一种机载综合射频系统兼容能力试验方法

孙利娜， 梁葆华， 陈宇

(中国飞行试验研究院航空电子机载设备飞行试验技术研究所， 西安 710089)

综合射频系统是在飞机、舰船、导弹等装备上，用若干分布式宽带多功能孔径取代为数众多的天线孔径，采用模块化、开放式、可重构的传感器系统体系架构，结合功能控制与资源管理调度算法，同时实现雷达、电子战与通信、导航、识别等多种射频功能，实现硬件和软件资源重用和共享的系统[1-2]。其通过天线资源复用、共用、重构，硬件资源高度集成，传感器功能扩展、备份、重构，对射频隐身、射频兼容、传感器管理等各方面进行了综合设计，进而实现射频系统资源、功能及信息综合化。

当前，综合射频系统已被广泛应用于航空平台，舰载平台以及飞航导弹平台等[3-7]，成为近些年来军事强国研究发展的重点[1, 8-9]。如美国海军提出了先进多功能射频概念[10]、先进多功能射频系统[11]等，美国空军将多功能综合射频系统应用于F-22、F-35战机[9]，中国的三代机设计了射频管理系统、四代机设计了综合射频系统，无人机上进行了雷达和通信波形的一体化设计[12]等。综合射频系统的应用，进一步将作战平台上的雷达、电子战、通信、导航、敌我识别、数据链等射频系统进行了集成设计与研发，其不仅确保了这些子系统功能和性能都能满足各自作战使用需求，又增强了航电系统的综合作战能力，如射频兼容能力、射频隐身能力、信息融合能力等。而随着中国装备平台的快速发展以及体系化作战的趋势，射频兼容正在经历着“单平台兼容-编队兼容-体系兼容”的发展过程。其中，单平台兼容是指武器平台上，雷达、电子战(electronic warfare, EW)、通信导航识别系统(communication, navigation, and identification system, CNI)等射频传感器系统之间协同兼容工作。编队射频兼容不仅要求满足单平台射频兼容，更要求具备编队成员之间雷达、电子对抗、CNI系统的协同工作。体系射频兼容是在编队兼容的基础上更关注跨平台装备、有人无人装备在体系作战时的协同兼容工作。

图1 常用射频传感器所占工作频段Fig.1 Frequency band used by common RF sensors

可以看出，射频兼容能力已经成为装备平台的重要综合基础能力，其不仅要求各射频传感器之间互不影响，协同工作；更是装备综合射频隐身、信息融合、体系作战的基础。射频系统能否兼容，兼容效果如何对装备作战至关重要，而如何有效地试验、分析并评估装备系统的射频兼容能力也成为当前研究的重点，学者们已经开始就装备射频兼容展开了分析。文献[13]进行了机载雷达和与雷达告警接收机的兼容性分析；文献[14]对舰船射频综合系统进行了兼容性分析；文献[15]展开了跨平台对象的兼容性分析。这些分析更多聚焦于不同系统对象电磁特征带来的兼容问题。而由于装备射频兼容涉及的射频设备众多、设备间使用耦合相关，射频信号交联关系复杂，射频兼容又需要对其全面考虑，因此装备射频兼容的试验验证一直是难点。在目前的相关研究中，还缺乏从装备整体出发较全面的考虑装备射频兼容能力的试验内容设计，试验结果评估的试验分析方法，急需研究相关方法，实现对装备平台射频兼容能力的有效验证。

为此，现开展机载综合射频系统兼容能力试验方法研究。首先介绍综合射频系统兼容工作基本原理，作为兼容能力试验方法研究的基础。其次提出基于正交法的射频兼容能力试验内容设计方法，从射频设备、射频设备工作模式进行了多层次的正交矩阵射频兼容试验内容设计，并给出试验设计内容的一般筛选原则。在此基础上，从功能和性能两个方面出发研究给出射频兼容能力的评估准则，进而研究装备综合射频兼容能力的试验内容设计和评估方法，并进行案例应用，为机载综合射频系统的兼容能力试验与分析提供参考。

1 综合射频系统兼容工作基本原理

射频兼容能力是指装备平台各射频系统或射频传感器之间能够满足载机作战使用需求的协同工作能力。引起射频系统干扰、不兼容工作的原因主要是射频系统收发电磁信号的重频、倍频现象，其中以重频最为严重。综合射频系统综合了航空电子系统中的雷达、电子战和通信导航识别等系统。图1给出了当前航空装备平台上CNI、雷达、电子战系统常用的工作频段[16]。可以看出，这几个系统工作频段存在典型的重频和倍频现象。当这些系统同时工作时，如果不进行射频传感器协同工作设计和管理，则容易发生电磁干扰现象，引起收发信息的失真，进而影响各自射频系统的工作，造成射频系统不兼容。

当前各射频系统的兼容工作主要是通过航电综合任务管理机的统一管理调度，根据航电系统工作模式，动态实时管理雷达、电子战、CNI、外挂物等载机辐射系统/设备，通过综合管理策略使之能够协同工作，最大限度发挥载机设备的效能。其基本原理是通过时域闭锁、频域闭锁、空间隔离来实现射频系统的协同工作。

(1)时域闭锁即以分时工作的方式设计射频系统工作方式，即某一系统工作，另一系统不工作来实现射频系统的协同工作。

(2)频域闭锁即通过错开射频系统工作的频段或频点，即某一系统工作时使用的频率或频点，另一系统错开使用，来实现射频系统的协同工作。

(3)空间隔离即通过天线装机位置的设置来减少空间辐射和干扰，来提高射频系统协同工作能力。如接收天线和发射天线尽可能远离，以提高空间隔离度；尽可能地将机上各设备的相同工作频率或相近工作频率的天线远离，以免相互干扰。

以雷达与电子战协同工作为例介绍兼容工作设计过程，如图2所示。当雷达辐射时，雷达通过总线及射频管理设备向电子战系统发送中断信号、雷达辐射波形，雷达载频等信息，电子战根据接收到的信息将本机雷达频段信号剔除，确保本机电子战不对本机雷达告警。当利用电子战对敌机实施干扰时，电子战会通过总线及射频管理设备向雷达发送对抗波形、对抗载频、雷达载频建议等。雷达将按照避开电子战发射频段工作，这样即可达到雷达与电子战的协同工作。通过这种时频闭锁的设计，达到雷达和电子对抗系统的兼容工作。

图2 雷达与电子对抗设备兼容工作原理Fig.2 Compatible principle of radar and EW equipments

2 基于正交法的射频兼容能力试验内容设计

综合射频系统涉及的射频设备众多，射频兼容能力要求各射频系统/设备之间具备满足载机作战使用需求的协同工作能力。这就要求射频系统/设备两两之间能够协同工作，不互相干扰，进而达到武器装备平台多个射频设备的协同工作。基于此，考虑到综合射频设备射频兼容能力涉及的众多设备及设备的不同工作模式，以及试飞试验的考核验证的全面性，本文设计了一种基于正交法的射频兼容能力试飞方法。图3给出了基于正交法的射频兼容能力试飞方法流程。各步骤的详细说明如下。

步骤2以射频设备为对象进行正交矩阵设计。正交矩阵设计满足了试飞验证考核的全面性，此步骤以武器装备射频设备为对象进行正交矩阵设计，如表1所示。所得到的结果为射频兼容能力验证要考核的两两设备组成基本单元{(Ei,Ej)}。

步骤3基于使用原则及射频干扰机理进行结果筛选。

图3 射频兼容能力试验内容设计流程Fig.3 Design process of RF compatibility test content

图4 装备射频设备及其频段分析Fig.4 Analysis of RF equipments and their frequency band

表1 基于射频设备的正交矩阵设计

此步骤对步骤2结果进行筛选，从装备作战使用过程和射频干扰机理两个方面考虑，目前给出的原则如下。①原则1：两两设备不在同一时间使用，则不考虑其之间的射频兼容问题；②原则2：两两设备虽同时使用，但都为侦收设备，则不考虑其之间的射频不兼容问题；③原则3：两两设备工作频段不存在重频或者倍频现象。

基于这三个原则对正交设计结果进行筛选剔除，则剩余的两两设备组合则是射频兼容试飞验证需要检查考核的内容。

表2 基于射频设备工作模式的正交矩阵设计

步骤5基于使用原则及射频干扰机理进行结果筛选。此步骤对步骤4结果进行筛选，从装备作战使用过程和射频干扰机理两个方面考虑，目前给出的原则有如下。①原则1：两个设备的对应的工作模式不会同时使用；②原则2：两个设备的工作模式使用的工作频段不重合，且不存在倍频现象。

通过射频兼容能力试验内容设计，可以得到射频兼容验证要考核的两两设备组成单元{(Ei,Ej)},i,j=1,2,…，n,i≠j，和两两设备的工作模式组合

即为武器装备射频兼容能力试验考核中需要验证的最小试验内容。在实际的试验中，可以对多个试验内容进行组合，进而进行试验剖面的综合设计，提高试验考核验证的效率。

3 射频兼容能力评估准则

射频兼容能力是指装备平台各射频系统或射频传感器之间能够满足载机作战使用需求的协同工作能力。其协同工作能力一般从功能和性能两个方面考虑。因此，射频兼容试飞评估准则主要包括功能性射频兼容评估准则和性能性射频兼容评估准则。

功能性射频兼容评估准则：指判定武器装备平台射频系统或射频传感器之间能够满足作战使用功能需求的评估准则。以雷达、电子对抗系统和CNI系统的射频兼容为例简要给出评估准则。

(1)装备平台雷达、电子战、CNI系统同时工作时各项系统功能正常。

(2)装备平台电子对抗系统不对雷达辐射信号告警，不对CNI辐射信号告警，产生误告警。

性能性射频兼容评估准则：指判定武器装备平台射频系统或射频传感器之间能够满足作战使用性能需求的评估准则。以雷达、电子对抗系统和CNI系统之间的射频兼容为例。

(1)装备平台雷达、电子战、CNI系统同时工作时能正常使用，各系统工作性能符合研制要求。

(2)雷达辐射不影响电子对抗系统的测向性能，不影响CNI系统中子设备的工作性能。电子对抗系统干扰时不影响雷达探测性能，不影响CNI系统子设备工作性能。

4 案例分析

以某航空装备为例进行案例分析。假设该航空装备的主要射频设备包括雷达、电子战、CNI系统，该平台中雷达典型工作模式有边搜索边测距(range while search，RWS)、跟踪加搜索(track and search，TAS)、单目标跟踪(single target track，STT)、多目标跟踪(multiple target track，MTT)、空战格斗(air combat mode，ACM)等。电子战典型工作模式有电子支援侦察(electronic support measures，ESM)、电子干扰(electronic countermeasures, ECM)。CNI系统主要工作设备为图1中相关设备，由于涉及内容多，在此不做展开。基于本文方法进行该航空装备平台射频兼容能力试验内容设计。

首先自顶向下从航空装备平台、射频设备、工作模式、工作频段进行机载射频设备及其工作频段的分析，分析结果如图5所示。

在图4的基础上，以航空装备的射频设备为对象进行正交矩阵设计，如表3所示。所得到的结果为射频兼容能力试飞验证要考核的两两设备组成基本单元，包括 (雷达，电子战)(雷达，CNI)(电子战，CNI)三个基本单元。进一步对这三个基本单元进行筛选，这三个基本单元中的两两射频设备的工作频段都存在重频现象，同时射频设备都具有电磁信号的收发功能，且从航空装备远距探测，中距拦截，近距格斗的过程来看，这三个设备经常同时工作。因此，这三个组合就是射频兼容需要考核的重要内容。

在表3设计筛选的三个组合中，雷达和电子战兼容工作一直是当前航空装备平台射频兼容关注的重点和难点，也是试验验证的重要内容。本文选择该组合进一步对两两射频设备以其工作模式为对象进行正交矩阵设计，如表4所示。表4中雷达和电子战不同工作模式组合都存在同时工作且工作频段重合的现象。故这些组合都是射频兼容验证内容。

在表4试验设计结果基础上，对这些需要考核的试验内容结合飞行试验进行试验组合,进而提高射频兼容能力的验证效率。试飞中，选择两架飞机，载机A和目标机B，其中载机作为测试飞机，目标机作为配试飞机。双机自150 km外进入，同开雷电和电子战设备，相互探测，30 km处退出，在此过程中检查载机的雷电兼容情况。双机试飞试验的垂直剖面和水平剖面如图6所示，其中M为马赫数。

图5 某航空装备射频设备及其频段Fig.5 RF equipments of an aircraft and their frequency band

表3 某航空装备射频设备的正交矩阵设计

双机共进入两个航次，载机A雷达和电子战的工作模式设计如表5所示，表5中给出了载机在不同航次中覆盖的试验内容。目标机B作为配试飞机，在两个航次中雷达工作模式为RWS，电子战为ESM。

上述基于本文的方法以某航空装备平台为例进行了兼容能力试验内容的设计和试飞剖面设计，进一步针对相应的试验内容，给出其具体的兼容能力评估准则。

航次1雷电兼容能力评估准则：载机雷达工作在RWS、TAS、STT、STT、MTT、ACM模式下时，电子战ESM不对雷达辐射信号告警。

表4 雷达和电子战工作模式正交设计

图6 雷电兼容试飞剖面设计Fig.6 Flight test profiledesign of radar and EW compatible

表5 雷达和电子战试飞工作模式设计

航次2雷电兼容能力评估准则：载机电子战ECM工作时不影响雷达RWS、TAS、STT、STT、MTT、ACM模式下的探测跟踪性能；载机雷达工作在RWS、TAS、STT、STT、MTT、ACM模式下时，不影响载机电子战ECM干扰性能。

图7 载机A雷达探测数据分析结果Fig.7 Analysis results of radar detection data offighter A

根据实际试飞，本文对雷达和电子战的兼容工作进行了数据分析。对于航次1的电子战告警情况，主要通过观察载机A显示画面分析，在此不详细展现。对于航次2中雷达探测跟踪性能，通过载机A雷达探测跟踪目标机B相关数据分析给出,如图7所示。对于电子战ECM干扰性能，则通过干扰效果，即目标机雷达探测跟踪的数据分析给出，如图8所示。图7和图8中的红色曲线是通过双机GPS数据算的基准数据结果，蓝色曲线为雷达探测数据结果，通过和基准数据的对比来说明雷达探测的性能(本文只给出图示说明，不提供具体误差数据)。

图8 目标机B雷达探测数据分析结果Fig.8 Analysis results of radar detection data offighter B

图7给出了载机A雷达探测目标机B过程中的目标距离、方位、速度数据分析结果。从图7(a)和图7(b)可以看出，雷达探测目标机的距离、方位曲线和基准曲线基本完全重合，从图7(c)可以看出探测速度曲线重合度也比较高，说明雷达的探测性能良好，没有受到载机电子战干扰的影响。

图8给出了目标机B雷达探测载机A过程中的目标距离、方位、速度数据分析结果。从图8(a)～图8(c)可以看出，雷达探测的距离、方位、速度和基本曲线有明显的较大偏差，目标机雷达探测效果不好，目标机受到载机A电子战的干扰。进一步说明了在载机雷电同开时，载机的电子战干扰效果良好。

通过案例分析说明，载机雷达和电子战射频系统可兼容工作，同时工作时功能和性能正常。

5 结论

针对装备射频系统的兼容能力试验与评估问题，建立了一套机载综合射频系统兼容能力试验设计与评估方法，得出如下结论。

(1)给出了基于正交法的射频兼容能力试验内容设计方法。该方法从射频设备、射频设备工作模式进行了多层次的正交矩阵射频兼容试验内容设计。

(2)从功能和性能两个方面定义了射频兼容能力评估的主要内容，并基于此给出了射频兼容能力评估的一般准则，支持对装备射频兼容能力的评估。

(3)以某航空装备平台为例进行了射频兼容能力试验方法应用，结果表明本文方法可以有效地支持对机载综合射频系统兼容能力的试验设计与评估。