李濤濤,高偉亮,王永坤,沈君寶,程 煥

(1. 中國人民解放軍91967部隊,河北 邢臺 054100;2. 海軍航空大學青島校區(qū),山東 青島 266041;3. 中國航空工業(yè)集團公司雷華電子技術研究所,江蘇 無錫 214000)

在航母編隊中,艦載戰(zhàn)斗機擔負著奪取海上制空權,打擊敵方海上和海面目標,護衛(wèi)母艦等重要任務,需要艦載戰(zhàn)斗機具備更寬廣、更靈活的態(tài)勢感知能力。我國艦載戰(zhàn)斗機已經裝備紅外探測系統(tǒng)、有源相控陣雷達等多型傳感器系統(tǒng),相繼開展了協(xié)同作戰(zhàn)關鍵技術研究[1-3],但對于多傳感器協(xié)同探測作戰(zhàn)模式的研究不多。艦載機平臺內部的異類傳感器之間可獲取不同特性的信息,具有很好的互補性,編隊協(xié)同探測能夠有效改變目標識別效果[4],但目前還沒有很好的互相利用、互相支持來獲取更精準的目標信息。各類傳感器各自為戰(zhàn),導致整體探測效能在較低的水平上,還有較大的潛力可供挖掘。

1 艦載戰(zhàn)斗機協(xié)同探測典型作戰(zhàn)場景建模

1.1 典型作戰(zhàn)任務及環(huán)境

艦載戰(zhàn)斗機主要擔負空中截擊、巡邏、打擊敵空中高價值目標、攻擊敵水面艦艇[5]、遠程打擊,以及對敵防空系統(tǒng)進行防空壓制和對陸空中遮斷等任務[6]。

艦載戰(zhàn)斗機在執(zhí)行任務時面臨著嚴峻的作戰(zhàn)環(huán)境[7],而艦載戰(zhàn)斗機雷達、紅外等傳感器作為海面目標搜索及態(tài)勢感知的載體,面臨著惡劣的海上環(huán)境,需要面對潮濕高腐蝕環(huán)境、復雜多變海上氣候帶來的挑戰(zhàn)。艦載戰(zhàn)斗機以艦船編隊為中心進行對海作戰(zhàn)時,將面臨來自海面、陸地、空中等多方位電磁干擾、民用目標及虛假目標欺騙等復雜電磁干擾環(huán)境,尤其是艦載戰(zhàn)斗機在進行海上艦艇目標搜索時極易遭遇敵方艦載干擾,造成誤判,給目標探測、跟蹤與識別帶來較大的挑戰(zhàn)。

1.2 典型作戰(zhàn)場景建模

制空打擊過程中,根據作戰(zhàn)對象和敵我態(tài)勢不同,艦載機編隊作戰(zhàn)樣式包括空中截擊、空中巡邏、空中護航三類。從作戰(zhàn)使用過程來看,本文以空中截擊作為典型制空場景分析,在航母編隊作戰(zhàn)系統(tǒng)的引導下,艦載機編隊對來襲的敵方空中隱身機動目標實施攔截和攻擊。接到空中截擊作戰(zhàn)任務后,母艦作戰(zhàn)指揮中心派遣艦載戰(zhàn)斗機群編隊攜帶中距攔截空空導彈,從母艦起飛。艦載戰(zhàn)斗機起飛10 min內可到距離母艦200 km處攔截線,對敵實施攔截。

按照空戰(zhàn)區(qū)域從遠到近,雷達紅外協(xié)同使用[8-9]的流程分為超視距、中距和近距3個階段。

1)超視距階段:編隊在超視距階段時,采用空域增程搜索模式,即艦載機群編隊協(xié)同對相同空域進行搜索,編隊雷達紅外再進行融合探測,從而增加編隊的探測優(yōu)勢,空域增程搜索場景如圖1所示。

圖1 空域增程搜索場景Fig.1 The scene of airspace extended range search

2)中距階段:當兩者距離進一步接近時,艦載機群編隊協(xié)同探測時可采用雷達一發(fā)多收、雷達紅外融合探測模式,即載機B突前進行自發(fā)自收,載機A進行被動偵收,艦載機群編隊一發(fā)多收,雷達紅外融合探測場景如圖2所示。

圖2 編隊雷達一發(fā)多收,雷達紅外融合探測場景Fig.2 The detection scene of multiple receipts for one launch of formation radar, and radar infrared fusion

隨著雙方距離逐漸縮小,載機B和目標雙方均進入彼此的火控打擊范圍,載機B發(fā)射空空導彈攻擊,艦載機群編隊協(xié)同制導時采用輪流接力制導模式,載機B實施攻擊后立即脫離戰(zhàn)場,由處于安全位置的載機A進行制導交接,直到順利完成空空導彈末制導。編隊協(xié)同制導場景如圖3所示。

圖3 艦載戰(zhàn)斗機編隊協(xié)同制導場景Fig.3 The cooperative guidance scene of carrier-borne fighter formation

3)近距階段:當載機在近距階段面臨三個目標時,載機可選擇多波束探測模式,雷達多波束探測場景如圖4所示。

圖4 雷達多波束探測場景Fig.4 The detection scene of radar multi-beam

2 多傳感器協(xié)同探測模式仿真

根據艦載戰(zhàn)斗機典型作戰(zhàn)場景模型,依次在超視距、中距和近距階段對艦載戰(zhàn)斗機多傳感器探測模式進行仿真。首先假設我方和敵方艦載戰(zhàn)斗機編隊雷達探測威力均為80 km,空空導彈距離目標小于20 km時,就能自主探測到目標,即進入導彈末制導階段。

2.1 超視距搜索典型應用模式仿真

超視距搜索階段,射頻探測協(xié)同工作模式主要使用無源定位、主被動探測、被動定位、增程探測和多發(fā)多收探測5類工作模式,接下來重點分析增程探測模式的使用情況。

假設以雙方相距100 km時,艦載戰(zhàn)斗機編隊探測到目標信息,此時,載機A速度為1Ma,載機B速度為1Ma,目標速度為1Ma,增程探測模式下應用場景仿真結果如圖5所示。仿真圖中,以載機A的初始位置為坐標原點,X軸代表相對于載機A初始位置的東向距離,Y軸代表相對于載機A初始位置的北向距離。載機A和載機B的初始坐標分別為(0 km,0 km)、(0 km,100 km),飛行方向均為0°方向,即正東方向,目標初始坐標為(100 km,60 km),飛行方向為180°方向,即正西方向。

圖5 增程探測模式下應用場景仿真Fig.5 The application scene simulation in extended range detection mode

當T=0～20 s時,雙方以迎頭態(tài)勢進入,載機A和載機B進行自主探測,假設載機A和載機B不增程探測時的雷達探測威力為80 km,增程探測后的雷達探測威力為100 km。當T=20 s時,載機B發(fā)射空空導彈,之后T=20～50 s時,目標以偏置角度180°減小到120°進行轉向。T=50～83 s時,目標以1.5Ma速度、0°偏置角度進行加速撤離。到T=83 s時,載機B的空空導彈已進入末制導。之后,由于目標的快速機動,導彈未能命中目標。

態(tài)勢距離隨時間變化關系如圖6所示,X軸代表仿真時刻,Y軸代表雙方之間的距離。從圖中可以看出,隨著時間的變化,在增程探測模式引導下,在T=20～83 s時,載機B發(fā)射的空空導彈距離目標越來越近。當T=83 s時,載機B的空空導彈已進入末制導階段,載機A和載機B順利完成了火控制導任務。由于目標大機動快速撤離,在導彈的末制導階段,T=100 s后,導彈與目標的距離逐漸增大,未能擊中目標。

圖6 態(tài)勢距離隨時間變化關系Fig.6 The relationship between situational distance and time

通過仿真結果可知,如果在超視距階段,艦載戰(zhàn)斗機編隊能夠探測到敵方目標,若要對敵實施火力攻擊,我方發(fā)射空空導彈后,在目標加速逃離期間,需要編隊內艦載戰(zhàn)斗機協(xié)同增程探測,才能保證火控制導的連續(xù)性。

2.2 中距搜索典型應用模式仿真

在中距搜索時,射頻系統(tǒng)主要使用多波束偵收、閃爍探測、LPI探測、掩護探測、協(xié)同搜索、融合跟蹤、探測及干擾和猝發(fā)探測8類工作模式,接下來重點分析中距階段探測及干擾模式的使用情況。

當艦載機編隊在中距階段探測到目標時,載機A和載機B采取的協(xié)同戰(zhàn)術為載機B前置發(fā)射空空導彈攻擊后撤離、載機A對目標進行邊探測邊干擾,在制導它機導彈的同時破壞目標對載機B的火控攻擊。探測及干擾模式下應用場景仿真結果如圖7所示。圖7中,以載機A的初始位置為坐標原點,X軸代表相對于載機A初始位置的東向距離,Y軸代表相對于載機A初始位置的北向距離。假設載機A和載機B初始坐標分別為載機A(0 km,0 km),速度為1.5Ma,載機B(20 km,20 km),目標和載機速度為1Ma,飛行方向均為0°方向,即正東方向。目標以初始坐標為(80 km,20 km),速度1Ma、飛行方向為180°進入,即自東向西方向進入。由此,起始時刻雙方以迎頭態(tài)勢進入。

圖7 探測+干擾模式下應用場景仿真Fig.7 The application scene simulation in detection and interference mode

隨著雙方距離逐漸減小,載機B和目標雙方均進入彼此的火控打擊范圍內,在T=15 s時,由載機B發(fā)射空空導彈攻擊,此時載機B距離目標為49.8 km,之后載機B以90°偏置角度進行脫離。在T=30 s時切換成180°反向脫離,載機A在此過程中持續(xù)使用邊探測邊干擾模式。

考慮到載機B在完成火控攻擊后與目標處于較近距離,為提升自身平臺生存能力,需要以大機動方式脫離目標,而在此作戰(zhàn)態(tài)勢下,目標有可能重點攻擊載機B,目標快速追擊載機B。因此,在T=15～30 s時,載機B與目標的距離仍在逐漸縮小,但載機B與目標的距離始終大于40 km。在T=30 s后,載機B采取180°反向脫離,同時目標仍在向載機B方向靠近,所以雙方距離基本保持不變。在載機B脫離戰(zhàn)場過程中,需要載機A在50～70 km距離段提供對目標的邊探測邊干擾。在T=37 s時,我方的空空導彈已進入末制導,此時載機A和載機B與目標的距離均超過40 km,在T=50 s時,載機B發(fā)射的空空導彈成功命中目標,距離隨時間變化關系如圖8所示,X軸代表仿真時刻,Y軸代表雙方之間的距離。

圖8 距離隨時間變化關系Fig.8 The relationship between distance and time

從圖8中可以看出,在載機B發(fā)射空空導彈攻擊時,此時載機B距離目標為49.8 km,載機B處在目標的雷達探測范圍之內,隨著載機B以大機動方式快速脫離目標,由于距離目標較近,目標可能攻擊載機B,但是在載機A邊探測邊干擾的工作模式下,目標未能順利實施攻擊。隨著時間的變化,在T=37 s時,載機B的空空導彈已進入末制導,而我方艦載戰(zhàn)斗機編隊均處在較為安全的距離范圍內,能夠有效保證自身安全。在T=50 s時,導彈成功命中目標。

根據仿真結果,艦載戰(zhàn)斗機編隊與敵方在中距階段遭遇時,當敵方目標攻擊編隊其他平臺時,可選用編隊內處于非威脅狀態(tài)的平臺采用探測及干擾模式,在保持己方編隊態(tài)勢感知和火控制導的前提下,利用電子干擾阻斷敵方目標的火控攻擊,從而增加己方編隊的生存能力。

2.3 近距搜索典型應用模式仿真

在近距搜索時,射頻系統(tǒng)主要使用多波束探測、多波束干擾、DAS引導跟蹤、探測及干擾和猝發(fā)探測5類工作模式,接下來重點分析近距階段多波束探測的模式使用情況。

假設載機面臨3個目標,當載機在中近距離段面臨3個威脅目標時,載機可選擇多波束探測模式,針對3個分布空間位置不同的目標進行自適應波束形成,完成對3個方向的同時多波束發(fā)射和同時多波束接收。為保證同時探測的目標之間不出現串擾,設定多波束探測的主波束夾角不小于10°。

多波束探測模式下應用場景仿真結果如圖9所示,以載機A的初始位置為坐標原點,X軸代表相對于載機A初始位置的東向距離,Y軸代表相對于載機A初始位置的北向距離。目標初始位置分別為(40 km,30 km)、(40 km,20 km)、(40 km,10 km),載機初始位置為(0 km,0 km),目標和載機速度為1Ma,雙方以迎頭態(tài)勢進入。

圖9 多波束探測模式下應用場景仿真Fig.9 The application scene simulation in multi-beam detection mode

隨著仿真時刻的推進,在T=20 s時三個目標在沿著飛行方向分別做左右搖擺機動,搖擺角度分別為10°和20°,載機沿著3個目標行進方向進行偏置接近,偏置角度分別為5°和15°,由此觀察以上場景過程中載機多波束探測的視角變化范圍。

從T=0～48 s的仿真時間段內,載機對3個方向的目標進行同時3波束探測,目標之間夾角關系如圖10所示。在T=48 s時,目標1和目標2相對于載機的夾角為10.16°,此后載機進行同時2波束探測;在T=55 s時,目標2和目標3相對于載機的夾角為10.59°,此后載機只需在10°范圍內進行同時多目標跟蹤即可,角度隨時間變化關系如圖11所示,X軸代表仿真時刻,Y軸代表角度。

圖10 目標之間夾角關系Fig.10 The angular relationship between targets

圖11 角度隨時間變化關系Fig.11 The relationship between angle and time

從圖11中可知,雙方剛開始接近時,由于目標1、目標2與載機的夾角和目標2、目標3與載機的夾角均大于10°,載機采用3波束同時探測,實時探測目標信息,隨著載機偏置接近目標,在T=48 s時,目標1和目標2與載機的夾角為10.16°,載機進行2波束探測即可。在T=55 s時,目標2和目標3相對于載機的夾角為10.59°,載機只需進行多目標跟蹤,就能實現探測多目標的目的。

根據仿真結果,當多個目標出現在多個不同方向,且威脅等級較高需要同時關注時,可在中近距離段采用多波束探測方式,針對多個目標進行自適應波束形成,完成對不同方向的多波束發(fā)射和接收,從而獲取最高效的探測效果。

3 作戰(zhàn)流程下多傳感器協(xié)同探測模式設計

艦載戰(zhàn)斗機制空作戰(zhàn)使用流程分析,一般包括9個狀態(tài),即任務前準備、出行滑行、起飛爬升、集結編組、目標搜索、協(xié)同攻擊、返航下滑、著陸下滑和任務講評[10]。射頻系統(tǒng)的使用主要集中在目標搜索和協(xié)同攻擊兩個狀態(tài),接下來重點對目標搜索階段和協(xié)同攻擊階段多傳感器協(xié)同探測模式進行設計。

3.1 超視距階段協(xié)同探測模式設計

在超視距搜索階段,戰(zhàn)斗機編隊為實現完全射頻隱身、目標精測向和粗定位效果,可采用HGESM遠距無源偵收。當戰(zhàn)斗機編隊偵測到目標信號時,采用多機HGESM快速收斂定位,從而快速獲取目標信息。當戰(zhàn)斗機編隊獲取到目標部分信息后,編隊可采用主被動探測模式,即多機有源探測與HGESM遠距無源偵收同時工作,使得單機探測性能不損失的同時,增強編隊電子偵收能力。假設在雙方接近過程中,我方收到敵方電子干擾,編隊采用被動定位模式,實現干擾源定位。當敵我雙方距離較遠,目標超出雷達常規(guī)探測威力時,可使用多機增程探測模式。多機增程探測對于作戰(zhàn)能力的提升主要表現在探測距離的增加。利用多平臺雷達進行協(xié)同探測,獲取的多源目標信息將能更準確地進行目標識別和定位。采用分布式協(xié)同探測技術、多平臺組網探測技術[11]可有效增強對低可觀測目標的探測能力。

編隊數量不同時在相同檢測概率下獲得的檢測信噪比不同,從而影響著協(xié)同探測的距離提升。例如,當載機與目標采用迎頭進入態(tài)勢時,雙方均為1Ma速度。當1個平臺對目標的探測距離為100 km時,通過增加編隊數量,獲得的協(xié)同探測距離提升及提前發(fā)現目標時間如表1所示。

表1 增程探測距離提升及提前發(fā)現目標時間Tab.1 Extended range detection distance enhancement and target detection time in advance

經過統(tǒng)計,作者發(fā)現增加第2個平臺可以提高20%的探測距離,但是從四機編隊協(xié)同探測到五機編隊協(xié)同探測,探測距離從41%增加到47%,即多增加一個平臺,帶來系統(tǒng)資源增加的條件下只提升了6%的距離。因此,在完成作戰(zhàn)任務的前提下,艦載戰(zhàn)斗機編隊數量一般為2至4架,才能最大化地實現增程探測效能。

3.2 中距階段協(xié)同探測模式設計

隨著敵我雙方距離進一步縮小,進入中距搜索階段。假設我方是單平臺作戰(zhàn),可采用多波束偵收模式,使得我方在中近距離段快速無源搜索與多輻射源定位。若我方戰(zhàn)機配備ESM對抗設備,應采用探測及干擾模式,能夠在電子壓制下實現目標探測。當存在敵方引導信息時,采用猝發(fā)探測模式,對小區(qū)域進行有源探測,從而達到在減少輻射暴露時間的前提下快速搜索目標。

假設我方出動的是多機編隊,在中距搜索階段可首先使用協(xié)同搜索模式,即多機自發(fā)自收同時搜索,然后融合點跡/航跡信息生成統(tǒng)一態(tài)勢。當發(fā)現敵方雷達開機搜索時,使用掩護探測模式,用于欺騙敵方ESM,實現射頻偽裝,降低被截獲概率。若目標高速機動,使用融合跟蹤模式,實現對機動目標穩(wěn)定跟蹤。當我方編隊存在ESM對抗設備時,優(yōu)先使用多機LPI探測模式[12],即編隊利用功率管理、低副瓣天線設計、復雜波形等實現低截獲探測。編隊采用合理的空間位置布局及雷達資源管理,可有效提高協(xié)同空戰(zhàn)的抗干擾能力。

另外,通過多機協(xié)同LPI探測,可根據目標的不同態(tài)勢距離自適應調整雷達的輻射功率,從而實現多機間的隱蔽探測。采用低截獲概率波形設計,采用有源與無源誘餌,降低編隊雷達被偵察、定位的概率,從而提升編隊的戰(zhàn)場生存能力。

3.3 近距階段協(xié)同探測模式設計

敵我雙方在近距階段相遇時,當多個敵方目標出現在多個不同方向時,我方一般使用同時多波束探測模式,獲得最高效的探測效果。采用多波束同時探測方式能夠顯著降低雷達空域掃描時間,從而獲得快速掃描和快速發(fā)現目標的探測優(yōu)勢。

在近距搜索時,當存在多個目標時,我方可采用同時多波束探測模式,實現近距分區(qū)多波束雷達同時搜索與跟蹤,并且同時攻擊多個目標。當發(fā)現近距存在多個干擾機時,我方可采用多波束干擾模式,達到快速搜索目標,減少輻射暴露時間的目的。若跟蹤過程中,雷達丟失目標,我方使用DAS引導跟蹤模式,即利用DAS提供的測角信息引導雷達快速跟蹤目標,能夠快速跟蹤大機動下的目標,增強航跡的連續(xù)性。

4 結束語

隨著體系化協(xié)同作戰(zhàn)概念的發(fā)展,艦載機多傳感器協(xié)同的作戰(zhàn)模式成為未來作戰(zhàn)方向。本文在對艦載戰(zhàn)斗機協(xié)同探測典型作戰(zhàn)場景建模和仿真的基礎上,針對艦載戰(zhàn)斗機空中截擊的作戰(zhàn)需求,開展了作戰(zhàn)流程下的多傳感器協(xié)同模式設計。在超視距時,編隊采用多機增程探測等方式進行隱蔽探測,同時多傳感器進行航跡融合[13]。作戰(zhàn)對象到達中距后,編隊采用多機協(xié)同LPI探測方式快速完成空域搜索及跟蹤,保持對指定區(qū)域的態(tài)勢感知。然后我方根據編隊多傳感器獲取的敵方目標態(tài)勢信息進行分析和融合,得到當前敵方的整體態(tài)勢結果,建立直觀、完整的戰(zhàn)場全局態(tài)勢圖,從而輔助完成交戰(zhàn)/回避抉擇。隨著敵我雙方距離進一步縮小,到近距后,由編隊內構成攻擊條件的平臺發(fā)射導彈,編隊其余平臺雷達紅外進行聯合目標跟蹤,支持導彈制導,最終完成作戰(zhàn)任務。