王劍波 丁文優(yōu)

1華中科技大學(xué) 控制科學(xué)與工程系，湖北 武漢430074 2中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢430064

作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)無(wú)源協(xié)同定位的一種設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王劍波1，2丁文優(yōu)2

1華中科技大學(xué) 控制科學(xué)與工程系，湖北 武漢430074 2中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢430064

無(wú)源定位是艦艇作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)獲取戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的有效途徑?，F(xiàn)有的無(wú)源定位技術(shù)均局限于單平臺(tái)無(wú)源機(jī)動(dòng)定位或同型無(wú)源探測(cè)設(shè)備單機(jī)單控多平臺(tái)協(xié)同定位，缺乏系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)理念。提出一種針對(duì)艦艇作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)無(wú)源協(xié)同定位功能的集成設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法，通過(guò)系統(tǒng)功能部署設(shè)計(jì)、明確系統(tǒng)配置組成、信息交互需求分析3個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)了多平臺(tái)同型無(wú)源探測(cè)設(shè)備從系統(tǒng)層面開(kāi)展協(xié)同定位的能力。以多平臺(tái)同型無(wú)源探測(cè)設(shè)備的協(xié)同定位為例開(kāi)展模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的有效性和可行性。研究表明，所提出的方法較單機(jī)單控協(xié)同定位方式定位收斂時(shí)間縮短，定位精度有所提高，理論上還可以支持不同艦艇之間異型無(wú)源探測(cè)設(shè)備的協(xié)同定位。

無(wú)源定位；測(cè)向交叉定位；作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)；頂層設(shè)計(jì)

1 引言

在現(xiàn)代海戰(zhàn)場(chǎng)中，保持無(wú)線(xiàn)電靜默是艦艇根據(jù)作戰(zhàn)需要所采取的戰(zhàn)術(shù)隱蔽措施。在艦艇保持無(wú)線(xiàn)電靜默過(guò)程中，無(wú)源定位是艦艇作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)獲取戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的有效途徑。無(wú)源定位技術(shù)通常指的是工作平臺(tái)不向外輻射電磁波，通過(guò)接收目標(biāo)電子設(shè)備發(fā)射的電磁信號(hào)測(cè)定輻射源位置的一項(xiàng)技術(shù)。通過(guò)被動(dòng)接收聲波、紅外特征信號(hào)等測(cè)定輻射源位置也屬于無(wú)源定位技術(shù)范疇［1－2］。無(wú)源定位具有一定的超視距探測(cè)功能，可以先敵發(fā)現(xiàn)，從而先敵攻擊、爭(zhēng)取主動(dòng)。而且，由于無(wú)源探測(cè)和定位系統(tǒng)（設(shè)備）本身不輻射射頻能量，因此不易被敵方電子偵察系統(tǒng)探測(cè)到，隱蔽性好，具有極強(qiáng)的雷達(dá)反偵察、反對(duì)抗、反ARM（反輻射導(dǎo)彈）攻擊、反隱身等能力［3］。因此，艦艇作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)無(wú)源定位技術(shù)在現(xiàn)代海戰(zhàn)中具有很大的軍事應(yīng)用價(jià)值。

目前，無(wú)源定位技術(shù)主要有測(cè)向交叉定位、時(shí)差無(wú)源定位［4］、多普勒頻率定位［5］、測(cè)相位差變化率定位、方位-到達(dá)時(shí)間聯(lián)合定位、方位-頻率聯(lián)合定位、“平面外”多路徑反射信號(hào)無(wú)源定位［6］等。其中，時(shí)差定位和頻差定位技術(shù)在工程實(shí)現(xiàn)方面面臨若干技術(shù)難題和局限性。在國(guó)外現(xiàn)役裝備中，采用測(cè)相位差變化率定位的系統(tǒng)較多，典型的有捷克的“塔瑪拉改進(jìn)型”薇拉（VERA）系統(tǒng)、俄羅斯的VEG－A85V6－A 3坐標(biāo)無(wú)源定位系統(tǒng)、美國(guó)的AN／TRQ－99移動(dòng)式無(wú)源定位系統(tǒng)、烏克蘭的“鎧甲”空情監(jiān)視系統(tǒng)等［7］。而測(cè)向交叉定位是一類(lèi)經(jīng)典的定位技術(shù)，其基本原理是通過(guò)高度精確的測(cè)向設(shè)備在2個(gè)以上的觀(guān)測(cè)點(diǎn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)向，各個(gè)測(cè)向線(xiàn)的交叉點(diǎn)就是目標(biāo)的位置，該項(xiàng)技術(shù)在現(xiàn)代海戰(zhàn)中同樣也得到了廣泛的應(yīng)用。

然而，現(xiàn)有的無(wú)源定位技術(shù)均局限于單平臺(tái)無(wú)源機(jī)動(dòng)定位或多平臺(tái)同型無(wú)源探測(cè)設(shè)備協(xié)同定位，均屬于單機(jī)單控模式，缺乏系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)理念。單平臺(tái)無(wú)源機(jī)動(dòng)定位需要用于定位的艦艇嚴(yán)格按照規(guī)定的航路和運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行航行機(jī)動(dòng)，限制因素較多，并且定位解算收斂時(shí)間長(zhǎng)、定位精度低、適用性較差。多平臺(tái)同型無(wú)源探測(cè)設(shè)備協(xié)同定位雖然實(shí)現(xiàn)了利用多艘艦艇進(jìn)行協(xié)同定位，但該技術(shù)仍處于艦艇間設(shè)備級(jí)的協(xié)同。事實(shí)上，基于無(wú)源交叉測(cè)向定位原理解決多平臺(tái)同型無(wú)源探測(cè)設(shè)備協(xié)同定位，還需要導(dǎo)航定位、通信、時(shí)間對(duì)準(zhǔn)等多方面的信息保障，顯然較單設(shè)備而言，艦艇作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)能夠更好地提供這些保障。

本文從系統(tǒng)總體的角度開(kāi)展無(wú)源定位設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法研究，該方法不僅可以從系統(tǒng)級(jí)協(xié)同的層面實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)同型無(wú)源探測(cè)設(shè)備的協(xié)同，理論上還可實(shí)現(xiàn)艦艇間異型無(wú)源探測(cè)設(shè)備的協(xié)同定位功能。利用艦艇作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)裝備的被動(dòng)雷達(dá)、電子偵察設(shè)備、被動(dòng)聲吶、紅外設(shè)備等具有無(wú)源探測(cè)能力的設(shè)備，通過(guò)自頂向下地開(kāi)展艦艇作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)無(wú)源協(xié)同定位集成設(shè)計(jì)，可進(jìn)一步拓展作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)功能和作戰(zhàn)適應(yīng)性，為作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)研制提供技術(shù)支撐。

2 功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

艦艇作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)無(wú)源協(xié)同定位集成功能設(shè)計(jì)，按照以下3個(gè)步驟展開(kāi)：

1）系統(tǒng)功能部署設(shè)計(jì)。艦艇作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)無(wú)源協(xié)同定位功能由1艘定位艦和1艘或多艘輔助定位艦協(xié)同完成，各艦指控系統(tǒng)通過(guò)無(wú)源探測(cè)設(shè)備采用測(cè)向交叉定位獲取目標(biāo)的測(cè)向信息，定位艦指控系統(tǒng)通過(guò)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈無(wú)線(xiàn)信道與輔助定位艦互相發(fā)送協(xié)同控制命令和目標(biāo)數(shù)據(jù)信息，指控系統(tǒng)通過(guò)協(xié)同定位算法軟件模塊計(jì)算得出目標(biāo)的位置信息，產(chǎn)生目標(biāo)綜合態(tài)勢(shì)。

2）明確系統(tǒng)配置組成。由系統(tǒng)功能分解部署，進(jìn)一步明確作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)在每艘艦艇平臺(tái)上無(wú)源協(xié)同功能分解及配置組成需求，如表1所示。

表1 作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)無(wú)源協(xié)同定位功能分解及配置組成需求Tab.1 Function decomposition and demand for configuration on combat command system passive cooperative location

3）信息交互需求分析。在明確作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)配置組成需求后，根據(jù)各配置組成系統(tǒng)（設(shè)備）在作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)無(wú)源協(xié)同定位功能部署，確定作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)各配置組成系統(tǒng) （設(shè)備）的信息交互需求。在作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)源探測(cè)時(shí)，無(wú)源探測(cè)設(shè)備將探測(cè)到的原始目標(biāo)角航跡數(shù)據(jù)輸出至指控系統(tǒng)，指控系統(tǒng)將本艦無(wú)源探測(cè)設(shè)備發(fā)送的原始目標(biāo)角航跡數(shù)據(jù)、經(jīng)通信系統(tǒng)接收的協(xié)同艦待協(xié)同定位信息（包括無(wú)源探測(cè)設(shè)備原始目標(biāo)角航跡、平臺(tái)導(dǎo)航信息、無(wú)源探測(cè)設(shè)備操控參數(shù)、協(xié)同就位點(diǎn)位置參數(shù)等信息）進(jìn)行定位解算和融合處理，輸出融合目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)，生成綜合目標(biāo)態(tài)勢(shì)。導(dǎo)航系統(tǒng)、時(shí)間基準(zhǔn)設(shè)備、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)運(yùn)行所必需的信息支援保障，其中導(dǎo)航系統(tǒng)、時(shí)間基準(zhǔn)設(shè)備為指控系統(tǒng)、無(wú)源探測(cè)設(shè)備分別提供本艦導(dǎo)航信息（包括艏向角、艦姿、艦位、航速等信息）、時(shí)間信息，通信系統(tǒng)保障本艦與協(xié)同艦之間相關(guān)業(yè)務(wù)信息的傳輸，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備保障作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)內(nèi)各配置組成系統(tǒng)（設(shè)備）之間信息的傳輸、交換和分發(fā)。作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)無(wú)源協(xié)同定位信息交換需求如表2所示。

表2 作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)無(wú)源協(xié)同定位信息交換需求Tab.2 Requirements of message exchange on combat command system passive cooperative location

3 流程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在完成系統(tǒng)無(wú)源協(xié)同定位功能設(shè)計(jì)后，開(kāi)展作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)無(wú)源協(xié)同定位信息流程設(shè)計(jì)。

遂行無(wú)源協(xié)同定位的艦艇可互為協(xié)同艦，一般約定以發(fā)起協(xié)同定位指令的艦艇擔(dān)任主艦，協(xié)同艦作為從艦。下面以雙艦作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)無(wú)源協(xié)同定位為例，來(lái)說(shuō)明作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)無(wú)源協(xié)同定位的流程，如圖1所示。

主艦的無(wú)源探測(cè)設(shè)備被動(dòng)探測(cè)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后產(chǎn)生原始目標(biāo)角航跡，指控系統(tǒng)將無(wú)源探測(cè)設(shè)備輸出的原始目標(biāo)角航跡數(shù)據(jù)、導(dǎo)航信息、無(wú)源探測(cè)操控參數(shù)、協(xié)同就位點(diǎn)位置參數(shù)等信息組合成待協(xié)同定位信息后由通信系統(tǒng)向從艦發(fā)送。

從艦的通信系統(tǒng)在接收到主艦發(fā)送的協(xié)同定位信息后轉(zhuǎn)發(fā)至從艦指控系統(tǒng)，從艦指控系統(tǒng)接收并顯示相關(guān)待協(xié)同定位信息。從艦作戰(zhàn)人員將根據(jù)待協(xié)同定位信息提示完成從艦機(jī)動(dòng)，并操作從艦無(wú)源探測(cè)設(shè)備進(jìn)行搜索。從艦到達(dá)指定位置并按要求搜索到同一目標(biāo)后將目標(biāo)角航跡數(shù)據(jù)上報(bào)至從艦指控系統(tǒng)，同樣也形成待協(xié)同定位信息。從艦指控系統(tǒng)將根據(jù)主、從艦的待協(xié)同定位信息計(jì)算出待定位目標(biāo)的距離和方位。之后，作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)按正常情報(bào)流程進(jìn)行處理。

圖1 作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)雙艦無(wú)源協(xié)同定位功能框圖Fig.1 Configuration scheme of combat command system twi－ship passive cooperative location

4 模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以多平臺(tái)同型無(wú)源探測(cè)設(shè)備的協(xié)同定位為例，開(kāi)展在模擬試驗(yàn)環(huán)境下的作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)雙艦無(wú)源協(xié)同定位試驗(yàn)，以驗(yàn)證本文提出的作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)無(wú)源定位設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法的有效性和可行性。

試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)了3艘水面艦艇進(jìn)行試驗(yàn)，分別擔(dān)負(fù)協(xié)同任務(wù)的主艦、從艦和目標(biāo)艦。在作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)模擬環(huán)境中，模擬主艦和從艦的雷達(dá)設(shè)備、指控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)等系統(tǒng)（設(shè)備）正常工作，目標(biāo)艦雷達(dá)設(shè)備開(kāi)機(jī)發(fā)射射頻。

模擬試驗(yàn)設(shè)定在5級(jí)海況下，3艘艦艇呈“品”字排列，相互之間距離約10 km，試驗(yàn)開(kāi)始后參試艦艇以18 kn航速同向直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，如圖2所示。

作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)模擬試驗(yàn)環(huán)境對(duì)3艘艦艇的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)測(cè)量，經(jīng)計(jì)算處理后得出3者的相對(duì)位置數(shù)據(jù)，該相對(duì)位置數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)的約定真值。將同時(shí)段的作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)協(xié)同定位融合目標(biāo)數(shù)據(jù)與約定真值按同時(shí)刻計(jì)算誤差。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

影響作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)無(wú)源協(xié)同定位誤差的主要因素有雷達(dá)機(jī)械零位與電氣零位誤差、數(shù)據(jù)傳輸和處理時(shí)延、艦位誤差、艦姿誤差、航速誤差、時(shí)間誤差、協(xié)同艦航路與目標(biāo)的位置關(guān)系［8］等。

圖2 作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)雙艦無(wú)源協(xié)同定位模擬試驗(yàn)航路Fig.2 Simulation track of combat command system twi-ship passive cooperative location

圖3給出了1次作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)雙艦協(xié)同定位試驗(yàn)中的目標(biāo)距離和方位誤差分布圖，該試驗(yàn)過(guò)程持續(xù)時(shí)間5.7 min，作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)輸出連續(xù)，融合目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)錄取采樣345幀，約定真值數(shù)據(jù)采樣1幀／s。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)收斂到穩(wěn)定耗時(shí)大約2 min，與以往采用的單機(jī)單控模式定位相比，雙艦協(xié)同定位的數(shù)據(jù)收斂時(shí)間縮短 1／3～1／2。經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，目標(biāo)距離誤差均方根值為 1.71 m，目標(biāo)方位誤差均方根為 0.57°，定位精度有所提高。

圖3 作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)雙艦協(xié)同定位模擬試驗(yàn)誤差分布圖Fig.3 Smulation error distribution of combat command system twi-ship passive cooperative location

6 結(jié) 論

本文從作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)頂層的角度，基于無(wú)源交叉測(cè)向定位原理，提出了一種支持不同艦艇之間同型無(wú)源探測(cè)設(shè)備的協(xié)同定位的艦艇作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)無(wú)源協(xié)同定位集成設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案，并通過(guò)模擬試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法切實(shí)可行，較以往所采用的單機(jī)單控模式相比收斂時(shí)間縮短。并且該方法在理論上還可以實(shí)現(xiàn)不同艦艇之間異型無(wú)源探測(cè)設(shè)備的協(xié)同定位功能，后期將繼續(xù)開(kāi)展不同艦艇之間異型無(wú)源探測(cè)設(shè)備的協(xié)同定位模擬試驗(yàn)研究。

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An Approach to Passive Cooperative Location for Combat Command System

Wang Jian－bo1，2Ding Wen－you2

1 Department of Control Science and Engineering， Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China 2 China Ship Development and Design Center， Wuhan 430064，China

Passive location provides shipboard combat command system with the capability of situational awareness in an efficient way，but existing technology is constrained to single platform based mobile location or multiple platform cooperative location by single unit and single control among the same type of passive detection equipment， primarily due to lack of top－level design considerations.This paper presented a function integration and design approach to passive cooperative location for shipboard combat command system.The process of cooperative location among the same type of passive detection equipment in system－level is as follows： system function deployment， system configuration identification and requirement analysis of information interaction.Simulation tests showed the validity and feasibility of the proposed approach.Compared with the single－unit and single－control mode， the method proposed improves convergence time and location precision，and also supports cooperative location among the different types of passive detection equipment belongs to different ships.

passive location； dual direction finding radar cross-positioning； combat command system；top－level design

U665.2

A

1673－3185（2012）02－75－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2012.02.014

2011-04-28

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目（×××3415009）

王劍波（1978－），男，博士研究生，工程師。研究方向：艦船電子信息系統(tǒng)。E-mail：jbwcn＠hotmail.com

丁文優(yōu)（1981－），女，碩士，工程師。研究方向：艦船電子信息系統(tǒng)。

王劍波。

［責(zé)任編輯：喻 菁］