劉 峰， 毛德廣 ，趙 亮

（1.海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033；2.92919部隊(duì)司令部,浙江 寧波 315021）

從20世紀(jì)60年代開始，美國已展開無人值守雷達(dá)技術(shù)研究。國內(nèi)無人值守設(shè)備在通信機(jī)房、變電所、監(jiān)測(cè)站等設(shè)施上已獲得廣泛應(yīng)用。但在雷達(dá)方面，卻只有部分專家進(jìn)行過可行性探索外。隨著電子對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展，為了確保雷達(dá)的生存和性能的發(fā)揮，提高防空網(wǎng)的工作效率和自我防護(hù)能力，雷達(dá)不僅要無人值守，更要網(wǎng)絡(luò)化。本文首先討論無人值守雷達(dá)的組網(wǎng)方法，然后重點(diǎn)闡述無人值守雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)中的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。如圖1所示。

圖1 無人值守雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1 無人值守雷達(dá)與組網(wǎng)

1.1 無人值守雷達(dá)的特點(diǎn)

無人值守雷達(dá)[1-2]有著明顯的技術(shù)和實(shí)用優(yōu)勢(shì)，不僅可大幅度減少和平時(shí)期軍用裝備的值守人員和使用保障等費(fèi)用開支，特別是架設(shè)在高山、海島的無人值守雷達(dá)，可大大減少值守部隊(duì)保障供給和保障設(shè)施建設(shè)的難度，從根本上解決高山、海島員以及生存條件惡劣地區(qū)雷達(dá)站駐守人員健康、安全、后勤保障等難題，具有很好的應(yīng)用前景和發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

1.2 無人值守雷達(dá)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

無人值守雷達(dá)系統(tǒng)組網(wǎng)系統(tǒng)由無人值守雷達(dá)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)端控制指揮中心和網(wǎng)顯臺(tái)5部分構(gòu)成[3]，

雷達(dá)組網(wǎng)在國內(nèi)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但現(xiàn)階段參與組網(wǎng)的都還只是限于普通雷達(dá)，而無人值守雷達(dá)組網(wǎng)不僅具有普通雷達(dá)組網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，還包含自身獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。本系統(tǒng)的應(yīng)用可以提高軍用雷達(dá)裝備的自動(dòng)化程度，特別是在一些氣候惡劣的高山、海島雷達(dá)站，雷達(dá)值勤可以在條件相對(duì)寬松的中心指揮所內(nèi)完成，從而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)本地?zé)o人（或少人）值守。此外，指揮中心可以同時(shí)控制多部雷達(dá)，實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)空情，從而形成高級(jí)雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)，大大提升雷達(dá)的抗干擾能力，本地雷達(dá)的存活能力，雷達(dá)情報(bào)的探測(cè)性能，減少人員傷亡。為此，本文借助普通雷達(dá)組網(wǎng)思想，考慮到無人值守的特殊性，設(shè)計(jì)出一種無人值守雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

無人值守與組網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，結(jié)構(gòu)不同，功能上亦有其特殊優(yōu)勢(shì)，關(guān)鍵技術(shù)上既有與普通雷達(dá)組網(wǎng)相同之處，也有其獨(dú)特的技術(shù)要求。無人值守雷達(dá)組網(wǎng)除必須考慮共性技術(shù)如時(shí)空一致，數(shù)據(jù)融合，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)等技術(shù)外，還需研究可靠性，可維修性等。雷達(dá)組網(wǎng)后，各部雷達(dá)已不是一個(gè)個(gè)孤立站，而是雷達(dá)網(wǎng)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，要把這些節(jié)點(diǎn)有機(jī)地聯(lián)系起來協(xié)調(diào)工作，各部雷達(dá)就必須在時(shí)域、頻域、空域上有效協(xié)調(diào)一致工作，達(dá)到數(shù)據(jù)融合處理、資源共享的目的。要讓無人值守雷達(dá)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)功能，就需解決以下幾方面的關(guān)鍵技術(shù)問題。

2.1 可靠性、維修性要求

正是由于環(huán)境、技術(shù)等方面限制，國內(nèi)前期投入使用的雷達(dá)站均為有人值守雷達(dá)站。在許多具有重要價(jià)值的高原地區(qū)由于無法解決人員長(zhǎng)期駐守的保障問題而不得不放棄部署雷達(dá)。其中很大原因就是目前常規(guī)的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)已不能滿足高原無人值守情況下雷達(dá)的高可靠工作需求。

為滿足無人值守任務(wù)，要求設(shè)備能夠連續(xù)工作時(shí)間大于720 h，MTBF≥5 000 h，MTTR≤15 min， 故障檢測(cè)率≥98%，故障隔離率100%到可更換單元。

要實(shí)現(xiàn)上述這些指標(biāo)要求，就需要對(duì)性能、可靠性、維修性和保障性進(jìn)行綜合分析、設(shè)計(jì)和權(quán)衡，在其性能、可靠性要求合理確定的前提下,應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)組成、可靠性冗余設(shè)置、基礎(chǔ)更換單元的確定、預(yù)防性維修周期等進(jìn)行綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的可靠性達(dá)到最優(yōu)化?？傊?，需要針對(duì)海島環(huán)境和無人值守特點(diǎn)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想，加強(qiáng)可靠性設(shè)計(jì)、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)、無人值守功能設(shè)計(jì),來確保雷達(dá)在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期可靠地工作[1]。

2.1.1 冗余設(shè)計(jì)

冗余設(shè)計(jì)一般應(yīng)用在系統(tǒng)或設(shè)備完成任務(wù)起關(guān)鍵作用的地方，提供一種以上的功能通道或工作組件，以減少設(shè)備出現(xiàn)故障的概率。可以用低可靠的零件或器件，構(gòu)成高可靠系統(tǒng)或設(shè)備。冗余設(shè)計(jì)技術(shù)主要類型有：并聯(lián)冗余、混合冗余、表決冗余、非工作冗余等。對(duì)于不同的設(shè)備，要求的側(cè)重面不同，冗余設(shè)計(jì)考慮的因素也不同。其目的是通過選擇合適有效的冗余類型和方式提高產(chǎn)品的任務(wù)可靠性。即當(dāng)一套系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，保證有備用的系統(tǒng)或備用的電路來工作，從而使整個(gè)系統(tǒng)能完成正常功能。

為了提高無人值守系統(tǒng)的可靠性，通常對(duì)設(shè)備必須實(shí)施各類冗余設(shè)計(jì)，但是冗余設(shè)計(jì)意味著增加系統(tǒng)或設(shè)備的復(fù)雜性，同時(shí)要考慮到體積、重量及成本的約束，因此冗余必須全面考慮協(xié)調(diào)多重工作模式需要。根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)可靠性的需要，又要滿足基本可靠性指標(biāo)要求的前提下，可對(duì)可靠性薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，但是需要合理設(shè)置冗余數(shù)量使冗余設(shè)計(jì)的資源耗費(fèi)最少、系統(tǒng)可靠性最大。

2.1.2 器件的可靠性

1）設(shè)備元器件須具有很好的抗腐蝕性 海島上的雨水充足，風(fēng)浪大，臺(tái)風(fēng)氣候多，裝備會(huì)長(zhǎng)期與含鹽量很高的水汽接觸，這就對(duì)器件的工藝和原材料選取有很高要求。

2）設(shè)備的元器件須有耐高溫性 海島天氣決定設(shè)備長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境下，在工藝的防護(hù)設(shè)計(jì)上針對(duì)長(zhǎng)期高溫會(huì)引起線纜保護(hù)層加速老化、絕緣損壞、開裂等情況，改進(jìn)戶外方艙、天線等設(shè)備表面涂料面漆，提高耐高溫性。車外電纜等加金屬箔防護(hù)層，以防止和減少紫外線的侵害。運(yùn)輸車、方艙等大型設(shè)備設(shè)置在工作或儲(chǔ)存建筑物內(nèi)。

3）器件質(zhì)量的穩(wěn)定性 無人值守站長(zhǎng)期處于高溫下時(shí)空調(diào)效果會(huì)很有限，而天線等設(shè)備本身就安裝在露天環(huán)境。這就要求這些設(shè)備在溫度、濕度變化劇烈或持續(xù)高溫多雨的條件下仍能正常工作。元器件的容忍性要好，否則指標(biāo)偏移、質(zhì)量不穩(wěn)、設(shè)備機(jī)盤損壞，給維護(hù)工作帶來麻煩。

4）機(jī)械設(shè)計(jì)的可靠性 在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上針對(duì)天線轉(zhuǎn)臺(tái)潤滑劑粘度增大、運(yùn)動(dòng)部件機(jī)械強(qiáng)度降低、運(yùn)動(dòng)部件磨損加劇等原因，減速箱、大軸承選用低溫潤滑油潤滑，解決傳動(dòng)系統(tǒng)低溫潤滑問題。

2.2 時(shí)間同步問題

時(shí)間同步[4]是把不同傳感器在不同測(cè)量時(shí)間對(duì)同一目標(biāo)的測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成融合時(shí)刻為基準(zhǔn)的時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)。無論是共站異步工作的多個(gè)傳感器，或者異地異步傳送的報(bào)告，從傳感器測(cè)量到平臺(tái)融合，或從平臺(tái)融合到中心融合，都存在一個(gè)時(shí)間差，所以要根據(jù)傳感器測(cè)量時(shí)刻目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)推算融合時(shí)刻目標(biāo)的位置。如果不能很好的處理時(shí)空統(tǒng)一，使數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，將導(dǎo)致雷達(dá)數(shù)據(jù)處理精度大大下降，極大影響后繼信息處理的可信度，降低跟蹤精度。

現(xiàn)在運(yùn)用的方法主要有單向和雙向兩種時(shí)間同步法。單向同步法是中心站把同步校正信號(hào)單方向傳送到被校正的各從站，該方法設(shè)備簡(jiǎn)單，但誤差相對(duì)較大，同步精度大部分只能達(dá)到微秒級(jí)別；而雙向同步是主從站互向?qū)Ψ桨l(fā)信號(hào)，原理上可以消除共同傳播路徑誤差，大部分時(shí)刻同步精度可達(dá)納秒級(jí)，實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間同步，但設(shè)備復(fù)雜，成本較高，尤其是主站，要同時(shí)與多個(gè)從站同步，其工作量大,可靠性差。

按照雷達(dá)組網(wǎng)的性能要求，單純用單向時(shí)間同步無法滿足時(shí)間同步精度的需求，而雙向同步建站過于復(fù)雜且昂貴。在研究雷達(dá)組網(wǎng)精度的需求后發(fā)現(xiàn)，在單向時(shí)間同步系統(tǒng)中引入GPS后能較好解決這一問題。GPS不但可用于精密定位，還可用于精密定時(shí)，其精度可達(dá) 10－12～10－13量級(jí)，所以可使用GPS校正地面低成本的銣原子頻標(biāo)，使其校正到同等量級(jí)，這樣的精度在許多實(shí)際應(yīng)用中都能達(dá)到要求。而且，GPS可以全球性全天候發(fā)送GPS信號(hào)，從而達(dá)到雷達(dá)組網(wǎng)要求。

2.3 數(shù)據(jù)融合問題

過去多個(gè)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理采用綜合而不是融合，多個(gè)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)處理中心，選擇性能良好的雷達(dá)作為主站的辦法獲取數(shù)據(jù)，各個(gè)雷達(dá)責(zé)任范圍數(shù)據(jù)的相互交接是采用拼接方法，其缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)在責(zé)任范圍間的交接容易出錯(cuò)，對(duì)隱身目標(biāo)來說更易丟失信息。

圖2 數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)

根據(jù)無人值守雷達(dá)自身的特點(diǎn)分析，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合[5-7]可分成兩個(gè)層次：每個(gè)接收站構(gòu)成的平臺(tái)級(jí)融合和中心站的系統(tǒng)級(jí)融合。組網(wǎng)雷達(dá)的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，這種結(jié)構(gòu)不僅具有局部獨(dú)立跟蹤能力，還有全局監(jiān)視和評(píng)估特征的能力，最大限度利用了各個(gè)接收站的原始接收數(shù)據(jù)進(jìn)行決策，而且充分考慮多個(gè)接收站數(shù)據(jù)信息之間的互補(bǔ)，融合速度快，通信負(fù)擔(dān)輕，不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)接收站的功能影響整個(gè)系統(tǒng)的工作，因而具有較高的可靠性和容錯(cuò)性。

目前被廣泛采用的體系結(jié)構(gòu)大致分為3類：集中式、分布式和混合式。比較而言，集中式可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)融合，其數(shù)據(jù)處理的精度高，解法靈活，但是對(duì)處理器的要求高，通訊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，較難實(shí)現(xiàn)。分布式處理，系統(tǒng)方法簡(jiǎn)單、可靠、可擴(kuò)充容量，可本地操作，只需有限的計(jì)算資源，但處理精度較集中式低?；旌鲜绞菍?duì)兩種方法的某種組合。

考慮到無人值守雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)條件，采用分布式結(jié)構(gòu)較為合適，因?yàn)榧惺酵ㄐ艓捫枨筇?，尤其?jì)算機(jī)負(fù)載過大，較難滿足實(shí)時(shí)性的要求；如何更有效利用現(xiàn)有系統(tǒng)資源，是雷達(dá)數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)需要很好地考慮的問題。分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可用較低的費(fèi)用獲得較高的可靠性和可用性；減少數(shù)據(jù)處理要求；當(dāng)一個(gè)雷達(dá)降級(jí)工作，其觀測(cè)結(jié)果對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的性能和結(jié)果的影響很小；易于增加融合站的數(shù)量，而無需修改融合系統(tǒng)的軟件，還能使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)融合和操作要求。

2.4 航跡關(guān)聯(lián)

雷達(dá)航跡關(guān)聯(lián)[8]是把各個(gè)雷達(dá)信息源報(bào)來的雷達(dá)航跡關(guān)聯(lián)為一個(gè)共同的系統(tǒng)航跡，這個(gè)系統(tǒng)航跡應(yīng)和空中目標(biāo)數(shù)量一致、坐標(biāo)一致，它是各條雷達(dá)航跡的集合。

在數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)中，航跡關(guān)聯(lián)是最為關(guān)鍵的一步，所耗費(fèi)的時(shí)間也比其他的處理過程要多。無論采取哪種關(guān)聯(lián)方法，當(dāng)匹配區(qū)域中的航跡與回波點(diǎn)的數(shù)目增大時(shí)，計(jì)算量都會(huì)急劇增大，處理的時(shí)間也會(huì)隨之增多。

為更好地利用雷達(dá)傳送來的數(shù)據(jù)，可以將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的航跡關(guān)聯(lián)處理，并能很快將計(jì)算結(jié)果送系統(tǒng)顯示。這就要求系統(tǒng)必須首先將數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的分區(qū)處理，減少明顯的無關(guān)數(shù)據(jù)。而傳統(tǒng)的算法只適用于互相相隔很遠(yuǎn)，且在波門內(nèi)部只存在一個(gè)點(diǎn)跡的航跡情況。但現(xiàn)實(shí)中由于噪聲的影響，點(diǎn)跡和航跡的位置次序發(fā)生了一定的變化，就有可能發(fā)生錯(cuò)誤的關(guān)聯(lián)。當(dāng)點(diǎn)跡和航跡的位置發(fā)生變化后，原先設(shè)置的波門位置的合適程度將直接決定關(guān)聯(lián)的正確性。對(duì)一部雷達(dá)而言，接收的數(shù)據(jù)量巨大，通常1秒鐘需要處理幾十批的航跡信息。這使得所花費(fèi)的處理時(shí)間與系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求產(chǎn)生矛盾。而動(dòng)態(tài)分區(qū)技術(shù)的出現(xiàn)則很好解決了這個(gè)問題，它在減少計(jì)算量的同時(shí)，滿足解決多目標(biāo)同時(shí)跟蹤的要求，從而提高數(shù)據(jù)處理的效率。

圖3 動(dòng)態(tài)分區(qū)圖

動(dòng)態(tài)分區(qū)就是將可能關(guān)聯(lián)上的回波點(diǎn)與航跡放在同一個(gè)區(qū)中進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，從而將一些明顯無關(guān)的點(diǎn)跡（回波點(diǎn)與航跡）不在本分區(qū)中進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，以此減小數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的計(jì)算量。如圖3所示，可以將3 60 0方位內(nèi)有目標(biāo)回波的地方分出4個(gè)部分，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)過程分為4部分，分別在這4個(gè)扇區(qū)中進(jìn)行。劃分扇區(qū)的過程可大致認(rèn)為是一個(gè)系統(tǒng)粗關(guān)聯(lián)的部分，是人為地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，把明顯不可能關(guān)聯(lián)上的點(diǎn)隔離開，即放入別的扇區(qū)進(jìn)行考慮，以此提高數(shù)據(jù)處理效率。

動(dòng)態(tài)分區(qū)的準(zhǔn)則是根據(jù)航跡的特點(diǎn)總結(jié)出來的，并不固定，而是根據(jù)具體情況發(fā)生變化，動(dòng)態(tài)分區(qū)原則上分得越小越好，但實(shí)際上為了保證關(guān)聯(lián)的準(zhǔn)確性，會(huì)降低這個(gè)要求，所以必須在兩者之間權(quán)衡考慮。動(dòng)態(tài)分區(qū)越好，則程序運(yùn)行效率越高。經(jīng)過動(dòng)態(tài)分區(qū)數(shù)據(jù)處理，可減少數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的時(shí)間。

3 結(jié)束語

首次提出用無人值守雷達(dá)進(jìn)行組網(wǎng)，并分析它與普通雷達(dá)組網(wǎng)的區(qū)別，之后，給出無人值守雷達(dá)的組網(wǎng)方法，重點(diǎn)分析該系統(tǒng)中的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。由于無人值守對(duì)可靠性、可維修性的苛刻需求，在關(guān)鍵技術(shù)上，選取相關(guān)領(lǐng)域上比較成熟穩(wěn)定的方式，并根據(jù)無人值守 的具體要求做出相應(yīng)改進(jìn)。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)不僅能解決我國生存條件惡劣地區(qū)的雷達(dá)布站問題，而且能夠大幅度提高我雷達(dá)的生存能力、探測(cè)能力，還能促使雷達(dá)軟件化、網(wǎng)絡(luò)化、戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)略化水平的提高。按照本文開發(fā)的無人值守雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)正處于實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段。

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