張建科,黨立坤

(防空兵指揮學(xué)院,河南鄭州 450052)

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展和作戰(zhàn)理論的變化,防空火力運(yùn)用將由傳統(tǒng)的以密集射擊為主向精確射擊轉(zhuǎn)變,使未來防空作戰(zhàn)更趨于精確化。精確預(yù)警即預(yù)警信息精確化,指預(yù)警偵察到的目標(biāo)參數(shù)可滿足防空火力單元作戰(zhàn)需求,實(shí)現(xiàn)預(yù)警、監(jiān)視、跟蹤、火力支援于一體。它是精確防空作戰(zhàn)的前提和基礎(chǔ)。目前受裝備性能、技術(shù)水平限制,防空雷達(dá)精確預(yù)警還存在差距。本文從提高精確預(yù)警能力出發(fā),對防空精確預(yù)警的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 精確標(biāo)定

精確標(biāo)定是提高雷達(dá)探測精度和實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場空情信息精確共享的基礎(chǔ),主要是對雷達(dá)進(jìn)行精確的位置標(biāo)定和方位標(biāo)定。

對防空警戒雷達(dá)的位置標(biāo)定主要是通過在軍用地圖中查詢大地坐標(biāo)(或大地直角坐標(biāo))定位,部分利用GPS定位或“北斗衛(wèi)星”定位。地圖查詢法定位精度低、速度慢,距離偏差較大;GPS定位受制于美國,安全性可靠性差。通常防空警戒雷達(dá)采用陀螺電子尋北儀標(biāo)定法或方向盤標(biāo)定法來標(biāo)定方位,這兩種方法都能準(zhǔn)確標(biāo)定,但各自存在缺陷。陀螺電子尋北儀受測量原理限制,只有在中、低緯度才能保證精度,且對載體穩(wěn)定度和水平度要求高,每次完成標(biāo)定所需時(shí)間較長;方向盤標(biāo)定法依靠人工作業(yè)標(biāo)定,速度慢、精度低、受氣候條件影響大、夜間標(biāo)定困難?？梢?目前對雷達(dá)的標(biāo)定還難以滿足精確預(yù)警的需求。

利用“北斗一號”衛(wèi)星定位系統(tǒng)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對警戒雷達(dá)的精確定位和方位標(biāo)定。進(jìn)行位置標(biāo)定時(shí),其定位精度能滿足需求?！盎诒倍返睦走_(dá)方位標(biāo)定”是一種理論上較好的雷達(dá)方位標(biāo)定方法,其基本原理是通過將衛(wèi)星在WGS84空間大地坐標(biāo)系[1]的位置轉(zhuǎn)化為雷達(dá)站心地平直角坐標(biāo)系[2],根據(jù)北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)建立真北方位角計(jì)算方法確定雷達(dá)方位。這種方法可以消除諸多誤差源,但部分技術(shù)問題尚需深入研究。隨著技術(shù)發(fā)展,未來防空兵武器裝備的方位角標(biāo)定系統(tǒng)必然是向精度高、速度快、操作簡便的方向發(fā)展,并形成相對獨(dú)立的模塊化子系統(tǒng)嵌入到裝備中去,更適宜戰(zhàn)場操作和全天候作戰(zhàn)。

我國正在建設(shè)完善的“北斗二號”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由35顆衛(wèi)星組成,最終建成全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),它的軍用終端定位精度可以達(dá)到厘米級別,與現(xiàn)行的“北斗一號”區(qū)域性導(dǎo)航系統(tǒng)相比,性能有較大提高,用于警戒雷達(dá)的精確標(biāo)定精度將更高。

2 精確探測

探測精度是雷達(dá)的主要戰(zhàn)技術(shù)指標(biāo)之一,隨著空襲兵器性能的提高和對精確預(yù)警的需求,對雷達(dá)的探測精度提出了更高的要求。

2.1 影響探測精度的因素

目前防空警戒雷達(dá)多采用機(jī)械掃描與頻率掃描相結(jié)合,在探測精度上還存在差距,難以滿足為火力單位提供精確的目標(biāo)參數(shù)的要求。影響雷達(dá)測量精度的因素很多,雷達(dá)體制和自身設(shè)計(jì)性能是影響精度的主要原因。此外,目標(biāo)、電磁波的傳播空間、雷達(dá)的各個(gè)分機(jī)等都是雷達(dá)測量系統(tǒng)的組成部分,這些部分工作的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性也都影響測量的精度。提高雷達(dá)精度,系統(tǒng)設(shè)計(jì)是很重要的,精度設(shè)計(jì)包括雷達(dá)體制的選擇、誤差控制、誤差分配。

2.2 提高探測精度的方法

相控陣技術(shù)。相控陣技術(shù)主要是通過移相器來控制天線輻射單元的相位,從而改變波束的指向,在方位和仰角方向?qū)崿F(xiàn)波束掃描。采用了相控陣技術(shù)的雷達(dá)被稱為相控陣?yán)走_(dá)。它的天線由成千上萬個(gè)天線組成,天線波束寬度窄,副瓣電平低,具有較高的測角精度和測距精度,其角跟蹤精度能小于0.2°,距離精度能小于2m[3]。擔(dān)負(fù)防空偵察預(yù)警任務(wù)的相控陣?yán)走_(dá)要以對遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo)進(jìn)行搜索為主,同時(shí)可為火力單元提供高測量精度的空情信息,這需要根據(jù)雷達(dá)作用距離的要求,合理選擇波長。波長短,可提高雷達(dá)發(fā)射天線的增益,提高測量精度;波長長,能量損失小、探測距離遠(yuǎn),但要求大的天線孔徑。美國的“愛國者”防空系統(tǒng)中的雷達(dá)(AN/MPQ-53)是一部集搜索、監(jiān)視、截獲、跟蹤于一體的相控陣機(jī)動(dòng)雷達(dá),其主要參數(shù)見表1[4]。

脈沖壓縮技術(shù)。脈沖壓縮技術(shù)在發(fā)射時(shí)采用寬脈沖以提高發(fā)射的平均功率,滿足提高探測距離、降低發(fā)射機(jī)及饋線承受高峰值功率的要求;接收時(shí)采用相應(yīng)的脈沖壓縮法獲得窄脈沖,以滿足距離分辨率和測距精度的要求。相對普通警戒雷達(dá),采用脈沖壓縮體制雷達(dá)能夠提高距離分辨率和測距精度。

表1 AN/MPQ-53相控陣?yán)走_(dá)戰(zhàn)技術(shù)參數(shù)

激光雷達(dá)技術(shù)。激光雷達(dá)是以激光器為輻射源,以光電探測為接收器件,以光學(xué)望遠(yuǎn)鏡為天線的雷達(dá)。它具有高的天線增益和極窄的波束,測角精度可達(dá)0.1m rad。它的脈沖寬度可以達(dá)到納秒級,測距精度可達(dá)到厘米級。但其對目標(biāo)的搜索和捕獲相對困難。

跟蹤雷達(dá)預(yù)警技術(shù)?；鹂乩走_(dá)、制導(dǎo)雷達(dá)等跟蹤雷達(dá)都具有較高的探測精度,能滿足火力單元的精確射擊需求?？蓪⒏櫪走_(dá)通過情報(bào)信息系統(tǒng)接入預(yù)警網(wǎng)絡(luò),在其自身火力單元無法實(shí)施射擊時(shí)為其它火力單元提供精確目標(biāo)參數(shù),作為精確預(yù)警單元使用。

3 時(shí)間統(tǒng)一

3.1 時(shí)間統(tǒng)一的必要性

在防空預(yù)警中,時(shí)間信息是保證各雷達(dá)單元信息交互精確性的基礎(chǔ),應(yīng)作為目標(biāo)空情信息的重要組成部分。警戒雷達(dá)獲取的精確空情信息,在傳輸給其他雷達(dá)站和信息處理單元過程中,系統(tǒng)間存在時(shí)間誤差和一定時(shí)間延遲,如果沒有嚴(yán)格統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn),就難以保證空情信息在時(shí)間上的精確性,精確預(yù)警就失去了意義。

3.2 空情信息的時(shí)間統(tǒng)一

時(shí)間統(tǒng)一,也稱為時(shí)間同步或?qū)r(shí),就是將各種同步或異步工作的雷達(dá)在時(shí)間基準(zhǔn)和頻率基準(zhǔn)上保持一致,使信息處理更精確。為了保證同一時(shí)刻目標(biāo)位置信息在各雷達(dá)站或信息處理單元中的一致性,可以在傳輸?shù)哪繕?biāo)航跡信息中加入精確的時(shí)間信息,可用如(M,R,T)格式的數(shù)據(jù)包進(jìn)行信息傳輸,其中M為警戒雷達(dá)獲取目標(biāo)信息,包括批次、目標(biāo)位置高度、速度、機(jī)架、航向等信息;R為該雷達(dá)的位置信息,包括經(jīng)緯度和高程;T為獲取目標(biāo)信息的精確系統(tǒng)時(shí)間,格式為(n-y-r,h-m-s-ms-μs),n-y-r為年-月-日,h-m-s-m s-μs為時(shí)-分-秒-毫秒-微秒。在各處理單元對目標(biāo)信息進(jìn)行處理時(shí),首先提取的目標(biāo)航跡信息進(jìn)行卡爾曼濾波,估算目標(biāo)未來點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù);提取時(shí)間信息與本單元時(shí)間信息對比,根據(jù)時(shí)間差能獲取當(dāng)前時(shí)間目標(biāo)位置信息。

3.3 定時(shí)和校頻

利用“北斗一號”定位系統(tǒng)的授時(shí)服務(wù)功能,可實(shí)現(xiàn)對各雷達(dá)站和信息處理單元統(tǒng)一的對時(shí)和校頻,它的單向標(biāo)稱定時(shí)精度較高,已完全能夠滿足精確預(yù)警需求。雷達(dá)系統(tǒng)可以通過提供基于“北斗一號”精確授時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)接口,或者將北斗一號的定時(shí)接收機(jī)及校頻模塊植入雷達(dá)系統(tǒng)中來實(shí)現(xiàn)精確定時(shí)。

單向定時(shí)模式下,用戶機(jī)不需要與地面中心站進(jìn)行交互,只需接收導(dǎo)航電文信號,自主獲得本地時(shí)間與北斗標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的鐘差,實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步?？赏ㄟ^使用“北斗一號”單向定時(shí)接收機(jī)或定位接收機(jī)實(shí)現(xiàn)。利用定位接收機(jī)時(shí)其工作原理如圖1所示。

圖1 “北斗一號”定位接收機(jī)單向定時(shí)原理

從定位接收機(jī)收到的導(dǎo)航電文信號中提取特征幀信號打開電子計(jì)數(shù)器閘門,用本地鐘輸出的1pps秒信號關(guān)門。從導(dǎo)航電文中讀取衛(wèi)星軌道參數(shù),根據(jù)本地坐標(biāo)計(jì)算偽距,確定傳播延時(shí);讀取特征幀相對于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)差信息,計(jì)算出鐘差改正值,對本地鐘進(jìn)行鐘差改正,可實(shí)現(xiàn)單向定時(shí)。

“北斗一號”校頻可在獲得標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的基礎(chǔ)上,采取時(shí)差法進(jìn)行,其工作原理如圖2所示。

圖2 “北斗一號”時(shí)差法校頻原理

將被測頻率通過分頻或數(shù)字鐘得到1pps秒信號,然后與接收機(jī)輸出的1pps秒信號用示波器或計(jì)數(shù)器進(jìn)行時(shí)差對比,兩次測量期間平均的相對頻率偏差為:

式中,Δf/f為相對頻率偏差;t2、t1為兩次測量的時(shí)刻;Δt2、Δt1分別為標(biāo)準(zhǔn)秒信號與被測秒脈沖在測量時(shí)刻t2和t1測得的時(shí)刻差。

4 雷達(dá)組網(wǎng)

4.1 雷達(dá)組網(wǎng)的意義

雷達(dá)組網(wǎng)是通過對多部不同體制、不同頻段、不同極化方式的雷達(dá)進(jìn)行適當(dāng)和合理優(yōu)化的布站,對網(wǎng)內(nèi)各部雷達(dá)獲取的空情信息進(jìn)行收集和傳遞,并由中心站綜合處理、控制和管理,從而形成有效的綜合性探測網(wǎng)。雷達(dá)網(wǎng)在配置上具有高、中、低空,遠(yuǎn)、中、近程的全空域立體式觀察能力;在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)各單站雷達(dá)信息相關(guān)處理、網(wǎng)內(nèi)雷達(dá)資源共享,能有效增強(qiáng)對敵隱形及低空目標(biāo)的預(yù)警能力、提高探測距離和探測精度;從任務(wù)上說,雷達(dá)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)具有預(yù)警、引導(dǎo)、目標(biāo)指示、火控、指揮控制和干擾等功能;為了提高信息化條件下防空反導(dǎo)、反隱身目標(biāo)的精確作戰(zhàn)能力,通常需要進(jìn)行雷達(dá)組網(wǎng)及火力系統(tǒng)組網(wǎng)。

4.2 時(shí)空校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)融合

雷達(dá)組網(wǎng)的關(guān)鍵是空間校準(zhǔn)、時(shí)間統(tǒng)一和數(shù)據(jù)融合。由于各單站雷達(dá)的坐標(biāo)系不同,數(shù)據(jù)采樣率、數(shù)據(jù)獲取時(shí)間不同,數(shù)據(jù)融合中心為了進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián),必須先進(jìn)行空間和時(shí)間的校準(zhǔn)。

通過“北斗一號”衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行精確定位和方位標(biāo)定,可實(shí)現(xiàn)空間校準(zhǔn)。但在雷達(dá)測量系統(tǒng)中,獲取的目標(biāo)位置信息均是以雷達(dá)站為中心的極坐標(biāo)系表示,需要將各站測得的目標(biāo)極坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系進(jìn)行融合。其過程為:先將各雷達(dá)站極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為雷達(dá)站直角坐標(biāo),然后變換到空間大地坐標(biāo)系,在融合中心以空間大地坐標(biāo)系格式進(jìn)行融合處理,然后再將信息傳給各雷達(dá)站,由雷達(dá)站再解算變換為各自的極坐標(biāo)信息;或者在融合處理后直接根據(jù)各雷達(dá)站在空間大地坐標(biāo)系中的位置進(jìn)行解算,形成各站的站心球極坐標(biāo)信息后,傳輸給相應(yīng)的雷達(dá)站。

時(shí)間的校準(zhǔn)可以參照時(shí)間統(tǒng)一技術(shù),各雷達(dá)站都采用“北斗一號”定時(shí)校頻,校準(zhǔn)精度完全高于傳統(tǒng)的線性時(shí)間校準(zhǔn)插值法、拋物時(shí)間校準(zhǔn)插值法以及其他時(shí)間插值法獲取的時(shí)間精度。

組網(wǎng)雷達(dá)的數(shù)據(jù)融合處理有集中式點(diǎn)跡融合、分布式航跡融合和混合式融合3種。集中式點(diǎn)跡融合將各單雷達(dá)的點(diǎn)跡數(shù)據(jù)直接送到融合中心進(jìn)行濾波,實(shí)現(xiàn)點(diǎn)跡融合,形成目標(biāo)航跡。其具有融合精度高、系統(tǒng)時(shí)延小、系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)概率高的優(yōu)點(diǎn),但由于數(shù)據(jù)量很大,對融合中心處理機(jī)的處理能力和通信帶寬要求高。分布式航跡融合先由單雷達(dá)數(shù)據(jù)處理器對各自的觀測進(jìn)行處理,形成本地航跡,再傳給數(shù)據(jù)融合中心進(jìn)行航跡相關(guān)和融合。分布式航跡融合系統(tǒng)是一種常見的融合方式,它的可靠性高,在單站故障時(shí)整個(gè)系統(tǒng)仍能工作,具有重組能力,且可降低對融合中心處理機(jī)能力和通信帶寬的要求;但系統(tǒng)融合精度不高,系統(tǒng)時(shí)延相對較大,特別是在整個(gè)組網(wǎng)雷達(dá)或網(wǎng)內(nèi)大部分雷達(dá)受到強(qiáng)電子干擾,單站雷達(dá)的距離信息就會(huì)喪失,無法在單站對目標(biāo)進(jìn)行定位濾波而形成航跡,從而無法進(jìn)行分布式航跡融合?；旌鲜饺诤鲜屈c(diǎn)跡融合和航跡融合的結(jié)合,即在系統(tǒng)中有多個(gè)同等級別的處理中心存在,各個(gè)處理中心融合若干單站的觀測數(shù)據(jù),最后由頂層融合中心實(shí)現(xiàn)航跡融合或者點(diǎn)跡/航跡融合。它在處理機(jī)性能、通信帶寬、系統(tǒng)時(shí)延、融合精度和探測概率的要求上得到了較好的折中,比較合理,目前已普遍應(yīng)用于外軍C4ISR系統(tǒng)中。

5 結(jié)束語

隨著未來精確防空作戰(zhàn)的發(fā)展,防空雷達(dá)主要功能將向預(yù)警探測、偵察監(jiān)視、打擊引導(dǎo)一體化的精確預(yù)警發(fā)展。采用相控陣、脈沖壓縮等技術(shù)可提高防空雷達(dá)自身的偵察預(yù)警的精確度;采用基于“北斗一號”衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行精確標(biāo)定和時(shí)間校準(zhǔn),具有較高的精度;防空雷達(dá)組網(wǎng)能有效整合預(yù)警資源,提高精確預(yù)警能力。對防空雷達(dá)精確預(yù)警在精確標(biāo)定、精確探測、時(shí)間統(tǒng)一、雷達(dá)組網(wǎng)四個(gè)方面的研究,對防空雷達(dá)在精確預(yù)警方面的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)精確防空作戰(zhàn)有參考價(jià)值?！?/p>

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