的體積、重量和功率需求，從而推升船隻的尺寸、電力容量和造價。

這些障礙促使人們開展相關的研發活動，綜合運用整體設計方法和先進的技術，使未來的平台在設計之初就能夠採用集成度更高的桅杆架構。這種方法的難點在於，集成桅杆必須綜合運用多方面的工程原理，從複雜的電磁互擾/電磁兼容（EMI/EMC）計算和預測桅杆氣流的計算流體力學，到相對簡單的海上航行補給和救生設備的部署。

為了適應這些不斷變化且經常衝突的需求，人們將桅杆設計視為一個跨學科的協作領域，涉及到的學科包括EMI/EMC、信號特徵管理、雷達與通信、安全性管理以及成本分析，這些學科必須共同協作才能設計出集成桅杆的架構，實現感測器和通信性能、艦船信號特徵、可靠性以及EMI/EMC等多種需求之間的平衡。

此外，人們認識到艦載射頻系統的技術、工藝和架構也必須同步發展，實現射頻資源在感測器、效應器和通信系統之間的共享，並實時動態的分配資源和頻譜。這正是美國海軍通過海軍研究辦公室（ONR）開展的集成桅杆（InTop）創新型艦載原理樣機（INP）項目所要解決的難題。

InTop INP項目於2009年啟動，旨在開發新的技術和系統，形成改進的、可負擔的多功能能力，並採用開放式架構來集成現有的設備和其它InTop系統。這樣就可以更靈活地調整平台能力，以應對快速變化的環境，並支持通過模塊化開放式介面來集成額外的功能，還可以在不改變系統基礎設計的前提下增加/刪除系統的硬體和/或軟體。InTop項目還尋求將通信/感測器一體化系統引入到艦船的設計中，以優化艦船的尺寸和性能參數。

InTop項目已於2016年正式結束。但後續的電磁機動戰指控（EMC2）項目繼承了InTop項目的工作。同時，在InTop項目期間成熟的幾項技術也轉移到了其它項目中。

射頻多功能系統

InTop吸收了ONR早期的研發成果，特別是先進多功能射頻概念（AMRFC）測試平台和多功能電子戰（MFEW）先進開發模型（ADM）。AMRFC項目起源於1999年，是一項原理驗證型的演示項目，旨在開發能夠同時執行雷達、電子戰和通信功能且信號特徵較低的通用寬頻射頻孔徑。其目的是顯著減少桅杆上射頻孔徑的數量，大幅降低RCS，增強功能並提高帶寬。

實際上，AMRFC是人們對集成桅杆概念進行的第一次測試，由海軍研究實驗室（NRL）和工業部門將多功能收發陣列、激勵器/接收機和海軍開發的資源分配管理器集成到了一起。集成工作於2004年在馬里蘭海軍研究實驗室的AMRFC測試台上完成，並向美國海軍的研發和採辦部門充分演示了電子戰（有源和無源）、通信和雷達功能的同時運行。

在AMRFC之後，ONR和NRL又於2005財年啟動了MFEW未來海軍能力（FNC）項目，旨在將關鍵的電子戰系統技術推進到全尺寸工程研製階段。MFEW綜合了七方面的性能需求：頻域和空域覆蓋；靈敏度；系統響應時間(從信號檢測到輻射源上報)；電磁環境需求（艦上和艦外的輻射源）；信號到達角測量精度；天線RCS；輻射源分類需求(包括虛警率)；對新出現的特定威脅的反應能力。另外，ONR要求設計必須是模塊化、開放式、可升級的，以滿足多種平台的尺寸規格和運行需求，並實現電子戰功能的增量升級，還能在資源分配管理器（RAM）的實時控制下集成到感測器/通信系統之系統中。

諾格公司於2005年9月通過競標贏得了MFEW先進開發模型的研製合同。2007年10月，諾格公司向NRL交付了模型，並進行了安裝和測試。該模型演示了執行多種電子支援功能（包括高截獲概率、精確定位以及輻射源識別）以及與RAM和其他射頻系統進行集成的能力，還為「水面電子戰改進項目」（SEWIP）Block 2技術方案提供了低風險的架構和技術，使SEWIPBlock 2成功通過了技術成熟度評估。

ONR還與DRS公司簽署了一項合同，用於開發滿足MFEWADM開放式介面標準的射頻接收模塊。DRS在已有的SI-9155的基礎上開發了相似的SI-9161單元，可以兼容諾格公司的介面。

MFEW樣機在2008年5月進行了最終演示，之後被安裝到「康斯托克」號登陸艦上，參加了在夏威夷舉行的2008環太平洋軍事演習。在演習中，「康斯托克」上的MFEW參與了TAPA II（反艦導彈計劃部署技術合作項目）技術演示，澳大利亞和加拿大同時也參加了演示。MFEW樣機在演習結束后又被送回了NRL，用於支持InTopINP項目。

InTop項目的目標

基於前期對多功能射頻系統開展的一系列研究，InTop項目致力於開發一系列可升級的多功能孔徑和配套的電子子系統，以創新的電磁頻譜使用方式來實現雷達、電子戰、信息戰和通信功能。相對於將多個分立的系統組合起來的傳統方式，部署這種集成系統可以降低艦船的建造成本、人員規模、工程量和維護成本。

ONR的InTop項目負責人Betsy DeLong說：「目前的通信、電子戰和雷達功能都是單獨開發的，這些系統會爭奪桅杆上日益受限的空間。最終的結果就是，當你花費了幾百萬美元優化了一個系統以後，還得花幾百萬美元進行次優化才能使系統在擁塞且存在電磁頻譜互擾的環境中工作。

InTop項目正在從根本上改變我們對海軍艦載射頻系統的看法。InTop項目將多種射頻功能集成到一個系統或系統之系統中，這些功能可以在HF到Q波段的範圍內共享孔徑和/或電子設備。這樣就避免了為艦船所需的每一種射頻功能都購買一套專用設備(包括天線和甲板下的電子系統)。這種做法可以顯著釋放艦上的空間、降低系統的重量、減輕後勤維護的工作量。此外還提升了系統用頻的靈活性，因為可以選擇不會引起互擾且沒有被干擾的頻率來執行射頻功能，也可以簡單的選擇在當前條件下能夠達到系統最佳性能的頻率。InTop在天線和電子設備重配置方面具有靈活性，能夠在任何條件下具有大多數關鍵性功能。

InTop的系統之系統方法將射頻視為一種資源，這種資料要持續的分配給優先順序最高的需求。InTop希望利用自適應寬頻孔徑和信號處理的靈活性來控制電磁頻譜，並在保障雷達/電子戰/信息戰/通信功能前提下顯著降低系統的造價。

ONR通過InTop和EMC2項目資助了一系列的樣機研發

動態控制射頻頻譜的構想可以分解為一系列互補的目標：開發、集成並演示新的多波束孔徑和子系統，用於支持射頻多功能（雷達、電子戰、信號處理和通信）；通過資源分配功能優化對射頻頻譜和硬體的使用，演示對多種艦載射頻功能的集成和實時協同控制；與海上系統司令部合作，將InTop的通信/感測器一體化系統引入艦船的設計中，以優化艦船的尺寸和性能；通過監視控制電磁互擾提高射頻頻譜的可用性，發展新的射頻頻譜作戰概念。

InTop項目的最終目標是開發出多種技術、架構和方法，包括：具有更大靈活性的模塊化、開放式、可升級射頻架構；軟體定義功能，通過軟體升級快速適應新的威脅或滿足新的需求；同步化射頻功能，能夠支持任務並消除電磁互擾；較小的尺寸、重量和功耗(與傳統的桅杆相比)；更低的成本（與傳統的系統相比）；在桅杆上優化部署更多的射頻功能；在天線桅杆與平台架構之間實現無縫兼容的集成。

技術演示

除了利用AMRFC和MFEW的成果，InTop項目還採用了很多其他技術成果，包括很多固態電子器件技術開發成果、能降低成本的新型孔徑架構（InTop項目最大的挑戰就是開發經濟可承受的寬頻陣列）。另一項重要的成果是在「提康德羅加」級巡洋艦上進行了演示驗證的S波段接收孔徑，該孔徑能夠同時產生三個波束用於「標準」導彈的遙測，而且成本比同等性能的碟形天線要低。

還有一個重要的研究基礎來自一項為期九個月的海軍/工業部門研究項目，參與的公司包括ATK空間系統公司、BAE系統公司、波爾航天技術公司、DRS信號解決方案公司、通用動力先進信息系統公司、洛馬公司、M/A-COM公司、諾格公司和雷聲公司。該項目組在2008年確定了開發和交付開放式射頻架構的最佳方式。

基於射頻系統的通用架構，項目組成立了四個由海軍和工業部門組成的聯合團隊：收發孔徑子系統研究團隊；射頻和中頻子系統研究團隊；數字信號處理器和數據處理/軟體子系統研究團隊；資源分配管理器/軟體/作戰系統子系統研究團隊。此外還成立了集成桅杆項目監督團隊，這個團隊負責解決系統工程問題，並對另外四個團隊進行技術和管理監督。

這些團隊需要研究如何將四個通用架構模塊進一步劃分成模塊化的硬體和/或軟體單元，並且要採用適應開放式架構的介面。然後還要分析這些模塊的架構，使其與通信和感測器系統相適應。

測試平台

在InTop項目中，ONR承建了一系列ADM/技術演示測試平台，用於測試不同的多功能射頻系統。這些平台都繼承了前期對多功能射頻(包括電子戰、通信、雷達和信息戰能力)的研究基礎。

ONR在2010年簽訂了兩個合同用於開發集成多波束電子戰/信息戰/視距通信ADM。這個ADM將用於支撐SEWIP Block 3項目（Block 3是在Block 2電子支援系統的基礎上增加了電子進攻能力）的多功能、多波段、多波束寬頻陣列。樣機的主要功能包括：X～Ka波段電子進攻、電子進攻支援、「鷹鏈」、通用數據鏈（CDL）數據交換功能、輻射源個體識別/電子支援、信息戰支援功能。而衛星通信只是一項輔助功能。

InTop項目還使用了由ONR的高吞吐量網路架構項目所開發的低成本、窄帶相控陣技術，用來支撐通用數據鏈（CDL）的通信功能。窄帶CDL和寬頻InTop陣列都能夠提供多波束能力，但InTop陣列在波束形成、干擾置零和頻率覆蓋方面具有更大的靈活性。

接收陣列能夠提供的波束數量取決於具體的數據鏈通信需求。一套CDL陣列（每艘艦上配四個陣列）在單獨使用時可以提供8個接收波束，而在使用俯仰分集的接收方式時(為了消除多徑和大氣效應)，可以提供4個接收波束。一套InTop接收陣列（每艘艦上配四個陣列）最多可以支持16個通信鏈路，而在保障最大通信距離的前提下，也可以支持4個通信鏈路。

ONR的多波束射頻多功能(電子戰/信息戰/通信)樣機包含四個寬頻AESA收發陣列，覆蓋C波段至毫米波波段

同樣的，發射陣列也要根據所支持通信鏈路的數量來規劃陣列的尺寸。兩個陣列不僅可以單獨支持通信鏈路，還可以集成使用，實現通信冗餘、多徑消除、頻率分集的能力，利用空間隔離在現有的頻率範圍內實現所需數量的通信鏈路，通過接收陣列資源配置加強艦船的用頻管理，避免頻率互擾和頻率衝突。

諾格於2012財年開始建造多波束電子戰/信息戰/通信ADM，建造團隊還包括哈里斯公司和波音公司。該模型於2014年交付給NRL的切薩皮克海灣分部。2015年10月和11月，演示了電子戰、信息戰和通信的同時多功能。目前這個ADM已經移植到SEWIPBlock 3項目中。

另一套射頻多功能樣是雷聲綜合防禦系統公司的靈活分散式陣列雷達（FlexRadar），這個項目的合同是2014年上半年簽訂的。FlexRadar旨在演示基於網路協同和精確時間同步的雷達單元級數字波束形成新能力。將先進的數字技術引入雷達前端，可以實現靈活動態的多功能雷達，這樣的雷達能夠執行監視、通信和電子戰等一系列任務。

雷聲公司表示，FlexDAR將會開發能夠增強未來雷達感測器功能的技術，包括底層的軟體定義數字可重構技術。FlexDAR將演示雷達功能和雷達間的通信功能，可以實現雙基地的交換與控制。雙基地雷達可以提供更遠的探測距離和穩定跟蹤距離，而且比現有的單基地雷達具有更好的電子防護能力。

FlexDAR的設計工作已於2015年4月完成。雷聲公司正在建造兩部相同的多功能陣列天線，將來會安裝到NRL進行演示。DeLong表示，FlexDAR的前端陣列計劃在2016年底交付。NRL已經完成了後端處理軟體，目前正在雷聲公司與前端進行集成。

洛馬公司承擔的潛艇和艦船加固型衛星通信項目也是InTop項目的一部分。該項目在2012財年完成了寬頻潛艇衛星通信天線的最終設計並開始生產。目前該天線的X波段發射陣列已經在海軍水下戰中心成功完成了液壓測試，接收陣列正在進行最後的集成和測試。而對於艦船的加固衛星通信，ONR已經完成了多種架構的研究，並開發新型好幾個波長比例縮放陣列和印製陣列。這些工作都是在為後來的ADM做準備。

NRL的集成桅杆設備

InTop項目的早期研究工作被稱為低波段加固信息戰/通信項目，該項目為8GHz以下的射頻系統定義了總體系統架構和關鍵的系統需求。項目後來更名為低波段智能分佈資源（LowRIDR），ADM子系統目前的開發工作屬於EMC2項目。

InTop項目中另一個重要的組成部分是低級資源分配管理器和架構開發(LLRAM&ID)。這項功能於2011年下半年交給諾格公司進行開發，主要是管理資源分配、優先順序排序、校準和系統內頻率去衝突，以優化射頻性能。軟體的維護將由NRL負責。

LLRAM&ID項目已經完成，並與電子戰/信息戰/通信ADM進行了集成，目前已經移植到了SEWIPBlock3項目中。相關的研究工作在FlexDAR和LowRIDR中繼續開展，並成為EMC2項目的一部分。

技術轉化

向SEWIPBlock 2和Block 3的技術轉化已經在有序進行，即將開展的一項重要轉化是把通信功能(通用數據鏈是SEWIPBlock 3的基本要求)和資源分配軟體納入到SEWIPBlock 3中。此外，ONR正在尋求把潛艇衛星通信技術轉化先進高數據率項目中，並將FlexDAR升級為AMDR (防空反導雷達)。

傳統的艦船上層建築與集成桅杆對比

DeLong表示，將科學技術轉化到裝備的過程中面臨的最大挑戰是如何保持集成桅杆的理念不走樣。我們需要經過充分測試的、可靠的、經濟可承受的系統來滿足艦隊當前的需求，但同時也要保持開放的架構，便於通過有效的升級來滿足未來的需求。

ONR的工作是持續的，最近又啟動了EMC2項目，旨在進一步開發控制電磁頻譜的能力，以支持海軍的電磁機動戰概念。

EMC2：實現頻譜控制

繼InTop和其它早期的技術開發工作之後，ONR目前正在開展EMC2項目。該項目是美國海軍電磁機動戰(EMW)的組成部分。EMW的前提是能夠快速、靈活並有效的利用電磁/賽博環境。EMC2項目旨在交付開放式架構系統能力，這種能力可以根據目標平台的尺寸和任務進行調整，還可以通過資源分配管理器和頻譜管理器為美國海軍提供實時的射頻頻譜敏捷性。

EMC2項目是在InTop項目的基礎上開發增量的多功能能力和指揮控制能力，並通過系統之系統的方法將這些能力集成到一起。在2015年11月6日發布的一份技術成熟和風險降低（TM&RR）徵詢通告中，ONR提到EMC2項目將開發硬體和軟體密集系統，實現在很寬的頻率範圍內監視射頻頻譜的能力，並為射頻功能分配最佳的頻率和資源，以適應電磁環境和作戰需求的變化。

2016年4月，ONR向12家公司授予了不確定交付日期/不確定交付數量的合同，這些公司包括：洛馬公司、氬聖公司、諾格公司、雷聲綜合防禦系統公司、EOIR技術公司、SI2技術公司、S2公司、海洋集團公司、Leidos公司、羅克威爾·柯林斯公司、物理光學集團公司和TiComGeomanics公司。這些公司可以根據合同條款展開競爭。這些合同的總金額最高可以達到8億美元。ONR表示，EMC2樣機能夠具有射頻多功能和資源管理能力，為平台提供更大的靈活性來適應快速改變的戰術和戰略環境。這些系統採用模塊化、開放式的介面，可以在不影響系統基礎設計的前提下添加或刪除硬體和/或軟體，因此可以較方便的集成新的功能。

得益於InTop項目，EMC2項目涵蓋了研究、設計、製造、集成、測試和評估等一系列的任務，可以支持原理樣機和子系統的開發和演示。從射頻、電路到軟硬體，都採用模塊化、開放式、可升級的架構，就可以將電子戰、雷達、通信和信息戰等射頻功能集成到一套通用的多功能孔徑和電路中。

LowRIDRADM也被納入了EMC2項目。LowRIDRADM的目標包括：用一套通用的共享孔徑和處理設備實現HF～C波段的通信和信息戰功能，從而減少HF～C波段專用天線的數量；LowRIDR通用天線既可以提供定向波束，也可以提供傳統的全向波束；在LowRIDR和各個用戶系統的接收機/發射機之間提供通用的開放式信號分發系統；在系統的工作頻帶內更好的協調多種射頻功能。

採用模塊化開放式系統方法，LowRIDR可以在系統控制器的控制下基於通用設備實現通信、敵我識別、塔康、信息戰和電子戰功能。系統控制器使用的是InTop項目開發的資源分配管理器和基礎架構。據ONR公布的信息，LowRIDR ADM主要工作在100-525 MHz和0.5-2.7GHz兩個頻段上。可以實現的射頻功能包括Link16、敵我識別、塔康、信息戰、電子戰和實時頻譜行動。

EMC2的另外一個關鍵部分是指揮控制系統，該系統能夠優化所有InTop樣機的使用，進而動態的優化所有射頻功能的性能，以實現指揮官在所有作戰域的意圖。ONR目前正在與海軍作戰發展司令部合作開發新的作戰概念。

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