李寶鵬 ,高偉亮,夏 棟,郭維波
(海軍航空大學(xué)青島校區(qū) 航空電子工程與指揮系,山東 青島 266041)
隨著世界各國(guó)對(duì)海洋權(quán)益的不斷爭(zhēng)奪,海戰(zhàn)場(chǎng)將成為未來軍事沖突和局部戰(zhàn)爭(zhēng)主要發(fā)生地。艦載機(jī)作為海戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)主要武器平臺(tái),承擔(dān)著對(duì)海面軍艦、潛艇等目標(biāo)的預(yù)警、探測(cè)、打擊等重要任務(wù)。飛機(jī)對(duì)海面目標(biāo)敵我識(shí)別正確率和時(shí)效性,將會(huì)直接影響作戰(zhàn)指揮與控制的準(zhǔn)確性、不同作戰(zhàn)單位間的協(xié)調(diào)性、聯(lián)合作戰(zhàn)系統(tǒng)的反應(yīng)速度和誤傷概率[1]。
近年來的軍事沖突和局部戰(zhàn)爭(zhēng),在整個(gè)誤傷、誤擊發(fā)生事件中,地對(duì)地誤擊約占60%,地對(duì)空誤擊約占4%,空對(duì)地誤擊約占36%。相對(duì)地面戰(zhàn)場(chǎng)和空中戰(zhàn)場(chǎng),海戰(zhàn)場(chǎng)因?yàn)槟繕?biāo)種類多、用頻裝備多、氣象環(huán)境復(fù)雜、異常海雜波等導(dǎo)致電磁環(huán)境極為復(fù)雜,使對(duì)海目標(biāo)敵我識(shí)別錯(cuò)誤概率增加,導(dǎo)致發(fā)生誤傷誤擊的隱患增大。1987年的波斯灣戰(zhàn)爭(zhēng),伊拉克一架由商用客機(jī)改裝的“獵鷹”50VIP攻擊機(jī)發(fā)射了兩枚“飛魚”導(dǎo)彈,誤擊了美國(guó)正在執(zhí)行巡航任務(wù)的“斯塔克”號(hào)護(hù)衛(wèi)艦,造成37人喪生。2020年5月,伊朗“賈馬蘭”號(hào)護(hù)衛(wèi)艦發(fā)射“努爾”反艦導(dǎo)彈,誤擊了本國(guó)參加軍演的“科納拉克”號(hào)支援船,造成40人傷亡。經(jīng)分析,這些誤擊誤傷都是敵我識(shí)別系統(tǒng)的失效或性能不完備造成的。因此,必須加強(qiáng)海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下空海敵我識(shí)別錯(cuò)誤機(jī)理研究,從技術(shù)改進(jìn)和系統(tǒng)使用角度有效提高海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的敵我識(shí)別正確率[2-3]。
本文以西方體制Mark XII敵我識(shí)別系統(tǒng)為研究對(duì)象,通過分析飛機(jī)識(shí)別海上艦船目標(biāo)(空海識(shí)別)敵我屬性的機(jī)理,以機(jī)載雷達(dá)、機(jī)載詢問機(jī)、艦載應(yīng)答機(jī)之間的識(shí)別鏈路特性分析為切入點(diǎn),研究了不同種鏈路條件下對(duì)應(yīng)的敵我識(shí)別結(jié)果,并分析了多徑效應(yīng)、詢問機(jī)距離/角度分辨率不一致、雷達(dá)與詢問機(jī)天線波束中心不重合、多密集目標(biāo)識(shí)別、電子對(duì)抗等造成的空海敵我識(shí)別錯(cuò)誤的原因機(jī)理。
以西方體制敵我識(shí)別系統(tǒng)Mark XII為例,飛機(jī)對(duì)海面艦船目標(biāo)進(jìn)行敵我識(shí)別采用的是協(xié)同式敵我識(shí)別,飛機(jī)和艦船分別搭載著詢問機(jī)和應(yīng)答機(jī)[4]。如圖1所示,整個(gè)識(shí)別過程中參與的主要設(shè)備有機(jī)載雷達(dá)、機(jī)載詢問機(jī)、艦載應(yīng)答機(jī)。
圖1 空海敵我識(shí)別設(shè)備組成
其中,機(jī)載雷達(dá)用于發(fā)現(xiàn)海上艦船目標(biāo),探測(cè)目標(biāo)的距離和方位,向機(jī)載詢問機(jī)觸發(fā)敵我詢問命令,顯示目標(biāo)敵我屬性;機(jī)載詢問機(jī)用來向目標(biāo)發(fā)射詢問信號(hào),接收目標(biāo)的應(yīng)答信號(hào),分析獲取目標(biāo)距離方位參數(shù),解析目標(biāo)的敵我屬性;艦載應(yīng)答機(jī)主要用來接收機(jī)載詢問機(jī)發(fā)出的詢問信號(hào),發(fā)出應(yīng)答信號(hào)。飛機(jī)對(duì)艦船目標(biāo)進(jìn)行敵我識(shí)別過程如圖2所示。
圖2 空海敵我識(shí)別流程
機(jī)載雷達(dá)截獲海面艦船目標(biāo),將目標(biāo)的方位、距離信息提供給機(jī)載詢問機(jī),觸發(fā)機(jī)載詢問機(jī)向艦船所在區(qū)域發(fā)出詢問信號(hào)(脈沖串信號(hào),脈沖間隔采用統(tǒng)一時(shí)間加密)。艦船搭載的應(yīng)答機(jī)收到詢問信號(hào),進(jìn)行詢問脈沖密碼解析,若密碼不正確則不應(yīng)答,詢問機(jī)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未收到應(yīng)答信號(hào),目標(biāo)屬性判斷為“未知”;若密碼正確,則確認(rèn)為友方詢問,并發(fā)射應(yīng)答信號(hào)(脈沖串信號(hào),脈沖間隔采用統(tǒng)一時(shí)間加密)。機(jī)載詢問機(jī)接收到目標(biāo)應(yīng)答信號(hào),進(jìn)行應(yīng)答脈沖密碼解析,若密碼不正確,則判斷目標(biāo)屬性為“未知”;若密碼正確,則解析計(jì)算艦船目標(biāo)距離和方位,并與雷達(dá)提供的艦船目標(biāo)距離和方位進(jìn)行匹配。若匹配成功,則識(shí)別為“友方”目標(biāo);如果距離方位不匹配,則識(shí)別為“敵方”目標(biāo),并將目標(biāo)屬性信息提交給雷達(dá)顯示[5-6]。
整個(gè)識(shí)別過程三種設(shè)備時(shí)間的信號(hào)鏈路時(shí)序關(guān)系如圖3所示??梢姡w機(jī)對(duì)海目標(biāo)敵我識(shí)別鏈路,涉及到了機(jī)載詢問機(jī)、機(jī)載雷達(dá)、艦載應(yīng)答機(jī),三種設(shè)備是否正常協(xié)調(diào)工作,詢問與識(shí)別信號(hào)的傳輸鏈路是否完整,時(shí)序關(guān)系是否正常,信號(hào)的碼型是否正確,均可能導(dǎo)致識(shí)別目標(biāo)屬性錯(cuò)誤或者不識(shí)別,進(jìn)而影響飛機(jī)正確識(shí)別海上目標(biāo)的概率。
圖3 空海敵我識(shí)別時(shí)序圖
假設(shè)某海域有3個(gè)友方目標(biāo)(代號(hào)A、B、C)和1個(gè)敵方目標(biāo)(代號(hào)D),飛機(jī)雷達(dá)發(fā)現(xiàn)了友方目標(biāo)“A”和敵方目標(biāo)“D”,在進(jìn)行敵我識(shí)別過程中,不同的信號(hào)鏈路對(duì)應(yīng)的識(shí)別結(jié)果如表1所示。 “鏈路正確”是指的在一個(gè)時(shí)間鏈路周期內(nèi),詢問機(jī)向“A”目標(biāo)發(fā)出詢問信號(hào),收到“A”目標(biāo)的應(yīng)答信號(hào),或者詢問機(jī)向“D”目標(biāo)發(fā)出詢問信號(hào),未收到“D”目標(biāo)的應(yīng)答信號(hào),同時(shí)也未收到其他目標(biāo)的應(yīng)答信號(hào)?!?”代表未知或未執(zhí)行。“是否收到應(yīng)答”是指收到目標(biāo)“A”或“D”的應(yīng)答。
表1 不同信號(hào)鏈路識(shí)別結(jié)果
序號(hào)1至序號(hào)3是對(duì)敵方目標(biāo)“D”不同鏈路對(duì)應(yīng)的識(shí)別結(jié)果,序號(hào)4至序號(hào)8是對(duì)友方目標(biāo)“A”不同鏈路對(duì)應(yīng)的識(shí)別結(jié)果。
序號(hào)1是指詢問機(jī)未發(fā)射詢問信號(hào),未收到“D”目標(biāo)應(yīng)答信號(hào),距離方位無法判斷,屬性判斷為“敵”,識(shí)別結(jié)果正確,識(shí)別鏈路錯(cuò)誤。
序號(hào)2是指詢問機(jī)發(fā)射詢問信號(hào),但“D”目標(biāo)因時(shí)隙密碼錯(cuò)誤,無法接收友方詢問信號(hào),未發(fā)出應(yīng)答信號(hào),屬性判斷為“敵”, 識(shí)別結(jié)果正確,識(shí)別鏈路正確。
序號(hào)3是指在同一個(gè)鏈路周期內(nèi),詢問機(jī)發(fā)射詢問信號(hào),詢問機(jī)未接收到“D”的應(yīng)答信號(hào),但是接收到了友方某個(gè)目標(biāo)的應(yīng)答信號(hào)(A或B或C),且距離、方位一致,屬性判斷為“我”,識(shí)別結(jié)果錯(cuò)誤,識(shí)別鏈路錯(cuò)誤。
序號(hào)4是指詢問機(jī)未發(fā)出詢問信號(hào),未收到應(yīng)答信號(hào),屬性判斷為“敵”,識(shí)別結(jié)果錯(cuò)誤,識(shí)別鏈路錯(cuò)誤。
序號(hào)5是指詢問機(jī)發(fā)出詢問信號(hào),收到“A”目標(biāo)應(yīng)答信號(hào),且距離方位一致,屬性判斷為“友”, 識(shí)別結(jié)果正確,識(shí)別鏈路正確。
序號(hào)6是指詢問機(jī)發(fā)出詢問信號(hào),收到“A”的應(yīng)答信號(hào),因?yàn)槔走_(dá)給出的“A”目標(biāo)距離方位和詢問機(jī)解析的“A”目標(biāo)距離方位不一致,將“A”目標(biāo)屬性判斷為“敵”,此時(shí)識(shí)別鏈路正確,但是識(shí)別結(jié)果錯(cuò)誤。
序號(hào)7是指詢問機(jī)發(fā)出詢問信號(hào),未收到“A”應(yīng)答信號(hào),距離方位一致無法判斷,屬性判斷為“敵”,識(shí)別結(jié)果錯(cuò)誤,識(shí)別鏈路錯(cuò)誤。
序號(hào)8是指詢問機(jī)發(fā)出詢問信號(hào),未收到“A”目標(biāo)的應(yīng)答信號(hào),但因?yàn)槭盏搅司嚯x方位一致的其他目標(biāo)應(yīng)答信號(hào),將其當(dāng)成了“A”的應(yīng)答信號(hào),屬性判斷為“友”,此時(shí)識(shí)別結(jié)果正確,但是識(shí)別鏈路錯(cuò)誤。
飛機(jī)對(duì)艦船目標(biāo)進(jìn)行敵我識(shí)別所涉及到了雷達(dá)、機(jī)載詢問機(jī)、艦載應(yīng)答機(jī)三種設(shè)備,三種設(shè)備之間的信號(hào)傳輸與處理時(shí)隙精度要求高,一般在微秒級(jí),系統(tǒng)間的協(xié)同配合是有效識(shí)別的關(guān)鍵所在。圖4所示為西方體制Mark XII模式4(保密模式)詢問/應(yīng)答脈沖格式。詢問脈沖由同步脈沖(P1~P4)、旁瓣擬制(Side-lobe Suppression,SLS)脈沖(P5)、加密脈沖(P6~P37)組成,加密脈沖由32位隨機(jī)編碼位組成,包含4位延遲位、12位詢問確認(rèn)位和16位填充位。
圖4 詢問/應(yīng)答信號(hào)碼型
應(yīng)答脈沖由E1~E3組成。應(yīng)答脈沖的位置由詢問碼決定。當(dāng)應(yīng)答機(jī)收到時(shí)隙同步脈沖后才會(huì)接收32位詢問脈沖,首先進(jìn)行解密處理,提取4位延遲時(shí)間數(shù)據(jù)和12位確認(rèn)碼。詢問器收到應(yīng)答后,對(duì)應(yīng)答信號(hào)再進(jìn)行延遲時(shí)間的判別,并與雷達(dá)提供的目標(biāo)距離方位信息進(jìn)行比對(duì),當(dāng)正確時(shí)才判定此應(yīng)答為友方。其中,應(yīng)答延遲時(shí)間(單位μs)為
T=(202+4N) 。
(1)
式中:N=0~15,具體值由詢問信號(hào)的加密脈沖延遲位決定。
由此可見,系統(tǒng)間的工作時(shí)序多,詢問/應(yīng)答信號(hào)在傳輸中可能因?yàn)橥獠恳蛩氐挠绊懓l(fā)生畸變、交疊,在接收處理中可能出現(xiàn)次數(shù)飽和,導(dǎo)致收發(fā)信息誤碼、無法解析等。
當(dāng)飛機(jī)高度較低、艦船天線架設(shè)較低時(shí),飛機(jī)發(fā)出的詢問信號(hào)和艦載應(yīng)答機(jī)發(fā)出的應(yīng)答信號(hào)會(huì)出現(xiàn)多徑效應(yīng)。多徑效應(yīng)會(huì)造成信號(hào)傳輸通道的增加,如圖5(a)所示,詢問機(jī)發(fā)出1次詢問,目標(biāo)可能會(huì)收到多次詢問,應(yīng)答機(jī)發(fā)出1次應(yīng)答,詢問機(jī)可能會(huì)收到多次應(yīng)答。詢問機(jī)或應(yīng)答機(jī)同時(shí)處理多通道數(shù)據(jù)時(shí),可能會(huì)發(fā)生處理能力飽和、碼間串?dāng)_、數(shù)據(jù)通道堵塞的現(xiàn)象,接收不到詢問或者應(yīng)答信號(hào)。多徑效應(yīng)造成的第二種情況如圖5(b)所示,如果區(qū)域內(nèi)有2個(gè)目標(biāo),詢問機(jī)對(duì)A目標(biāo)的詢問可能會(huì)因多徑效應(yīng)使信號(hào)傳輸方向改變,使B目標(biāo)接收到,B目標(biāo)發(fā)出的應(yīng)答信號(hào)又因?yàn)槎鄰叫?yīng)被詢問機(jī)接收到,當(dāng)成A目標(biāo)的應(yīng)答,導(dǎo)致識(shí)別鏈路錯(cuò)誤。
圖5 詢問/應(yīng)答信號(hào)傳輸多徑效應(yīng)
造成海面復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)的主要因素是海面復(fù)雜氣象環(huán)境和地形特征[7]。海的組成波是由重力波到毛細(xì)波之間的波生成的,海浪、浪涌和風(fēng)速、海面表張力等造成的動(dòng)態(tài)變化海表面多尺度結(jié)構(gòu)特征,導(dǎo)致了電磁信號(hào)特殊傳播特性,使海雜波呈現(xiàn)時(shí)變、動(dòng)態(tài)、非高斯的特點(diǎn),不同海況對(duì)電磁波后向散射強(qiáng)度的影響非常明顯,海陸交界處形成的大氣湍流雜波多普勒頻移較大,大氣傳播特性異常。這些復(fù)雜電磁效應(yīng)特性會(huì)影響著詢問與應(yīng)答信號(hào)幅值、頻率穩(wěn)定、極化形式、信雜比,可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)碼型畸變或達(dá)不到信號(hào)處理門限值而不能被對(duì)方接收處理。
飛機(jī)在空中對(duì)海面艦船進(jìn)行識(shí)別時(shí),飛機(jī)處于高速機(jī)動(dòng)狀態(tài),飛行速度快,飛行姿態(tài)也會(huì)不斷變化。艦船在海浪中行駛,相對(duì)飛機(jī)雖然速度不高,但若在海浪中行進(jìn),艦身會(huì)處于搖擺姿態(tài)。飛機(jī)平臺(tái)與艦船的高相對(duì)速度與不同姿態(tài),會(huì)導(dǎo)致敵我識(shí)別系統(tǒng)收發(fā)天線的姿態(tài)變化。機(jī)載詢問機(jī)天線常采用垂直極化,艦載應(yīng)答機(jī)天線常采用垂直極化,當(dāng)飛機(jī)和艦船姿態(tài)發(fā)生相對(duì)變化時(shí),兩種天線可能不是平行關(guān)系,而是交叉關(guān)系。如圖6所示,當(dāng)詢問機(jī)天線與應(yīng)答機(jī)天線處于不同角度時(shí),造成的極化方式失配一般在0~3 dB,甚至可能會(huì)超過3 dB[8],進(jìn)而會(huì)帶來信號(hào)接收功率的損耗,使信號(hào)低于詢問機(jī)和應(yīng)答機(jī)的處理信號(hào)門限值,導(dǎo)致不應(yīng)答。
圖6 詢問機(jī)與應(yīng)答機(jī)天線角度關(guān)系
如圖7(a)所示,正常情況下雷達(dá)天線和詢問機(jī)天線的波束中心軸線重合(詢問天線和差處理后),目標(biāo)同時(shí)處于雷達(dá)天線和詢問機(jī)天線波束輻射范圍。但由于飛機(jī)姿態(tài)變化或詢問天線性能的下降,可能使會(huì)使雷達(dá)天線和詢問機(jī)天線的波束中心軸線不重合,兩者中心軸線出現(xiàn)一定的角度偏差,當(dāng)偏差較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)如圖7(b)所示的情況,雷達(dá)測(cè)量目標(biāo)角度與詢問機(jī)測(cè)向角度不統(tǒng)一,使雷達(dá)提供的目標(biāo)角度與詢問機(jī)解析的目標(biāo)角度不一致,導(dǎo)致目標(biāo)應(yīng)答信號(hào)被詢問機(jī)當(dāng)作其他目標(biāo)的應(yīng)答而被剔除。
圖7 雷達(dá)天線與詢問天線波束中心線重合誤差
如圖8(a)所示,友方目標(biāo)“A”和目標(biāo)“D”方位一致,但是距離不同,如果兩者距離相近,且低于詢問機(jī)的距離分別辯率,詢問機(jī)在對(duì)“D”進(jìn)行詢問時(shí),詢問信號(hào)被“A”接收到,“A”發(fā)出的應(yīng)答信號(hào)被詢問機(jī)接收到,由于目標(biāo)“A”和“D”的距離較近,詢問機(jī)把“A”的應(yīng)答當(dāng)成了“D”的應(yīng)答,造成誤識(shí)別。另一種情況如圖8(b)所示,當(dāng)目標(biāo)“A”和目標(biāo)“D”距離相近但方位不同,如果兩者的方位角度差低于詢問波束的角度分辨率,詢問機(jī)在對(duì)“D”目標(biāo)進(jìn)行詢問時(shí),詢問信號(hào)會(huì)被“A” 目標(biāo)接收到,“A” 目標(biāo)發(fā)出的應(yīng)答信號(hào)被詢問機(jī)接收到,由于“A” 目標(biāo)和“D”目標(biāo)的距離角度較近,詢問機(jī)把“A” 目標(biāo)的應(yīng)答當(dāng)成了“D”目標(biāo)的應(yīng)答,造成誤識(shí)別。
圖8 目標(biāo)距離/角度關(guān)系
隨著敵我識(shí)別系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,敵我識(shí)別對(duì)抗技術(shù)也相繼發(fā)展起來[9],目前文獻(xiàn)公開的敵我識(shí)別對(duì)抗系統(tǒng)主要有三種:美國(guó)的AN/ALQ-108敵我識(shí)別干擾吊艙、西班牙的“塔蘭”(TARAN)系統(tǒng)和“尼德簡(jiǎn)姆”(NIDJAN)系統(tǒng)。Mark XII系統(tǒng)采用單一固定頻點(diǎn)發(fā)射詢問/應(yīng)答信號(hào),應(yīng)答機(jī)天線為全向天線,接收處理詢問信號(hào)按照時(shí)間先后進(jìn)行,信號(hào)先到先答,不能同時(shí)處理多個(gè)同時(shí)到達(dá)的詢問信號(hào),詢問/應(yīng)答機(jī)靈敏度范圍有限[10]。針對(duì)這些技術(shù)缺陷可對(duì)其進(jìn)行噪聲壓制干擾、應(yīng)答機(jī)占據(jù)干擾、高重頻脈沖干擾,主要機(jī)理如下:一是在詢問機(jī)對(duì)“友方”目標(biāo)進(jìn)行多次詢問時(shí)間段內(nèi),模擬對(duì)方詢問信號(hào)進(jìn)行多次“見縫插針”式詢問,使對(duì)方應(yīng)答機(jī)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)不應(yīng)答或使系統(tǒng)處理達(dá)到飽和,造成詢問機(jī)收到“友方”應(yīng)答的統(tǒng)計(jì)概率達(dá)不到要求;二是通過偵查對(duì)方詢問信號(hào)重復(fù)頻率,將干擾詢問信號(hào)重頻調(diào)整至與對(duì)方詢問信號(hào)一致的重頻上,并使干擾詢問信號(hào)時(shí)間超前于真實(shí)詢問信號(hào),使干擾詢問進(jìn)行“定點(diǎn)搶問”式詢問,每次詢問搶在真實(shí)詢問信號(hào)前面,使其對(duì)方應(yīng)答機(jī)無法響應(yīng)己方詢問機(jī)的詢問。另外,在上述兩種干擾技術(shù)的基礎(chǔ)上,還可以在干擾詢問信號(hào)中加入旁瓣抑制脈沖,使旁瓣抑制脈沖幅度大于或等于詢問信號(hào)脈沖幅度,應(yīng)答機(jī)接收到該干擾詢問信號(hào),會(huì)誤判斷為詢問機(jī)的旁瓣詢問信號(hào),應(yīng)答機(jī)就不會(huì)做出應(yīng)答,而且會(huì)產(chǎn)生一段時(shí)間的抑制(在此過程中不接收處理任何信號(hào)),從而接收不到己方的詢問信號(hào)。
海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下飛機(jī)對(duì)海目標(biāo)敵我識(shí)別正確率的提高是減少誤襲誤傷的重要手段,它關(guān)系著對(duì)敵打擊質(zhì)量和己方裝備與人員的生命安全,決定著軍事行動(dòng)的成敗。因此,通過研究空海識(shí)別錯(cuò)誤時(shí)的信號(hào)鏈路機(jī)理,針對(duì)性地采取技術(shù)措施和改進(jìn)系統(tǒng)使用方法,避免各種不識(shí)別和誤事別情況的發(fā)生。在多兵種空海武器平臺(tái)聯(lián)合演練時(shí),必須借鑒外軍敵我識(shí)別系統(tǒng)訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn),將空海識(shí)別能力驗(yàn)證作為一項(xiàng)重要工作對(duì)待,查找不同平臺(tái)不同情況下敵我識(shí)別系統(tǒng)使用中存在的問題,制定應(yīng)對(duì)舉措和科學(xué)的戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法,以提高未來“空海一體化”作戰(zhàn)的打贏能力。