敵我識別系統(tǒng)與一次雷達融合的一種設(shè)計方法

李 翔,張莉萍

(船舶重工集團公司723所,揚州 225001)

0 引 言

1 IFF系統(tǒng)組成及工作原理

IFF系統(tǒng)是通過各種可利用的技術(shù)和手段,結(jié)合通用或?qū)Ｓ闷脚_裝備,在作戰(zhàn)所需的時空范圍內(nèi),對目標(biāo)的敵我屬性進行判別和確認。目前最常用的一種類型是協(xié)作式敵我識別系統(tǒng),它采用識別方與被識別目標(biāo)之間相互配合獲取敵我屬性信息的工作方式。其優(yōu)點在于識別過程簡單、準確性高、可有效防止敵方對我方密碼的破譯和利用。本文所討論的IFF系統(tǒng)都是此種類型,其工作原理如圖1所示。

此系統(tǒng)主要是由詢問機和應(yīng)答機兩部分組成。詢問機由詢問天線、固態(tài)功放、調(diào)制器、接收機、信號處理器、視頻處理器、1 030 MHz本振等組成。應(yīng)答機由應(yīng)答天線、固態(tài)功放、調(diào)制器、接收機、視頻處理器、編解碼器、1 090 MHz本振等組成。

圖1 協(xié)作式IFF系統(tǒng)工作原理圖

系統(tǒng)工作時,由地面(或艦載)詢問機天線向待識別目標(biāo)(飛機或艦船)發(fā)射經(jīng)過加密的詢問脈沖信號(頻率1 030 MHz),目標(biāo)的應(yīng)答機接收后通過解碼器判斷并確認該詢問信號,然后以對應(yīng)模式通過全向天線發(fā)射約定的應(yīng)答脈沖信號(頻率1 090 MHz),該應(yīng)答信號被地面天線系統(tǒng)接收到以后送往視頻和信號處理器,對信號進行處理從而獲取相應(yīng)的信息,最終的結(jié)果在顯示屏上顯示出來。

2 IFF系統(tǒng)和一次雷達的區(qū)別與聯(lián)系

一次雷達依靠目標(biāo)對雷達發(fā)射的電磁波的反射作用工作,因此它最大的優(yōu)點是可以主動發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并且定位,只要目標(biāo)表面能夠發(fā)射電磁波就可以了,不需要目標(biāo)攜帶任何專門的設(shè)備。它的缺點是:會同時接收到來自天空、地面的虛假目標(biāo)的反射,例如雨滴、大地甚至鳥類等等,這些不相關(guān)的反射雜波會影響系統(tǒng)辨別真正的目標(biāo)。

IFF系統(tǒng)采用和一次雷達一樣的手段,也是以射頻頻率發(fā)射一系列的脈沖串,但是工作方式卻截然不同,它是在地面站和目標(biāo)應(yīng)答器的配合下,采用問答方式工作的,它必須經(jīng)過2次有源輻射電磁波信號(詢問與應(yīng)答各一次)才能完成應(yīng)有的功能,這是兩者之間最根本的區(qū)別。由于應(yīng)答器的配合,IFF系統(tǒng)具有一次雷達所沒有的許多優(yōu)點:

(1)IFF系統(tǒng)的詢問距離僅與發(fā)射功率的平方根成正比,因此在達到規(guī)定作用距離時,發(fā)射功率比一次雷達小得多;同樣由于信號的單程傳輸,應(yīng)答回波比一次雷達反射回波強度大得多;

(2)由于IFF系統(tǒng)詢問射頻1 030 MHz與應(yīng)答射頻1 090 MHz兩者射頻波長不等,從而消除了地物雜波、氣象雜波和仙波的干擾;

(3)IFF系統(tǒng)的回波與目標(biāo)有效發(fā)射面積無關(guān),因此也就無目標(biāo)閃爍現(xiàn)象;

式中:表示對第m-1幀純凈語音的功率譜估計,表示對第m-1幀的噪聲功率譜估計。α為調(diào)節(jié)系數(shù),它的選取至關(guān)重要,其取值越接近1對“音樂噪聲”的抑制效果越好,但是會造成比較大的語音失真,α取值0.95～0.99時效果較佳[6],max函數(shù)返回兩個參數(shù)的最大值,SNRpost(m,k)表示后驗信噪比,定義后驗信噪比為:

(4)能利用編碼信號交換豐富的信息(當(dāng)飛機發(fā)生故障、通信系統(tǒng)失靈或遇到劫持時,能提供危急告警信息);

(5)IFF系統(tǒng)可以提供精度更高的高度和方位信息。

然而,應(yīng)答機的使用使得IFF系統(tǒng)在獲得優(yōu)勢的同時,也限制了其使用范圍,因為它要求目標(biāo)必須安裝應(yīng)答機。為彌補該缺點,可以將IFF系統(tǒng)與一次雷達配合使用,充分發(fā)揮各自優(yōu)勢,互相補充。

3 一種IFF系統(tǒng)與一次雷達融合的設(shè)計方法

通常將IFF系統(tǒng)與一次雷達配合使用的方法是由一次雷達對目標(biāo)進行探測與定位,而由IFF系統(tǒng)提供此目標(biāo)的更多信息。這種情況下,IFF系統(tǒng)和一次雷達在硬件結(jié)構(gòu)上不相關(guān)聯(lián),有各自的操控單元、供電系統(tǒng)和顯示屏等,兩者作為獨立的2套設(shè)備單獨使用,完成各自任務(wù),僅僅是利用電纜連接進行相關(guān)數(shù)據(jù)的信息交換。

下面介紹的一種新方法是將IFF系統(tǒng)融合到一次雷達當(dāng)中,IFF系統(tǒng)作為整個雷達系統(tǒng)的一部分,聯(lián)合完成目標(biāo)敵我識別屬性判斷的功能。

此方法的總體設(shè)計思路是采用寄生詢問天線,敵我屬性判斷功能由雷達情報處理單元統(tǒng)一考慮,IFF系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)納入雷達整體設(shè)計,電源供電也由雷達配電箱統(tǒng)一分配。其IFF系統(tǒng)的主要組成為應(yīng)答機天線、詢問機天線、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、詢問/應(yīng)答機和遙控顯示單元,布置圖如圖2所示,虛線部分與雷達融合共用。

圖2 IFF系統(tǒng)布置圖

應(yīng)答機天線為垂直振子天線,天線方向圖在方位面近似無方向性,它接收1 030 MHz的詢問信號,發(fā)射1 090 MHz的應(yīng)答信號。

詢問機天線為一輕型高強度的陣列系統(tǒng),有2個饋電端口,其中和端口饋電使天線產(chǎn)生和方向圖,差端口饋電使天線產(chǎn)生差方向圖,前者用于發(fā)射1 030 MHz的詢問信號和接收1 090 MHz的應(yīng)答信號,后者用于發(fā)射1 030 MHz的控制信號。此天線安裝在雷達天線背面,背靠背安裝,方位上相差180°,與雷達天線同步旋轉(zhuǎn)。

詢問天線的和差通道旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)寄生在雷達的饋線系統(tǒng)中,與雷達共用,為三通道旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),分別傳送雷達信號、詢問和信號、詢問差信號。

詢問/應(yīng)答機是將原IFF系統(tǒng)中獨立的詢問機和應(yīng)答機合并為一個機柜,完成IFF系統(tǒng)詢問與應(yīng)答的信號處理功能,內(nèi)含詢問收發(fā)機、應(yīng)答機、視頻信號處理、應(yīng)答信號處理和電源等模塊。

遙控顯示單元與雷達綜合控制臺相融合,遙控分為詢問機和應(yīng)答機兩部分,寄生在雷達的綜合控制臺上,完成控制詢問機的加電、工作方式選擇、詢問的開關(guān)、應(yīng)答處理機自測試及模式、應(yīng)答信息指示和故障信息指示等各種相關(guān)功能,部分IFF系統(tǒng)的狀態(tài)、指示等信息則在雷達情報顯示器內(nèi)顯示。

IFF系統(tǒng)和一次雷達之間的接口,一方面,由于IFF整體功耗不大,一次雷達直接從其配電系統(tǒng)提供一路220 V交流電源給 IFF系統(tǒng)供電;另一方面,除了主脈沖和方位增量等少數(shù)必要信號通過電纜直接互連以外,兩者之間其他的各種控制命令和交互信息均通過公共網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。

通信網(wǎng)絡(luò)采用建立在IEEE802.3標(biāo)準之上的通用TCP/IP通信協(xié)議,通信各節(jié)點采用C類IP地址。網(wǎng)絡(luò)的物理拓撲結(jié)構(gòu)是以網(wǎng)絡(luò)交換機為中心的星型拓撲結(jié)構(gòu)。上網(wǎng)設(shè)備配置雙以太網(wǎng)接口,通過交換機構(gòu)成雙冗余網(wǎng)絡(luò)。采用網(wǎng)絡(luò)雙冗余設(shè)計可以使網(wǎng)絡(luò)在局部故障或受損時,系統(tǒng)不至于癱瘓失效,提高系統(tǒng)可靠性。每個設(shè)備和交換機之間的網(wǎng)絡(luò)均為2路,互為備份,各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可動態(tài)監(jiān)測雙網(wǎng)的運行情況,當(dāng)一路網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時,自動切換到另一路進行數(shù)據(jù)傳輸。雙冗余切換原理如圖3所示。

圖3 雙冗余切換原理示意圖

交換機A和交換機B互聯(lián),且同時工作。節(jié)點1和節(jié)點2分別采用兩通道a、b與交換機A和交換機B互聯(lián)。在同一時刻,只有一個通道處于運行狀態(tài),另一個通道處于后備狀態(tài)。雙冗余切換在底層設(shè)備驅(qū)動程序中實現(xiàn),對網(wǎng)絡(luò)層級以上各層,冗余切換時完全透明。

整個系統(tǒng)工作時,雷達向IFF系統(tǒng)提供超前的觸發(fā)脈沖和控制命令,而IFF系統(tǒng)則將識別標(biāo)志視頻送給雷達情報處理單元進行數(shù)據(jù)融合,聯(lián)合完成目標(biāo)敵我識別屬性判斷,最終與雷達情報相結(jié)合,在顯示屏上進行綜合顯示。

這種設(shè)計方法的新穎之處在于將IFF系統(tǒng)與一次雷達融合設(shè)計,一方面,硬件結(jié)構(gòu)上將兩者視為整體考慮,供電統(tǒng)一分配,IFF系統(tǒng)的詢問天線與雷達天線寄生,旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)共用,遙控顯示單元也融合在一個綜合控制臺上,統(tǒng)一控制、綜合顯示;另一方面,使用網(wǎng)絡(luò)功能統(tǒng)一了數(shù)據(jù)格式,所有數(shù)據(jù)都是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)報文和接口協(xié)議,利用公共網(wǎng)絡(luò)進行傳輸和信息交換,在免去了各種格式轉(zhuǎn)換電路的同時也大大提高了信息交換的速度。這樣的設(shè)計使得整個雷達系統(tǒng)在實現(xiàn)更多功能的基礎(chǔ)上結(jié)構(gòu)更精簡,操控更方便,穩(wěn)定性和可靠性也更高。

4 結(jié)束語

在未來更加復(fù)雜的信息化戰(zhàn)場,快速、準確、實時、可靠地完成目標(biāo)敵我屬性識別將會成為取得戰(zhàn)爭勝利更重要的因素,敵我識別問題日益迫切。只有積極地研究與應(yīng)用敵我識別系統(tǒng),才能在未來的戰(zhàn)爭中取得先機。

[1]張尉.二次雷達原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,2009.

[2]錢眺.IFF信號的分析與識別研究[M].南京:南京信息工程大學(xué),2008.