(空軍西安飛行學院,陜西西安710300)

0 引言

具有隱身特性的四代機已成為世界軍事發(fā)展的主流趨勢。而現役各型預警機在探測具有低雷達散射截面積(RCS)的四代機時,其探測距離大大降低。以E-3預警機為例,它對于RCS大于5 m2目標的探測距離約為400 km,若目標以音速飛行(約1 200 km/h),所能提供的預警時間超過20 min。而對于RCS小于0.01 m2的隱身飛機,探測距離只有約80 km。而四代機的巡航速度可達1.5倍音速(約1 800 km/h)以上,預警機只能提供不到3 min的預警時間。可見四代機將大大降低預警機的探測威力。提升預警機的反隱身能力成為各國預警機作戰(zhàn)研究的熱點問題之一。

提升預警機對隱身四代機的探測能力,最直接的辦法是增大預警雷達的作用距離或改變雷達的工作頻段(從微波波段降低到米波波段)。但由于技術原因難以很快應用于現役預警機。在不改動預警機本身設計的前提下,采用預警機組網的方法可有效探測四代機的來襲。如果采用不同型號的預警機組網,由于雷達功率、天線面積或頻段不同,部分雷達可能能夠較早發(fā)現隱身目標。另外,如果多部預警雷達分別位于不同空域,能夠探測到來襲目標的不同側面,而通常其不同部位對雷達波的反射能力是不同的。例如F-22的RCS為0.01 m2,指的是飛機的鼻錐方向,即雷達波垂直于機頭方向入射時;如果雷達波照射在飛機側面或尾后方向,RCS會增大幾十倍甚至上百倍;當目標的RCS達到0.5 m2,探測距離就能夠增加2.66倍。以E-3預警機為例,當一架敵方隱身戰(zhàn)機以垂直方向接近某架預警機,則該預警機僅能探測到其鼻錐方向雷達回波,探測距離約80 km;如果采用組網的方式,將會有一架或幾架預警機位于該預警機側方,可以探測到來襲隱身戰(zhàn)機側面的雷達回波;當RCS為0.5 m2時,探測距離可達200 km以上[1]。當組網中任一架預警機發(fā)現目標,即可通過數據鏈迅速告知地面指揮所和其他預警機,贏得寶貴預警時間[2]。

1 預警機協(xié)同探測組網方式分析

1.1 預警機執(zhí)行“點狀”地域的防空預警任務

當警戒空域范圍小于一架預警機的強效區(qū)范圍,例如某重要政治或軍事目標,則可將其視為“點狀”地域的防空。此種情況下,雖然一架預警機即可將警戒空域完全覆蓋,不存在短時空域覆蓋盲區(qū),但存在低速盲區(qū),對于徑向速度較低的目標可能出現漏警情況。因此較為理想的條件是兩架預警機在空中同時執(zhí)行任務,并且飛行航線采用“十字形”,即兩架預警機的航線相互垂直,如圖1所示,可以較好地避免空中目標同時落入兩部機載預警雷達的速度盲區(qū),特別是避免落入雷達主雜波對應的低速盲區(qū)[3]。

圖1 兩架預警機“十字形”航線示意圖

1.2 預警機執(zhí)行“線狀”地區(qū)的預警探測任務

對于邊境地區(qū)或海上地理環(huán)境,通常需要警戒的區(qū)域較為廣闊,必須有多架預警機同時升空執(zhí)行任務,才能構成較為嚴密的空中警戒網絡。如果采用相同型號、全向覆蓋的預警機,則可以有兩種基本組合航線,如圖2所示,分別稱為“并立”方式和“串接”方式?！安⒘ⅰ敝付嗉茴A警機各自在任務區(qū)域獨立構成航線,即以各自的短航線飛行,完成預警探測任務協(xié)同;“串接”指多架預警機沿共同的航線飛行,完成與“并立”方式大小相當區(qū)域的預警任務。

圖2 3架預警機組合航線示意圖

1)“并立”型組合航線

“并立”型航線使用方便,各架預警機之間協(xié)同容易。為進一步減少雷達覆蓋盲區(qū),還可以優(yōu)化載機航線和航向,改善雷達探測效果。下面以雷達全方位覆蓋的兩架預警機的航線設計為例,來說明預警機執(zhí)行典型任務時的編隊方式。對具有邊境地區(qū)狹長特點的地域實現多架預警機聯合預警,其相鄰預警機的航線若大致相同,可以優(yōu)化的主要參數只有載機的飛行方向,若兩架飛機同步飛行,則它們的運動軌跡大致上可以分為同向和反向兩種,如圖3所示。

圖3 相鄰兩架預警機航線示意圖

2)“串接”型組合航線

從“串接”方式典型時刻的威力覆蓋分析可見,某些時刻,組合后的航線并不能保證所有線狀區(qū)域均能夠被有效覆蓋,例如圖4中3架預警機在該時刻的空域覆蓋只相當于兩架的能力。另外,“串接”方式下載機必須統(tǒng)一沿順時針或逆時針方向間隔飛行,無法靈活地調整航向和航速,因此在實際中較少使用。但對于載機首尾有盲區(qū)的機載預警雷達而言,有時是一種較為理想的組合航線方式。此外,對于預警機的無源探測而言,使用“串接”航線較使用“并立”航線具有更長的探測基線,因而可以獲得更好的方位測角精度,對提高輻射源定位精度有幫助。

圖4 預警機“串接”航線空域覆蓋示意圖

2 預警機優(yōu)化組網模型

2.1 預警機最優(yōu)化部署模型

預警機在遂行防空預警任務時,通常在敵防空火力圈之外,敵我戰(zhàn)線的我方一側巡邏飛行,飛行的航線通常采用雙平行線航線,但有時(如側風很大時)亦采用橫8字形,特殊情況下還可采取環(huán)繞保衛(wèi)重點的飛行巡邏方式,以便全方位環(huán)視警戒[4]。

本文以雙平行線形航線為例進行建模。一個雙平行線形航線可由4個要素唯一確定:中心點位置OL、航線長邊方向角θL、長邊長度L和轉彎半徑r,如圖5所示。

圖5 預警機雙平行線形航跡

一般情況下,將預警機所要防御的區(qū)域按重要程度分為警戒區(qū)域AW和重點區(qū)域AI,其中AW?AI,AW指至少被一架預警機探測的區(qū)域,AI指至少被一架預警機強效區(qū)覆蓋的區(qū)域[5]。在預警機資源有限的條件下,應該充分利用有限的預警機資源合理協(xié)同,使得對警戒區(qū)域和重點區(qū)域的探測面積均最大。但一般情況下,這兩個問題是相互矛盾的。因此,需要一種折中的辦法處理。本文采用加權的方法對該問題建立數學模型的優(yōu)化函數:

多預警機組網的優(yōu)化部署是指根據一定的評估模型,在一定區(qū)域內選擇各預警機巡邏航線的要素OL,θL,L和r,尋找f的最小值即預警機組網部署的最優(yōu)位置。若對每個參數的可能取值進行遍歷,則花費時間較長。因此需要對多預警機組網的部署建立評估模型并設計搜索算法獲得最優(yōu)解。

2.2 基于粒子群的預警機最優(yōu)化組網部署

粒子群優(yōu)化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)是基于群體智能的一種新型進化計算方法,已被證明是一種有效的全局優(yōu)化方法。其算法描述如下:一個有m個粒子組成的群體在D維搜索空間中以一定的速度飛行,假設:xi=(xi1,xi2,xi3,…,xid)為粒子i的當前位置;vi=(vi1,vi2,vi3,…,vid)為粒子i的當前飛行速度;pi=(pi1,pi2,pi3,…,pid)為粒子i所經歷的最好位置,也就是粒子i所經歷的具有最好適應度值的位置,稱為個體最好位置。設群體中的粒子數為s,群體中所有粒子所經歷過的最好位置為pg(t),稱為全局最好位置,則pg∈ {p0,p1,…,ps},且f(pg)=min{f(p0),f(p1),…,f(ps)}。

有了以上定義,基本粒子群算法的進化方程可描述為

式中:下標d表示粒子的第d維,i表示第i個粒子;上標k表示第k次迭代;w表示慣性權重;c1,c2表示加速常數;r1,r2表示分布在區(qū)間(0,1)的隨機數。

本文基于粒子群算法的預警機組網優(yōu)化步驟描述如下:

1)將組網中n架預警機的中心點位置OL的兩維坐標共同看作一個2n維的粒子,初始化粒子種群m和該粒子的初始位置和初始速度;

2)利用式(1)計算每個粒子的適應值;

3)對每個粒子,將其適應值與其經歷過的最好位置pi作比較,如果較好則其作為當前的最好位置pg;

4)對每個粒子,將其適應值與全局所經歷的最好位置pg作比較,如果較好,則重新設置pg的索引號;

5)根據式(2)、式(3),更新粒子的速度和位置;

6)如式(1)結果為1或迭代完成,則算法結束,否則轉入第2)步。

3 仿真分析

在東海方向聯合作戰(zhàn)中,要求預警機能基本覆蓋東海防空識別區(qū)的全部范圍,盡遠發(fā)現低空、超低空來襲目標及隱身目標,為地面指揮所提供預警情報;重點監(jiān)控某島礁、某油氣田,保持其一直處于預警機探測范圍內。將問題抽象化,設置一個1 000 km×650 km的長方形警戒區(qū)域,覆蓋東海防空識別區(qū)全部范圍,以及一個190 km×190 km正方形重點區(qū)域,包含某島礁、某油氣田。

本文采用粒子群優(yōu)化算法求解問題最優(yōu)解。經大概估算,兩架預警機即可基本覆蓋警戒區(qū)域。在設置巡邏空域時,應將巡邏航線垂直于敵機主要來襲方向。因此,雙平行線航線長邊應與警戒區(qū)域的長邊平行。以我國某型預警機性能為參考,將具體參數為:最大探測距離Rm=420 km、巡邏航線長邊長度L=60 km、轉彎半徑r=20 km、加權系數ω=0.2。利用粒子群算法對上述問題進行求解,仿真結果如圖6所示。

圖6 兩架預警機協(xié)同探測仿真結果

圖6中,(-500,-325),(-500,325),(500,-325),(500,325)四點構成的長方形區(qū)域為警戒區(qū)域;(210,75),(210,265),(400,75),(400,265)四點構成的正方形區(qū)域為重點區(qū)域。兩架預警機巡邏航線中心坐標分別為(340,-97)和(-189,52),中心白色區(qū)域為預警機強效區(qū),黑點區(qū)域為弱效區(qū)。仿真計算得到,優(yōu)化函數f=1.000 04,已非常接近最小值1。仿真結果表明,兩架預警機可覆蓋東海防空識別區(qū)99%以上的面積,釣魚島、油氣田等重點區(qū)域位于強效區(qū),可進行不間斷監(jiān)控,滿足預警探測要求,證明了本文所建模型比較理想。

4 結束語

預警機組網協(xié)同預警探測可提高隱身目標的探測距離,增加預警時間。本文研究了預警機協(xié)同擔負預警探測任務時的組網方法,建立了預警機組網的優(yōu)化部署模型,采用粒子群優(yōu)化算法求解組網中各預警機的最優(yōu)航線。最后仿真了兩架預警機對東海防空識別區(qū)進行防空警戒的情況,通過優(yōu)化航線實現了對警戒區(qū)域的全覆蓋。仿真結果說明該模型有效,具有一定的實用價值。

[1]谷雨,張辰璐,李漢文,等.融合PSO和Powell的雷達組網反隱身部署優(yōu)化算法[J].數據采集與處理,2016,31(3):525-531.

[2]羅繼勛,雷洪利,胡朝暉,等.預警機指揮控制飛機及編隊作戰(zhàn)原理[M].北京:解放軍出版社,2009:24-28.

[3]劉波,沈齊,李文清.空基預警探測系統(tǒng)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2012:223-232.

[4]李廣強,魯瑞達,王茂華.預警機協(xié)同預警作戰(zhàn)模型研究[J].艦船電子對抗,2014,37(3):83-84.

[5]王國師,李強,代科學,等.基于防空警戒任務的多預警機協(xié)同補盲[J].系統(tǒng)工程與電子技術,2012,34(5):941-945.