汪敬東 王乾威 蔡獻(xiàn)祥 郭朝鵬

（1. 南京電子技術(shù)研究所 江蘇省南京市 210039 2. 32011部隊(duì) 北京市 100080）

（3. 95928部隊(duì) 山東省臨沂市 256100）

彈道導(dǎo)彈具有殺傷威力大、飛行速度快、有效射程遠(yuǎn)和打擊精度高的特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略威懾和突防攻堅(jiān)的重要方式；空間目標(biāo)具有在軌數(shù)量多、距地高度高、特征識(shí)別難的特點(diǎn)，在軍事領(lǐng)域和商業(yè)領(lǐng)域均具有重大戰(zhàn)略意義。我國(guó)臺(tái)灣新竹部署的型號(hào)為AN/FPS-115的三面陣鋪路爪雷達(dá)（以下簡(jiǎn)稱臺(tái)灣鋪路爪雷達(dá)），作為P波段遠(yuǎn)程預(yù)警相控陣?yán)走_(dá)鋪路爪系列之一，是美軍陸基中段反導(dǎo)系統(tǒng)（GMD）的重要組成部分。臺(tái)灣鋪路爪雷達(dá)的成功部署一方面彌補(bǔ)了臺(tái)灣遠(yuǎn)程預(yù)警能力的不足、增強(qiáng)了其太空態(tài)勢(shì)感知能力，另一方面為美國(guó)及其戰(zhàn)略伙伴提供了針對(duì)性較高的預(yù)警探測(cè)信息，值得關(guān)注和研究。

1 概述

遠(yuǎn)程預(yù)警相控陣?yán)走_(dá)的作用主要包括對(duì)彈道導(dǎo)彈和隱身飛機(jī)等目標(biāo)進(jìn)行預(yù)警探測(cè)和分類識(shí)別，以及對(duì)軌道衛(wèi)星等空間目標(biāo)進(jìn)行跟蹤監(jiān)視。美軍陸基遠(yuǎn)程預(yù)警相控陣?yán)走_(dá)包括P波段鋪路爪系列雷達(dá)、L波段丹麥眼鏡蛇雷達(dá)和S波段遠(yuǎn)程識(shí)別雷達(dá)等，在戰(zhàn)略預(yù)警和空間監(jiān)視方面為美軍的攔截和指控系統(tǒng)提供了強(qiáng)大而可靠的情報(bào)支撐作用。

臺(tái)灣鋪路爪雷達(dá)由美國(guó)雷聲公司負(fù)責(zé)研發(fā)和制造，體制為兩維相掃固態(tài)有源相控陣?yán)走_(dá)，該雷達(dá)主要用于探測(cè)和跟蹤彈道導(dǎo)彈和地球軌道衛(wèi)星等目標(biāo)。由于較近的部署位置和較強(qiáng)的雷達(dá)探測(cè)性能，臺(tái)灣鋪路爪雷達(dá)的預(yù)警探測(cè)范圍對(duì)我國(guó)內(nèi)陸地區(qū)覆蓋面積較大，一定程度上影響了我國(guó)導(dǎo)彈發(fā)射任務(wù)的開(kāi)展和實(shí)施，對(duì)我國(guó)常規(guī)威懾、太空威懾和突防作戰(zhàn)形成較大威脅。

衛(wèi)星工具包（STK）是一款廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的仿真分析軟件，可對(duì)導(dǎo)彈、衛(wèi)星、輪船、飛機(jī)和雷達(dá)站等設(shè)備設(shè)施進(jìn)行模擬仿真，內(nèi)嵌的分析工具可提供圖表分析結(jié)果，具有較高的實(shí)用性。

2 臺(tái)灣鋪路爪雷達(dá)工作機(jī)理

2.1 組成與功能

臺(tái)灣鋪路爪雷達(dá)主要由天線陣面系統(tǒng)、波束控制系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)和顯示與控制系統(tǒng)等部分組成。

2.1.1 天線陣面系統(tǒng)

天線陣面系統(tǒng)由三個(gè)天線陣面組成，單個(gè)陣面方位覆蓋120度，三個(gè)陣面實(shí)現(xiàn)方位360度全覆蓋。陣面傾角20度，仰角覆蓋范圍為3度～85度。陣面直徑22.1m，總單元數(shù)2677，其中有源單元數(shù)1792，天線法向增益為38dB。

2.1.2 波束控制系統(tǒng)

波束控制系統(tǒng)主要由計(jì)算模塊、控制模塊、接口模塊和監(jiān)測(cè)模塊等部分組成。主要功能為根據(jù)控制指令要求，針對(duì)不同工作方式、工作頻點(diǎn)和波束指向，計(jì)算每個(gè)通道的幅相權(quán)值，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)數(shù)字波束的指向捷變和形狀捷變。雷達(dá)全陣面工作狀態(tài)下，發(fā)射波束寬度為2度，接收波束寬度為2.2度。

2.1.3 發(fā)射系統(tǒng)

發(fā)射系統(tǒng)主要由信號(hào)發(fā)生器、饋電網(wǎng)絡(luò)、電源和冷卻等部分組成。主要功能為提供大功率射頻發(fā)射信號(hào)，通過(guò)饋線送至天線陣面，并利用開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)控制發(fā)射通斷。

2.1.4 接收系統(tǒng)

接收系統(tǒng)主要由接收機(jī)、反干擾組件和數(shù)字波束形成網(wǎng)絡(luò)等部分組成。主要功能包括對(duì)雷達(dá)天線接收的回波信號(hào)進(jìn)行反干擾濾波、信號(hào)放大、變頻和數(shù)字化處理等。

2.1.5 信號(hào)處理系統(tǒng)

信號(hào)處理系統(tǒng)包括計(jì)算單元、存儲(chǔ)單元和控制單元等部分組成。主要功能為對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)計(jì)算得到的目標(biāo)距離、角度和速度等信息形成點(diǎn)跡和航跡，并進(jìn)行軌道計(jì)算、發(fā)點(diǎn)推算和落點(diǎn)預(yù)報(bào)等。

2.1.6 顯示與控制系統(tǒng)

包括顯示器、計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)庫(kù)等部分組成。主要功能為實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)與操作人員的人機(jī)交互，并進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)顯示、雷達(dá)數(shù)據(jù)分析和目標(biāo)信息存儲(chǔ)等。

2.2 工作原理

預(yù)警值班模式下，雷達(dá)用一定能量在3°仰角上形成一道預(yù)警探測(cè)屏以應(yīng)對(duì)彈道導(dǎo)彈等威脅目標(biāo)，其余能量主要執(zhí)行空間目標(biāo)探測(cè)任務(wù)，對(duì)探測(cè)范圍內(nèi)的空間目標(biāo)進(jìn)行搜索、跟蹤、識(shí)別和編目，并根據(jù)探測(cè)結(jié)果更新數(shù)據(jù)庫(kù)，完善空間態(tài)勢(shì)感知能力。

執(zhí)行特定作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，雷達(dá)根據(jù)指揮控制中心下發(fā)的指令，設(shè)置特定的搜索空域，對(duì)該范圍進(jìn)行預(yù)警探測(cè)，具體流程如下：

（1）顯示與控制系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)需求給各系統(tǒng)下發(fā)控制指令；

（2）波束控制系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)指令確定數(shù)字波束的指向和形狀，計(jì)算出每個(gè)天線單元的頻率、幅度和相位的加權(quán)值，將其轉(zhuǎn)換為控制字后發(fā)送到發(fā)射系統(tǒng)；

（3）發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)過(guò)發(fā)射通道的放大、濾波后將其送至天線陣面，由天線單元向外部空間輻射電磁信號(hào)，雷達(dá)能量在空間進(jìn)行合成；

（4）天線陣面接收來(lái)自目標(biāo)的回波信號(hào)后，接收系統(tǒng)進(jìn)行濾波和抗干擾處理，信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行脈沖壓縮等信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理，最后將形成的點(diǎn)跡和航跡等信息送給顯示與控制系統(tǒng)。

2.3 工作方式

2.3.1 功能實(shí)現(xiàn)

臺(tái)灣鋪路爪雷達(dá)根據(jù)探測(cè)目標(biāo)類型切換相應(yīng)的工作模式。

（1）當(dāng)搜索遠(yuǎn)距離目標(biāo)時(shí)，例如彈道導(dǎo)彈探測(cè)模式和空間目標(biāo)探測(cè)模式，雷達(dá)系統(tǒng)采用全陣面工作方式，波束控制系統(tǒng)設(shè)置各通道移相器參數(shù)，控制電磁能量向同一方向集中，提高雷達(dá)探測(cè)距離；

（2）當(dāng)搜索近距離目標(biāo)時(shí)，例如對(duì)空探測(cè)模式和對(duì)海探測(cè)模式，雷達(dá)系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字多波束形成方法，實(shí)現(xiàn)搜索、跟蹤和引導(dǎo)的同步工作，并通過(guò)減小發(fā)射脈寬或減少發(fā)射單元的方式，降低雷達(dá)功耗和熱耗，提高雷達(dá)使用壽命。

2.3.2 資源調(diào)度

臺(tái)灣鋪路爪雷達(dá)三個(gè)陣面可實(shí)現(xiàn)同步工作，即同時(shí)搜索、同時(shí)跟蹤。系統(tǒng)按資源塊進(jìn)行調(diào)度，可在遠(yuǎn)距離探測(cè)模式（彈道導(dǎo)彈、空間目標(biāo)）中周期性插入近距離探測(cè)模式（空中目標(biāo)、海上目標(biāo)），提高了探測(cè)方式的靈活性，節(jié)約了搜索占用的時(shí)間。

2.4 探測(cè)距離

典型的雷達(dá)方程可表示為：

雷達(dá)峰值功率P=582.4kW，天線增益G=G=38dB，工作波長(zhǎng)λ=69cm，玻爾茲曼常數(shù)k=1.38×10J/K，噪聲溫度T=306.1K。

空間目標(biāo)探測(cè)模式，脈沖寬度τ=16ms，目標(biāo)RCS為σ=1m，檢測(cè)因子D=(S/N)=13.2dB，系統(tǒng)損耗L=3.97dB。將上述參數(shù)代入后，得到該模式下雷達(dá)最大作用距離為4500km。

彈道導(dǎo)彈探測(cè)模式，脈沖寬度τ=16ms，目標(biāo)RCS為σ=1m，檢測(cè)因子D=(S/N)=17.3dB，系統(tǒng)損耗L=6.57dB，天線增益損失0.62dB。將上述參數(shù)代入后，得到該模式下雷達(dá)最大作用距離為2900km。

對(duì)空探測(cè)模式，脈沖寬度τ=600ms，目標(biāo)RCS為σ=0.2m，檢測(cè)因子D=(S/N)=17.8dB，系統(tǒng)損耗L=6.57dB，天線增益損失4.5dB。將上述參數(shù)代入后，得到該模式下雷達(dá)最大作用距離為670km。

對(duì)海探測(cè)模式，考慮到地球曲率的影響，雷達(dá)探測(cè)距離可表示為：

式中：雷達(dá)天線高度h=2610m+20m=2630m，目標(biāo)飛行h=30m高度 。將上述參數(shù)代入后，得到該模式下雷達(dá)最大作用距離為230km。

3 基于STK的系統(tǒng)仿真與分析

本章通過(guò)對(duì)臺(tái)灣鋪路爪雷達(dá)進(jìn)行布站，并設(shè)置典型彈道和空間衛(wèi)星，使用STK強(qiáng)大的數(shù)學(xué)建模和數(shù)據(jù)分析能力，仿真分析雷達(dá)的彈道導(dǎo)彈探測(cè)能力及空間目標(biāo)編目能力。

3.1 彈道導(dǎo)彈探測(cè)

在對(duì)臺(tái)灣鋪路爪雷達(dá)進(jìn)行彈道導(dǎo)彈探測(cè)性能研究時(shí)，設(shè)計(jì)四條方位和距離各不相同的彈道，發(fā)點(diǎn)分別位于福建、浙江、海南、新疆，如表1所示。

表1：彈道發(fā)點(diǎn)及射程

利用STK仿真結(jié)果對(duì)雷達(dá)探測(cè)情況進(jìn)行分析，如表2所示。

表2：彈道發(fā)點(diǎn)及射程

根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)臺(tái)灣鋪路爪雷達(dá)默認(rèn)設(shè)置搜索截獲屏為俯仰3度且方位全向屏?xí)r，雷達(dá)可以探測(cè)到來(lái)自福建、浙江、海南的彈道導(dǎo)彈，來(lái)自新疆的彈道導(dǎo)彈由于進(jìn)入仰角為6.5度，雷達(dá)難以實(shí)現(xiàn)探測(cè)截獲。

因此，臺(tái)灣鋪路爪雷達(dá)依靠其中兩個(gè)陣面協(xié)同探測(cè)，即可對(duì)我國(guó)內(nèi)陸地區(qū)導(dǎo)彈發(fā)射活動(dòng)進(jìn)行探測(cè)和跟蹤，但受限于威力，尚不能實(shí)現(xiàn)我國(guó)領(lǐng)土區(qū)域?qū)棸l(fā)射活動(dòng)全覆蓋，在臺(tái)灣鋪路爪雷達(dá)無(wú)引導(dǎo)信息的情況下，我國(guó)大陸西部發(fā)射的具有一定彈道高度的導(dǎo)彈即可實(shí)現(xiàn)突防任務(wù)。

3.2 空間目標(biāo)編目

根據(jù)2022年3月美國(guó)NASA “衛(wèi)星空間位置報(bào)告（SSR）”給出的空間目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，軌道高度2000公里以下的空間目標(biāo)數(shù)目達(dá)19738個(gè)，占空間目標(biāo)總數(shù)的比例為78.97%；軌道高度2000～20000公里的空間目標(biāo)數(shù)目達(dá)2569個(gè)，占空間目標(biāo)總數(shù)的比例為10.28%；軌道高度20000公里以上的空間目標(biāo)數(shù)目約2687個(gè)，占空間目標(biāo)總數(shù)的比例為10.75%，如圖1所示。

圖1：低、中、高軌道空間目標(biāo)分布比例

根據(jù)NASS網(wǎng)站公開(kāi)的RCS數(shù)據(jù)，設(shè)置仿真參數(shù)為：

（1） 觀測(cè)時(shí)間：10天；

（2） 編目入庫(kù)所需觀測(cè)圈次：3圈次；

（3） 目標(biāo)RCS：0.01m（小）、0.1m（中）、1m（大）。

STK仿真結(jié)果如表3、表4、表5所示。

表3：?jiǎn)侮嚸鍿TK仿真結(jié)果

表4：雙陣面STK仿真結(jié)果

表5：三陣面STK仿真結(jié)果

仿真結(jié)果表明，臺(tái)灣鋪路爪雷達(dá)選擇單陣面工作模式時(shí)，以1號(hào)陣面為例，對(duì)于低軌空間目標(biāo)，平均3.5天即可完成編目入庫(kù)，若以時(shí)效性3天作為標(biāo)準(zhǔn)，則3天內(nèi)可編目空間目標(biāo)數(shù)量為9798個(gè)；對(duì)于中軌目標(biāo)，平均需要5.2天，3天內(nèi)可編目空間目標(biāo)數(shù)量為228個(gè)；對(duì)于高軌目標(biāo)，平均需要5.9天，3天內(nèi)可編目空間目標(biāo)數(shù)量為15個(gè)。

臺(tái)灣鋪路爪雷達(dá)通過(guò)雙陣面協(xié)同探測(cè)的工作模式，相比于兩個(gè)單陣面探測(cè)，在觀測(cè)圈次、編目數(shù)量、觀測(cè)弧長(zhǎng)等方面均有較大提升。以1號(hào)陣面和2號(hào)陣面協(xié)同探測(cè)為例，1號(hào)陣面3天內(nèi)可編目10041個(gè)，2號(hào)陣面3天內(nèi)可編目10011個(gè)，去除重復(fù)目標(biāo)后，1、2號(hào)陣面單獨(dú)探測(cè)可編目數(shù)量為12644個(gè)，協(xié)同探測(cè)后3天內(nèi)可編目數(shù)量為15908個(gè)，性能提升25.8%。

臺(tái)灣鋪路爪雷達(dá)利用全部三個(gè)陣面協(xié)同工作后，空間目標(biāo)編目能力達(dá)到最大值，三面陣協(xié)同探測(cè)后，3天內(nèi)可編目數(shù)量可達(dá)17140個(gè)，相比于三個(gè)單面陣單獨(dú)探測(cè)編目總數(shù)12773個(gè)，性能提升34.2%。

4 結(jié)束語(yǔ)

臺(tái)灣鋪路爪雷達(dá)具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，在防空反導(dǎo)領(lǐng)域及空間監(jiān)視領(lǐng)域具有較高研究?jī)r(jià)值。本文利用STK仿真分析工具，對(duì)其彈道導(dǎo)彈探測(cè)能力以及空間目標(biāo)編目能力進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明臺(tái)灣鋪路爪雷達(dá)利用多陣面協(xié)同的工作方式，彈道導(dǎo)彈探測(cè)范圍約2900公里，可編目空間衛(wèi)星數(shù)量約17000個(gè)，顯著提升了臺(tái)灣遠(yuǎn)程預(yù)警能力及太空態(tài)勢(shì)感知能力。