「迅聯計畫」戰鬥管理系統/艦載相位陣列雷達

 

中山科學研究院在2016年展出「迅聯專案」的全分散式艦載作戰系統顯控台,全面使用商規計算機硬體

與作業系統,系統架構可根據艦艇規模與任務不同而擴充/裁減;此系列作戰系統將用於

各項本國造艦計畫,包括新一代飛彈巡防艦。

──by captain Picard

 


「迅聯專案」艦載作戰系統

 

中科院在2017年8月台北世貿國防展中展出「迅聯專案」的戰情中心布置模型。

中科院的「迅聯專案」戰鬥系統研的地面原型測試系統,多數顯控台是單屏或雙屏。

注意最右邊顯控台的上部顯示器投射的圖像,就是1990年代遭到取消的ACS先進戰系案的想像圖。

海軍規劃用於未來新型艦艇的作戰系統稱為「迅聯專案」,這是由國防部軍備局委中科院研製的新一代艦載戰鬥系統,所需經費由國防部軍備局科學研究預算編列支應。 

依照日後消息,台灣海軍最初民國97年(2008年)把仿效美國「神盾」的高性能防空艦所需的「戰鬥管理系統」、「固定式相位陣列雷達」及「垂直發射架」等三項關鍵項目,納入當時五年兵力整建計畫。在民國101年(2012年),海軍核定名為「迅聯專案」的艦載戰系的研發需求文件,隨後在民國103年(2014年)核定「震海計畫」新一代飛彈巡防艦的研發需求文件。

「迅聯專案」目標是研發一種開放式戰鬥管理系統,與船艦防空、水面、反潛、電戰及資料鏈路系統結合;迅聯系統透過海軍現有資料鏈路系統取得聯合作戰資訊,呈現在共同戰術圖像中,並可接受聯合作戰中心的指揮,執行聯合作戰任務。「迅聯專案」包括與其他資訊傳輸分配系統整合,包括先前海軍「大成」資料鏈升級的「聯成」信息分配系統;此外,「迅聯專案」的範疇與設計規範也包含跨軍種的「迅安系統」的信息傳輸介面。「迅安」是台灣與美國合作的「博勝專案」中共同開發的聯合作戰指揮管制系統,將台軍各戰略戰術單位納入節點之中,使這些單位共同傳遞分享共通戰術資訊,並接受指揮管制。在2018年4月下旬,海軍司令部表示,台灣海軍已有六個作戰中心、30個岸基陣地、4個地空中繼站、14艘艦艇及1個測訓中心等,共有55處安裝了迅安系統的節點並擔負戰備。

「迅聯計畫」第一個應用成果是2014年交付海軍的陀江號雙體大型飛彈攻擊艦(迅海專案),艦上裝備迅聯計畫的初步成果;之後,再以此為基礎繼續擴充發展,成為一級主戰艦艇的作戰系統。依照台灣海軍規劃,如果「迅聯計畫」發展順利,就會用來替換現役成功級、康定級、濟陽級、基隆級等主戰艦艇的舊型戰系,此外也用於之後新造的水面作戰艦艇。

從2015年起,台灣國防部為「迅聯專案」編列67億2543萬餘元預算,由海軍「光華計劃小組」進行研發,分五個年度執行(2015至2019年度)。依照早期消學,迅聯專案原訂於民國106至107年(2017至2018年)進行海上測試,由海軍選擇一艘一級艦安裝迅聯系統,界接艦上各式裝備,測試項目包括與迅安及聯成系統進行整合,預定於民國108年(2019年)完成初期作戰測試評估(IOT&E);不過實際上,考慮到「迅聯專案」與中科院海弓三、海劍二等飛彈系統間的整合測試,整體進度並沒有這麼快,大約在2019年起才開始裝艦測試作業,使用的海上測試平台是高雄號(LCC-1)兩棲指揮艦(而非海軍一級艦)。同時,海弓三防空飛彈與垂直發射系統也進行整合測試,中科院也一併進行海劍二防空飛彈與垂直發射系統的整合工作。 

依照2019年12月23日「上報」引述相關人士消息,中科院研製的「迅聯」艦載戰鬥系統已於2019年11月底完成以MK- 41垂直發射系統發射海弓三防空飛彈的陸上射擊驗證,在2020年會在高雄號測試艦上進行一系列的海上測試。「上報」稱,在2019年11月曝光、加裝迅聯系統的高雄艦的艦載相位陣列雷達塔十分龐大(估計有20噸重),不符合海軍新一代飛彈巡防艦的規格,因此中科院繼續研製更輕更小的主動相位陣列雷達來代替;「上報」表示,此時中科院向歐美積極尋求相列雷達縮小減重的技術,計劃在2020年下半年將新開發的主動式相位陣列雷達(AESA)安裝在高雄測試艦上,進行相關的測試。

依照2020年5月31日「上報」報導,中科院長張忠誠在2020年4月17日上任後,各武器計劃室的計劃主持人在5月1日進行職務異動;其中,負責海軍「迅聯專案」的光華計劃主持人溫佳文也被調離,新任光華計劃主持人由中科院電子所副所長曾耀華接任,希望在2020年下半年能完成迅聯戰鬥系統整合工作,進入下一階段的作戰測評驗證。上報稱,由於中科院「迅聯專案」並不順利,導致計畫主持人被撤換(此時迅聯專案進度已經延後一年);例如海弓三防空飛彈在陸地試射時並無問題,但要整合到高雄號測試艦(LCC-1)並與迅聯作戰系統、MK-41垂直發射器整合時,就遇上不少訊號無法聯結以及雜訊等問題。因此,「迅聯專案」改由中科院電子所副所長曾耀華接任,就是要解決訊號技術上的問題,以趕上研發進度。不過中科院方面表示,部分計劃主持人職務異動屬於中科院內部主管的交織歷練,外界無需作過多的解讀。

依照2020年11月18日立法院外交及國防委員會的會議,中科院說明迅聯計畫已今年(2020)全數結案,經過作戰評測,結果符合海軍需求;而先前迅聯系統進度延宕一年的原因是輸出許可問題(照立法院議事紀錄,是指從美國引進的MK-41垂直發射器),後來靠外交部協助來解決。至於海軍之後是否會採用「迅聯」作為新一代飛彈巡防艦作戰系統,中科院長表示「會尊重海軍最終的決定」。

在2020年12月7日立法院外交國防委員會專案報告上,海軍參謀長敖以智表示,此時中科院「迅聯專案」的「初級作戰測評報告」已送交海軍司令部,正在審核,需要一些時間,因此今年(2020年)預算執行率無法達成;而先前海軍與中科院簽署委製協議書的付款要件都還沒達成,所以無去支付。敖以智回覆立委質詢時表示,「新一代飛彈巡防艦」戰鬥系統採用中科院國產系統或者外購,取決於中科院報告的審核狀況;基本上,如果「迅聯專案」成功沒有問題,會納入後續規劃;若無法達到作戰需求,會考量請外國廠商對中科院作技術轉移,目前還在規劃,尚無定論。

依照2020年12月7日「上報」報導,海軍之所以對「迅聯專案」不滿意,原因包括中科院的被動相位陣列雷達可能有關鍵組件商源消失問題等;此外,迅聯戰鬥管理系統的軟體演算設計,是否可真正達到台灣海軍期望的整合追蹤、威脅評估等指揮管制能力,但中科院始終未向海軍說明清楚。

首先,中科院研製的被動式相位陣列雷達(PESA)技術較舊,其中的關鍵組件「射頻切換開關」是從國外採購獲得,該組件目前全球僅剩一家廠商勉強生產;由於主動相位陣列雷達已經是當代軍事技術發展的主流,舊式被動相位陣列雷達相關商源逐漸消失難以避免(雖然美國等盟國海軍仍有許多神盾艦隊使用AN/SPY-1系列被動相位陣列雷達,但相關組件的供應都在美軍計畫的保障以內,而中科院的被動相位陣列雷達的組件供應鏈則沒有這類保障)。因此,新一代飛彈巡防艦預定在2027年交艦時,「射頻切換開關」極有可能變成消失性商源,台灣海軍對此顧慮甚大。

另外,海軍認為新一代飛彈巡防艦的作戰系統,應該整合艦上所有指管通情、偵測、電子戰、航行控制、武器射控、反潛作戰等所有子系統。包括美國Link-11與Link-16、台灣自製聯成等資料鏈系統,整合艦橋系統(IBS,通常都包含導航雷達),反潛聲納,飛彈射控系統,火炮射控系統,電子作戰系統,來自於對空搜索/平面搜索/導航等雷達的目標資訊,連同所有指揮管制功能,都應整合在迅聯戰鬥管理系統及電子戰術圖桌,使艦上作戰官兵在戰情室內就可獲得經過整合後的完整資訊(包含本艦狀態、周遭戰場環境狀態),並能直接控制各項裝備進行作戰;而不是照傳統方式,各次系統獨立運作,經人工比對各項裝備後,再以口頭傳達作戰指令至各裝備執行。而中科院「迅聯戰鬥管理系統」的軟體能力,是否可以達成海軍預期目標如追蹤整合、威脅評估等指揮管制能力等,中科院始終未向海軍說明清楚(可能受限於技術能力或預算),使得海軍對迅聯戰鬥管理系統的研發成果不甚滿意。

依照2020年12月13日「上報」報導,海軍此時就「迅聯專案」每個項目進行審核與初期作戰測評,通過審核的項目,才會放入新一代飛彈巡防艦的後續規劃中。其中,海弓三型防空飛彈與MK 41垂直發射系統的驗證已經通過初步測評,而海劍二防空飛彈還在持續驗證中(正逐步排除各項導控因素),估計應可納入後續規劃內。而中科院的「海鷹眼」雷達則仍在評估中。

依照2021年5月10日聯合報報導,海軍委託中科院研製新一代艦載戰鬥系統(即迅聯專案),搭配中科院自製3D防空雷達,編列預算67億2543萬餘元;原計劃以五年時間完成研發,然而實際上進度延宕,連帶影響海軍「新一代飛彈巡防艦第二階段原型艦籌建」(震海專案)的進度。外傳「震海專案」因「迅聯專案」研發成果不如預期,未獲海軍採用,監察院已針對此案展開調查。「聯合報」引用知情人士稱,原本中科院研製的新一代艦載戰鬥系統不僅用於新一代飛彈巡防艦,也能用來升級康定級艦;但高層已經指示康定級升級案由法國方面執行大部分升級項目,中科院僅負責海劍二飛彈。聯合報稱,負責研發的業務人士表示,康定級升級案轉向法國,不僅會排擠海軍「承海計畫」的11艘「高效能艦艇後續艦」的最後5艘的建造預算,也讓迅聯專案研發成果無法部署,「震海專案」戰系也將因此轉向外購,「迅聯專案」的67億元研發預算將「血本無歸」。

在2021年9月下旬,消息傳出關於台灣海軍與中科院對「迅聯案」成果認知不同而「撕破臉」,監察院已經展開調查。依照國家檔案資訊網(屬於國發會檔案管理局)的資料,2015年海軍司令部一份文件「戰鬥指管系統」的摘要提到,義大利SELEXES公司向台灣海軍申辦艦載3D雷達及戰鬥系統商情簡介,同意加拿大OSIMarine公司向台灣海軍司令部簡報潛艦及水面艦艇航海導航戰術解算整合系統,此外還有民國104年艦用模組化戰鬥系統裝備檢修協議書草案、民國104年度艦用模組化戰鬥系統裝備檢修協議書審查意見等,代理商是百是通國際開發公司。這份文件顯示在2015年,義大利SELEXES向台灣海軍簡報了該公司艦載戰鬥系統、艦載3D雷達的方案。此外,2017年9月一份文件提到,海軍司令部戰鬥系統處主管的「定海專案」提到,法國海軍集團(Naval Group )申請SETIS戰鬥系統摩擬機展示、海軍Center A&C現地會勘、「海軍高酬載多軸飛行器」需求第二次研討會等。上述文件顯示2015到2017年海軍「新一代飛彈巡防艦」初期探詢商情等作業期間,曾向義大利SELEXES、法國海軍集團等歐洲重要艦載戰系、雷達廠商探詢過規格資訊;當時台灣海軍顯然並沒有直接展現採購意願,但是探查了這些國際主要大廠當今產品的水平,極可能進而修改原本「震海計畫」關於戰系以及雷達的指標要求。例如,艦載相位陣列雷達由原本中科院已有的被動式改成歐洲大廠已經有產品的主動式,可能就是在這段期間發生。日後在立法院國防外交委員會上,對於「迅聯專案」戰系、雷達的執行成敗,台灣海軍與中科院經常「各說各話」,且中科院曾稱海軍曾修改需求規格(例如2021年3月25日立法院外交國防委員會議事),原因可能就在於此。

2020年11月14日「上報」報導,中科院人士指出,「迅聯專案」從原計劃在2019年結案,延後一年在2020年才結案,實際上主因是向美商購的MK-41垂直發射系統輸出許可,美方延宕1年才核發,相對整個作業流程也延後1年完成(兩套MK-41在2019年初才交付台灣,比原訂期程延後一年),經報請國防部核定延後1年結案,而非外界質疑是因迅聯專案整合成果未達海軍作戰需求導致延遲。依照「上報」報導,中科院與美國洛馬集團在2016年5月23日簽署商售合約、購買2套MK-41垂直發射器之後,洛馬集團立刻向美國政府申請核發輸出許可(此案是商購案,並非軍售案)。但是當時歐巴馬政府(2017年1月卸任)顧及中美關係,對台軍售案採集中「包裹式」批次處理,一般而言是每三個月送審一個批次的申請案,若沒有及時處理就要等3個月下一批次再排,自然曠日廢時。例如,當時海軍的「康平二號」獵雷艦案(當時由慶富公司得標承造),2016年選定美國洛馬集團承包獵雷艦作戰系統(經過商購),但一直沒有取得美政府的輸出許可,導致計畫期程延誤,面臨是否要繼續履約的問題;最後海軍以美方審核的行政作業非慶富所能掌握,軍方過去對美軍購也都曾面臨類似困境為由,海軍依此同意慶富展延。台灣向美國的武器採購,因為美方行政程序因素而影響到台灣方面專案節點,例子不在少數(當然,以出口許為由延長專案期程,也可能是美方因為政治或其他技術因素,故意延遲專案履約節點的手段)。

在2021年12月29日,立法院外交國防委員會審議民國111年度(2022年)國防預算,中科院院長張忠誠接受質詢時表示,新一代巡防艦戰系的科研案就是「迅聯專案」,此案之所以延宕,是因為中科院對美國採購MK-41垂直發射系統進度延遲一年(申請輸出許可的延遲),因此全案延後一年,然而所研發的戰鬥管理系統、3D被動式相位陣列雷達,都已全部完成(迅聯戰系在2020年10月完成初步作戰測評)。對於外傳所謂相列雷達「體積過大」,張忠誠表示中科院已多次澄清,此型雷達最初是針對「近岸巡防艦」來作的,「沒有過大」,符合規格,海軍已經將之裝到艦上(即高雄號試驗艦)並與美國戰系構連運用,進度並沒有延誤。然而,原本中科院在新一代巡防艦「整體獲得規劃書」中規劃被動式相位陣列雷達(並照程序獲得國防部核准),後來海軍卻要求改要主動式相位陣列雷達,導致實際上中科院的系統規劃必須進行重大變更,而且必須重頭研製主動相位陣列雷達。張忠誠,中科院已經寫了主動相位陣列雷達研發案,準備開始執行;「海軍有需求,中科院會努力達成;海軍認為有些地方還要再精進,中科院會加緊腳步建案來作」。質詢中,有立委要求海軍海軍提出巡防艦新構型案的時程, 但海軍仍堅持此案要等到中科院負責的科研案要完全符合 海軍(修改後的)整體獲得規劃書(最初的被動相位陣列雷達似乎被改成主動相位陣列雷達), 並通過測評,才會與中科院簽訂委製協議書。

依照海軍方面的文件,迅聯作戰系統2020年進行初步作戰測試評估作業的代號是「華聯17號」,在2021年下半還有「華聯17-2號」,顯示迅聯作戰系統針對前一年初步作戰測評中還需要改進的部分,在2021年繼續進行補測。

在2022年8月31日,民國112年度(2023年)國防預算草案送至立法院;其中,延宕多年的「新一代飛彈巡防艦」(震海案)確定取消,由「新一代輕型巡防艦」替代。依照民國112年度預算書草案,「新一代輕型巡防艦」(約1500噸至2500噸)原型艦的預算金額與編列年度,仍維持與先前「新一代飛彈巡防艦」原型艦(民國108年度起)相同,總額度245億4916萬元新台幣,從民國108年至民國115年(2019至2026年),只不過從原本建造一艘「新一代飛彈巡防艦」原型艦改成兩艘「新一代輕巡防艦」原型艦。海軍在民國112年度國防預算案中指出,中科院負責的「迅聯專案」科研因進度延緩而報繳預算(現況結案),全案因此從原新建4500噸級的飛彈巡防艦,改興建2艘新一代輕型巡防艦」;這顯示海軍仍堅持「迅聯專案」並未達標,雖然中科院先前堅持已經通過所有測評並滿足原訂需求。

依照2023年12月21日監察院對「震海計畫」、「迅聯專案」的調查報告,海軍屢次表示迅聯戰系功性能不完整或不成熟(應是指反潛跟電子戰等),然而經過監院調查,相關功能本來就未納迅聯案研製範疇。以上顯見海軍作為規格提列者及需求方,對於技術備便評估不確實消極應處,違失相當明確。

 

 

(上與下)中科院在1980年代研製的天弓一/二型長程地對空飛彈系統的長白相位陣列雷達,基本設計來自於

美國奇異航太(GE)的高性能防空相位陣列雷達(ADAR-HP)。長白雷達的天線由5000多個輻射單元構成,

比美國神盾作戰系統的AN/SPY-1還多,最大探測距離達到400公里級。長白雷達部署在固定陣地,外部有

可升降的庫門保護。主陣面旁邊還有一個配套的小型陣面,可能是用與敵我識別或電子反反制。

(上與下)中科院在2000年代配合天弓三型防空飛彈發展的「機動式全相列雷達」,整體體積重量比先前長白雷達

低得多,天線陣面由三千多個輻射單元構成。「機動式全相列雷達」的設計與組件比長白雷達顯著進步,

不過仍然是被動相位陣列雷達。

 

2017年8月台北世貿航太國防展中展出的海軍「新一代飛彈巡防艦」(震海計畫)模型的四面固定相位陣列雷達,

四個固定陣面安裝在上層結構頂部一個八角形塔狀結構內;這個四面相位陣列雷達的塔狀結構與中科院研發展示館

(2017年3月8日啟用)中的展品類似,每組天線由一個主陣面和下方一個長方形陣面構成,與先前「長白雷達」

「機動式全相列雷達」類似,顯示此種艦載相位陣列雷達就是「機動式全相列雷達」的後續發展。

除此之外,中科院研發展示館也展出另一個單片旋轉式艦載相列雷達,構型類似陸地的「機動式全相列雷達」。

 

在2016年公布的海軍「新一代飛彈巡防艦」(即「震海計畫」)中,中科院電子所負責研製此型艦所需的三維多功能追蹤、射控相位陣列雷達。

1980年代中科院研製天弓一型防空飛彈系統時,從美國奇異(GE)航太(原為RCA,破產後由奇異航太購併)引進「高性能防空防空相位陣列戰術雷達」(Air Defense Array Radar-Tactical, ADAR-HP)技術,發展成固定陣地式的長白相位陣列雷達(服役後中科院稱為「固定式全相列雷達」)。RCA就是原本美國海軍神盾作戰系統的AN/SPY-1A相位陣列雷達的承包商,不過受到美國對台軍事輸出的限制,美方廠商不能直接將美軍自用的產品(如AN/SPY-1雷達)輸出給台灣,也不能派遣該廠商美軍相關項目的團隊協助台灣,因此實際上ADAR-HP與AN.SPY-1並不相同。

「長白雷達」由中科院與RCA合作發展,中科院透過這項過程從頭建立了相位陣列雷達發展能量,包括發展程序、大型軟體設計程序、系統整合與測試等等。為了對長白雷達每個子天線的振幅、相位進行測量庾孝正,中科院建立了大型近場測試系統等寶貴的測試能量。

長白雷達是一種被動相位陣列雷達,採用S波段操作,電子控制的波束可在兩個軸向瞬間移動,水平向為120度,垂直向為70度,最大探測距離超過400km。當時為了滿足對空探測能力的要求,長白雷達系統十分龐大,雷達陣面的輻射單元數量多達五千多個(美國AN/SPY-1A相位陣列雷達每個陣面輻射單元數是4000多個)。

在長白相位陣列雷達系統項目中,幾個關鍵技術如數位信號處理器(DSP)、天線陣面相移器(phase shifter)等由於機敏性高,美國在技術轉移過程中有所保留。例如,長白雷達的DSP採用與美國神盾系統AN/SPY-1A相位陣列雷達相同的模組,但去除若干功能;而美國國防部只同意輸出DSP實體產品,在初步設計審查(PDR)與關鍵設計審查(CDR)階段只提供介面說明,讓中科院團隊能夠整合,但拒絕提供DSP本身的細部資料。不過,中科院在天弓飛彈射控系統項目一開始就有規劃建立自主DSP能量,隨後中科院團隊完成了DSP晶片縮裝(縮減體積),不僅提高了性能與緊湊程度,而且實現了自主掌握關鍵技術,使漫長服役期間的後勤更有保障。

相移器方面,美國只提供次一級的二極體(pin diode)相移器技術給中科院,其性能遠不如神盾系統SPY-1雷達的磁控(ferrite)相移器;最初中科院並不瞭解相移器的種類,所以無從爭取。相對於磁控相移器,二極體相移器的射頻衰減大得多,整體效率很差,發射機輸出射頻能量裡能轉移成射頻能量輸出到空間中的比例較低,產生的大量廢熱也不利於環境控制。

在1996年台海飛彈危機時,中國人民解放軍對台灣進行「聯合九六」彈道導彈射擊演習,落彈區分別在台灣北部的基隆、南部的高雄外海。當時,台灣國防部在北部的三貂角燈塔附近高地機動設置一個長白相位陣列雷達,成功捕捉並記錄到一枚解放軍從南平導彈基地發射、落在基隆外海29海里處的東風15導彈下落階段的軌跡,使得台灣國防部對長白雷達有相當高的評價。基於對長白雷達的肯定,後來陳水扁總統期間,中科院進行大規模人事精簡時,中科院雷達組的經費與人員也從未短缺。

長白相位陣列雷達系統早年的照片,當時將長白相位陣列雷達部署在

一個拖車上,而配套的終端照明雷達(畫面左側)也裝在拖車上。

由於天弓一/二型防空飛彈採用陣地式部署,加上長白雷達拖車重量過大

、實用性不高,因此實際部署時,長白雷達是安裝在固定陣地的結構內。

中科院研發展示館陳列的「機動型中程三維相列射控雷達」。館內展出的

「艦用旋轉相列雷達」構型與此雷達類似,將單一的相位陣列雷達天線

安裝在一個可360度水平旋轉的基座上。

在2000年代,中科院配合天弓三型防空飛彈發展出「機動型中程三維相列射控雷達」,在2008年國慶閱兵首度公開,後來中科院稱為「機動式全相列雷達」。在2006年中科院「新新季刊」,已經出現天弓三型的機動型相位陣列雷達照片,顯示當時已經研發完成;不過由於天弓三型飛彈的雷達尋標器的微波管研製進度落後,導致整個項目無法如原訂在2007年結案。

藉由研發「機動式全相列雷達」的機會,中科院將原本長白雷達的二極體相移器改成磁控組件;這使得天弓三型的機動式全相列雷達雖然天線陣面規模比長白雷達縮減不少(移相器數量從先前五千多個降為三千多個),後端發射機規模也減半(採單行波管),但射頻功率輸出比起先前長白雷達反而有過之而無不及,在更低的體積重量之下達成足夠的偵測距離,並且能安裝在拖車上,就此解決長白雷達無法機動部署的問題。長期以來,相位陣列雷達關鍵的鐵氧體相儀器組件,台灣能從國外進口,直到2010年代以後才能在本土產製;隨後中科院的相位陣列雷達所需的磁控管陶鐵磁相移器,主要都由中鋼旗下的高科磁技生產。此外,「機動式全相列雷達」的後端軟體也一併升級,改善了海面雜波造成易誤鎖、脫鎖的老問題。「機動相列雷達」採用許多台灣本土研製的先進技術,包括具備可程式化平行處理結構的高速數位信號處理器,大致與美國較新版神盾系統的AN/SPY-1(D)相位陣列雷達同級。另外,許多關鍵的高密度積體電路,從設計到製程,也都由台灣自行完成。中科院還輔導本國廠商開發可用於相位陣列雷達的加強型工規計算機。與長白雷達相同,「機動相列雷達」仍採用S波段操作,波束的水平向掃描範圍120度,垂直向為90度,最大探測距離仍達到400公里級。

測試結果顯示「機動式全相列雷達」效能良好,包含對掠海飛行、飛行雷達截面積極小的飛彈,以及雷達截面積(RCS)小於0.01平方公尺的火箭彈,都能有效全程追蹤,清楚看到這些火箭彈自空中飛行落海的彈道。此外,該雷達過濾背景地形雜波(如山脈)以及海面雜波的能力也十分良好,測試時在數個電子干擾機同時進行干擾的情形下,仍能正常運作。在2006年時,中科院曾以「機動式全相列雷達」全程追蹤速度近7馬赫、發射仰角達78度的探空五號火箭((此項目由國家太空中心主導)。而在可靠度驗證中,在空軍防空砲兵指揮部的雷達操作人員操作驗證數百小時後,仍維持正常。

中科院顯然是以配合天弓三型的「機動式全相列雷達」為基礎,進一步開發固定四陣面式的艦載相位陣列雷達。在2017年3月8日啟用的中科院研發展示館中展出了兩種艦用相位陣列雷達,其中一種採用四面固定式陣面,安裝在一個八角形的塔狀結構裡;另一種則將單片相位陣列天線設置在一個可360度水平旋轉的基座上。在2017年8月台北世貿航太國防展中首度公布的「震海案」新一代飛彈巡防艦模型,艦體上層搭載一個八角型結構,裝置四面固定式相位陣列雷達,這個結構就跟中科院研發展示館中展出的固定式艦載相位陣列雷達大致相同。依照此一模型,每個固定相位陣列天線下方都有一個長條型輔助平板天線(可能是用於對抗電子干擾或者識別),這與先前「長白雷達」以及「機動式全相列雷達」十分類似。

然而從2017年到2018年,媒體不時有消息傳出,中科院研製的艦載相位陣列雷達系統(四面固定陣列)體積、重量較大,沒辦法相容於海軍「新一代飛彈巡防艦」規劃的4500噸艦體,除非船艦能進一步擴大,或者降低相位陣列雷達的 規格以減輕重量。改良自「長白雷達」的「機動式全相列雷達」的技術根源仍然是最初RCA的ADAR-HP,歷年來雖然已經大幅更換新型硬體設備(例如後端信號、資料處理組件),但這種被動相位陣列雷達的整體架構已經落後(例如後端集中式的行波管發射機,透過複雜的導波管將射頻能量傳遞到天線陣面),先天上很難進一步提高性能與縮減尺寸重量。

在2018年7月29日,「上報」新聞披露中科院研製海基相位陣列雷達的「迅達計劃」進度嚴重落後,將系統小型化、降低安裝重心等相關設計遇到瓶頸,導致裝上規劃中的「震海計畫」艦體平台出現困難。依照這篇報導,海軍對於海基型相位陣列雷達的性能規格,要求偵測距離可超過300公里;雖然目前中科院的相位陣列 雷達可以滿足此一指標,然而整個系統體積重量超過目前「新一代飛彈巡防艦」艦體載台容許的餘裕。依照報導,中科院曾嘗試採取減低體積重量以及降低安裝重心的措施,例如將雷達後端部分設備(信號處理端與資料處理端)分裝在不同處,分散全系統的布置,避免所有沈重設備都放在與天線同一層甲板而使重心過高,然而分開布置之後卻發現信號傳輸過程扭曲失真;此外,中科院也嘗試進一步將信號處理器小型化,但目前穩定性還不夠,目前尚未突破關鍵技術。「上報」引述知情人士,如果要安裝中科院現行的 四面固定式相位陣列雷達系統,新巡防艦的體型必須放大(排水量需增加到5800噸以上),然而這牽涉到大量修改以及整個配套計畫,海軍並不同意。而另一種折衷辦法就是不使用固定式四面陣列天線,改成旋轉形式,在水平機械旋轉座上裝備單面或雙面背接相位陣列天線;但這會使戰術性能降低 ,例如減少了雷達更新率,因此海軍也不願意。

依照上報在2019年1月24日的消息,由中科院負責研製的「順達計劃」艦載相列雷達研發進度不如預期,恐將影響海軍新一代飛彈巡防艦的計劃期程(原訂2019年起展開建造工作)。「上報」表示,原本海軍規劃新一代飛彈巡防艦設計時,以AESA主動式相列雷達為主;而中科院以先前天弓防空飛彈系統的被動相位陣列雷達為基礎來開發,系統體積、重量都無法減低到適裝於「新一代飛彈巡防艦」的規格;當時中科院希望放大艦體平台,排水量增加到6000噸以上,但海軍不同意變更艦身設計(因為計畫期程已定),因此中科院雷達組正積極尋求「突破關鍵技術」。依照「上報」2018年的報導,當時中科院發展艦載相位陣列雷達是「迅達」專案,此時名稱換成「順達」,可能就是改發展主動相位陣列雷達技術。

在2019年8月27日,媒體「上報」報導,海軍「震海計畫」新一代飛彈巡防艦原型艦原訂於今年(2019年)年底啟動招標建造,原規劃在7月30日前要辦理中科院「迅聯」新一代作戰系統的海上測評。然而,因中科院研發的相列雷達一直未符合海軍的要求,過了期程管制點仍無法進行相關的整合測試;為符合海軍的需求,中科院已積極與歐洲廠商商談關於相列雷達的技術轉移等事宜,希望能從國外引進技術,完成新一代飛彈巡防艦的戰系整合;而這也使得原型艦能否如原期程在2025年交付海軍、展開戰術測試評估出現變數。如同前述,中科院現有的被動相位陣列雷達體積重量過大,無法安裝在「震海計畫」規劃的4500噸級船體上;而且被動相位陣列雷達技術也已經落伍,海軍對其性能不甚滿意。

台灣海軍原訂在在民國109年度(2020年)國防預算中,為新一代飛彈巡防艦原型艦編列新台幣46億9316萬9000元預算;然而到2019年9月中旬,消息傳出國防部送交立法院的民國109年度預算中,只編列了9051萬5000元。台灣海軍表示,新一代巡防艦原型艦建造案委由國家中山科學研究院研製,但因中科院迅聯科研案進度延緩1年,原訂在民國109年要執行的預算因而緩列一年,到民國110年(2021年)執行。

在2020年4月3日,自由時報報導,軍方官員透露,8個「國艦國造」案子中,民國108年(2019年)全年有6個造艦案執行進度達到目標,未達標的兩個是「微型飛彈突擊艇」與「新一代飛彈巡防艦」。其中,新一代飛彈巡防艦在民國108年度編列預算為1億6791萬5000元,但執行進度只有2.58%,幾近停擺。該報導指出,海軍曾向立法院外交國防委員會說明原因,表示因為「新一代飛彈巡防艦」現階段由中科院執行的迅聯專案研發進度延遲,導致項目展延一年,預定在民國109年(2020年)完成海上測評。此時,海軍刻正嚴密管控中科院研發與測評工作進度,並視海上測評科研成果,如符合海軍作戰需求,才會辦理全案委製協議書簽署作業。官員表示,中科院執行的迅聯專案,成果不如預期;為了不讓其影響新一代飛彈巡防艦的建造進度,海軍已備妥各項備案,除了改用一般巡防艦的標準來設計建造丶待中科院完成並符合海軍需求再建造新一代飛彈巡防艦之外,若中科院最後真的不能在需求標準規格下完成,屆時也不排除直接向國外採購先進系統來使用。

在2021年12月29日,立法院外交國防委員會審議民國111年度(2022年)國防預算時,部分立法委員關切巡防艦案的雷達問題,包括體積重量過大無法整合到海軍規劃的艦體、中科院被動式相位陣列雷達水落後等;海軍參謀長蔣正國回答時表示,相位陣列雷達科研案大概是十年前啟動,當時(中科院)技術水平只能研發被動式(因此新一代飛彈巡防艦戰系的「整體獲得規劃書」使用被動式相位陣列雷達);隨著作戰需求演進,海軍的確希望改用主動式相位雷達,全壽期目標是40年。

依照2023年12月21日監察院對「震海計畫」、「迅聯專案」的調查報告,海軍雖然自認為在民國106年(2017年)就已向中科院提出AESA雷達需求規格,但調查發現該規格內容與迅聯案的PESA雷達相同,無法就此判定此規格是指AESA雷達。這顯示海軍作為規格提列者及需求方,對於技術備便評估不確實,更分不清PESA與AESA規格,消極應處,違失相當明確。 

 

「海鷹眼」旋轉式相列雷達

 

(上與下) 中科院在2019年8月世貿國防展中,展出的「海用旋轉式相列雷達」,這是一種單面旋轉陣列、

全固態的電子掃瞄雷達,天線上的振子為八木型(透過餽源線與後面T/R組件連結)。

天線陣列頂部還裝有一個敵我識別(IFF)天線。此雷達被中科院命名為「海鷹眼」。

2019年8月世貿國防展中,「海用旋轉式相列雷達」模型後部裡面呈現了T/R單元可抽換模組(左)

以及信號處理器單元(右)。

中科院研發的「海劍羚」短程防空飛彈系統頂部有一個旋轉相位陣列雷達,外型與技術都與

「海用旋轉式相列雷達」類似,不過改用波長較短、經確度較高的X波段。

 

依照倪耿著作、2019年6月27日出版的「不對稱建軍及其實現:在中科院38年所見所聞」一書記載,在2010年代初期,中科院就有機會開發主動相位陣列雷達與防空飛彈系統的組合。在民國100年(2011年),中科院提出替換陸軍老舊鷹式(Hawk)防空飛彈的提案,當時規劃主動相位陣列搜索雷達與主動雷達導引飛彈(應為陸射劍二),雷達採用S頻或X頻當時未決定,後以兩者並行方式提案。作者認為雷達兩案並提並不符合系統發展意旨,在意見審查時明確表達應採用X頻段主動相位陣列雷達(X-APR),飛彈採用X-APR間歇照明的半主動雷達制導,類似美國改進型海麻雀(ESSM)防空飛彈。作者支持X-APR的理由包括:

第一,X波段可降低體積,車廂大小可以做到如鷹式飛彈的高功率雷達(HPI);而S波段雷達就會大上許多,不利於機動與存活。

第二,半主動雷達尋標器單價減少將近一半(相對於主動雷達制導),以X-APR兼作搜索追蹤與照射有助於簡化裝備,而同時接戰多目標能力也不低。

第三,X-APR的技術也能用於飛彈尋標器,作為投資一魚兩吃。

第四,X-APR可順勢發展出「小神盾」系統,甚至千噸級小型船艦都可安裝。

作者認為,以荷蘭於2002年成軍的小神盾艦(即LCS七省級防空巡防艦)為例,關鍵的X頻帶微波放大單晶片技術在十年來已經有長足進步,因此主動相位陣列雷達採用S頻或X頻的技術挑戰相差不大,不宜兩案並行、備多力分之下恐造成兩頭階失。然而,當時作者的意見遭到多數委員異議,所以沒被採用。而中科院開始研究海軍要求的巡防艦用相位陣列雷達系統,採取較為保守的策略,以發展最成熟的天弓三型防空飛彈以及被動式機動相位陣列雷達系統為基礎,而不是立刻開發主動相位陣列雷達。

在2017年3月開幕的中科院願景館的展示中,包括一種外型類似歐洲Thales集團SMART-S Mk.2的旋轉式雷達。而在2017年8月世貿航太展中,中科院展出的「海劍羚」短程艦載防空飛彈系統中,有一種12聯裝版本發射系統頂部結合了一種類似SMART-S Mk.2的旋轉式搜索雷達,而中科院也在該屆世貿國防展中展出了機載主動相位陣列雷達的概念雛形。這顯示中科院在發展不同於先前長白系列的全新主動相位陣列雷達,包括艦載與機載等版本。依照日後資料,此種中科院研製的旋轉主動相位陣列雷達命名為「海鷹眼」。

在2019年8月世貿國防展中,中科院展出了「海用旋轉式相列雷達」(即「海鷹眼」雷達);展出的天線模型外型類似歐洲Thales的SMART-S Mk.2,是一個六角體的單面旋轉天線主動相位陣列雷達,天線頂部還有一根敵我識別(IFF)天線。依照中科院提供的資料,此種雷達採用S波段,工作範圍350公里(儀距),對戰機類目標探測距離200公里,波束能在水平與垂直向移動(透過機械旋轉達成水平360度掃描),能同時偵測追蹤500個目標(指定追蹤加上TWS),可探測戰機、無人載具、反艦飛彈等各類空中威脅;根據工作模式不同,此種天線有每分鐘15轉與30轉等兩種速率。此種雷達配備固態功率放大器、複合材料外罩以及縮裝的信號處理器;天線罩裡面放置了構成雷達陣面的T/R射頻單元,以及後端的信號處理單元,這些組件都設計成可快速抽換的模組單元,開啟天線罩後方的背板就能抽換。

日後2020年11月中科院「新新季刊」的資料,對「海用長程搜索雷達」的敘述如下:可同時追蹤500個空中或海面目標,具備平面搜索與接戰能力,並具有三個對海面的火控通道。此雷達有自動化的三度空間目標報告、小型飛彈探測能力,此外具有針對旋翼機、無人飛行載具(UAV)的探測模式,以及為飛彈提供中途導引的能力。在防禦模式(Defense)之下,天線轉速為每分鐘27轉(RPM),工作距離90海里(約167km)。在監視模式(Surveillance)之下,天線轉速為13.5 RPM,工作距離135海里(約250km)。此雷達有12個接收波束,波束俯仰角最高可達70度。雷達發射波束具有電子式俯仰、滾轉(Electronic Pitch & Roll Stabilization)穩定的自適應二維扇形波束(Adaptable 2D Transmit-Fan Beam)。以上的數據(包含波束組成、天線轉速與操作模式、工作距離、同時追蹤目標數等)都與Thales集團的SMART-S MK.2三維對空監視雷達幾無二致,顯示中科院參照SMART-S MK.2作為發展目標。

「海用旋轉式相列雷達」體積小、重量輕,由於所有組件都為固態器件,因此可靠性與可維護性比起先前被動式的長白/機動相位陣列雷達,有著全面性的提升。因此,中科院發展的固態「海用旋轉式相列雷達」重量能比配合弓3的機動相位陣列雷達低得多,一旦發展成熟,就會是新一代飛彈巡防艦的最可能雷達選項(使用單面旋轉天線抑或四個固定陣面,端視海軍的需要)。此外,配套海劍羚短程防空飛彈的旋轉雷達系統也是同系列的主動相位陣列雷達,只不過操作波段改成波長較短的X頻。

依照2019年8月世貿國防展展出的「海用旋轉式相列雷達」模型,前端天線陣列的每個振子為八木(Yagi)天線,並以餽源線連結到天線後方的T/R單元。八木天線振子的製作十分簡單,能直接由模型沖壓或是壓鑄來大量製作。一般而言,較小型、X(I)波段的空用主動性位陣列雷達的天線振子多採用槽形天線(Notch),而八木天線則通常用於波長較低的UHF波段雷達。以單一天線振子而言,八木天線的指向性優於槽形天線,旁瓣也比較低;然而對相位陣列雷達而言,雷達波束是由每個天線陣子發射的電磁波合成,因此波束指向性以及旁瓣等的真正關鍵還是組成陣面的天線單元數量。相反地,對於相位陣列雷達而言,如果每個天線單元指向性過高,對波束能在天線移動的角度範圍反而不利;因為單天線指向性太高也意味著斜向角度的增益(gain)較低,偏離天線軸向越多則功率越小,也代表合成波束的轉向範圍比較有限。「海用旋轉式相列雷達」的陣面之所以使用八木天線振子,可能是因為天線體積與重量限制,必須以有限的天線單元達成足夠的探測距離,因此使用定向增益較高的八木天線當作振子。

「上報」報導稱,國外主流的主動相位陣列雷達(AESA)的陣面,主要採用偶極子天線(dipole)或貼片天線(patch)構成,其定向增益低於八木天線振子,但斜向增益較高,使得天線合成波束的掃描範圍廣,才能達到相位陣列雷達設計的原使用地。一般而言,單面相位陣列天線波束的掃描範圍至少涵蓋120至140度,而使用八木天線振子構成的天線可能只有20到40度之間。現階段國際間主動相列雷達陣面採用最多的天線單元屬於偶極子天線(dipole),貼片(patch)貼片因為頻寬比較受限、需要特別處理而發展較遲,但考量輕量化與微型化的趨勢,包括美國在內的各國,AESA都開始朝向貼片(晶片)天線的方向來發展。

依照2019年12月23日「上報」引述相關人士消息,台灣海軍對艦載相列雷達的規格是要同時間可搜索、跟追蹤多個高速的目標(飛彈),並以艦上防空、反艦飛彈等各項武器系統對敵方飽和性攻擊進行攔截與反制。此時中科院向歐美積極尋求相列雷達縮小減重的技術,計劃在2020年下半年將新開發的主動式相位陣列雷達(AESA)安裝在高雄測試艦上,進行相關的測試。 

依照2020年7月21日「上報」報導稱,參謀總統黃曙光在先前擔任海軍司令期間,對於中科院為新一代飛彈巡防艦研發的艦載式主動式相列雷達,一直無法達到海軍的需求相當有意見,曾向中科院雷達專案組表達過,若無法改進達到需求規格,就不要到海軍司令部來簡報。但中科院還是必須定期向海軍彙報進度,雖然由中科院副院長帶隊前來簡報,但黃曙光只問與上次簡報差別在那裡,中科院才解釋不到五分鐘,黃曙光就不願再聽,當場走人,讓場面相當尷尬。

中科院「海鷹眼」主動相位陣列雷達進行測試的照片。

依照中科院「新新季刊」專訪「天弓計畫」前專案主持人趙燿銘博士的訪談,當時趙燿銘博士非常重視主動相位陣列雷達的發展,尤其是開發關鍵的T/R模組技術,認為應先從小功率的T/R模組切入,從無到有建立技術根基,包括系統整合、信號介面、散熱等項目,研發階段功率大小不應該是重點;等到相關工藝技術進步後,產品的功率自然會提升,一些量產問題也會由於工藝技術成熟而迎刃而解。不過,由於制度上的限制以及當時政策考量,中科院投入發展T/R模組的時間晚於其他先進國家。依照中科院「新新季刊」,中科院在1999年開始研發S波段的主動相位陣列雷達,到了2003年開始有階段性成果。在2010年代,中科院逐漸掌握主動相位陣列雷達關鍵技術如高功率T/R模組、氮化鎵(GaN)功率器件等,並持續在GaN功率放大器、射頻(RF)前端、先進核心單晶片、元件構裝與散熱等技術上精進。

依照中科院在2020年7月號的「新新季刊」48卷3期內容,中科院研製的第一套主動相位陣列雷達(AESA)已經通過多項演習和測評;現階段中科院AESA的T/R器件採用砷化鎵(GaAs)半導體,此時中科院已經開發出S波段到Ka波段的砷化鎵半導體放大器。氮化鎵(GaN)半導體功率器件方面,中科院的研製方向以S波段到Ku波段為主;目前中科院採用氮化鎵半導體的MMIC功率放大器晶片,S波段功率為65W,X波段為25W。依照此期「新新季刊」內容,中科院的主動相位陣列雷達利用內部天線耦合的方式進行自我測試與校正,採用水冷式散熱,散熱冷板有進/出水管路,T/R模組與散熱冷板間也加入散熱貼片。

依照2020年11月中科院「新新季刊」內容,「海鷹眼」主動相位陣列雷達使用由氮化鎵(GaN)半導體制作的低雜訊放大器(LNA)固態功率模組,總功率1.2KW,射頻總輸出61dBm,實現了波束輸出固態化,利用收發晶片達成接收數位化,系統採用水冷散熱。其他技術包含發射/接收系統、類比數位轉換技術、數位多波束合成技術、高平均失效間隔(MTBF)等。海鷹眼雷達系統收發模組包含五個部分:杕數位相移器及衰減器、杌固態功率放大器、杈接收電路、杝帶通濾波器、杍數位補償電路。此時海鷹眼已生產20套模組進行驗證。