左航洲，毛夢月，周光魯，高 淵

艦載一維相控陣的測量定位雷達(dá)組網(wǎng)研究

左航洲，毛夢月，周光魯，高 淵

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

艦載測量定位雷達(dá)采用二次雷達(dá)原理實(shí)現(xiàn)艦艇編隊(duì)成員間舷角及距離的精確測量，艦艇編隊(duì)測量定位雷達(dá)的基礎(chǔ)是雷達(dá)組網(wǎng)。本文針對艦載一維相控陣的測量定位雷達(dá)組網(wǎng)提出一種新的組網(wǎng)流程及關(guān)鍵技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)艦艇編隊(duì)成員間測量定位雷達(dá)的組網(wǎng)及精確測量。

測量定位雷達(dá)；二次雷達(dá)；一維相控陣；雷達(dá)組網(wǎng)

0 引言

近年來隨著海軍裝備的發(fā)展，特別是21世紀(jì)以來海軍艦艇數(shù)據(jù)“下餃子”式劇增，艦艇編隊(duì)概念隨即引入。協(xié)同作戰(zhàn)發(fā)展成為艦艇編隊(duì)作戰(zhàn)系統(tǒng)的熱點(diǎn)，艦艇編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)首要任務(wù)是編隊(duì)成員間協(xié)同定位和組網(wǎng)。

雷達(dá)組網(wǎng)[1-2]可實(shí)現(xiàn)艦艇編隊(duì)成員間情報(bào)信息共享，為艦艇編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)決策提供基礎(chǔ)信息，艦艇編隊(duì)間組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)是協(xié)同測量和統(tǒng)一時間建立[3]。文獻(xiàn)[4]對艦載雷達(dá)的組網(wǎng)探測必要性進(jìn)行了論證，并定量評價了探測網(wǎng)絡(luò)信息領(lǐng)域的相關(guān)性能，通過一個實(shí)例證明了組網(wǎng)探測能提高探測的精度。文獻(xiàn)[5]通過時分配對方法建立多站點(diǎn)時隙任務(wù)表，以此完成多站點(diǎn)間的組網(wǎng)流程。

本文針對艦載一維相控陣的測量定位雷達(dá)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)過程展開研究，測量定位雷達(dá)組網(wǎng)流程設(shè)計(jì)為：組網(wǎng)參數(shù)加載、運(yùn)行時隙任務(wù)表、搜索入網(wǎng)、建立統(tǒng)一系統(tǒng)時、精密測角/測距和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)鎖定表。

1 雷達(dá)組網(wǎng)流程

本文設(shè)計(jì)的艦載一維相控陣測量定位雷達(dá)的天線為四面陣，每個陣面均為一維相控陣天線，陣面天線俯仰波束寬度47°，方位做一維相掃，掃描范圍±47°，四個陣面天線覆蓋360°全方位掃描。艦載一維相控陣測量定位雷達(dá)工作環(huán)境模型如圖1所示。

圖1 艦載一維相控陣測量定位雷達(dá)工作環(huán)境模型

測量定位雷達(dá)組網(wǎng)通過在編隊(duì)艦艇上安裝測量定位雷達(dá)，測量定位雷達(dá)采用基于頻分多址的時分/配對測量網(wǎng)絡(luò)并結(jié)合二次雷達(dá)原理，完成編隊(duì)艦艇間相對角度及距離的精確測量。

測量定位雷達(dá)組網(wǎng)流程如圖2所示。

圖2 測量定位雷達(dá)組網(wǎng)流程

基準(zhǔn)成員指雷達(dá)組網(wǎng)中的授時中心，非基準(zhǔn)成員指雷達(dá)組網(wǎng)中被授時成員。在組網(wǎng)雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)中基準(zhǔn)成員向非基準(zhǔn)成員授時，非基準(zhǔn)成員在時隙脈沖上向基準(zhǔn)成員對齊，從而達(dá)到非基準(zhǔn)與基準(zhǔn)成員時隙脈沖同步。

步驟1：組網(wǎng)參數(shù)加載

艦載測量定位雷達(dá)通過局域網(wǎng)接收指控設(shè)備送來的編隊(duì)成員數(shù)、ID號及基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)信息等參數(shù)，進(jìn)行雷達(dá)組網(wǎng)參數(shù)加載。

步驟2：運(yùn)行時隙任務(wù)表

測量定位雷達(dá)根據(jù)組網(wǎng)參數(shù)加載信息生成相應(yīng)的時隙任務(wù)表，時隙任務(wù)表根據(jù)組網(wǎng)參數(shù)加載信息中編隊(duì)成員數(shù)進(jìn)行動態(tài)生成。測量定位雷達(dá)將工作周期劃分為測量時隙、搜索組網(wǎng)時隙、對時時隙和備用時隙，按照時隙任務(wù)表進(jìn)行工作。

步驟3：搜索入網(wǎng)

測量定位雷達(dá)基準(zhǔn)成員在其平臺組網(wǎng)時隙4個陣面同時發(fā)射組網(wǎng)接入信號，波束寬度3°，波束起始位于法線左面47°，在其每一個發(fā)射時隙，按照3°波束躍度向右掃描；非基準(zhǔn)成員按照平臺時間精度設(shè)定一定的時間提前量，按網(wǎng)絡(luò)接入的時頻參數(shù)設(shè)置通道，四個陣面在一個時隙內(nèi)同時以3°定向波束在360°范圍掃描搜索接收組網(wǎng)接入信號。一旦截獲目標(biāo)，可獲得基準(zhǔn)成員的ID號與系統(tǒng)時隙時間信息，采用單脈沖測角技術(shù)獲得0.3°精度的角位置信息。為了避免波束副瓣截獲，利用差波束副瓣高于和波束副瓣特性，采用和差信號聯(lián)合檢測方式；接下來非基準(zhǔn)成員按時隙任務(wù)表同步，在配對測量時隙以3°波束定向發(fā)射網(wǎng)絡(luò)登錄信號，基準(zhǔn)成員則以波束寬度3°搜索接收，截獲目標(biāo)后確認(rèn)非基準(zhǔn)成員的ID號、同步狀態(tài)、提取信號到達(dá)時間和角度信息，完成節(jié)點(diǎn)的搜索入網(wǎng)。

步驟4：建立統(tǒng)一系統(tǒng)時

在定向發(fā)射—定向接收組網(wǎng)接入后，與基準(zhǔn)成員相比，非基準(zhǔn)成員時隙起點(diǎn)滯后一個空間電波傳播延時。為實(shí)現(xiàn)測量網(wǎng)絡(luò)時間的同步，在配對測量時隙采用有源校時（Round Trip Timing，RTT）方法?；鶞?zhǔn)節(jié)點(diǎn)作為時間基準(zhǔn)（Time Reference，TR），使其余所有成員與之同步，形成統(tǒng)一系統(tǒng)時。

圖3 RTT原理示意圖

步驟5：精密測角、測距

測量定位雷達(dá)完成搜索入網(wǎng)、對時工作后轉(zhuǎn)入測量工作模式，按照時隙任務(wù)表配對測量，一次測量即可完成一次測角工作，兩次配對測量即可完成測距工作。

步驟6：網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)鎖定表

網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各成員節(jié)點(diǎn)依照時隙任務(wù)表在節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行搜索、捕獲；基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)作為測量網(wǎng)絡(luò)時間基準(zhǔn)，采用RTT校時原理使其余成員與之同步，建立統(tǒng)一系統(tǒng)時。在測量時隙，節(jié)點(diǎn)間以二次雷達(dá)工作方式進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間舷角和距離的測量，生成網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)鎖定表，并將測量結(jié)果送給編隊(duì)作戰(zhàn)指控系統(tǒng)，以完成編隊(duì)艦艇間成員節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

搜索入網(wǎng)采用慢發(fā)、快收原則進(jìn)行組網(wǎng)，測量定位雷達(dá)將1 s分為512個時隙，按照3°波束寬度搜索。

基準(zhǔn)成員在其平臺組網(wǎng)時隙4個天線陣面同時發(fā)射組網(wǎng)接入信號，波束寬度3°，波束起始位于法線左面47°，在給其分配的每個組網(wǎng)發(fā)射時隙，按照3°波束躍度向右掃描，單天線覆蓋94°共需要16 s，即基準(zhǔn)成員需要16 s可以完成360°掃描。個組網(wǎng)發(fā)射時隙可以覆蓋個配對成員。與此同時，非基準(zhǔn)成員的每個天線在給其分配的每一個組網(wǎng)接收時隙內(nèi)在94°范圍以3°波束寬度快速掃描，四個天線可以覆蓋360°搜索范圍，搜索并接收組網(wǎng)接入信號。非基準(zhǔn)成員在1 s內(nèi)可以接收個配對成員發(fā)出的組網(wǎng)信息。該慢發(fā)快收的工作方式大大提高了入網(wǎng)效率以及穩(wěn)定性。

以組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中10個成員為例，網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)測量時隙任務(wù)表如表1所示。

網(wǎng)內(nèi)10個成員節(jié)點(diǎn)兩兩配對完成一次全測量只需用20個時隙。相同成員節(jié)點(diǎn)之間配對采用不同時隙，即采用分時來完成相同節(jié)點(diǎn)之間測量；不同成員節(jié)點(diǎn)之間配對共用時隙采用不同頻率來完成測量，即采用分頻來完成不同節(jié)點(diǎn)之間同時測量。按照時隙任務(wù)表配對測量，一次測量即可完成一次測角工作，兩次配對測量即可完成測距工作。

表1 10個節(jié)點(diǎn)時隙表

在系統(tǒng)成功組網(wǎng)后，成員間在一個工作周期內(nèi)可以進(jìn)行多次測量、通信，并通過RTT方法極大減少基準(zhǔn)成員與非基準(zhǔn)成員間的時間波動。在組網(wǎng)成功后，作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)中的任意一個成員都可由系統(tǒng)指定作為基準(zhǔn)成員向其他非基準(zhǔn)成員授時，可以穩(wěn)定高效地實(shí)現(xiàn)任意節(jié)點(diǎn)由非基準(zhǔn)成員到基準(zhǔn)成員的切換。

3 結(jié)論

本文針對艦載一維相控陣測量定位雷達(dá)，提出一種雷達(dá)組網(wǎng)流程及關(guān)鍵技術(shù)。該雷達(dá)組網(wǎng)流程可實(shí)現(xiàn)艦艇編隊(duì)成員間互相跟蹤、建立統(tǒng)一系統(tǒng)時和精確測量定位，為艦艇編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)提供決策信息。該雷達(dá)組網(wǎng)通過時隙任務(wù)表采用慢發(fā)、快收組網(wǎng)工作方式提高了入網(wǎng)效率以及穩(wěn)定性，可根據(jù)系統(tǒng)指派方式任意切換基準(zhǔn)/非基準(zhǔn)成員，同時基準(zhǔn)成員向其他非基準(zhǔn)成員授時。

[1] 郭冠斌，方青. 雷達(dá)組網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2005，3（4）：93-198.

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[5] 王旭. TDMA系統(tǒng)目標(biāo)多站定位理論與算法研究[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2011.

Research on Networking of Shipboard One Dimensional Phased Array Measurement and Positioning Radar

ZUO Hangzhou, MAO Mengyue, ZHOU Guanglu, GAO Yuan

The shipboard measurement and positioning radar uses the principle of secondary radar to realize the accurate measurement of the angle and distance between the members of the warships. The foundation of the ship formation measurement and positioning radar is radar networking. A new network flow and key technology for the measurement and positioning radar networking of shipboard one-dimensional phased array are proposed in the paper, in order to realize the networking and accurate measurement among ship formation members for the measurement and positioning radar.

Measurement and Positioning Radar; Secondary Radar; One-Dimensional Phased Array; Radar Networking

E843

A

1674-7976-(2021)-04-310-03

2021-04-30。左航洲（1988.07-），陜西咸陽人，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)數(shù)據(jù)處理及顯控開發(fā)。