MK-92射控系統

航行中的飛馬級水翼飛彈快艇,艦橋頂上的球狀物就是MK-92射控系統的CAS組合天線的外罩。

MK-92 Mod6射控系統的CAS天線特寫。攝於台灣的成功級飛彈巡防艦成功號(FFG-1101),2016年11月12日。

出售給台灣海軍的派里級巡防艦銘傳號(FFG-1112 ex-FFG-50 Taylor )艦橋頂部的MK-92 Mod6射控雷達天線。

攝於2019年9月28日台灣基隆港。

(上與下)MK-92 Mod6射控系統附帶的STIR照明雷達,美國沒有使用荷蘭原版的STIR,而改用美國的國產版系統,

由SPG-60的UD-417碟型天線 加上一套具備連續波照射模式的美國國產後端系統(性能相當於STIR)

。此照片攝於台灣成功級飛彈巡防艦 成功號(FFG-1101),後端系統為STIR 240。

 

出售給台灣海軍的派里級巡防艦銘傳號(FFG-1112 ex-FFG-50 Taylor )船艛上的STIR照射雷達,

由SPG-60的UD-417碟型天線 加上一套具備連續波照射模式的美國國產後端系統(性能相當於STIR 180)

組成。攝於2019年9月28日台灣基隆港。
 

 

型號 MK-53 CAS天線  STIR(美國版)
用途 武器射控、目標追蹤 武器射控
天線形式 搜索/追蹤2D旋轉天線組合(外有球型護罩) /追蹤2D旋轉
天線旋轉速率   (轉/分) 60

操作波段 X X/K
脈衝回覆頻率(pps) 2000~4000 18000/36000/72000
最大功率 220kw 20/220(峰值)kw
波束角(度)(方位/俯仰) 1.4 X波段:1.4

K波段:0.3

最大偵測距離(km) 40 180

1.尖端科技軍事雜誌221、222期──「成功級、紀德級與神盾系統艦之戰鬥系統與作戰能力分析」(張明德著)

2.全球防衛雜誌367~370:派里級巡防艦的誕生與發展(張明德著)

 

──By Captain Picard


 

MK-92射控系統是荷蘭 電信(Hollandse Signaalapparaten,簡稱Signnal)研製的WM-25射控系統(另有專文介紹)的美國版 ,1964年正式授權美國史派利(Sperry )公司進行生產(在1986年Sperry與 Burroughs合併為Unisys,Unisys的Unisys Defense Systems在1991年分割成為Paramax,1995年Unisys將Paramax賣給Loral,在1996年又被Loral賣給 Lockheed Martin,因此現在MK-92是洛馬集團的產品),美國海軍從1966年展開評估作業,但直到1972年才正式展開研發整合工作,安裝在當時規劃的派里級飛彈巡防艦 (首艦於1977年服役),而簡化的MK-92 Mod 1則安裝於1983年起服役的飛馬座級水翼飛彈快艇上。此外,美國海岸防衛隊的熊級(Bear class)也安裝了MK-92 Mod 1,首艦於1983年2月4日服役。

相較於原版的WM-25,MK-92所有的次系統與組件都換成荷蘭授權美國生產的版本(如CAS天線),或者以美國國產的現有同級設備代替,例如以UYK-7電腦取代原本WM-25的SMR-S1電腦,軟體也依照UYK-7電腦來重新撰寫,追蹤、照明雷達與後端發射機都換成美國產品,並使用一套MK-39指揮儀。

MK-92 Mod1/2

美國海軍飛馬座級(Pegasus class)水翼飛彈巡邏艦以及海岸防衛隊的漢米爾頓級(Hamilton class)和熊級(Bear Class)巡邏艦都裝備MK-92 Mod1射控系統,主要作為MK-75 76mm快砲的射擊指揮之用(這三型艦艇都配備MK-75 76mm快砲)。

MK-92的 組合式天線系統(Combined Antenna System,CAS)是Signnal授權美國生產的 版本, 型號為MK-53, 蛋型保護罩裡的天線組結合一具卡賽格倫(Cassegrain)反射式單脈衝追蹤天線與一部搜索天線(追蹤天線在上,搜索天線在下),兩者共用一組雷達發射機,具有I/J波段發射機組件的MK-69 Mod.0雷達機櫃, 透過一具天線共用器和天線、雷達機櫃進行連接。CAS系統的人機介面是一套MK-106武器顯控台(Weapon Control Console,WCC),具有平面位置顯示器(Plan Position Indicator,PPI)、兩個目標軌跡追蹤顯示器(A scope與B scope)、兩個 數字/字符顯示器以及鍵盤、軌跡球操作介面。 PPI顯示器直徑16吋,負責顯示以本艦為中心的目標水平方位態勢;A scope偵測模式 主要用於顯示距離,在搜索雷達確實鎖定鎖定目標後,透過目標獲得閘(aquisition gate)來提供距離,判斷對應武器的接戰限制,使操作人員能據此排定接戰先後順序;而 B scope則為方位顯示,以分時模式追蹤各軌跡(或特定軌跡)位置與目標框中心的相對誤差,在TWS模式下與PPI顯示器並用,能判斷是否確實鎖定目標,此外也能探測砲彈落點的水花等資訊來評估命中情況,作為修正射擊參數的依據。至於數字/字符顯示器則在作業時顯示各種文字型態的戰術資料。PPI顯示器的最大表尺為128海里(約237km),A scope模式則 為64海里(118.53km)。MK-53 CAS能提供8個TWS追蹤頻道,其中2個具備射控接戰能力 。

MK-92 Mod1僅配備一座安裝於蛋型保護罩內的MK-53 CAS組合式天線系統,主要用於追蹤目標並導引MK-75快砲接戰 ,此外也能與魚叉反艦飛彈系統、導航雷達、慣性導航設備和AN/SLQ-650電戰系連結,對防空作戰的要求並不高。MK-92 Mod1系統全重2.56噸,主要的後端系統是一具MK-106 Mod0 武器顯控台(WCC),由兩名人員操作,後端計算控制系統還包括一具UYK-7計算機與一具OJ-172(V)顯控台 ;其中OJ-172是資料轉換輔助控制台(Data Exchange Adjust Console,DEAC),能將CAS獲得的目標參數傳輸到AN/SWG-l魚叉反艦飛彈控制系統。MK-92 Mod1的CAS天線後端主要是一個MK-69 Mod.0雷達機櫃,包括一個磁控管發射機、接收機,並具有同時搜索追蹤(Track-While-Scan,TWS)、目標動態指示(Motivate Target Indicator,MTI)、脈衝都卜勒與都卜勒振幅追蹤、電子反反制等相關的電路。此外,後端還有一具MK-160伺服控制機櫃 ,負責連結UYK-7電腦、雷達與武器系統,具有數位/類比(DA)與類比/數位(AD)轉換器以及連結CAS天線和各種武器控制系統的設備,此外還有一個MK-4頻道選擇器等。

海岸防衛隊熊級巡邏艦的MK-92 Mod1使用一種指揮顯示和控制系統(使用數位掃瞄轉換器與視頻發生器),將艦艇和武器控制整合在一起。MK-92 Mod5與MK-92 Mod1相近,全系統重量3.55ton,增加了與MK-15近迫武器系統的傳輸介面,能將CAS天線組獲得的目標追蹤資訊傳輸給方陣近迫武器系統作為先期提示,美國出售給沙烏地阿拉伯的西迪克級(Al Siddiq class)與巴達爾級(Badr class)就使用MK-92 Mod.5。

而派里級飛彈巡防艦的MK-92則為Mod2版 ,是艦上小型戰術資料系統(Junior Tactical Data System,JTDS)的重要部份,包含一具MK-53 CAS天線、一座修改自SPG-60的STIR照明雷達 (CAS與STIR共用連續波發射機、接收機等組件)/MK-54指揮儀、一套AN/UYK-7處理電腦、兩座WCC顯控台(分別是負責CAS天線組的MK-106 Mod1與一座負責STIR的MK-107)、一座戰情官使用的UYA-4/OJ-194(V)3顯控台(PPI) 與相關輔助設備等,1979年起又增加一座用於反潛的OJ-172(V)顯控台。MK-92 Mod2的CAS天線組後端是MK-69 Mod.1雷達機櫃,相較於Mod.0,增加了一套連結接收機/發射機的MK-l67正交場放大器(Crossed Field Amplifier,CFA)來擴大發射功率,並且增加一部SPG-51D照明雷達使用的T-1085B連續波注入器,使得CAS的追蹤天線除了原本的單脈衝模式之外,又增加了可用來導引半主動雷達防空飛彈的連續波照射模式。 相較於MK-92 Mod1的MK-106 Mod.0武器顯控台,MK-92 Mod2的MK-106 Mod.1顯控台增加了控制標準SM-1防空飛彈與MK-13單臂發射器的相關功能。

不同於MK-92 Mod1獨立運作(MK-92 Mod1本身CAS天線就有完整的目標搜索、獲得、追蹤與射控能力),MK-92 Mod2能與派里級的JTDS一起運作,此時MK-92 Mod.2能透過數位匯流排與JTDS的電腦進行交連,,工作包含為JTDS維護目標追蹤檔案、排定接戰順序、將目標追蹤通道指派給武器射控等,相當於WDS的角色。MK-92 Mod2仍保留獨自運作的能力,只靠著自身CAS與STIR天線進行搜索、追蹤與射控工作,指揮MK-13防空飛彈發射器、MK-75 76mm快砲接戰。此外,如果系統部分失效,MK-92 Mod2也具有結合JTDS資源進行降級運轉的功能,稱為事故模式(casualty mode),可結合JTDS的UYA-4以顯控台以及兩座WCC武器控制台進行運作。

在Signnal原版的WM-25中, STIR雷達為該公司的STIR-180/240,不過MK-92 Mod2則使用一具 由洛克西德馬丁生產、修改過的SPG-60 I/K頻帶單脈衝照明雷達 (增加連續波注入能力來導引標準SM-1防空飛彈),性能與STIR 180相似,能對一個空中或水面目標進行照射 ,而這套由SPG-60修改過來的系統稱為MK-54指揮儀。SPG-60由一具UD-417碟型天線、一座 包含MK168正交場放大器的MK-86雷達機櫃和一座MK-161天線控制設備組成,後端顯控介面為一座 MK-107 Mod.0顯控台,負責顯示與控制STIR的目標搜索、截獲、追蹤標定功能、目標選擇與武器導引控制等機能。MK-107的構造與CAS的MK-106類似,但 由於STIR雷達不會擔負搜索工作,因此取消了MK-106的搜索追蹤顯示器,而且只需要一個人操作。 CAS與SPG-60天線共用的設備包括一座獨立設置且帶有天線共用器的T-1085B連續波發射機(來自SPG-51D)、雷達接收機、一具MK-160伺服控制機櫃 和一個MK-4頻道選擇器 ,CAS天線與STIR天線的後端自我測試設備分別為MK-602 Mod0與Mod1測試設備。CAS天線與STIR照明雷達之間還有指揮器中介轉換器(Inter-Director Designation,IDD),使得兩個天線組都能直接將本身正在追蹤的目標轉移給對方(雙向皆可)。

MK-92 Mod2上甲板天線(含CAS與STIR)重2.784ton,系統全重7.19ton,操作人員四名, 能指揮標準SM-1防空飛彈以及MK-75 76mm快砲接戰。艦上搜索雷達發現目標,當目標逼近到約28km,就由MK-92的CAS搜索雷達進行追蹤與識別,接近到27km後則開始指派射控天線進行單脈衝 追蹤。MK-92 Mod2最多能為派里級提供四個射控頻道,其中CAS的追蹤天線與STIR各提供一個高精確度的連續波照射頻道,而CAS的搜索天線在TWS模式下能提供2個射控頻道;不過只有CAS追蹤天線與STIR能用來導引標準SM-1防空飛彈,而CAS搜索天線的TWS模式的精確度與更新率就差了一截,只能用來導引火砲。一般而言,派里級使用STIR雷達來導引標準飛彈接戰較遠的目標,近距離目標則使用CAS來照明 ,最多能同時導引兩枚SM-1防空飛彈。除了CAS與STIR之外,MK-92 Mod.2也能由MK-24直接光學瞄準儀提供的目標方位參數進行射控解算。 為了節省成本,派里級不裝備AN/SPS-48三維對空監視雷達(裝備的是AN/SPS-49二維長程對空搜索雷達),因此MK-92的STIR與CAS天線也被用來提供空中目標的高度資料(俯仰方向掃描),完成標準SM-1防空飛彈的射控解算。

MK-92 Mod2從1974在布魯克級(Brook class)飛彈護航驅逐艦的塔爾伯特號(USS Talbot DEG-4)上測試,各項表現都超過主要性能指標(包含雷達涵蓋面、最大與最小偵測距離、TWS性能等等),在1975年9月8日被美國海軍作戰部長宣布可進入服役狀態,從1977年起 隨著派里級飛彈巡防艦進入美國海軍服役。在1980年12月,美國海軍展開MK-92 Mod2的兩階段改進計畫,第一階段是近程提升計畫(Near Term Improvement,NTI),包含提高CAS天線對抗地形背景雜波與電子反反制能力、納入標準SM-1 Block 4防空飛彈(標準SM-1的最後一種量產型號)的運用能力 ;MK-92 NTI提升計畫首先在1981年於派里級的瓦德斯.沃茲號(USS Wadsworth FFG-9)上進行測試,測試完成後,第一套正式版於1983年率先安裝於派里級的史蒂芬.格洛夫號(USS Stephen W. Groves FFG-29)上。第二階段則是全面升級MK-92各項性能,就是Mod.6(見下文)。

 值得一提的是,在派里級巡防艦的射控系統競標之中,除了Sperry與Signnal的MK-92之外,漢緯公司Honey Well,之後被休斯購併)也推出一個新開發的MK-93全分散架構系統來競標,不過美國海軍選擇了技術成熟的MK-92,而漢緯公司則以MK-93改投標台灣海軍的需求並改稱H-930,並獲得台灣海軍採用。

MK-92 Mod6

M-92接下來的第二階段 ,是要求全面提升整體性能、可靠度以及在電子干擾環境下的作業能力,於1981年正式展開研製。 改良後的MK-92稱為Mod6版本,全系統重量10.89ton,於1986年開始在派里級巡防艦的艾斯托辛號(USS Estocin FFG-15)上進行測試,測試完成後率先安裝在最後一艘派里級──英格拉漢號(USS Ingraham FFG-61)上,該艦並整合了許多其他的改良。在1992年9月,英格拉漢號以SM-1 Block 4B防空飛彈完成對空接戰測試。由於預算有限,美國僅將派里級中的FFG-36、47、48~55、57、59的裝備提升至英格拉漢號的標準。

MK-92 Mod6的發射/接收機經過相干接收/發射機(Coherent Receiver/Transmitter,CORT)改良,以行波管取代原本MK-92 Mod2的磁控管,因此雷達發射信號能以連貫性多普勒技術來處理,低空的搜索與追蹤能力大福增加。 所謂相干技術是透過比較雷達回波以及發射波源或一個基準振盪器的相位與振幅(透過相消干涉等處理),將背景雜波過濾;例如,如果回波的相位與發射源/基準振盪器的波源相位相同,就可以視為背景雜波而濾除。雷達回波在經過相干處理之前,會先經過目標動態指示的濾波器(MTI filter)或都卜勒數位濾波器,前者會過濾靜態的地形背景雜波而強化動態目標的信號,後者針對特定的都卜勒頻移響應信號進行強化。經過前述升級後,MK-92 Mod6雷達發射功率、偵測追蹤距離以及平均故障間隔時間(MTBF)均比Mod2增加約兩倍 ,CAS搜索天線同時追蹤目標數目增為6個,此外也改善了在雜波中對低空低雷達截面積目標以及沿岸雜訊干擾環境的偵測能力(能截獲的最低RCS目標比原本低了一個數量級),過濾虛各類警信號的能力改善一百倍,電子反反制能力也由於發射功率提 升而增加了。MK-92 Mod.6另一重大改進是能與AN/SYS-2整合資料系統(IADT)連結,將CAS的資料與其他雷達獲得的資訊 進行整合,大幅提高作戰效率。

原本MK-92 Mod1/2後端都只有一具UYK-7電腦包辦所有的操作控制、武器控制以及資料傳輸等工作,而MK-92 Mod6則改為兩部電腦,分別作為武器控制處理器(Weapon Control Processor,WCP)以及資料轉移處理器(Convert Control Processor,CCP)。安裝在英格拉漢號的MK-92 Mod.6的WCP與CCP電腦仍為UYK-7系列,而後續12艘同樣換裝MK-92 Mod.6的派里級(FFG-36、47、48~55、57、59)則進一步以AN/UYK-43B(擁有雙CPU)取代UYK-7(一說是WCP與CCP都換成AN/UYK-43B,另一說則是WCP為UYK-43而CCP為UYK-44)。早期MK-92系統從艦上SPS-49搜索雷達偵測、指揮STIR照明雷達追蹤目標到SM-1飛彈備便接戰需要十幾秒的計算時間,而MK-92 Mod6則大幅縮短至8秒左右,接戰反艦飛彈的能力明顯增強。台灣仿自後期型派里級的成功級飛彈巡防艦也使用MK-92 Mod6,照明雷達為Signnal的STIR-240,不過雷達天線仍沿用SPG-60的UD-417碟狀天線。在1995年,MK-92 Mod.6後端整合入約翰.霍普金斯大學(Johns Hopkins University)應用物理實驗室( Applied Physics Laboratory,APL)開發的消除雜訊的軟體與處理器,進一步大幅降虛警率約80~90%。

除了MK-92 Mod6之外,美國海軍又針對未升級成MK-92 Mod6的其餘派里級艦提出商規改良方案(COTS Affordable near-ternm deficiency correcting Ordalt,CANDO), 在雷達信號與顯控台之間加入一個高速商規處理器,能改善系統在地形背景雜波、多重雜波與電子干擾之中的偵測能力,達到近似MK-92 Mod6的水準; 此外,艦上的SPS-49雷達也接受MPU改良套件。在1992年12月,CANDO套件在派里級巡防艦卡普蘭號(USS Copeland FFG-25)展開發展測試, 而預量產型則於1994年3月安裝在派里級的史塔克號(USS Stark FFG-31)上進行測試。1994年8月15至16日,CANDO的全工程發展(EMD)版本 在卡普蘭號上完成測試。由於預算刪減與計畫延遲,至1996年4月,仍沒有一艘派里級進行CANDO改良,而原本預定換裝相位陣列雷達天線的計畫 也沒有付諸實現。最後只有10艘沒有換裝MK-92 Mod6的派里級(FFG-8、32、33、37、40、43、45、46、49、58)加裝了CANDO套件。

在1990年代初期,曾有一個針對派里級MK-92系統的改良項目被提出,原定從1992年度開始執行:在硬體方面,包括改進CAS雷達天線的資料傳輸,並改良若干容易失效的部件; 在戰術性能部分,改善後端系統的目標自動接戰排程、區段掃瞄等能力。接著,從1993年度起,開始改良STIR照明雷達的電子部件,包括CWI發射機。然而, 由於冷戰結束後經費刪減,這個計畫 所需的經費並未獲得批准。

MK-92 Mod12

在2000年代初期,洛馬集團自費進行MK-92的改良計畫,稱為Mod 12,係以以Mod 6為基礎,更換舊有的雷達發射/接收與信號處理系統,原本的舊式軍規顯控/運算等硬體全部更換為最新科技的商規開放架構系統,後端處理軟體也一併更新,並透過數位介面與戰鬥管理系統整合。首先,MK-92 Mod12的CAS/STIR雷達系統以一個功率5KW的新型固態電子科技連續波(CW)發射器取代原有的傳統行波管(TWT)發射器 (這是來自於為挪威南森級小神盾艦開發的技術),並改用更靈敏、雜訊更低的接收端,能相容於標準SM-1/2防空飛彈與ESSM短程防空飛彈,武器使用彈性大幅增加。由於這些更新,使得MK-92 Mod12無論是有效偵測追蹤距離、雷達解析度、目標自動追蹤、對抗雜波以及搜尋低空小型目標的能力都獲得大幅改進,有效工作距離是原本發射/接收機組合的兩倍。MK-92 Mod12以洛馬集團最新開發的新世代工作站(Next Generation Workstation,NGW)取代性能落伍且維護困難的老舊UYQ-21/OJ194/197軍規顯控終端;NGW工作站 換用開放式架構的UYQ-70顯控台,全面應用現成商規組件,具備強大的運算處理能力,每個工作站機台擁有三具大型多功能彩色顯控台。NGW採用模組化設計,能透過介面輕易整合於作戰射控系統中,相關系統不需要做對應修改。在MK-92 Mod12的第二階段(Phase 2)發展,整合洛馬集團在神盾Baseline 7作戰系統的開發經驗,即神盾開放架構(Aegis Open Architecture,OA),將原本以舊型UYK-43軍規電腦為基礎的計算機處理環境,更換為以BladeServer科技為基礎、採用商規組件的開放架構分散式系統。在Phase 3階段,MK-92 Mod 12以一個可重新架構的信號處理器取代舊有的搜索信號處理器。在Phase 4階段,MK-92 Mod12以商規組件(COTS)取代原有的舊型伺服器機櫃。

在2003年, 澳大利亞海軍開始為其阿德萊德級(Adelaide class,派里級的澳洲版)進行性能提升(詳見澳洲海軍阿德萊德級飛彈巡防艦一文),其中MK-92便升級為Mod 12,是這個計畫核心的澳洲分散架構戰鬥系統(ADACS)的重要一環。至於土耳其在2000年代為自家二手派里級巡防艦進行的G-GCMP改良計畫(詳見派里級飛彈巡防艦一文)中,雖採用土耳其與雷松開發的GENESIS戰鬥系統,但仍打算為MK-92的CAS/STIR換裝固態發射器,以相容於ESSM防空飛彈。

MK-92相容標準SM-2的改進

由於MK-92搭配的標準SM-1防空飛彈在2000年代初期停產,洛馬集團遂為一些使用派里級巡防艦的客戶提供MK-92射控系統的升級方案,使之能相容於標準SM-2。此種方案係以最低的升級成本之下,使MK-92相容於標準SM-2的兩種導引模式:與SM-1相同的全程導引(Home All the Way,HAW)以及標準SM-2新增的中途島引(Midway Course Guide,MCG)。在相容全程導引模式之下,MK-92需加裝與標準SM-2導引系統相容的標準飛彈輔助處理器(Standard Missile Adjust Processor,SMAP),彈艙內的電子相關介面經過修改升級(包含能承受標準SM-2的MK-104固態火箭更強大的熱焰),並且用商規組件改良照明雷達的發射機來提高精確度,如此MK-92就能以原本的全程半主動雷達歸向模式導引SM-2,不過此時只能以直線航道保持在雷達照射波束中,相當於將SM-2降級為SM-1使用。

而如要相容於中途導引模式,MK-92除了前述改良之外,還需要進一步增加上鏈能力(在照明雷達中增加相關組件,利用照明雷達提供SM-2飛彈的上鏈傳輸)、改進慣性導航組件等,如此MK-92導引的SM-2就能以最佳化的拋物線彈道飛行,透過發射艦的上鏈傳輸修正航道,直到彈道終端才需要飛入照射雷達的波束中,如此最大射程比全程半主動雷達導引的直線飛行增加60~70%。然而,即便升級到相容中途導引模式,這種升級仍無法發揮SM-2的完整能力,首先並不具備接收SM-2飛彈下鏈回報位置的功能,發射艦仍須靠自身的對空搜索雷達掌握標準SM-2飛彈的位置,而派里級的SPS-49 L波段長程對空搜索雷達的精確度較差,使得對SM-2位置的掌握精度遜於神盾艦或NTU艦(NTU艦使用SPS-48三維雷達,精確度高於SPS-49並具備直接測高能力);另外,由於MK-92的射控頻道並未增加,相關配套設備(包含對空搜索雷達)也沒有改進,因此不具備同時接戰多目標的能力。

到目前為止,只有澳洲改良阿德萊德級飛彈巡防艦的升級計畫中,採用了這種相容SM-2的升級方案,能支援全程歸向導引與中途歸向導引兩種模式。