FCS-3射控系统/ATECS先進戰鬥系統

秋月級驅逐艦(前)與日向級直昇機驅逐艦(後)都配備FCS-3改相位陣列雷達系統。

 

──by captain Picard


00式射擊指揮裝置3型(FCS-3)

 

秋月級驅逐艦的照月號(DD 116)的FCS-3改相位陣列雷達系統,上圖為艦橋頂部的兩組陣列,

下圖為直昇機庫結構頂的兩組。攝於2014年6月14日橫須賀

照月號的FCS 3改相位陣列雷達,左為C波段主陣列,右為X波段火控照射陣列。 注意這兩組天線表面都設置一個弧形外罩,

這是陣面發射元件的氣冷系統的外罩。攝於2014年6月14日橫須賀。

(上與下)出雲號(DDH-183)直昇機驅逐艦艦橋頂的OPS-50 C波段主動相位陣列雷達,是FCS-3A的衍生型,

取消X波段照射陣列,並經過改良,採用氮化鎵半導體技術的T/R組件,最大對空偵測距離提高到200海里(370km)。

攝於2019年5月新家坡國際海事防務展(IMDEX 2019)

 

主要參考資料:全球防衛雜誌235、236期──ATECS日本版神盾系統:先進技術戰鬥系統(張明德著)

 

FCS-3射擊指揮裝置三型是一套完整的艦載防空追蹤、飛彈射控與導引系統,由日本防衛廳技術研究本部與三菱電子合作開發,其核心是一套主動式相位陣列雷達 ,因此外界也通常稱之為FCS-3主動相位陣列雷達。日本第一種實用化的主動相位陣列雷達,是1980年代末期進入服役的OPS-24,不過此雷達的移相器僅在垂直向進行掃瞄,水平方向仍完全仰賴機械旋轉,只能算是相位掃瞄雷達而不算真正的相位陣列雷達,而且使用傳統的硅雙級電晶體積體電路與分立晶體管半導體技術。FCS-3的初始規劃於1983至1985年進行,1986年正式展開研發 與製造陸地測試原型(採用單面機械旋轉天線,由300個T/R元件構成),並在1988年 在位於濱海的測試場展開實驗,以偵測海面上的航空飛行器,效果超乎預期。

FCS-3的研製需求可追溯到昭和55年(1980年)至昭和62年(1987年)的五三中期業務見積(審查)與五六中期業務見積。同時期日本海自艦艇主要的近程防空相關裝備包括OPS-14二維對空搜索雷達、OYQ-5戰術情報處理裝置、81式射擊指揮裝置(FCS-2系列)、海麻雀防空飛彈系統等。防空作戰時,OPS-14等防空雷達最先探測到目標,經由OYQ-5等後端作戰系統進行分析處理,如果認為威脅程度較高,則分派給81式射擊指揮裝置來導控海麻雀防空飛彈接戰;然而,將目標資料從戰術情報處理裝置轉移到射控系統的程序需要由人工操作,而且許多主要接戰決定都需要操作人員下達,顯著降低了反應時間,難以面對日趨嚴峻的空中與反艦飛彈威脅。在1980年代後期,海自開始引進OPS-24三維對空搜索雷達(首先裝備於後期型朝霧級驅逐艦上),以及OYQ-6/7戰術情報處理裝置,然而這並沒有根本性地改變海自艦艇防空自衛系統的架構。因此,海自在1980年代決定研製新一代的防空射擊指揮裝置,不僅配備兼具搜索、追蹤與射控能力的高性能相位陣列雷達,而且與船艦作戰系統高度整合,將防空接戰流程全自動化。

在1990年 ,日本編列艦載版FCS-3的預算,並分五年(1990至1994年度)編列。經過權衡之後,艦載FCS-3決定採用四面固定陣列天線的構型。 艦載版FCS-3在1993年展開陸地測試,並於1994年安裝於飛鳥號(ASE-6102)試驗艦上展開測試;值得一提的是,德荷APAR艦載主動相位陣列雷達在1999年才正式裝艦,而英國Sampson主動相位陣列雷達裝艦測試則是在2003年的事情了,所以FCS-3是全球最早裝艦測試的艦載主動相位陣列雷達。飛鳥號的FCS-3在1995到1998年完成了多目標同時追蹤/偵測、低空小型目標追蹤/偵測、電子干擾環境下作業、操作性等測試。FCS-3在飛鳥號上的測試成績十分輝煌,有一個測試程序是偵測模擬低空高速飛行飛彈的TRAP(Target Radar Augmented Projectile,TRAP)靶彈,由五吋艦砲砲彈改裝而來,由伴隨飛鳥號的友艦五吋砲發射,這種低雷達截面積、高速度的目標是很難偵測的;在近300發TRAP測試中,FCS-3在嚴酷的電子干擾環境下沒有「漏接」任何一發,大獲成功。 在2000年,FCS-3獲得「00式射控系統」的正式定型編號。

FCS-3的每面八邊形陣列天線尺寸為1.6mX1.6m, 各由1600個砷化鎵(GaAs)半導體技術製造的T/R天線組件構成,工作波段為C頻 (4000~6000MHz,波長0.05~0.075m) ,其波長介於長程搜索的S頻與追蹤射控的X頻之間,算是折衷的設計。日本向來是砷化鎵半導體元件的翹楚,據說在1990年代初期,日本生產的砷化鎵半導體T/R元件的單位成本,只有美國同級產品的1/8。由於先前三菱電子已經有研製D波段的OPS-24 3D主動相位陣列對空搜索雷達(天線本身只能實施垂直軸電子掃瞄,仍靠機械旋轉座來改變方位)的經驗,咸信這就是FCS-3的基礎技術來源 。FCS-3無論是反應速率、目標更新速率、同時追蹤目標數與精確度都遠超過傳統式雷達,加上單一雷達系統包辦搜索、追蹤(日後還加上照明)功能, 因此整體工作效率遠勝過以往日本通用驅逐艦的搜索/射控系統。

安裝在飛鳥號B砲位的垂直發射器,用來裝填ESSM防空飛彈,搭配FCS-3改進行測試。

最初FCS-3預計搭配的短程防空飛彈是日本 從1989年開始發展的主動規向艦載防空飛彈 (Active Homing RIM,AHRIM),是日本研發中的XAAM-4主動雷達導引中程空對空飛彈 (1999年進入航空自衛隊服役,正式型號為99式)的艦載版,代號為XRIM-4 ,採用中途慣性導引/指令修正與終端主動雷達導引;在AHRIM發射升空後,FCS-3持續追蹤目標,並直接將上鏈指令傳輸給飛彈進行修正,進入彈道終端後再由AHRIM本身的雷達尋標器接手。原本AHRIM預定在2001年度中期防衛力整建計畫(2001~2005年)中在飛鳥號上進行測試,不過當時海自決定集中經費優先發展接替P-3C的P-X海上巡邏機,導致AHRIM的研發工作遭到延遲,趕不上FCS-3的裝艦服役,所日本海自先以美製海麻雀ESSM墊檔 。

 

由空自99式空對空飛彈衍生的陸基03式中距離防空飛彈。原本海自也打算以99式衍生XRIM-4

艦載防空飛彈,但由於預算分配之故而在2000年代前期被擱置,並引進美製ESSM。

原本海自打算在下一期(2006至2010年)的中期防衛力整建計畫中來發展AHRIM,並於2015年服役,但由於近年日本國防預算不斷遭到削減,權衡取捨之後 ,由於已經擁有性能良好且廣為北約盟國採用的ESSM,AHRIM的重要性已經降低, 爾後遭到擱置。99式空對空飛彈先衍生出陸基的03式中距離防空飛彈;而在2016年8月31日防衛省公布平成29年度(2017年)防衛預算時,遭擱置多年的XRIM-4主動雷達導引艦載防空飛彈項目再度復活 (稱為「新艦對空誘導彈」),使得陸上、海上、航空自衛隊都使用同一系列的主動雷達戰術飛彈。依照此時規劃,XRIM-4相對於99式與03式的主要變更,包括在彈尾加裝一個結合向量推力控制的助升火箭來從垂直發射器升空,此外飛彈前部設置新的雷射近發引信。 依照2015年世界艦船雜誌的報導,「新艦對空誘導彈」的開發作業會從2017進行到2023年度。

在2017年度日本防衛預算中,XRIM-4艦載防空飛彈項目復活。此時主要構想,是在

飛彈尾部設置一截助升火箭,用於垂直發射升空,前部並設置新型雷射近發引信。

由於ESSM採用中途慣性導引+終端半主動雷達導引,所以FCS-3必須提供照明功能,為此日本在FCS-3的陣列天線右下方一塊約0.5mX0.5m的區域增設專門提供照明波的X頻T/R單元(直接取材自日本自製F-2戰機的J/APG-1主動相位陣列雷達),修改後名稱改為FCS-3改;爾後這面小型X頻照射天線又從C頻搜索天線中獨立出來,使每個天線組由一面C頻搜索天線與一面X頻照射天線組成 ,X頻天線的最大照射距離約100km ;由於FCS-3改的X波段陣面只需依照後端系統計算的目標方位發射照射波,不需要接收本身的回波來處理,因此沒有雷達接收器與後端處理,只是一個單純的僕役照射器(類似美國神盾系統的SPG-62照射器)而非雷達。採用相位陣列天線的照明雷達必須使用間斷式連續波照明技術 (Interrupted Continuous Wave Illumination,ICWI),而FCS-3改在這部分的控制軟體並非由本身研發,而是引進 歐洲泰拉斯荷蘭分公司(Thales Netherlands)的APAR主動相位陣列雷達的I技術,此一技術轉移合約於2005年4月初簽訂。三菱電子與荷蘭Signnal(Thales Netherlands的前身)已經有源遠流長的合作歷史,早在1980年代,三菱電子便曾參與Signnal的WM-25雷達射控系統的研發,而此次ICWI的技術轉移意味雙方的合作關係在未來仍將持續。日本本身的硬體能力屬於世界一流,在主動陣列天線部分還居於領先地位;然而在軟體開發上,日本卻略遜一籌,例如先前為F-2支援戰鬥機開發的J/APG-1主動相位陣列雷達 在使用初期便遇上不少技術問題,無法發揮預期的性能。所以在研製FCS-3改時,日本選擇直接引進Thales開發完成的相位陣列照射架構,不僅可以縮短研發時程,也免除了不必要的技術風險。

 

日向號(DDH-181)直昇機驅逐艦艦橋頂部的FCS-3改雷達系統。

飛鳥號頂部右側的FCS-3改相位陣列雷達天線,注意陣面的弧形外罩。

 

原本日本海自打算在1998年開工建造的高波級驅逐艦上就裝備FCS-3,不過由於種種原因而沒有實現:首先,高波級的艦體發展自先前的村雨級驅逐艦,其原始設計並未考慮搭載FCS-3天線的塔狀結構,雖然高波級比村雨級大100噸,然而艦上新配備的5吋艦砲就增加了29.5噸的重量,根本沒有餘力進一步修改來承載FCS-3;第二,FCS-3研發期程仍趕不上高波級的開工,且研發費用逐漸攀高,以高波級的預算規模,根本無法因應;第三,搭配FCS-3的AHRIM防空飛彈發展不順,導致防空飛彈需另行尋覓。因此,高波級仍沿用與村雨級相同的雷達系統,使平成16年度(2004年)開始 編列預算的日向級直昇機驅逐艦成為首種搭載FCS-3的艦艇。由於FCS-3開發時間相當漫長,到2000年代接近完成的階段,原本使用的許多後端電子裝備已經落伍,因此又經過不少提升;實際部署在日向級的FCS-3改系統後端結合ACDS先進作戰系統(OYQ-10),相關射控計算硬體都採用當時最新的商規(COTS)組件,而不是飛鳥號在1990年代測試時的舊型軍規組件,因此FCS-3改的後端運算處理能力是飛鳥號搭載的原型的100倍以上。

FCS-3改的最大偵測距離在200km以上,可同時追蹤300個空中與水面目標,並以X波段照明陣同時導引十餘枚防空飛彈對抗敵方抗飽和攻擊。以APAR相位陣列雷達為例,最多能同時為16枚在空的ESSM飛彈提供照射導引(16枚飛彈需平均分散在四面天線的象限,每一面天線各負責四枚) ,而採用相同後端軟體的FCS-3改能耐應該類似(某種說法是FCS-3改同時可導引12枚在空的ESSM)。除了為短程防空飛彈提供上鏈(up link)資料傳輸以及終端雷達照明外,FCS-3改應該也能導控艦砲。 FCS-3的C波段與X波段陣面上設置弧形的外罩,顯然是氣冷設備的外罩(內部是冷卻系統供應的冷空氣),這是因為主動相控陣的電磁波發射源是天線上的射頻組件,因而需要針對發射組件實施冷卻,以確保長時間運作。

在2008年,日本進行FCS-3性能提升研究,從平成20年執行到平成25年度(2008至2013年),相關項目包括引進更新型的雷達硬體組件以及後端信號處理軟硬體,包括增加雷達工作距離、提高對超低空小型目標偵測能力、加強多目標尾追處理能力、強化電子反反制(ECCM) 、提升可靠度、硬體小型輕量化、降低耗電量、擴大發揮ESSM防空飛彈效能等 ,在平成22年度(2010年)進行陸上測試2013年4月在飛鳥號試驗艦上展開海上測試。 另此外,防衛省技術研究本部2008至2013年度的計畫中,還研究增加FCS-3改X波段部分的多功能性,從原本專門為ESSM飛彈提供終端照明的僕役照射器,改成兼具搜索、追蹤、照明功能的多用途X波段雷達,類似歐洲APAR與美國SPY-3。

FCS-3A

在平成18年度(2006年),日本海自決定開發FCS-3改的進一步改良版,裝備於平成19年度(2007年)開始編列預算的秋月級驅逐艦,此種型號稱為FCS-3A。先前日向級的FCS-3改只須要擔負防空自衛任務,而秋月級驅逐艦需要進一步擔負「僚艦防空」任務,橫向攔截朝艦隊中其他友艦而去的反艦飛彈(原本護衛群的整體防空工作都由神盾艦艇擔負);因此,秋月級的FCS-3A需要更好的雷達性能以及後端處理能力 ,能同時發射多枚ESSM飛彈接戰多個目標。相較於FCS-3改,FCS-3A改用第三代的氮化鎵(GaN)半導體來製作T/R組件,能承受的功率比原本砷化鎵(GaAs)半導體大得多,因此據說FCS-3A的輸出功率是FCS-3改的三倍,最大有效偵測距離提高1.7倍,多目標追蹤性能以及追蹤橫越目標的能力也大幅強化。

相較於日向級驅逐艦的FCS-3改,由於秋月級配備MK-42 Mod4五吋54倍徑艦砲,因此FCS-3A也增加了艦砲射擊控制功能,包括射控參數解算、彈著落點觀測與修正彈道、戰果評估等。

OPS-50相位陣列雷達

繼日向級之後,防衛省在平成22年度(2010年)與平成24年度分別編列預算,建造兩艘由日向級放大而來的直昇機驅逐艦,艦上配備衍生自FCS-3A的OPS-50相位陣列雷達,只保留四個固定的C波段主陣列,將X波段照明陣面與後端Type-00射控系統取消,只擔負對空搜索/監視以及航空管制任務。OPS-50經過進一步改良 ,並採用氮化鎵半導體技術的T/R組件,最大對空偵測距離提高到200海里(370km)。

FCS-3A簡化版:OPY-1

在平成25年(2013年),海自編列預算建造兩艘修改自秋月級的驅逐艦(後來的朝日級)。基於經費考量,朝日級取消了秋月級的「僚艦防空」需求,艦上防空系統只須擔負本身的自衛。因此,日本開發了FCS-3A的簡化版,稱為OPY-1來裝備朝日級。

OPY-1仍配備原本FCS-3A的主動相位陣列雷達組合以及ESSM防空飛彈,但系統架構予以簡化;原本FCS-3改/3A裝備一個由荷蘭Thales提供的MIC介面機箱,作為艦上UYQ-11戰鬥指揮系統(CDS)和ESSM防空飛彈的中介,專門用來產生ESSM防空飛彈所需的間斷連續照明波(ICWI) 並控制X波段照明陣面 ;而25DD就取消這個MIC機箱,改用日本國產的連續波照射系統,相關軟體控制功能直接整合至CDS之中,如此可以節省購置硬體的經費,但同時以ESSM飛彈接戰的目標數量有所降低。

此外,朝日級OPY-1的四組C波段相位陣列天線與X波段照明陣列天線都集中在艦橋頂部的結構內,而不像秋月級分散在前、後兩個構造物中,可簡化雷達佈局。

 

ATECS先進戰鬥系統

先進技術戰鬥系統(Advance Technology Combat System,ATECS) 開發工作始於1990年,是一種採用開放式規格、全分散架構的新型作戰系統,性能類似美國的神盾作戰系統。

ATECS大量採用現有商用組件技術以降低成本並方便升級,例如使用美國授權日本生產的開放架構UYQ-70先進顯控系統(內建運算處理能力)系列中OJ-791指揮決策顯控台(Command and Decision Console ,C&D)、OJ-721次世代周邊(Next Generation Peripheral,NGP)等兩種顯控工作站,兩者均包含20吋LCD平面顯示器,另外也可能使用新型MEV運算單元以及次世代工作站(Next Generation Workstation,NGS)等周邊裝備。ATECS包含四個主要次系統,分別是先進戰鬥指揮系統(Advanced Combat Direction System,ACDS)、00式射擊指揮裝置三型(FCS-3改)、反潛情報處理系統(Anti Submarine Warfare Computing System,ASWCS)、電子戰管制系統(Electronic Warfare Control System,EWCS)等四個主要部分,以ACDS為核心,連結其他三個部分以及艦上各種雷達、射控、電子戰系統以及武裝,進行防空、反水面、反潛以及電子作戰;而前述ATECS的四個主要部分之間以光相網路連結,再經由採用民間TCP/IP網路協定的艦內廣域網路(Ship Wide Area Network,SWAN)連接艦上其他偵測、武裝等次系統。ASWCS整合了各型艦載聲納,並提供數據給各項反潛武器以及魚雷反制系統。

ACDS能對艦上各資料數據鏈、射控系統、電子戰系統傳來的資訊進行全真時(real time)處理,透過資料鏈與友艦交換戰場情資,並自動進行敵我識別,透過各項情資分析戰術態勢與目標動作,並對戰鬥指揮與戰術操作進行輔助,例如目標威脅評估、接戰優先順序以及具體戰術建議等等。ACDS具有全自動操作模式,從目標情資獲得、動態分析、到射控系統解算與發射接戰都完全自動進行;不過在一般情況下,考慮到敵我識別,仍由人工進行必要的介入與最終決策動作。總之,ACDS是日本海自第一種具備全自動化能力的戰鬥指揮系統。

2000年代服役的日向級直昇機驅逐艦與秋月級驅逐艦都配備了ATECS。日向級的ACDS稱為OYQ-10,而秋月級使用的版本則為OYQ-11;兩者相較,日向級的OYQ-10特別強化了直昇機作戰的管制能力,以滿足作為直昇機驅逐艦的需求;而秋月級的OYQ-11則增加了艦隊協同防空作戰所需的尾追目標、攔截橫向通過目標 (朝友艦而去)等計算處理機能,稱為僚艦防空機能(Local Area Defense,LAD),此外還增加對水面作戰管制機能、對地攻擊管制機能等等。秋月級設置有艦砲與反艦飛彈(日向級則無),因此ACDS增加支援火砲射控的相關功能,包括火砲控制、彈著觀察、射控計算等,功能涵蓋對空、對水面目標以及對地面的射擊。

 

未來護衛艦多功能雷達/潛望鏡探測雷達

(上與下)攝於2014年中旬的飛鳥號,桅杆頂部設置東芝開發的「潛望鏡探測雷達」

 

攝於2014年中旬的飛鳥號的桅杆塔頂部右側,朝後較大的天線是三菱的「未來驅逐艦多功能雷達」

,以FCS-3為基礎繼續發展;右前側則是東芝開發的「潛望鏡探測雷達」

攝於2015年的飛鳥號,頂部塔狀結構搭載多種不同相位陣列雷達,朝前方的是「潛望鏡探測雷達」 ,

朝後方右側是「未來驅逐艦多功能雷達」 ,左側則是一種較小的相位陣列雷達天線。

主桅杆頂上也裝備多個「潛望鏡探測雷達」的陣面。

防衛廳技術研究本部曾打算利用FCS-3的X波段陣面來開發 一種針對水面、超低空目標的監視雷達,主要用於搜索潛艦的潛望鏡與呼吸管、超低空飛行器等,不過後來決定以P-1哨戒機的HPS-106機載主動相位陣列搜索雷達 (由東芝集團研製)為基礎進行開發 。

在2012年左右,日本決定開發新一代的小型高速多功能護衛艦,為此在平成23年到25年度(2011至2013年)進行「次世代護衛艦整合天線」計畫,船艦上過去分立的偵測、導航、電子戰等雷達系統全面使用平面陣列天線系統;接著,在平成27到32年度(2015到2020年)進行「次世代護衛艦雷達研究」計畫,打算以一套整合的相位陣列天線系統、資源分配與信號處理單元,來整合艦載防空雷達、平面搜索雷達、電子戰系統等過去分立的射頻系統。如此,可望使船艦電子設備佔據的空間更小、使上層結構更為簡潔,同時更有利於船艦系統的整體電磁兼容性。

從2013年上旬 開始, 網路上出現飛鳥號裝備幾種大小、型號不同的新型主動相位陣列雷達天線的照片,包括 「未來護衛艦多功能雷達」以及前述的「潛望鏡探測雷達」。其中,「未來護衛艦多功能雷達」由防衛省技術研究本部與三菱電子研製,顯然是FCS-3改的後續發展型號,安裝在飛鳥號艦橋頂部的塔狀結構後方兩側;這包括兩種不同的陣面,第一種位於右後方,陣面尺寸與FCS-3改相當,而安裝在左後方的陣面 則明顯 比FCS-3改縮小。而「潛望鏡探測雷達」就是由東芝集團研製、衍生自機載HPS-106的主動相位陣列雷達,總共有兩組天線,第一組兩具設置在飛鳥號頂部塔狀結構前方兩側,第二組則架設在桅杆頂部,用來分析不同的天線架設高度與探測效能之間的關係。「潛望鏡探測雷達」將首先裝備於平成25年開始編列的兩艘新通用驅逐艦(25DD型, 就是朝霧級),而「未來護衛艦多功能雷達」則將裝備於平成30年度(2019年)開始編列預算的「多機能護衛艦」(DEX)上,以及日後用來取代村雨級的新一代驅逐艦上。