劉育才 馬曉靜

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230088;2.國防科技大學(xué)電子對抗學(xué)院 合肥 230031)

0 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,飛機、巡航導(dǎo)彈從低空、超低空突防是慣用的進(jìn)攻手段,一方面是因為低空飛行的目標(biāo)受到地球曲率和地物遮蔽的影響,地面雷達(dá)的視距和低空探測范圍受到限制,使預(yù)警時間大為減少;另一方面是由于目標(biāo)在強地雜波或海雜波背景中飛行,增加雷達(dá)檢測這些目標(biāo)的難度。為了能有效地監(jiān)視和攔截低空目標(biāo),各國都在積極發(fā)展低空探測裝備,其主要措施是在提高雷達(dá)反雜波性能的同時把雷達(dá)架設(shè)平臺升高,如高山俯視雷達(dá)、空中預(yù)警機、氣球載雷達(dá)等[2]。

氣球載雷達(dá)系統(tǒng)利用系留氣球把雷達(dá)升到空中,相對于地面雷達(dá),可在一定程度上克服地球曲率及地形遮蔽的影響,使低空探測能力大大提高;相對于預(yù)警機載雷達(dá),氣球載雷達(dá)留空時間長,可持續(xù)監(jiān)視,使用效費比高。由于氣球載雷達(dá)具有獨特優(yōu)點,因此受到世界各國的青睞,并在軍事、民用領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

本文首先介紹國內(nèi)外系留氣球載雷達(dá)主要性能及其應(yīng)用情況,然后從持續(xù)留空時間、帶載能力、低空覆蓋范圍、低空反隱身以及相對預(yù)警機載雷達(dá)具有的慢速目標(biāo)探測、功率孔徑資源使用效率優(yōu)勢等方面對氣球載雷達(dá)系統(tǒng)使用效能進(jìn)行綜合分析,并對未來發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

美國是最早發(fā)展系留氣球雷達(dá)系統(tǒng)的國家,部署于沿海及美墨邊境地區(qū),用于實現(xiàn)沿海及邊境監(jiān)視,其氣球載雷達(dá)主要有3種型號,改進(jìn)型全固態(tài)AN/TPS-63(V)雷達(dá)、L-88A雷達(dá)和改進(jìn)型AN/APG-66雷達(dá),其中數(shù)量最多的是AN/TPS-63(V)雷達(dá),三個型號的主要性能如表1所示[7][13]。

表1 主要性能表

由表1可見,氣球載雷達(dá)一般工作在L或X頻段,其中工作在L頻段的AN/TPS-63(V)、L-88A雷達(dá)發(fā)射功率及天線口徑較大,搭載于大型系留氣球平臺,探測距離遠(yuǎn),實現(xiàn)大范圍監(jiān)視;工作在X頻段的改進(jìn)型AN/APG-66雷達(dá)發(fā)射功率及天線口徑較小,搭載于小型系留氣球平臺,探測距離較近,但是具有一定的機動能力。三型氣球載雷達(dá)均采用全固態(tài)發(fā)射機,具有較高的可靠性。地雜波改善因子可達(dá)60dB左右,以實現(xiàn)在強地雜波環(huán)境中有效探測低空目標(biāo)。工作波形采用低重頻或者中重頻,以適應(yīng)海上、陸地等不同雜波、目標(biāo)環(huán)境。

美國后來還發(fā)展了聯(lián)合對地攻擊巡航導(dǎo)彈防御空中組網(wǎng)探測器系統(tǒng)(JLENS),對巡航導(dǎo)彈進(jìn)行超視距探測與跟蹤,用于保護在海外地區(qū)執(zhí)行任務(wù)的美陸軍部隊免遭巡航導(dǎo)彈的攻擊,利用TCOM公司的71M型氣球,升空高度可達(dá)3000～4600m,連續(xù)執(zhí)行任務(wù)時間達(dá)720h,系統(tǒng)包含兩個氣球及兩個雷達(dá)載荷,其中一套攜帶預(yù)警監(jiān)視雷達(dá),探測距離320km,另一套攜帶火控雷達(dá),用于引導(dǎo)地面防空導(dǎo)彈實施攔截,火控距離達(dá)250km。

除美國外,目前裝備系留氣球系統(tǒng)的還有俄羅斯、以色列、印度等國。我國也在航展上展出了JY-400系留氣球偵察監(jiān)視系統(tǒng),體積較大,可以攜帶大型預(yù)警雷達(dá)、通信中繼、綜合光電等任務(wù)載荷執(zhí)行大范圍、長時間的空中滯留偵察和警戒任務(wù),可廣泛用于要地防御預(yù)警、邊防海防實時監(jiān)控、通信中繼等多種任務(wù)。

圖1 美國在海外部署的小型系留氣球雷達(dá)系統(tǒng)

圖2 我國在航展上展示的機動式系留氣球系統(tǒng)

2 使用效能分析

氣球載雷達(dá)系統(tǒng)得益于氣球平臺升空高度高、安裝空間大、地面系留供電、不需額外動力、運動速度慢等特點,在使用效能方面具有獨特的優(yōu)勢,下面重點從全天時能力、低空目標(biāo)監(jiān)視能力、反隱身能力以及相對預(yù)警機載雷達(dá)的優(yōu)勢等幾個方面分析系留氣球載雷達(dá)的使用效能。

2.1 全天時工作能力

與預(yù)警機等機載平臺不同,系留氣球平臺依靠空氣凈浮力升空,還可通過系留纜繩從地面直接對球上雷達(dá)持續(xù)穩(wěn)定供電,因此留空時間一般只受天氣和氣球材料本身限制[1]。

從續(xù)航時間上來看,一般預(yù)警機最長連續(xù)工作時間在10h左右,預(yù)警直升機的連續(xù)工作時間在2.5～3h左右,大型無人機的連續(xù)工作時間一般約30h左右,而氣球載雷達(dá)系統(tǒng)最長連續(xù)留空時間可達(dá)30天,單部氣球載雷達(dá)即可實現(xiàn)重點區(qū)域的全天時值班,而預(yù)警機等機載平臺需要通過多部雷達(dá)接力工作才能實現(xiàn)全天時值班。

從帶載能力來看,預(yù)警機的雷達(dá)載荷重量約1t或更重,大型系留氣球系統(tǒng)載重能力可達(dá)1～3t,小型系留氣球系統(tǒng)載重能力可達(dá)幾百千克。目前國際上已研制出可實現(xiàn)媲美預(yù)警機的載重能力的大型系留氣球系統(tǒng),系留氣球系統(tǒng)也可作為通用型平臺,可以同時或者輪換搭載其他種類載荷執(zhí)行不同的任務(wù),具有靈活的載荷適應(yīng)性。

從費效比來看,各種升空預(yù)警系統(tǒng)中最先發(fā)展起來的是預(yù)警機,由于預(yù)警機巡航時間短,長期值守不但運行費用很高,要保持空中始終有一架預(yù)警機長期值守,還需要考慮換防、維護等問題,要有2～3架作為后備。預(yù)警機的特長和軍事上的重要作用是在進(jìn)攻時短時間的前置引導(dǎo)、指揮。而與預(yù)警飛機相比,系留氣球載雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)可降低大量能耗和飛行費用,只需要少量的維護工作就可以連續(xù)使用。1993年,美國海關(guān)總署(USCS,目前隸屬于美國國土安全部)呈送參議院一份報告,較為詳細(xì)地介紹了采購和使用以系留氣球為平臺的雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)的費用。根據(jù)該報告,對于一套能在方圓278km內(nèi)探測雷達(dá)截面為2m2的空中目標(biāo)的系統(tǒng),其采購費用在1800萬～2200萬美元之間,每小時使用費用估計在300～400美元之間。假定一套系統(tǒng)的使用率為60%,即每年可工作時間為5256h,則總的使用費在300萬美元左右。相比之下,采購一架P-3“獵戶座”空中預(yù)警與控制飛機的費用約為3700萬美元,每小時使用費用為3500美元。假定每架“獵戶座”飛機的使用率為60%,則每年維持一支由4架“獵戶座”飛機組成的機隊的費用為1800萬美元。因此,從經(jīng)濟、軍力等方面考慮,執(zhí)行經(jīng)常性的預(yù)警監(jiān)視,預(yù)警機不如系留氣球載雷達(dá)系統(tǒng)經(jīng)濟實用。

2.2 低空目標(biāo)監(jiān)視能力

岸基地面雷達(dá)受架高限制,對低空、海面目標(biāo)探測距離非常有限,遠(yuǎn)不能滿足預(yù)警、監(jiān)視需求。美國、俄羅斯等國為了解決該問題,先后發(fā)展了岸基系留氣球載雷達(dá)系統(tǒng),部署于邊境、沿海地區(qū),拓展預(yù)警監(jiān)視范圍。該范圍受制于系留氣球載重能力及升空高度,一般升空高度3000m左右,對超低空、海面目標(biāo)探測距離可達(dá)220km左右。發(fā)展氣球載雷達(dá)系統(tǒng),可通過在沿海批量部署,拓展常規(guī)地面雷達(dá)預(yù)警監(jiān)視范圍,在所關(guān)注的空域、海域形成大范圍、長時間持續(xù)感知能力,為維護海洋權(quán)益,保衛(wèi)國家安全提供信息支撐。視距隨雷達(dá)架設(shè)高度變化曲線如圖3所示。以青島某地為例,地面雷達(dá)、氣球載雷達(dá)覆蓋范圍對比情況如圖4所示。

圖3 視距隨架設(shè)高度變化曲線

圖4 氣球載雷達(dá)相對地面雷達(dá)低空覆蓋范圍對比

2.3 反隱身能力

隱身目標(biāo)的典型特征為在微波頻段RCS小,相對常規(guī)飛機,其RCS在微波頻段縮小2個數(shù)量級以上。目前反隱身的途徑主要有大功率孔徑積反隱身、頻段反隱身兩種方式,大功率孔徑積反隱身要求雷達(dá)具備較大的天線口徑以及發(fā)射功率,彌補RCS的縮小,以實現(xiàn)對隱身目標(biāo)的遠(yuǎn)距離探測;頻段反隱身主要是利用隱身飛機在低頻段隱身性能差、RCS較大的特點,使雷達(dá)工作在VHF、UHF等較低頻段,實現(xiàn)對隱身目標(biāo)的遠(yuǎn)距離探測。地面雷達(dá)受尺寸、重量、功耗等因素影響較小,可根據(jù)作戰(zhàn)需要靈活選擇上述兩種方式實現(xiàn)對隱身目標(biāo)的有效探測,解決中高空隱身目標(biāo)探測問題,但是難以解決低空隱身目標(biāo)探測問題。機載雷達(dá)受安裝空間、重量、功耗等因素限制,一般工作于L、S等較高的頻段,難以通過上述兩種方式實現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測隱身目標(biāo)。系留氣球平臺具備使用低頻段雷達(dá)實現(xiàn)低空隱身目標(biāo)遠(yuǎn)距離探測的安裝空間、系統(tǒng)功耗等條件,通過沿海批量部署,同地面反隱身雷達(dá)一起,可以補齊低空反隱身短板,形成遠(yuǎn)距離、全高度域的探測隱身目標(biāo)的能力。

2.4 相對于機載雷達(dá)優(yōu)勢

在功率孔徑資源使用效率方面,氣球載平臺對天線垂直口徑限制小,有利于實現(xiàn)天線系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計,提高功率孔徑資源使用效率。預(yù)警機載雷達(dá)受限于氣動布局影響,垂直口徑一般較小,因此其俯仰維波束寬度較寬,無法實現(xiàn)將有限的能量集中于重點關(guān)注的空域,不利于實現(xiàn)匹配探測空域的雷達(dá)系統(tǒng)資源的優(yōu)化設(shè)計。系留氣球平臺在垂直方向的限制較小,可以實現(xiàn)更大的天線垂直口徑,壓窄俯仰波束寬度,在所關(guān)注的重點空域內(nèi),實現(xiàn)更遠(yuǎn)的探測距離。以覆蓋10000m高度為例,同樣的功率孔徑積,波束寬度不同時,窄波束有利于實現(xiàn)能量在10000m高度以下空域的聚焦,實現(xiàn)更遠(yuǎn)的探測距離。

圖5 俄羅斯A50、美國E2C預(yù)警機圖片

圖6 寬、窄波束威力覆蓋示意圖對比

在研制及使用成本方面,系留氣球平臺載荷裝載空間更大,有利于搭載低頻段雷達(dá),降低研制成本。一般用于低空、海面遠(yuǎn)程預(yù)警,其探測距離和功率孔徑積成正比,在一定條件下,對于給定探測距離,天線接收孔徑越大,則所需要的平均發(fā)射功率越小。對于相控陣?yán)走_(dá),采用低頻段工作,可以用較少的有源通道實現(xiàn)較大的天線孔徑,從而以較低的成本、較小的功耗實現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測,提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

表2 三種雷達(dá)指標(biāo)對比

在慢速小目標(biāo)的檢測能力方面,系留氣球平臺由于運動速度很慢,有利于提高對慢速小目標(biāo)的檢測能力[11]。機載雷達(dá)工作時,平臺處于運動狀態(tài),對低空動目標(biāo)檢測的主要困難在于濾除地面強雜波的影響,由于波束主瓣有一定寬度,并且處于下視狀態(tài),主瓣雜波、副瓣雜波地雜波譜均有嚴(yán)重的展寬。主瓣雜波可以通過多普勒濾波的方式濾除,而副瓣雜波則難以通過多普勒濾波的方式濾除,天線副瓣水平是限制機載預(yù)警雷達(dá)性能的關(guān)鍵,機載預(yù)警雷達(dá)天線一般具備低副瓣特征,以降低副瓣雜波強度,其低副瓣能力限制了雷達(dá)在強雜波背景下檢測慢速小目標(biāo)的能力。相對于機載雷達(dá),系留氣球載雷達(dá)工作時處于準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài),地雜波譜中心頻率基本為0,雜波譜寬度較窄,和地面雷達(dá)接近,可以通過多普勒濾波的方式得到理想地改善因子,實現(xiàn)強雜波環(huán)境下對慢速小目標(biāo)的可靠檢測。

根據(jù)上述分析,對地面雷達(dá)、預(yù)警機雷達(dá)以及系留氣球載雷達(dá)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)、戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)對比情況進(jìn)行綜合分析,如表2所示,系留氣球載雷達(dá)系統(tǒng)在執(zhí)行長時間低空、海面目標(biāo)監(jiān)視任務(wù)時,在探測距離、持續(xù)工作時間、效費比等方面具有明顯的效能優(yōu)勢,主要弱點為機動能力較差,抗摧毀能力弱。

3 結(jié)束語

綜上分析,氣球載雷達(dá)系統(tǒng)具有全天時工作能力強、功率孔徑資源使用效率高、低空覆蓋范圍大等突出優(yōu)點,但是在機動性方面,相對預(yù)警機載雷達(dá)的高機動能力,存在機動能力差的問題;在雷達(dá)體制方面,采用反射面天線(改進(jìn)型全固態(tài)AN/TPS-63(V)雷達(dá)、L-88A雷達(dá))或無源相控陣體制(改進(jìn)型AN/APG-66雷達(dá)),天線效率低,反干擾能力弱;在主要功能方面,主要承擔(dān)低空預(yù)警功能,搜索、跟蹤、制導(dǎo)等多功能潛力尚未發(fā)揮。

因此,未來氣球載雷達(dá)系統(tǒng)需要從技術(shù)體制、裝備形態(tài)等方面進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計,提高天線效率,減小雷達(dá)系統(tǒng)規(guī)模,從而縮減系留氣球平臺規(guī)模,提高快速機動能力,同時具備搜索、跟蹤、制導(dǎo)等多功能一體化能力。

在技術(shù)體制方面,有源相控陣?yán)走_(dá)是現(xiàn)代雷達(dá)的發(fā)展趨勢,氣球載雷達(dá)選擇有源相控陣體制與其它體制雷達(dá)相比具有輻射效率高、損耗低、作用距離遠(yuǎn)以及空間自由度高、波束形成靈活、抗干擾能力強、任務(wù)可靠性高等優(yōu)勢,可以大幅提升天線效率,減小雷達(dá)系統(tǒng)規(guī)模,提升雷達(dá)性能,為系留氣球平臺的小型化打好基礎(chǔ)。

在裝備形態(tài)方面,可以考慮基于氣球載雷達(dá)系統(tǒng)平臺與綜合射頻技術(shù),通過將雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)一體化設(shè)計,利用浮空氣球平臺的特點與優(yōu)勢,使系統(tǒng)能夠完成對低空目標(biāo)探測、跟蹤的同時,實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大容量的雙向數(shù)據(jù)通信,并且完成電子偵察與干擾,減少分立裝備的數(shù)量,提高電子系統(tǒng)裝備的一體化水平、平臺適裝性和綜合作戰(zhàn)效能。