Создание многофункциональных радиотехнических систем для надводных кораблей ВМС США и стран ЕвропыКапитан Е. Леонов В состав корабельного радиоэлектронного вооружения входит большое количество различных радиотехнических систем, которые по характеру решаемых задач разделяются на разведывательные, навигации, связи и обмена данными, радиоэлектронного подавления, а также метеообеспечения. Без них современный корабль не может своевременно обнаружить противника, эффективно применить по нему оружие, а также взаимодействовать с другими кораблями, авиацией и береговыми объектами. При проектировании кораблей нового поколения неприемлем подход, когда для каждой системы разрабатывается собственная антенна (устанавливается на специальной мачте или элементах надстройки), приемопередающая аппаратура, аппаратура обработки, управления и отображения. В этом случае не представляется возможным в полной мере обеспечить выполнение требований по сокращению числа антенн, снижению заметности корабля, стоимости жизненного цикла и численности экипажа. При быстром развитии антенн, СВЧ- и цифровой техники становится возможным создание многофункциональных радиотехнических систем (МФ РТС). По существу такая система будет представлять собой единую программно-аппаратную платформу (инфраструктуру) и строиться на основе стационарных плоских активных ФАР (АФАР), монтируемых в корпусе корабля, общего цифрового приемопередающего обору-дования, а также объединенной системы обработки, управления и отображения. Задачи, решаемые сегодня различными системами разведки, связи и радиоэлектронного подавления, будут реализоваться в этой системе в виде модулей программного обеспечения. Поскольку ресурсы (антенные решетки, подрешетки, приемники, генераторы сигналов, системы распределения сигналов, цифровые системы формирования лучей и др.) в МФ РТС являются коллективными, ключевым элементом будет система управления ими, позволяющая динамически распределять совместно используемые ресурсы и управлять ими в зависимости от решаемых задач. Повышенное внимание к многофункциональным радиотехническим системам отмечается в США и европейских странах последние 10-15 лет. На сегодняшний день уже успешно завершен ряд программ в данной области. Выделены средства на новые исследования, которые предполагают разработку широкополосных излучателей для многолучевых АФАР и вариантов их построения, многоканальных приемных, передающих и приемопередающих модулей, современных систем распределения сигналов и формирования диаграммы направленности (ДН), генерирования и формирования сигналов, цифровых приемных систем, систем и алгоритмов обработки и управления, а также соответствующего программного обеспечения. Изучается взаимное влияние отдельных близкорасположенных решеток при встраивании их в корпус корабля при одновременной работе в различных диапазонах длин волн (электромагнитная совместимость). Рассматриваются варианты архитектуры построения таких систем. Объединение корабельных систем радиолокации, связи, РЭБ на базе единой интегрированной МФ РТС имеет ряд преимуществ. Подобное решение обеспечит сокращение количества корабельных антенн и их типов, что положительно отразится на уровне ЭПР корабля, позволит контролировать интенсивность электромагнитных излучений в различных диапазонах и снизить уровень взаимных помех за счет единого согласованного интеллектуального и гибкого распределения частот (управления частотным спектром), а также управлять мощностью излучения. Появится возможность реализовать функции, выполняемые сегодня разнообразным радиоэлектронным оборудованием, в виде программ и расширять функциональные возможности путем изменения состава программ (установка дополнительных антенн не требуется). Кроме того, это позволит сократить количество уникальных запасных компонентов, штат операторов и техников, а, соответственно, и затраты. Разработка МФ РТС будет основываться на принципах архитектуры открытых систем. К ним предъявляются следующие требования: многоуровневость и модульность, а также использование стандартных межмодульных интерфейсов. Такая архитектура будет обеспечивать следующие преимущества: возможность модернизации и увеличения числа выполняемых функций с минимальными изменениями в системе (без ее полного перепроектирования и масштабной переработки программного обеспечения), возможность динамического распределения коллективно используемых ресурсов и управления ими, возможность включения средств обнаружения и локализации ошибок, а также изменения собственной конфигурации с учетом последних.
В ВМС США первой программой по данной тематике стала "Концепция перспективной многофункциональной системы радиодиапазона" (AMRFC -Advanced Multifunctional Radio Frequency Concept). Ее реализация началась в 1999 году, после того как она была профинансирована управлением военно-морских исследований (ONR - Office of Naval Research). Необходимость в подобных исследованиях была обусловлена следующими причинами: недостаточным уровнем интеграции систем радиолокации, связи, РЭБ, значительным увеличением количества антенн на надводных кораблях американских ВМС, а также требованиями сокращения их числа и существенного снижения заметности кораблей. Работы по программе предполагалось вести в два этапа. Первый был связан с проверкой концепции, в ходе которого решались общесистемные задачи: определялись требования, осуществлялось проектирование и построение экспериментальной системы (испытательного стенда), проводились испытания, подтверждающие техническую возможность интеграции и выполнения нескольких задач в рамках единой системы. Второй был посвящен разработке технологий для новых компонентов и подсистем, которые могут быть использованы при создании современных МФ РТС для военно-морских сил. В середине 2000-х годов завершилась разработка стенда, который был установлен на антенном полигоне научно-исследовательской лаборатории (НИЛ) ВМС США в районе Чесапикского залива (Chesapeake Bay Detachment Test Facility, штат Виргиния). В создании аппаратуры и программного обеспечения для него участвовали также компании "Локхид-Мартин", "Нортроп-Грумман", "Рейтеон" и "Дженерал дайнэмикс". Одним из основных решений относительно выбора структуры стенда, принятых на начальном этапе работ, было задействование отдельных антенн (рабочий диапазон 6-18 ГГц) для приема и передачи. Предполагалось, что это позволит обеспечить электромагнитную совместимость и необходимый уровень развязки приемника и передатчика во время многофункциональной работы (он может достигать 60 дБ и более). Кроме того, в таком случае для построения решеток могут быть использованы различные элементы, а оптимизация выполняться независимо друг от друга (это касается прежде всего размеров антенн). Передающая часть стенда состоит из излучающей решетки, включающей излучатели и передающие модули, а также из передающих систем и системы распределения сигналов, приемная часть - из приемной решетки с приемными элементами и модулями, цифровой системы предварительной обработки (препроцессора), аналоговой и цифровой систем формирования луча. Вся аппаратура, средства отображения и электроника размещены в семи транспортируемых контейнерах. Часть оборудования для испытаний находилась на вышке на о. Тилман (около 17 км от места установки стенда, через залив), другая - на самолете. Так, в его состав на земле входили имитатор работы аппаратуры связи (Х-диапазон) космического аппарата системы спутниковой связи министерства обороны США DSCS, а в воздухе - бортовые авиационные терминалы в Х- (8-12 ГГц) и Ku-(12-18 ГГц) диапазонах. Из всего комплекса задач, решаемых современными корабельными РЛС, системами радиоэлектронной борьбы, связи и обмена данными, были отобраны типовые, которые включили в стенд: навигационное обеспечение (Nav) (маломощная навигационная РЛС с непрерывным частотно-модулированным излучением в Х- или Ku-диапазоне), радиоэлектронное подавление (ЕА), "высокая вероятность обнаружения и точное пеленгование" и "высокое усиление/высокая чувствительность" (эти задачи относятся к радиоэлектронному обеспечению (Electronic Surveillance - ES), связь в Х- и Ku-диапазонах по гражданским и военным спутниковым каналам (SATCOM), а также в зоне прямой видимости в тех же диапазонах (CDL - Common Data Link и TCDL - Tactical Common Data Link, единая система обмена данными). Задачи были реализованы в виде модулей программного обеспечения (ПО). Эти программы образуют функциональное (прикладное) ПО стенда. Работу прикладного уровня обеспечивают системные программы, образующие в некотором роде "операционную систему". В круг решаемых ими задач входят: управление системой в реальном времени; распределение и планирование ресурсов (к ним относятся подрешетки передающей и приемной антенных решеток, генераторы сигналов, цифровые системы формирования луча, процессоры обработки и др.); организация связи между компонентами ПО и предоставление общих функций. К системным программам относятся: операционные системы (Solaris, HP UNIX, VxWorks), ПО промежуточного уровня (Middleware), библиотека RT (Real Time) network, программы контроллеров (ECS) и библиотеки, включающие общие компоненты. Работой всей МФ РТС управляют две программы системы распределения ресурсов: HL-RAM (High-Level Resource Allocation Manager) и LL (Low-Level)-RAM. Первая обеспечивает работу системной консоли, с которой оператор может устанавливать уровень приоритета задач, распределять частоты и управлять другими конфигурационными параметрами. За фактическое распределение и управление ресурсами в реальном времени отвечает программа LL-RAM. В ее задачи входит анализ текущих заявок, поступающих от активных задач, расположение этих заявок в соответствии с приоритетом, разрешение конфликтных ситуаций на уровне ресурсов. В экспериментальной системе реализованы возможности самодиагностики (функция калибровки), позволяющие оценить рабочее состояние всей системы и характеристики отдельных ее элементов. Для проведения диагностики разработано 22 режима. Передающая и приемная решетки имеют приблизительно одинаковые размеры. Они размещены на плоской поверхности, отклоненной на 15° относительно вертикали и направленной в сторону Чесапикского залива. Такое расположение антенн имитирует их установку на боковой поверхности корабельной надстройки. Расстояние между центрами антенн около 3,5 м. Передающая решетка состоит из 1 024 широкополосных излучателей (разработка "Рейтеон"), каждый из который представляет собой пару ортогональных элементов (вертикальный и горизонтальный). Они позволяют получать при передаче волну требуемой поляризации в секторе электронного сканирования по азимуту и углу места до ± 50°. Излучатели в решетке расположены в узлах квадратной сетки, развернутой на 45°, с постоянным шагом 1,049 см. Питание на излучатели поступает по отдельным каналам передающих модулей, которые включают четыре пары каналов, возбуждающих ортогональные элементы четырех излучателей, что дает возможность осуществлять контроль поляризации излучаемой волны. Передающая решетка способна одновременно формировать максимум четыре луча. Они формируются независимо управляемыми квадрантами (Q1-Q4), каждый из которых состоит из четырех подрешеток и 256 излучателей. При необходимости квадранты могут объединяться, образуя более крупные решетки. Стенд включает четыре передающие системы и систему распределения сигналов. Оборудование, входящее в состав передающих систем, позволяет формировать сигналы с полосой до 1 ООО МГц. Широкополосные и узкополосные сигналы формируются в низкочастотной области цифровыми устройствами, а затем переносятся на частоту излучения (радиочастоту - РЧ) в диапазон 6-18 ГГц. Для передачи сигналов на квадранты используется волоконно-оптическая распределительная система. Приемная решетка, имеющая прямоугольную форму, состоит из девяти подрешеток по 128 приемных элементов с двойной поляризацией. В нее дополнительно включены девять элементов, образующих интерферометр. Сигналы последнего используются для анализа радиосигнальной обстановки и определения направлений (азимута и угла. места) на источники излучений (решение задачи "высокая вероятность обнаружения и точное пеленгование"). Сигналы от приемных элементов подрешеток поступают в приемные модули. Наличие четырех независимых каналов в составе последних обеспечивает возможность одновременного выполнения нескольких функций на прием. С каналов модулей сигналы собираются в отдельных каналах в подрешетках, и далее суммарные сигналы передаются в три системы формирования ДН: аналоговую - для обработки узкополосных сигналов; цифровую - для обработки широкополосных сигналов; цифровую -для обработки узкополосных сигналов. После обработки в системах формирования ДН данные передаются в подсистемы связи, радиолокации, радиоэлектронного обеспечения. Например, данные, получаемые системой цифровой обработки узкополосных сигналов, необходимы для выполнения калибровки, навигации, обеспечения гражданской спутниковой связи в Ku-диапазоне, военной спутниковой связи, а также связи в зоне прямой видимости, а поступающие при обработке широкополосных сигналов используются для решения задачи радиоэлектронного обеспечения "высокое усиление/высокая чувствительность". Последняя задача решается за счет обработки данных во временной (позволяет обнаружить слабые импульсные сигналы) и частотной (позволяет обнаруживать излучение систем, работающих в режиме "низкая вероятность перехвата") областях. Для проведения испытаний было разработано четыре сценария: "пассивная работа", "обычная работа", "тревога" и "боевая работа". В ходе них воспроизводились условия, характерные для функционирования корабельного радиоэлектронного оборудования, и ситуации, в которых может оказаться боевой корабль. Последовательный переход от одного сценария к другому имитировал постепенное развитие обстановки и усложнение рабочих условий. При этом стенд должен был своевременно перестраиваться и перераспределять ресурсы в соответствии с происходящими изменениями условий, определяемыми сценарием. Испытания проходили по трем сценариям, по результатам которых и была определена следующая их последовательность: "пассивная работа" (работа системы только на прием), "обычная работа" (выполнение типовых функций связи, наблюдения и навигации), "боевая работа" (корабль атакован противником). Согласно первому сценарию одновременно осуществлялся прием сигналов по спутниковым каналам связи в Ки- и Х-диапазонах и по каналу TCDL (Ru-диапазон) с самолета. Скорость передачи данных составила соответственно 32 кбит/с и 10,71 Мбит/с. Квадранты излучающей решетки работали в режиме самодиагностики. По сценарию "обычная работа" три квадранта излучающей решетки отвечали за выполнение задач навигации, спутниковой связи в Х-диапазоне и связи по каналу TCDL в Ku-диапазоне, а четвертый квадрант работал в калибровочном режиме. При приеме обеспечивалось решение тех же задач, что и в предыдущем сценарии, а также задачи навигации. При сценарии "боевая работа" передающая часть стенда обеспечивала постановку активных помех радиоэлектронным системам морских и воздушных объектов-носителей и решение задачи навигации. Цели имитировались аппаратурой, размещенной на о. Тилман и на борту самолета. Для противодействия разведывательным средствам, средствам целеуказания и системам самонаведения ракет задействовались три квадранта излучающей решетки. Отрабатывалась также постановка уводящей по дальности помехи, имитировались ложные цели и др. При приеме решались те же задачи, что были предусмотрены сценарием "обычная работа". Помимо испытаний, в ходе которых проверялись практические возможности и одновременное выполнение нескольких функций, проводилось исследование по оценке уровня развязки между излучающей и приемной решетками при одновременной их работе и измерению эффективной мощности излучения. Они показали, что развязка может быть получена на уровне 80-100 дБ. "Концепция перспективной многофункциональной системы радиодиапазона" (AMRFC) стала основой для программ "Многофункциональная система РЭБ" - MFEW (Multifunction EW) и "Интегрированная верхняя палуба" - InTop (Integrated Topside). Программа "Интегрированная верхняя палуба" была инициирована в 2008 году управлением военно-морских исследований. При этом преследовались несколько целей: разработка, объединение и испытание новых апертур и подсистем, обеспечивающих выполнение нескольких функций; проверка возможности интеграции и согласованного управления процессом выполнения нескольких функций, реализованных на базе большого числа систем и подсистем при помощи единой системы управления ресурсами, для оптимизации использования располагаемого частотного и аппаратного ресурса; разработка (совместно с управлением кораблестроения и вооружения ВМС США NAVSEA) проектных предложений по установке интегрированных систем на корабле и оптимизации его конструкции. К работе по программе было привлечено около десяти государственных организаций и девять частных компаний, из сотрудников которых образовано пять групп, работающих по следующим направлениям: антенная подсистема, подсистема обработки на высокой/ промежуточной частоте, подсистемы цифровой обработки сигналов и данных, подсистема управления ресурсами, а также общесистемное проектирование. Цель программы - обеспечить через 10-12 лет возможность построения интегрированных систем для ВМС, отвечающих следующим требованиям: модульность, открытая архитектура; функциональные возможности, определяемые программным обеспечением; уменьшенные массогабаритные характеристики, энергопотребление и уменьшенные расходы по сравнению с отдельными системами; масштабируемость в зависимости от типа платформы (platform scalability) и др. В европейских странах для разработки общей архитектурной концепции МФ РТС в рамках Европейского оборонного агентства открыта программа "Наращиваемые многофункциональные системы радиодиапазона" (Scalable Multifunction Radio Frequency Systems-SMFR). В 2002 году группа европейских стран и ведущих европейских компаний ("БАэ системз" (Великобритания), "Элдис" (Чехия), "Эрикссон" (Швеция), "Индра" (Испания), "Селекс SI", (Италия) и "Талес" (Франция, Нидерланды, Великобритания) приступили к работе над проектом "Наращиваемые многофункциональные системы радиодиапазона. Компромиссный анализ" (STRATA - Scalable Multifunction Radio Frequency Systems Trade-off Studies). С 2005 года компании "Электроника S.p.A.", "СААБ микровейв системз" и "Селекс SI" при финансовой поддержке МО Италии и Швеции ведут НИОКР по программе "Многофункциональная активная решетка с электронным сканированием" (Multifunction Active Electronically Scanned Array - M-AESA). В ней используются результаты национальных исследовательских программ, которые финансировались в разное время правительствами Италии и Швеции. Основой для дальнейшей совместной деятельности стало сформулированное министерствами обороны обеих стран "совместное видение" (Joint Vision). Исходя из этого была определена цель программы - разработка и проверка новой базовой архитектурной концепции для построения систем для морских, воздушных и наземных объектов-носителей, способных, в зависимости от места установки и решаемых задач, выполнять функции радиолокации, связи и передачи данных, а также радиоэлектронной разведки. Программа реализуется в три этапа. На первом (2005-2006), предусматривавшем формулирование концепции и определение возможных областей применения, был проведен анализ находящихся в эксплуатации систем, имеющейся технологической базы, а также совместно подготовлено предварительное технико-экономическое обоснование концепции. Второй этап (2007-2010) предполагал уточнение концепции. В этот период проводились отбор концептуальных вариантов построения системы с последующей их проверкой при помощи имитатора. Третий этап (2011-2014) связан с разработкой технологий, и по окончании его запланирована оценка концепции системы с использованием опытного образца. На первом этапе было предложено четыре концепции построения антенной системы. Концепции А1 (использование общей широкополосной реконфигурируемой решетки для всех функций) и A3 (применение отдельных решеток различных частотных диапазонов) являлись основными, а А1 и А2 - промежуточными конфигурациями антенн. Окончательный выбор будет сделан в результате принятия компромиссного решения между возможностью совмещения функций и решаемыми объектом-носителем задачами. В ходе второго этапа был разработан ряд компонентов (компоновочных блоков, модулей): несколько вариантов широкополосных антенных решеток; два вида приемопередающих модулей; многофункциональные микросхемы (микросхемы, предназначенные для управления фазой и амплитудой) на фазовращателях и на линиях задержки; блок "приемник/ возбудитель", особенностями которого являются широкий динамический диапазон, возможность цифровой обработки широкополосных сигналов и приема, а также обработки сверхширокополосных сигналов; ряд образцов цифровых и аналоговых систем формирования ДН для различных вариантов разбивки решетки на подрешетки; интегральные блоки с высокой степенью интеграции компонентов. Монолитные интегральные схемы (МИС) изготовлены на фабрике фирмы "Селекс SI" по арсенид-галлиевой технологии: для МИС усилителей мощности использована технология псевдоморфных транзисторов с высокой подвижностью электронов (рНЕМТ) с длиной затвора 0,25 мкм, а для многофункциональной управляющей МИС -0,4 мкм. В дальнейшем для создания этих компонентов могут быть применены новые полупроводниковые технологии, например нитрид-галлиевая. Малогабаритные приемопередающие модули и устройство задержки изготовлены по технологии многослойной керамики с низкой температурой обжига LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic). В 2014 году планируется завершить разработку опытного образца. Он будет предназначен для исследования проблемных технологических областей, оценки рисков, связанных с антеннами, выполняющими несколько функций, и для оценки работы единой системы управления. Эта система должна обеспечивать следующие возможности: распределение коллективно используемых ресурсов, их связывание в требуемую конфигурацию (под решаемую задачу), ранжирование функций по приоритету в случае конфликтов, а также контроль работы ресурсов. В США и странах Европы ведутся работы по созданию многофункциональных радиотехнических систем, способных на базе общего коллективно используемого ресурса решать задачи разведки, связи и передачи данных, а такж§ радиоэлектронного подавления. | |||||||||
|
| |||||||||
| Просмотров: 5586 | | | |||||||||
| Всего комментариев: 0 | |