一種機載綜合射頻系統兼容能力試驗方法

孫利娜， 梁葆華， 陳宇

(中國飛行試驗研究院航空電子機載設備飛行試驗技術研究所， 西安 710089)

綜合射頻系統是在飛機、艦船、導彈等裝備上，用若干分布式寬帶多功能孔徑取代為數眾多的天線孔徑，采用模塊化、開放式、可重構的傳感器系統體系架構，結合功能控制與資源管理調度算法，同時實現雷達、電子戰與通信、導航、識別等多種射頻功能，實現硬件和軟件資源重用和共享的系統[1-2]。其通過天線資源復用、共用、重構，硬件資源高度集成，傳感器功能擴展、備份、重構，對射頻隱身、射頻兼容、傳感器管理等各方面進行了綜合設計，進而實現射頻系統資源、功能及信息綜合化。

當前，綜合射頻系統已被廣泛應用于航空平臺，艦載平臺以及飛航導彈平臺等[3-7]，成為近些年來軍事強國研究發展的重點[1, 8-9]。如美國海軍提出了先進多功能射頻概念[10]、先進多功能射頻系統[11]等，美國空軍將多功能綜合射頻系統應用于F-22、F-35戰機[9]，中國的三代機設計了射頻管理系統、四代機設計了綜合射頻系統，無人機上進行了雷達和通信波形的一體化設計[12]等。綜合射頻系統的應用，進一步將作戰平臺上的雷達、電子戰、通信、導航、敵我識別、數據鏈等射頻系統進行了集成設計與研發，其不僅確保了這些子系統功能和性能都能滿足各自作戰使用需求，又增強了航電系統的綜合作戰能力，如射頻兼容能力、射頻隱身能力、信息融合能力等。而隨著中國裝備平臺的快速發展以及體系化作戰的趨勢，射頻兼容正在經歷著“單平臺兼容-編隊兼容-體系兼容”的發展過程。其中，單平臺兼容是指武器平臺上，雷達、電子戰(electronic warfare, EW)、通信導航識別系統(communication, navigation, and identification system, CNI)等射頻傳感器系統之間協同兼容工作。編隊射頻兼容不僅要求滿足單平臺射頻兼容，更要求具備編隊成員之間雷達、電子對抗、CNI系統的協同工作。體系射頻兼容是在編隊兼容的基礎上更關注跨平臺裝備、有人無人裝備在體系作戰時的協同兼容工作。

圖1 常用射頻傳感器所占工作頻段Fig.1 Frequency band used by common RF sensors

可以看出，射頻兼容能力已經成為裝備平臺的重要綜合基礎能力，其不僅要求各射頻傳感器之間互不影響，協同工作；更是裝備綜合射頻隱身、信息融合、體系作戰的基礎。射頻系統能否兼容，兼容效果如何對裝備作戰至關重要，而如何有效地試驗、分析并評估裝備系統的射頻兼容能力也成為當前研究的重點，學者們已經開始就裝備射頻兼容展開了分析。文獻[13]進行了機載雷達和與雷達告警接收機的兼容性分析；文獻[14]對艦船射頻綜合系統進行了兼容性分析；文獻[15]展開了跨平臺對象的兼容性分析。這些分析更多聚焦于不同系統對象電磁特征帶來的兼容問題。而由于裝備射頻兼容涉及的射頻設備眾多、設備間使用耦合相關，射頻信號交聯關系復雜，射頻兼容又需要對其全面考慮，因此裝備射頻兼容的試驗驗證一直是難點。在目前的相關研究中，還缺乏從裝備整體出發較全面的考慮裝備射頻兼容能力的試驗內容設計，試驗結果評估的試驗分析方法，急需研究相關方法，實現對裝備平臺射頻兼容能力的有效驗證。

為此，現開展機載綜合射頻系統兼容能力試驗方法研究。首先介紹綜合射頻系統兼容工作基本原理，作為兼容能力試驗方法研究的基礎。其次提出基于正交法的射頻兼容能力試驗內容設計方法，從射頻設備、射頻設備工作模式進行了多層次的正交矩陣射頻兼容試驗內容設計，并給出試驗設計內容的一般篩選原則。在此基礎上，從功能和性能兩個方面出發研究給出射頻兼容能力的評估準則，進而研究裝備綜合射頻兼容能力的試驗內容設計和評估方法，并進行案例應用，為機載綜合射頻系統的兼容能力試驗與分析提供參考。

1 綜合射頻系統兼容工作基本原理

射頻兼容能力是指裝備平臺各射頻系統或射頻傳感器之間能夠滿足載機作戰使用需求的協同工作能力。引起射頻系統干擾、不兼容工作的原因主要是射頻系統收發電磁信號的重頻、倍頻現象，其中以重頻最為嚴重。綜合射頻系統綜合了航空電子系統中的雷達、電子戰和通信導航識別等系統。圖1給出了當前航空裝備平臺上CNI、雷達、電子戰系統常用的工作頻段[16]。可以看出，這幾個系統工作頻段存在典型的重頻和倍頻現象。當這些系統同時工作時，如果不進行射頻傳感器協同工作設計和管理，則容易發生電磁干擾現象，引起收發信息的失真，進而影響各自射頻系統的工作，造成射頻系統不兼容。

當前各射頻系統的兼容工作主要是通過航電綜合任務管理機的統一管理調度，根據航電系統工作模式，動態實時管理雷達、電子戰、CNI、外掛物等載機輻射系統/設備，通過綜合管理策略使之能夠協同工作，最大限度發揮載機設備的效能。其基本原理是通過時域閉鎖、頻域閉鎖、空間隔離來實現射頻系統的協同工作。

(1)時域閉鎖即以分時工作的方式設計射頻系統工作方式，即某一系統工作，另一系統不工作來實現射頻系統的協同工作。

(2)頻域閉鎖即通過錯開射頻系統工作的頻段或頻點，即某一系統工作時使用的頻率或頻點，另一系統錯開使用，來實現射頻系統的協同工作。

(3)空間隔離即通過天線裝機位置的設置來減少空間輻射和干擾，來提高射頻系統協同工作能力。如接收天線和發射天線盡可能遠離，以提高空間隔離度；盡可能地將機上各設備的相同工作頻率或相近工作頻率的天線遠離，以免相互干擾。

以雷達與電子戰協同工作為例介紹兼容工作設計過程，如圖2所示。當雷達輻射時，雷達通過總線及射頻管理設備向電子戰系統發送中斷信號、雷達輻射波形，雷達載頻等信息，電子戰根據接收到的信息將本機雷達頻段信號剔除，確保本機電子戰不對本機雷達告警。當利用電子戰對敵機實施干擾時，電子戰會通過總線及射頻管理設備向雷達發送對抗波形、對抗載頻、雷達載頻建議等。雷達將按照避開電子戰發射頻段工作，這樣即可達到雷達與電子戰的協同工作。通過這種時頻閉鎖的設計，達到雷達和電子對抗系統的兼容工作。

圖2 雷達與電子對抗設備兼容工作原理Fig.2 Compatible principle of radar and EW equipments

2 基于正交法的射頻兼容能力試驗內容設計

綜合射頻系統涉及的射頻設備眾多，射頻兼容能力要求各射頻系統/設備之間具備滿足載機作戰使用需求的協同工作能力。這就要求射頻系統/設備兩兩之間能夠協同工作，不互相干擾，進而達到武器裝備平臺多個射頻設備的協同工作。基于此，考慮到綜合射頻設備射頻兼容能力涉及的眾多設備及設備的不同工作模式，以及試飛試驗的考核驗證的全面性，本文設計了一種基于正交法的射頻兼容能力試飛方法。圖3給出了基于正交法的射頻兼容能力試飛方法流程。各步驟的詳細說明如下。

步驟2以射頻設備為對象進行正交矩陣設計。正交矩陣設計滿足了試飛驗證考核的全面性，此步驟以武器裝備射頻設備為對象進行正交矩陣設計，如表1所示。所得到的結果為射頻兼容能力驗證要考核的兩兩設備組成基本單元{(Ei,Ej)}。

步驟3基于使用原則及射頻干擾機理進行結果篩選。

圖3 射頻兼容能力試驗內容設計流程Fig.3 Design process of RF compatibility test content

圖4 裝備射頻設備及其頻段分析Fig.4 Analysis of RF equipments and their frequency band

表1 基于射頻設備的正交矩陣設計

此步驟對步驟2結果進行篩選，從裝備作戰使用過程和射頻干擾機理兩個方面考慮，目前給出的原則如下。①原則1：兩兩設備不在同一時間使用，則不考慮其之間的射頻兼容問題；②原則2：兩兩設備雖同時使用，但都為偵收設備，則不考慮其之間的射頻不兼容問題；③原則3：兩兩設備工作頻段不存在重頻或者倍頻現象。

基于這三個原則對正交設計結果進行篩選剔除，則剩余的兩兩設備組合則是射頻兼容試飛驗證需要檢查考核的內容。

表2 基于射頻設備工作模式的正交矩陣設計

步驟5基于使用原則及射頻干擾機理進行結果篩選。此步驟對步驟4結果進行篩選，從裝備作戰使用過程和射頻干擾機理兩個方面考慮，目前給出的原則有如下。①原則1：兩個設備的對應的工作模式不會同時使用；②原則2：兩個設備的工作模式使用的工作頻段不重合，且不存在倍頻現象。

通過射頻兼容能力試驗內容設計，可以得到射頻兼容驗證要考核的兩兩設備組成單元{(Ei,Ej)},i,j=1,2,…，n,i≠j，和兩兩設備的工作模式組合

即為武器裝備射頻兼容能力試驗考核中需要驗證的最小試驗內容。在實際的試驗中，可以對多個試驗內容進行組合，進而進行試驗剖面的綜合設計，提高試驗考核驗證的效率。

3 射頻兼容能力評估準則

射頻兼容能力是指裝備平臺各射頻系統或射頻傳感器之間能夠滿足載機作戰使用需求的協同工作能力。其協同工作能力一般從功能和性能兩個方面考慮。因此，射頻兼容試飛評估準則主要包括功能性射頻兼容評估準則和性能性射頻兼容評估準則。

功能性射頻兼容評估準則：指判定武器裝備平臺射頻系統或射頻傳感器之間能夠滿足作戰使用功能需求的評估準則。以雷達、電子對抗系統和CNI系統的射頻兼容為例簡要給出評估準則。

(1)裝備平臺雷達、電子戰、CNI系統同時工作時各項系統功能正常。

(2)裝備平臺電子對抗系統不對雷達輻射信號告警，不對CNI輻射信號告警，產生誤告警。

性能性射頻兼容評估準則：指判定武器裝備平臺射頻系統或射頻傳感器之間能夠滿足作戰使用性能需求的評估準則。以雷達、電子對抗系統和CNI系統之間的射頻兼容為例。

(1)裝備平臺雷達、電子戰、CNI系統同時工作時能正常使用，各系統工作性能符合研制要求。

(2)雷達輻射不影響電子對抗系統的測向性能，不影響CNI系統中子設備的工作性能。電子對抗系統干擾時不影響雷達探測性能，不影響CNI系統子設備工作性能。

4 案例分析

以某航空裝備為例進行案例分析。假設該航空裝備的主要射頻設備包括雷達、電子戰、CNI系統，該平臺中雷達典型工作模式有邊搜索邊測距(range while search，RWS)、跟蹤加搜索(track and search，TAS)、單目標跟蹤(single target track，STT)、多目標跟蹤(multiple target track，MTT)、空戰格斗(air combat mode，ACM)等。電子戰典型工作模式有電子支援偵察(electronic support measures，ESM)、電子干擾(electronic countermeasures, ECM)。CNI系統主要工作設備為圖1中相關設備，由于涉及內容多，在此不做展開。基于本文方法進行該航空裝備平臺射頻兼容能力試驗內容設計。

首先自頂向下從航空裝備平臺、射頻設備、工作模式、工作頻段進行機載射頻設備及其工作頻段的分析，分析結果如圖5所示。

在圖4的基礎上，以航空裝備的射頻設備為對象進行正交矩陣設計，如表3所示。所得到的結果為射頻兼容能力試飛驗證要考核的兩兩設備組成基本單元，包括 (雷達，電子戰)(雷達，CNI)(電子戰，CNI)三個基本單元。進一步對這三個基本單元進行篩選，這三個基本單元中的兩兩射頻設備的工作頻段都存在重頻現象，同時射頻設備都具有電磁信號的收發功能，且從航空裝備遠距探測，中距攔截，近距格斗的過程來看，這三個設備經常同時工作。因此，這三個組合就是射頻兼容需要考核的重要內容。

在表3設計篩選的三個組合中，雷達和電子戰兼容工作一直是當前航空裝備平臺射頻兼容關注的重點和難點，也是試驗驗證的重要內容。本文選擇該組合進一步對兩兩射頻設備以其工作模式為對象進行正交矩陣設計，如表4所示。表4中雷達和電子戰不同工作模式組合都存在同時工作且工作頻段重合的現象。故這些組合都是射頻兼容驗證內容。

在表4試驗設計結果基礎上，對這些需要考核的試驗內容結合飛行試驗進行試驗組合,進而提高射頻兼容能力的驗證效率。試飛中，選擇兩架飛機，載機A和目標機B，其中載機作為測試飛機，目標機作為配試飛機。雙機自150 km外進入，同開雷電和電子戰設備，相互探測，30 km處退出，在此過程中檢查載機的雷電兼容情況。雙機試飛試驗的垂直剖面和水平剖面如圖6所示，其中M為馬赫數。

圖5 某航空裝備射頻設備及其頻段Fig.5 RF equipments of an aircraft and their frequency band

表3 某航空裝備射頻設備的正交矩陣設計

雙機共進入兩個航次，載機A雷達和電子戰的工作模式設計如表5所示，表5中給出了載機在不同航次中覆蓋的試驗內容。目標機B作為配試飛機，在兩個航次中雷達工作模式為RWS，電子戰為ESM。

上述基于本文的方法以某航空裝備平臺為例進行了兼容能力試驗內容的設計和試飛剖面設計，進一步針對相應的試驗內容，給出其具體的兼容能力評估準則。

航次1雷電兼容能力評估準則：載機雷達工作在RWS、TAS、STT、STT、MTT、ACM模式下時，電子戰ESM不對雷達輻射信號告警。

表4 雷達和電子戰工作模式正交設計

圖6 雷電兼容試飛剖面設計Fig.6 Flight test profiledesign of radar and EW compatible

表5 雷達和電子戰試飛工作模式設計

航次2雷電兼容能力評估準則：載機電子戰ECM工作時不影響雷達RWS、TAS、STT、STT、MTT、ACM模式下的探測跟蹤性能；載機雷達工作在RWS、TAS、STT、STT、MTT、ACM模式下時，不影響載機電子戰ECM干擾性能。

圖7 載機A雷達探測數據分析結果Fig.7 Analysis results of radar detection data offighter A

根據實際試飛，本文對雷達和電子戰的兼容工作進行了數據分析。對于航次1的電子戰告警情況，主要通過觀察載機A顯示畫面分析，在此不詳細展現。對于航次2中雷達探測跟蹤性能，通過載機A雷達探測跟蹤目標機B相關數據分析給出,如圖7所示。對于電子戰ECM干擾性能，則通過干擾效果，即目標機雷達探測跟蹤的數據分析給出，如圖8所示。圖7和圖8中的紅色曲線是通過雙機GPS數據算的基準數據結果，藍色曲線為雷達探測數據結果，通過和基準數據的對比來說明雷達探測的性能(本文只給出圖示說明，不提供具體誤差數據)。

圖8 目標機B雷達探測數據分析結果Fig.8 Analysis results of radar detection data offighter B

圖7給出了載機A雷達探測目標機B過程中的目標距離、方位、速度數據分析結果。從圖7(a)和圖7(b)可以看出，雷達探測目標機的距離、方位曲線和基準曲線基本完全重合，從圖7(c)可以看出探測速度曲線重合度也比較高，說明雷達的探測性能良好，沒有受到載機電子戰干擾的影響。

圖8給出了目標機B雷達探測載機A過程中的目標距離、方位、速度數據分析結果。從圖8(a)～圖8(c)可以看出，雷達探測的距離、方位、速度和基本曲線有明顯的較大偏差，目標機雷達探測效果不好，目標機受到載機A電子戰的干擾。進一步說明了在載機雷電同開時，載機的電子戰干擾效果良好。

通過案例分析說明，載機雷達和電子戰射頻系統可兼容工作，同時工作時功能和性能正常。

5 結論

針對裝備射頻系統的兼容能力試驗與評估問題，建立了一套機載綜合射頻系統兼容能力試驗設計與評估方法，得出如下結論。

(1)給出了基于正交法的射頻兼容能力試驗內容設計方法。該方法從射頻設備、射頻設備工作模式進行了多層次的正交矩陣射頻兼容試驗內容設計。

(2)從功能和性能兩個方面定義了射頻兼容能力評估的主要內容，并基于此給出了射頻兼容能力評估的一般準則，支持對裝備射頻兼容能力的評估。

(3)以某航空裝備平臺為例進行了射頻兼容能力試驗方法應用，結果表明本文方法可以有效地支持對機載綜合射頻系統兼容能力的試驗設計與評估。