2017年国外舰船电子信息技术发展综述

来源:战略前沿技术 时间:2018-08-09
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2017年,国外舰船电子信息技术领域呈现平稳发展态势,新一代防空反导雷达进展顺利,舰载光电探测技术进一步成熟,新型声呐逐步实现实装应用,通信技术手段不断创新,水下无人系统指控能力得到重视,舰船电子战领域将不断应用更多新装备新技术。

一、防空反导雷达技术发展平稳,X波段雷达有望成为未来发展重点

(一)新型舰载雷达发到能力得到验证,进一步走向实用化

美国海军新一代防空反导雷达试验测试不断取得成功。AN/SPY-6(V)防空反导雷达是雷声公司为美国海军研制的新一代主动有源电扫相控阵雷达。与美国驱逐舰目前使用的AN/SPY-1D(V)雷达相比,AN/SPY-6(V)雷达可提供更高的探测范围,更高的辨识精度,更高的可靠性和可维护性。该系统由雷达模块组件组装,每个雷达模块组件都是一个独立封装的雷达,预装在0.6米x0.6米x0.6米的容器中。这些单独的雷达模块可以堆叠在一起形成任意尺寸的阵列,可扩展性使其可用于组装成新的雷达,用于驱逐舰、巡洋舰、航空母舰,两栖战舰,护卫舰,近海战斗舰等不同战舰,且不增加显著的开发成本。2017年5月,雷声公司正式获得海军AN/SPY-6(V)雷达的生产合同,在2020年10月前完成首批三部雷达的生产,用于DDG 51 Flight Ⅲ驱逐舰建造工作,合同总价3.2亿美元。该型雷达2017年连续3次测试获得成功,其中3月成功完成先进短程弹道导弹目标防御测试;7月成功完成中程弹道导弹目标探测与跟踪测试,雷达在导弹飞行的第二阶段成功搜索、捕获、跟踪了弹道导弹测试目标。为检验新型雷达的探测和跟踪能力,此次测试用导弹较之前采用的弹道导弹模拟目标更复杂,威胁性更强;9月首次成功同时捕获跟踪了多个有代表性的威胁目标,成功验证了AN/SPY-6(V)雷达针对近程弹道导弹和多个反舰巡航导弹目标的综合防空反导性能。试验验证了雷达的灵敏度、资源管理及关键的多任务能力。

新型弹道导弹跟踪雷达通过演示验证。2017年10月,泰勒斯公司在美国海军欧洲演习中对SMART-L多任务雷达进行了弹道导弹跟踪能力演示验证。该雷达部署在泰勒斯公司试验设施的测试塔上,发现并跟踪了射程超过932英里的弹道导弹,用时不超过5分钟。被拦截的弹道导弹是在美国海军“强大盾牌2017”导弹防御国际演习中,由苏格兰的赫布里底群岛发射。据泰勒斯公司称,SMART-L多任务雷达能探测与跟踪的导弹可在远距离导弹防御的海军舰艇上发射。此次演示验证证明了泰勒斯公司在弹道导弹防御雷达领域的技术能力。从2018年开始,泰勒斯公司将为荷兰皇家海军“七省”级护卫舰提供4部SMART-L多任务雷达。

(二)美海军将X波段定为下一代舰载雷达的唯一波段

2017年9月,美国海军研究局举行“未来X波段雷达”(FXR)项目举行“行业日”活动。美国海军方面明确表示,他们认为X波段应当是下一代水面雷达唯一适用的波长,“由于其他频段的海上无线电定位可用性受到限制,因此将不予考虑。美国海军日前正着手对现有的X波段AN/SPQ-9B雷达进行改进,并且将于2027年研制出下一代低成本、轻量化的有源相控阵雷达,该项目目前已进入技术开发和风险降低的阶段。对于给定的波束宽度,要求天线的尺寸随频率的增加而降低。因此,与目前水面舰艇应用较多的S波段雷达相比,X波段雷达具有波长更短、天线尺寸更小的优点。新型X波段雷达将具有多种功能,包括防空侦察和追踪、地面/海面目标侦察和追踪、潜艇潜望镜监测以及识别不明目标。该型雷达可装备到经过改装的较老舰船,也可装备到新舰船上。而且,单个系统的成本预计将不超过3000万美元。不仅在水面舰艇方面,美国军方正全面转向X波段雷达。2017年10月,美国导弹防御局向雷声公司授予了15亿美元的合同,用于开发“海/陆军移动式雷达监视模型2”X波段雷达和海基X波段雷达系统。

二、光电技术成为重要发展方向,有助于提升海战场态势感知能力

(一)欧防局研究表明激光水下探测与目标识别具有广泛应用前景

2017年7月,欧防局委托瑞典国防研究局和圣路易斯法德研究所利用波罗的海海域相关水文数据,对光探测和测距(LIDAR)系统和激光探测和测距(LADAR)系统进行了仿真测试。结果表明激光系统可大幅提高作战能力。例如,机载激光扫描系统可快速部署,能探测、定位和跟踪水下或水面物体,并能识别大型目标。一旦发现目标,可迅速部署装备激光监视(LGV)系统的水面无人艇或装备水下激光扫描(ULS)系统的无人潜航器,进一步确认目标信息。研究结论认为激光技术应用可作为现有传感器(声呐)的补充,用于水下目标探测与识别,尤其是在浅水地区或地形复杂海域,如群岛、海峡等,因此将对水下探测与目标识别能力产生重大积极影响。

(二)美国海军研发光电态势感知融合技术

2017年8月,美国海军研究局发布“态势感知和目标识别全景成像”项目需求公告,寻找粗分辨率和高分辨率电光成像融合技术,以提高海军陆战队的广域态势感知能力。美国海军正在尝试将粗分辨率图像、高分辨率图像与无源传感器结合,无源传感器包括长波红外、中波红外、和短波红外探测器——甚至包括无源毫米波技术,帮助船员快速检测、定位并防范地面和机载威胁,如快攻和反舰导弹。海军专家不仅对融合粗分辨率图像、高分辨率图像感兴趣,而且还对融合不同传感器数据感兴趣,以充分探测云、灰尘、雾和雨中的目标。对于这个项目,海军专家主要关注以舰艇甲板视角下的地平线为基线,地平线以下20度至地平线以上30度的视野,尽可能高效地利用传感器和信号处理,满足海军对水面舰艇态势感知的要求。

三、新型声呐逐步进入实装应用,先进声呐技术持续取得进展

(一)美国海军新型声呐研制进展顺利

光纤被动壳体声呐传感器阵列交付。2016年底,诺·格公司向亨廷顿·英戈尔斯工业公司交付“弗吉尼亚”级Block IV型潜艇第一批轻量宽孔径阵列声呐硬件。轻量宽孔径阵列声呐将赋予“弗吉尼亚”级潜艇特殊优势。未来,诺·格公司将以每年2批的速度交付10套该型声呐。轻型宽孔径阵列声呐由六个平面阵列组成,安装于潜艇两侧,每侧三个,为潜艇作战系统提供重要的传感器输入。该系统使用光纤或激光技术将水中目标声信号转化为可以识别和跟踪的信息。轻量宽孔径阵列声呐是目前市场上唯一的光纤被动壳体传感器阵列,是对美国海军潜艇部队作战至关重要的传感器装备,也是下一代水下传感器发展的核心。

近海战斗舰变深声呐项目持续推进。2017年5月,雷声公司宣布,其新型变深声呐在完成产品研发和评估阶段后,由于特性和能力符合美国海军的设计性能要求,被美国海军选中作为近海战斗舰反潜战任务模块的关键装备,用于定位和追踪敌方潜艇。新的声呐系统可被部署在“自由”级和“独立”级近海战斗舰上,该系统采用全新设计以减轻重量、尽量减少声呐对舰船操控的影响,增加机动性并为未来作战增加有效载荷提供机会。此外,这种声呐易于操作,提高了舰员的操作效率。2016年8月,美国海军舰员在佛罗里达大西洋大学海港分校海洋研究所利用全尺寸原型进行功能验证。根据合同,雷声公司将在2018年前将这种变深声呐的研制从评估阶段推进到预生产测试阶段。

(二)美国积极推进先进声呐技术研究

美国在声呐领域寻求创新计算和传感器技术。2017年6月,美国海军海上系统司令部官员发布“潜艇和水面作战系统传感器和信号处理技术”项目方案征集公告,寻求适用于监视侦察、态势感知、反潜战领域主被动声呐系统的创新计算和传感器技术。计算技术研究将涉及人工智能、深度学习、机器学习、预测分析等复杂技术,还包括美国海军感兴趣的网络安全、决策支持、视觉图像检测和分类技术。传感器技术研究将包括用于共形声速声呐(CAVES)的高功率主动声呐发射机、新型拖曳线列阵声呐遥测组件。

美国海军测试可变深声呐的流体力学特性。2016年底,美国海军对可变深声呐进行了一系列的测试,以改善其猎雷能力。海军无人海上系统项目办公室与海军水面战中心卡迪洛克分部一起测试了AN/AQS-20A可变深声呐,该型声呐是为近海战斗舰研发的猎雷声呐。先前收集的数据表明,AN/AQS-20A拖曳的时候会重心偏移或发生摇摆现象,这影响了声呐的定位水雷的能力。此次测试是为了确定发生此类情况的根本原因,试验采集的数据将用于分析可变深声呐发生摇摆的根本原因,并改进猎雷声呐的算法,以改进该声呐的猎雷性能。AN/AQS-20A可变深声呐原本为近海战斗舰反水雷任务包研制。虽然该任务包目前已取消了,但是该型声呐项目被保留。

四、通信技术手段不断创新,提升海上通信可靠性和对潜通信能力

(一)新型海上通信技术带来全新战场通信能力

美国海军利用信号灯实现舰船间信息快速传递。2017年7月,海军研究局“技术解决方案项目”资助开发的闪光灯文本转换(FLTC)系统进行了演示验证。该系统利用传统的信号灯形成的快速光脉冲进行舰船间快速通信,允许海员在不擅长摩尔斯电码的情况下快速发送和接收消息。使用装有快门的信号灯发送摩斯码的简单方法得到世界范围内的海军的广泛使用。在当前利用发达的数字无线电系统可在一秒钟内传输吉字节数据的时代,使用信号或导航灯传递信息有其特有的优点,如不易被干扰,不能被黑客控制,在主电源、卫星,甚至在无线电通讯失效时,仍可正常用于船舶通信。然而,信号灯的发送信息存在的最大问题是发送速度慢,且取决于对摩斯码的熟练程度。而目前莫斯码在海军使用很少。这意味着信号灯的操作者需要受过专门的训练,否则很难保证信息发展和接收的速度和精度。FLTC系统可通过一个升级包解决任意标准的信号灯在信息收发方面的难题。主要组件包括使用步进电机控制的闪光灯,用LED灯取代普通白炽灯,而在接收端使用GoPro相机获取其他舰船发送的摩斯码信息。并使用装有特定算法软件的手持设备或笔记本电脑作为专用的信息转换器。转换器可将信息转换为摩斯码发送出去,或将接收的摩斯码转换为文本信息,显示在屏幕上。预计基于美军舰队标准的改装套件将在明年发布。

美国海军研发应急海上战术通信网络增强战场通信网络顽存性。2017年1月,在DARPA资助下,美国华盛顿大学完成应急海上战术通信网络核心组件研制,并验证了海上自主供电、高速通信、深水锚定等能力。这种系统部署便捷、抗损性高,一旦投入使用,能在战时常规战术通信网络受到压制的情况下提供可靠稳定的通信中继,增强战场通信网络的顽存性,为美军提供“敌无我有”的非对称信息优势。应急海上战术通信网络是一种可通过作战舰艇或民船快速部署的战场中继通信系统,在空中远距离通信无法实现时,依靠光缆在水下形成数十万平方千米的稳定、隐蔽的通信网络,经多次中继后与常规战术通信网络连接,或直接与过顶的飞机和舰船等平台近距通信。当前,美军海上战场通信网络缺少高性能、高可靠性应急通信中继,这种通信网络有望填补这一空白。该通信网络持续运行时间超过30天,主要由三部分构成:一是自主供电通信浮标。由2个圆筒状浮体、装载有发电装置与储能装置的中心舱、射频中继天线与通信网关、浮标架等组成,并设有即插即用的光缆接口,整体外形尺寸3.1米×3.7米×4.0米。二是通信光缆。由二氧化硅光纤芯部、液晶聚合物中间层和外皮保护层构成,可在海水中悬浮,外径小于2毫米,单段长度超过100千米,试验表明,信号衰减率低于0.25分贝/千米,通信速率高于100兆比特/秒,抗拉强度大、耐磨耐腐蚀。三是伞形锚定系统。由伞形锚与锚链构成,伞形锚张开面积约5平方米,通过60米长的锚链与浮标架连接。

美研发便携式低频通信系统或带来全新战场通信能力。2016年12月,美国国防高级研究计划局(DARPA)微系统办公室发布了“机械天线”(AMEBA)项目征询书,将开发微型特低频/甚低频(ULF/VLF)信号发射机,提高长波通信和数据传输能力。该项目可能对水下作战及单兵超远距离直接通信产生重大影响。美国DARPA及有关机构已经从理论证明了机械天线产生电磁波的可行性。与当前无线电发射器通过振荡电路产生电磁波不同,AMEBA项目将探索全新的电磁波生成与发射机理,利用强磁场材料(永磁体)或强电场材料(驻极体)的机械振动产生低频电磁波。为了产生低损耗、精确控制的机械式射频发射机,项目需要在电磁材料、机械驱动装置与天线结构设计、发射材料、匹配网络等多个技术领域获得关键性突破。其中最核心的问题是如何在满足低功耗的条件下,在较小的空间内形成所需的强电磁场。另外,如何有效调制载波,以产生有用的信息带宽;如何研制供单兵使用的“尺寸小、重量轻、功耗低”的发射机背包;如何进行发热控制,降低功率需求;封装与加固系统,提高抗振动性能等也是研发过程中需要解决的关键技术。“机械天线”项目研发的便携式ULF或VLF频段发射系统具有“尺寸小、重量轻、功耗低”特点,彻底解决现有长波通信设施的不足。

(二)水下通信领域声通信、非声通信技术并行发展

集装箱式长波通信装置提高对潜通信灵活性。2017年5月,俄罗斯海军接收新型超长波段通信装置——Р-643“五十年代人”,该装置可对水下百米深处的潜艇传递指令。Р-643可容纳在两个集装箱中,每个集装箱长12.2米,面积77平方米,货运拖车、舰船和飞机足以运输,但具体的技战术指标尚未公开。电离层对超长波的反射损耗较小,最主要的是超长波可自由深入到深水中。因此它们对潜艇通信特别适用。Р-643不是无线电台,而是无线电发射装备。它只是发送信息,不会接收回应。目前对潜艇通信通常采用带天线阵的通信站,而Р-643可容纳在两个海运集装箱中。Р-643特别适用于“口径”巡航导弹的指控。俄海军司令部表示,Р-643集装箱式无线电发射装置已在太平洋舰队完成了操作试验。

空潜光通信技术提升水下作战通信效率。2017年3月,美国海军空间与海战系统司令部发布模块化光通信(OCOMMS)有效载荷项目需求公告,寻求全双工光通信系统设计和制造技术,实现有人和无人飞机对潜艇和对无人潜航器通信。光通信链路比无线电波更适合用于对潜应用,因为光纤提供足够的衰减以穿透水层,到达深度处的海底系统。海军希望新型光通信系统能够在15海里的距离内以不低于1千比特每秒的速度实现对潜通信,并且对潜通信深度应大于100英尺。该光学通信系统载荷长度小于16.5英寸、宽度小于15.5英寸、高度小于13.25英寸,重量不高于60磅,将装在飞机万向节上或吊舱中。关键技术包括450纳米-550纳米紧凑型脉冲激光器,大孔径、窄带宽视场光学滤波器,以及通信调制解调器,能利用脉冲定位调制(PPM)及灵敏大孔径光学探测器,调制、解调光学信号。调制解调器将采用里所码,降低误比特率(BER),并可监控信噪比、BER和误符号率(SER),调整上行链路和下行链路参数,充分利用通信带宽,优化BER性能。

先进水下通信网络提高水下平台与分布式传感系统通信可靠性和覆盖范围。2017年3月,以色列航空工业公司宣布将为美国防高级研究计划局开发“传感器扩展水下声学可靠配置异构集成网络”(SEA-URCHIN)系统。项目针对海洋环境的剧烈变化会造成声学信号的传播路径复杂多变,传播延迟、时变多径和衰减、自然/人为噪声、多普勒频移、低带宽、电源限制等问题,研发创新系统提高海底水下声学通信的可靠性和覆盖范围需要新的办法。该公司将先进物理层算法引入传统水下通信调制解调器,利用MAC和网络协议栈及时将传感器信息发送到信息中心,兼顾传感器电源约束条件。此外,公司还将开发算法模型,并利用公司旗下最先进的水下通信模拟器研究系统性能。通过改进算法使仿真结果达到性能指标要求后,公司将进一步进行硬件设计,并对SEA-URCHIN系统进行现场测试。这项研究将降低水下网络传感器部署的运行成本。开发的移动节点路由算法和SDR声学调制解调器对于搜救、地理科学和水下勘探工作具有重要意义。这项研究在有人/无人平台与分布式传感系统的水下通信领域具有重要军事应用潜力;同时,在民用水下通信领域,可支持科研、资源勘探和基础设施监测与开发等。

五、美国海军陆战队采用新型指挥系统,水下无人系统指控能力得到重视

(一)新型海军陆战队指挥系统完成测试进入装备阶段

美国海军陆战队新型指控系统已于2017年5月-6月在海军陆战队航空站完成测试,并将于2018年形成初始作战能力。该系统配备新一代雷达系统、移动无线电天线,及车载搭载服务器,比原系统速度更快、精度更准、机动性更强。新系统主要包括“通用航空指控系统”(CAC2S)二期和“地面/空中任务导向雷达”(G/ATOR)。CAC2S二期计算机软件能在2秒-4秒内迅速处理操作人员指令,而原有系统需要30秒-45秒。结合“复合跟踪网络”(CTN)系统软件,新型指控系统具备实时数据传输能力,除支持态势感知外,还提供火控功能。“地面/空中任务导向雷达”(G/ATOR)是新型指控系统的重要组件,新增了低空无人机、巡航导弹跟踪能力和机动能力。该雷达系统能在30分钟内搭建完毕,可替代5部原有雷达系统,且能探测并跟踪更复杂的飞行轨迹和更小的目标。它与CAC2S二期集连,提高了指挥决策速度,并加强了火控能力。该雷达自动化水平高,能在前两周自转中自动寻北,这对于提高机动性至关重要。CAC2S二期将代替已使用近20年的战术空中作战模组和移动式战术空中作战模组,并将替代原战术空中指挥中心系统,为空中支援中心提供软件工具和实时数据。

(二)水下无人系统指控能力倍受重视

2017年8月,诺·格公司宇航系统分部成功利用先进任务管理与控制系统同时控制8个无人系统定位并攻击水下目标,打破2016年同型系统同时引导4部无人系统的记录。测试表明,该系统能同时控制1艘亨廷顿•英格尔斯/巴特尔“普罗特斯”大型自主无人潜航器(UUV)、2艘液力公司“波浪滑翔者”无人水面艇(USV)、1架无人机(UAV)、1艘海德罗伊公司REMUS 100无人潜航器、1艘艾弗公司无人潜航器和2艘激流自主研发公司无人潜航器(微型、便携式)共同执行水下战任务。无人机具有广域监视能力,并承担战术控制中心与无人系统间的通信中继任务。“波浪滑翔者”无人水面艇部署在海岸外10英里处,负责海上感知,监视海湾进出船舶。“普罗特斯”无人潜航器是REMUS100无人潜航器和激流无人潜航器的母艇,通过水声通信与“波浪滑翔者”无人水面艇相连。REMUS 100无人潜航器装备侧扫合成孔径声呐,具备目标搜索与探测能力。该声呐具备一定的自动目标探测能力,探测到目标后会向战术作战中心发送信号,帮助操作人员确认目标。一旦目标被锁定后,从“普罗特斯”无人潜航器发射装有被动便携式声学传感器的激流无人潜航器。操作人员根据它回传的探测信息,判断是否攻击。

六、新装备新技术不断应用到电子战领域,将提升舰船电子对抗能力

下一代电子战干扰机提供全频谱干扰能力。2017年4月,美国海军AN/ALQ-249下一代干扰机(NGJ)“增量1”通过关键设计评审,进入制造和测试阶段。下一代干扰机由一系列低、中、高频段干扰吊舱组成,用于对抗敌方越来越先进的搜索、跟踪和火控雷达及通信系统,阻止敌方在战时有效使用电磁频谱。下一代干扰机将分为三个增量阶段进行循序渐进式开发:增量1阶段开发中频段电子攻击能力,增量2阶段开发低频段电子攻击能力,增量3阶段开发波频段电子攻击能力。关键技术包括:①基于氮化镓器件的有源电扫阵列天线技术。能够实现360°全向覆盖,使宽带处理能力至少提高10倍,输出功率提高2倍以上;②开放式体系架构和模块化设计技术,可采用不同的发射功率,适合不同大小的平台,满足不断变化的作战需求,还有利于快速增加新功能部件;③涡轮发动机供电技术,既满足作战所需能源需求,又符合体积和重量指标要求,也不会对载机形成拖力。下一代干扰机旨在取代目前在海军EA-18G电子战飞机上的现有ALQ 99电子战干扰机,美国海军初步计划为EA-18G电子战飞机购买135套下一代干扰机。

新型电子战关键设备提高雷达欺骗能力。2017年6月,海军空战中心从水星防务系统公司采购了18套II型高级数字射频存储器。DRFM技术具有隐蔽电子战应用的几个独特功能。 首先,它提供雷达和电子战等应用中的射频信号的相干时间延迟。它还通过以较小的延迟重放捕获的雷达脉冲来对敌方雷达系统产生相干欺骗干扰,这可以使得假目标看起来是移动的。其次,DRFM还可以对捕获的脉冲数据在幅度,频率和相位上进行调制,以提供其他影响。多普勒频移相关雷达中的范围和距离率跟踪器。再次,DRFM还可以多次重播捕获的雷达脉冲,以迷惑敌方雷达对多目标的感知。小型化、快速响应和大量低延迟计算能力技术的发展推进了当前DRFM的演进。该公司利用直接数字合成器(DDS)、本地振荡器(LO)技术等最新的DRFM技术生产的薄模块大小仅为0.44英寸。DDS技术具备宽带宽下提供亚微秒调谐速度,而改进的电路设计和仿真有助于减少信号杂散,以及模块间和相位噪声。该DRFM单元由一个RF转换器、一个转换器/存储器和一个系统控制器、1.2GHz瞬时带宽三位相位编码器构成,具有1200MHz的带宽,内置处理模块、射频单元和电源单元都是独立的。水星防务系统公司的工程师对公司的机载1225空气冷却型DRFM进行了小型化和加固改造,使其适用于机载、吊舱和无人机,可以对频率范围内,每个假目标的多普勒和双相特种进行编程;可以跟踪多达四个雷达信号发射器;并提供针对二至四部雷达信号发射器的干扰能力。

本文链接:http://www.globalview.cn/html/military/info_26252.html

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