防空雷達精確預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)研究

張建科,黨立坤

(防空兵指揮學院,河南鄭州 450052)

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展和作戰(zhàn)理論的變化,防空火力運用將由傳統(tǒng)的以密集射擊為主向精確射擊轉(zhuǎn)變,使未來防空作戰(zhàn)更趨于精確化。精確預(yù)警即預(yù)警信息精確化,指預(yù)警偵察到的目標參數(shù)可滿足防空火力單元作戰(zhàn)需求,實現(xiàn)預(yù)警、監(jiān)視、跟蹤、火力支援于一體。它是精確防空作戰(zhàn)的前提和基礎(chǔ)。目前受裝備性能、技術(shù)水平限制,防空雷達精確預(yù)警還存在差距。本文從提高精確預(yù)警能力出發(fā),對防空精確預(yù)警的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。

1 精確標定

精確標定是提高雷達探測精度和實現(xiàn)戰(zhàn)場空情信息精確共享的基礎(chǔ),主要是對雷達進行精確的位置標定和方位標定。

對防空警戒雷達的位置標定主要是通過在軍用地圖中查詢大地坐標(或大地直角坐標)定位,部分利用GPS定位或“北斗衛(wèi)星”定位。地圖查詢法定位精度低、速度慢,距離偏差較大;GPS定位受制于美國,安全性可靠性差。通常防空警戒雷達采用陀螺電子尋北儀標定法或方向盤標定法來標定方位,這兩種方法都能準確標定,但各自存在缺陷。陀螺電子尋北儀受測量原理限制,只有在中、低緯度才能保證精度,且對載體穩(wěn)定度和水平度要求高,每次完成標定所需時間較長;方向盤標定法依靠人工作業(yè)標定,速度慢、精度低、受氣候條件影響大、夜間標定困難?？梢?目前對雷達的標定還難以滿足精確預(yù)警的需求。

利用“北斗一號”衛(wèi)星定位系統(tǒng)可同時實現(xiàn)對警戒雷達的精確定位和方位標定。進行位置標定時,其定位精度能滿足需求。“基于北斗的雷達方位標定”是一種理論上較好的雷達方位標定方法,其基本原理是通過將衛(wèi)星在WGS84空間大地坐標系[1]的位置轉(zhuǎn)化為雷達站心地平直角坐標系[2],根據(jù)北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)建立真北方位角計算方法確定雷達方位。這種方法可以消除諸多誤差源,但部分技術(shù)問題尚需深入研究。隨著技術(shù)發(fā)展,未來防空兵武器裝備的方位角標定系統(tǒng)必然是向精度高、速度快、操作簡便的方向發(fā)展,并形成相對獨立的模塊化子系統(tǒng)嵌入到裝備中去,更適宜戰(zhàn)場操作和全天候作戰(zhàn)。

我國正在建設(shè)完善的“北斗二號”衛(wèi)星導航系統(tǒng)由35顆衛(wèi)星組成,最終建成全球衛(wèi)星導航系統(tǒng),它的軍用終端定位精度可以達到厘米級別,與現(xiàn)行的“北斗一號”區(qū)域性導航系統(tǒng)相比,性能有較大提高,用于警戒雷達的精確標定精度將更高。

2 精確探測

探測精度是雷達的主要戰(zhàn)技術(shù)指標之一,隨著空襲兵器性能的提高和對精確預(yù)警的需求,對雷達的探測精度提出了更高的要求。

2.1 影響探測精度的因素

目前防空警戒雷達多采用機械掃描與頻率掃描相結(jié)合,在探測精度上還存在差距,難以滿足為火力單位提供精確的目標參數(shù)的要求。影響雷達測量精度的因素很多,雷達體制和自身設(shè)計性能是影響精度的主要原因。此外,目標、電磁波的傳播空間、雷達的各個分機等都是雷達測量系統(tǒng)的組成部分,這些部分工作的準確性和穩(wěn)定性也都影響測量的精度。提高雷達精度,系統(tǒng)設(shè)計是很重要的,精度設(shè)計包括雷達體制的選擇、誤差控制、誤差分配。

2.2 提高探測精度的方法

相控陣技術(shù)。相控陣技術(shù)主要是通過移相器來控制天線輻射單元的相位,從而改變波束的指向,在方位和仰角方向?qū)崿F(xiàn)波束掃描。采用了相控陣技術(shù)的雷達被稱為相控陣雷達。它的天線由成千上萬個天線組成,天線波束寬度窄,副瓣電平低,具有較高的測角精度和測距精度,其角跟蹤精度能小于0.2°,距離精度能小于2m[3]。擔負防空偵察預(yù)警任務(wù)的相控陣雷達要以對遠區(qū)目標進行搜索為主,同時可為火力單元提供高測量精度的空情信息,這需要根據(jù)雷達作用距離的要求,合理選擇波長。波長短,可提高雷達發(fā)射天線的增益,提高測量精度;波長長,能量損失小、探測距離遠,但要求大的天線孔徑。美國的“愛國者”防空系統(tǒng)中的雷達(AN/MPQ-53)是一部集搜索、監(jiān)視、截獲、跟蹤于一體的相控陣機動雷達,其主要參數(shù)見表1[4]。

脈沖壓縮技術(shù)。脈沖壓縮技術(shù)在發(fā)射時采用寬脈沖以提高發(fā)射的平均功率,滿足提高探測距離、降低發(fā)射機及饋線承受高峰值功率的要求;接收時采用相應(yīng)的脈沖壓縮法獲得窄脈沖,以滿足距離分辨率和測距精度的要求。相對普通警戒雷達,采用脈沖壓縮體制雷達能夠提高距離分辨率和測距精度。

表1 AN/MPQ-53相控陣雷達戰(zhàn)技術(shù)參數(shù)

激光雷達技術(shù)。激光雷達是以激光器為輻射源,以光電探測為接收器件,以光學望遠鏡為天線的雷達。它具有高的天線增益和極窄的波束,測角精度可達0.1m rad。它的脈沖寬度可以達到納秒級,測距精度可達到厘米級。但其對目標的搜索和捕獲相對困難。

跟蹤雷達預(yù)警技術(shù)?；鹂乩走_、制導雷達等跟蹤雷達都具有較高的探測精度,能滿足火力單元的精確射擊需求。可將跟蹤雷達通過情報信息系統(tǒng)接入預(yù)警網(wǎng)絡(luò),在其自身火力單元無法實施射擊時為其它火力單元提供精確目標參數(shù),作為精確預(yù)警單元使用。

3 時間統(tǒng)一

3.1 時間統(tǒng)一的必要性

在防空預(yù)警中,時間信息是保證各雷達單元信息交互精確性的基礎(chǔ),應(yīng)作為目標空情信息的重要組成部分。警戒雷達獲取的精確空情信息,在傳輸給其他雷達站和信息處理單元過程中,系統(tǒng)間存在時間誤差和一定時間延遲,如果沒有嚴格統(tǒng)一的時間標準,就難以保證空情信息在時間上的精確性,精確預(yù)警就失去了意義。

3.2 空情信息的時間統(tǒng)一

時間統(tǒng)一,也稱為時間同步或?qū)r,就是將各種同步或異步工作的雷達在時間基準和頻率基準上保持一致,使信息處理更精確。為了保證同一時刻目標位置信息在各雷達站或信息處理單元中的一致性,可以在傳輸?shù)哪繕撕桔E信息中加入精確的時間信息,可用如(M,R,T)格式的數(shù)據(jù)包進行信息傳輸,其中M為警戒雷達獲取目標信息,包括批次、目標位置高度、速度、機架、航向等信息;R為該雷達的位置信息,包括經(jīng)緯度和高程;T為獲取目標信息的精確系統(tǒng)時間,格式為(n-y-r,h-m-s-ms-μs),n-y-r為年-月-日,h-m-s-m s-μs為時-分-秒-毫秒-微秒。在各處理單元對目標信息進行處理時,首先提取的目標航跡信息進行卡爾曼濾波,估算目標未來點坐標參數(shù);提取時間信息與本單元時間信息對比,根據(jù)時間差能獲取當前時間目標位置信息。

3.3 定時和校頻

利用“北斗一號”定位系統(tǒng)的授時服務(wù)功能,可實現(xiàn)對各雷達站和信息處理單元統(tǒng)一的對時和校頻,它的單向標稱定時精度較高,已完全能夠滿足精確預(yù)警需求。雷達系統(tǒng)可以通過提供基于“北斗一號”精確授時的標準接口,或者將北斗一號的定時接收機及校頻模塊植入雷達系統(tǒng)中來實現(xiàn)精確定時。

單向定時模式下,用戶機不需要與地面中心站進行交互,只需接收導航電文信號,自主獲得本地時間與北斗標準時間的鐘差,實現(xiàn)時間同步?？赏ㄟ^使用“北斗一號”單向定時接收機或定位接收機實現(xiàn)。利用定位接收機時其工作原理如圖1所示。

圖1 “北斗一號”定位接收機單向定時原理

從定位接收機收到的導航電文信號中提取特征幀信號打開電子計數(shù)器閘門,用本地鐘輸出的1pps秒信號關(guān)門。從導航電文中讀取衛(wèi)星軌道參數(shù),根據(jù)本地坐標計算偽距,確定傳播延時;讀取特征幀相對于標準時間的時差信息,計算出鐘差改正值,對本地鐘進行鐘差改正,可實現(xiàn)單向定時。

“北斗一號”校頻可在獲得標準時間的基礎(chǔ)上,采取時差法進行,其工作原理如圖2所示。

圖2 “北斗一號”時差法校頻原理

將被測頻率通過分頻或數(shù)字鐘得到1pps秒信號,然后與接收機輸出的1pps秒信號用示波器或計數(shù)器進行時差對比,兩次測量期間平均的相對頻率偏差為:

式中,Δf/f為相對頻率偏差;t2、t1為兩次測量的時刻;Δt2、Δt1分別為標準秒信號與被測秒脈沖在測量時刻t2和t1測得的時刻差。

4 雷達組網(wǎng)

4.1 雷達組網(wǎng)的意義

雷達組網(wǎng)是通過對多部不同體制、不同頻段、不同極化方式的雷達進行適當和合理優(yōu)化的布站,對網(wǎng)內(nèi)各部雷達獲取的空情信息進行收集和傳遞,并由中心站綜合處理、控制和管理,從而形成有效的綜合性探測網(wǎng)。雷達網(wǎng)在配置上具有高、中、低空,遠、中、近程的全空域立體式觀察能力;在技術(shù)上實現(xiàn)各單站雷達信息相關(guān)處理、網(wǎng)內(nèi)雷達資源共享,能有效增強對敵隱形及低空目標的預(yù)警能力、提高探測距離和探測精度;從任務(wù)上說,雷達網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)具有預(yù)警、引導、目標指示、火控、指揮控制和干擾等功能;為了提高信息化條件下防空反導、反隱身目標的精確作戰(zhàn)能力,通常需要進行雷達組網(wǎng)及火力系統(tǒng)組網(wǎng)。

4.2 時空校準和數(shù)據(jù)融合

雷達組網(wǎng)的關(guān)鍵是空間校準、時間統(tǒng)一和數(shù)據(jù)融合。由于各單站雷達的坐標系不同,數(shù)據(jù)采樣率、數(shù)據(jù)獲取時間不同,數(shù)據(jù)融合中心為了進行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián),必須先進行空間和時間的校準。

通過“北斗一號”衛(wèi)星定位系統(tǒng)進行精確定位和方位標定,可實現(xiàn)空間校準。但在雷達測量系統(tǒng)中,獲取的目標位置信息均是以雷達站為中心的極坐標系表示,需要將各站測得的目標極坐標系轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標系進行融合。其過程為:先將各雷達站極坐標轉(zhuǎn)換為雷達站直角坐標,然后變換到空間大地坐標系,在融合中心以空間大地坐標系格式進行融合處理,然后再將信息傳給各雷達站,由雷達站再解算變換為各自的極坐標信息;或者在融合處理后直接根據(jù)各雷達站在空間大地坐標系中的位置進行解算,形成各站的站心球極坐標信息后,傳輸給相應(yīng)的雷達站。

時間的校準可以參照時間統(tǒng)一技術(shù),各雷達站都采用“北斗一號”定時校頻,校準精度完全高于傳統(tǒng)的線性時間校準插值法、拋物時間校準插值法以及其他時間插值法獲取的時間精度。

組網(wǎng)雷達的數(shù)據(jù)融合處理有集中式點跡融合、分布式航跡融合和混合式融合3種。集中式點跡融合將各單雷達的點跡數(shù)據(jù)直接送到融合中心進行濾波,實現(xiàn)點跡融合,形成目標航跡。其具有融合精度高、系統(tǒng)時延小、系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)概率高的優(yōu)點,但由于數(shù)據(jù)量很大,對融合中心處理機的處理能力和通信帶寬要求高。分布式航跡融合先由單雷達數(shù)據(jù)處理器對各自的觀測進行處理,形成本地航跡,再傳給數(shù)據(jù)融合中心進行航跡相關(guān)和融合。分布式航跡融合系統(tǒng)是一種常見的融合方式,它的可靠性高,在單站故障時整個系統(tǒng)仍能工作,具有重組能力,且可降低對融合中心處理機能力和通信帶寬的要求;但系統(tǒng)融合精度不高,系統(tǒng)時延相對較大,特別是在整個組網(wǎng)雷達或網(wǎng)內(nèi)大部分雷達受到強電子干擾,單站雷達的距離信息就會喪失,無法在單站對目標進行定位濾波而形成航跡,從而無法進行分布式航跡融合?；旌鲜饺诤鲜屈c跡融合和航跡融合的結(jié)合,即在系統(tǒng)中有多個同等級別的處理中心存在,各個處理中心融合若干單站的觀測數(shù)據(jù),最后由頂層融合中心實現(xiàn)航跡融合或者點跡/航跡融合。它在處理機性能、通信帶寬、系統(tǒng)時延、融合精度和探測概率的要求上得到了較好的折中,比較合理,目前已普遍應(yīng)用于外軍C4ISR系統(tǒng)中。

5 結(jié)束語

隨著未來精確防空作戰(zhàn)的發(fā)展,防空雷達主要功能將向預(yù)警探測、偵察監(jiān)視、打擊引導一體化的精確預(yù)警發(fā)展。采用相控陣、脈沖壓縮等技術(shù)可提高防空雷達自身的偵察預(yù)警的精確度;采用基于“北斗一號”衛(wèi)星定位系統(tǒng)進行精確標定和時間校準,具有較高的精度;防空雷達組網(wǎng)能有效整合預(yù)警資源,提高精確預(yù)警能力。對防空雷達精確預(yù)警在精確標定、精確探測、時間統(tǒng)一、雷達組網(wǎng)四個方面的研究,對防空雷達在精確預(yù)警方面的發(fā)展和實現(xiàn)精確防空作戰(zhàn)有參考價值?！?/p>

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