艦載搜索雷達(dá)組網(wǎng)體系研究

顧 兵，史厚寶，張 放

（船舶重工集團(tuán)公司723所，揚(yáng)州225001）

0 引 言

雷達(dá)組網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的情報(bào)資源共享，完成對(duì)每個(gè)雷達(dá)的實(shí)時(shí)指揮控制，增加了實(shí)戰(zhàn)的可靠性，在戰(zhàn)場(chǎng)上構(gòu)成了全方位、立體化和多層次的戰(zhàn)斗體系，大大提高了防空能力，能有效對(duì)付各種平臺(tái)武器的攻擊，從而有效保護(hù)了被攻擊的目標(biāo)，提高了目標(biāo)的生存能力。對(duì)于艦載搜索雷達(dá)，其主要任務(wù)是對(duì)空、對(duì)海警戒以及反導(dǎo)搜索，對(duì)導(dǎo)彈、飛機(jī)以及海面目標(biāo)進(jìn)行全方位搜索、錄取處理，并將回波視頻信號(hào)、錄取的目標(biāo)點(diǎn)跡數(shù)據(jù)或航跡信息傳送給指揮系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)艦載搜索雷達(dá)進(jìn)行編隊(duì)組網(wǎng)探測(cè)，能夠在雷達(dá)探測(cè)距離、抗低空突防、反隱身等能力上較單艦雷達(dá)有較大的改善，提高艦載搜索雷達(dá)覆蓋區(qū)的探測(cè)數(shù)據(jù)率，擴(kuò)大有效搜索范圍，提升近程防御能力和生存能力。另外，隨著航母編隊(duì)?wèi)?zhàn)斗群的形成，通過(guò)艦載搜索雷達(dá)組網(wǎng)可以形成編隊(duì)探測(cè)能力，有效增大近程探測(cè)防御范圍和精度，減少目標(biāo)指示反應(yīng)時(shí)間，提高近程武器系統(tǒng)反導(dǎo)、反低空小目標(biāo)突防的能力，對(duì)整個(gè)航母戰(zhàn)斗群的生存起著至關(guān)重要的作用。

本文對(duì)艦載搜索雷達(dá)組網(wǎng)體系進(jìn)行了研究，對(duì)組網(wǎng)雷達(dá)的布站形式，以及針對(duì)不同作戰(zhàn)任務(wù)條件下雷達(dá)組網(wǎng)布站的效能進(jìn)行了仿真計(jì)算，從仿真結(jié)果可以看出組網(wǎng)使雷達(dá)探測(cè)概率和探測(cè)精度等有了極大的提高。本文研究結(jié)果對(duì)搜索雷達(dá)組網(wǎng)具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

1 艦載搜索雷達(dá)組網(wǎng)布站

1.1 布站流程

為了對(duì)雷達(dá)進(jìn)行有效部署，首先要了解作戰(zhàn)環(huán)境，確定主要的防護(hù)區(qū)域；然后對(duì)目前雷達(dá)部署情況進(jìn)行效能評(píng)估，判斷其是否滿足作戰(zhàn)需求。如果目前雷達(dá)部署情況能夠滿足作戰(zhàn)需求，則無(wú)需對(duì)雷達(dá)進(jìn)行調(diào)動(dòng)；否則，進(jìn)行優(yōu)化布站，使雷達(dá)網(wǎng)滿足作戰(zhàn)要求。整個(gè)組網(wǎng)流程如圖1所示［1］。

作戰(zhàn)環(huán)境包括戰(zhàn)時(shí)的地理環(huán)境（氣候、地形、海況等）和戰(zhàn)斗環(huán)境（敵我雙方的位置分布、裝備狀況等）。確定防護(hù)的區(qū)域包括確定防護(hù)區(qū)域（高空、中空、低空、對(duì)海）和確定重點(diǎn)防護(hù)方向（敵方最有可能襲擊的方向）等。效能評(píng)估包括探測(cè)概率、探測(cè)精度、覆蓋率、重點(diǎn)區(qū)域的冗余度、抗干擾、抗低空突襲、反隱身、反輻射導(dǎo)彈等的評(píng)估。優(yōu)化布站可以根據(jù)一定的任務(wù)剖面（例如基于探測(cè)概率、基于探測(cè)精度、基于反隱身等），當(dāng)然也可以綜合考慮所有的任務(wù)剖面，將優(yōu)化布站定義為各個(gè)任務(wù)剖面的函數(shù)，建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，利用一些優(yōu)化算法（遺傳算法、粒子群算法等）進(jìn)行求解得到最優(yōu)的布站模式［2］。

1.2 組網(wǎng)布站形式

雷達(dá)組網(wǎng)對(duì)網(wǎng)內(nèi)雷達(dá)進(jìn)行合理的部署，不但可抑制干擾，還能改善低空探測(cè)性能、增大對(duì)隱身目標(biāo)的探測(cè)距離，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和狀態(tài)的實(shí)時(shí)估計(jì)。因此，在雷達(dá)組網(wǎng)時(shí)，如何高效率配置雷達(dá)，盡可能使單部雷達(dá)在網(wǎng)內(nèi)發(fā)揮最大效能，大幅度提升系統(tǒng)作戰(zhàn)能力是極其重要的問(wèn)題。

在敵我對(duì)抗環(huán)境中，根據(jù)是否有重點(diǎn)防御區(qū)域，雷達(dá)組網(wǎng)有均衡布站和加權(quán)布站2種布站方式，如圖2所示。

圖2 均衡布站與加權(quán)布站

均衡布站的特點(diǎn)是網(wǎng)內(nèi)各雷達(dá)均勻分布，以面防御為主，無(wú)重點(diǎn)防御方向，主要用在目標(biāo)來(lái)襲方向不明確的情況下。加權(quán)布站的特點(diǎn)是以某一方向防御為主，網(wǎng)內(nèi)各雷達(dá)沿重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域?qū)哟畏植?，通常用在目?biāo)來(lái)襲方向確定的情況下。

根據(jù)雷達(dá)組網(wǎng)形狀可分為線性、三角形、方形、圓形布站等方式，如圖3所示。

圖3 不同網(wǎng)絡(luò)形狀布站

線性布站方式的優(yōu)點(diǎn)是正面探測(cè)范圍最大，并且由于正面探測(cè)區(qū)域重疊范圍大，對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率大，抗干擾能力強(qiáng)。其缺點(diǎn)是除正面外，其他方向的探測(cè)能力減弱，由于受通信能力和火力銜接的影響，整體探測(cè)范圍較小，線陣太長(zhǎng)會(huì)降低信息傳遞能力，導(dǎo)致系統(tǒng)效能降低。通常情況下，在敵來(lái)襲方向十分確定時(shí)采用此布站形式。三角形布站方式最大的優(yōu)點(diǎn)是以少量的雷達(dá)達(dá)到最大的覆蓋區(qū)域，是最經(jīng)濟(jì)的布站方式，并且各個(gè)雷達(dá)站之間可以自由互通，信息共享率高，但三角布站會(huì)出現(xiàn)探測(cè)盲區(qū)，所以雷達(dá)站之間間距不宜過(guò)大。方形布站方式（正方形部署）時(shí)，重疊系數(shù)比三角形部署的大，其雷達(dá)情報(bào)的可靠性、連續(xù)性及低空性能更好，但這也是站多的代價(jià)。環(huán)形布站方式搜索死角小，可在360°的范圍內(nèi)進(jìn)行等概率搜索，并且其靜態(tài)配置面積比較大，受通信能力和火力銜接的影響小，但是此布站方式不分主次，無(wú)法對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)搜索。所以該布站方式通常是在敵主攻方向不明的情況下使用。

2 雷達(dá)組網(wǎng)發(fā)現(xiàn)概率與定位精度

2.1 發(fā)現(xiàn)概率

在一定的虛警概率和檢測(cè)概率條件下，單部雷達(dá)的發(fā)現(xiàn)概率可以表示為［3］：

本文取n＝1，則y≈5.891 64，式（1）可以寫(xiě)成：

由于雷達(dá)所處環(huán)境的不確定性，很難寫(xiě)出綜合性的信噪比表達(dá)式，本文考慮在無(wú)源干擾狀態(tài)下的雷達(dá)探測(cè)概率，由文獻(xiàn)［4］，信噪比可以表示為：

式中：R為雷達(dá)到目標(biāo)的距離；R0為信噪比為1時(shí)雷達(dá)的作用距離［5］：

式中：Pav為雷達(dá)平均發(fā)射功率；G為雷達(dá)天線的增益；λ為發(fā)射電磁波波長(zhǎng)；σ為目標(biāo)的散射截面；k＝1.38×10－23，為玻爾茲曼常數(shù)；T0＝290K，為室溫下的熱力學(xué)溫度；Bn為系統(tǒng)噪聲帶寬；Fn為接收機(jī)噪聲系數(shù)；Ls為雷達(dá)的系統(tǒng)損耗。

將式（3）代入式（2），得：

當(dāng)有N部雷達(dá)同時(shí)探測(cè)時(shí)，假設(shè)它們相互獨(dú)立，同樣在無(wú)源干擾條件下，雷達(dá)組網(wǎng)的聯(lián)合探測(cè)概率為：

式中：Pi為第i部雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率；SNRi為第i部雷達(dá)在特定距離上的信噪比。

組網(wǎng)雷達(dá)要求組網(wǎng)后的發(fā)現(xiàn)概率PL≥0.9，可對(duì)雷達(dá)網(wǎng)進(jìn)行適當(dāng)布置，使其在此發(fā)現(xiàn)概率條件下覆蓋面達(dá)到最大。

2.2 定位精度

為了評(píng)估雷達(dá)的定位性能，可以用幾何精度因子（GDOP）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，GDOP的表達(dá)式可以表示為［6］：

由方差的性質(zhì)

由動(dòng)態(tài)加權(quán)融合法［7］可以得到：

3 仿真與討論

3.1 基于探測(cè)概率

基于探測(cè)概率的優(yōu)化布站就是在防護(hù)區(qū)域內(nèi)，保證一定探測(cè)概率的情況下，對(duì)雷達(dá)進(jìn)行優(yōu)化組合，使其覆蓋范圍最大。本文采用蒙特卡洛方法［3］，在一定的探測(cè)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生n組數(shù)據(jù)并計(jì)算其探測(cè)概率，比較不同組網(wǎng)形式（線性、三角形和正方形）下雷達(dá)組網(wǎng)的覆蓋范圍。計(jì)算過(guò)程中采用的計(jì)算參數(shù)為：雷達(dá)發(fā)射頻率9.6GHz，雷達(dá)發(fā)射功率1.4kW，雷達(dá)脈沖寬度13×10－6s，雷達(dá)增益29dB，雷達(dá)接收機(jī)帶寬1MHz，雷達(dá)接收機(jī)噪聲系數(shù)4dB，雷達(dá)系統(tǒng)損耗10.5dB，目標(biāo)的雷達(dá)橫截面積（RCS）＝100m2。

計(jì)算結(jié)果如圖4～7所示，在防護(hù)區(qū)域（125－0）×（125－0）＝15 625，圖中星號(hào)（＊）部分是雷達(dá)探測(cè)概率滿足PL≥0.9的覆蓋范圍，加號(hào)（＋）是雷達(dá)的位置。由于組網(wǎng)通信條件限制，這里雷達(dá)站之間的距離采用20km，線性雷達(dá)位置分布（35，62.5）、（55，62.5）、（75，62.5）、（95，62.5），其覆蓋面積為9 952；三角雷達(dá)位置分布（52.5，62.5）、（62.5，72.5）、（62.5，52.5）、（72.5，62.5），其覆蓋面積為9 171；方形雷達(dá)位置分布（52.5，72.5）、（52.5，52.5）、（72.5，72.5）、（72.5，52.5），其覆蓋面積為9 357。

圖4 單部雷達(dá)探測(cè)概率分布

圖5 直線形雷達(dá)布站探測(cè)概率分布

從計(jì)算結(jié)果可以得到，在防護(hù)區(qū)域一定、雷達(dá)間距一定、滿足一定概率的情況下，線性分布的探測(cè)范圍最大。因此對(duì)于艦載搜索雷達(dá)布站應(yīng)根據(jù)需要選擇相應(yīng)的布局模式，使任務(wù)剖面或者各個(gè)任務(wù)剖面綜合效率達(dá)到最高。

另外，由圖4可以看出，單部雷達(dá)的探測(cè)半徑達(dá)30km，因此可以在通信連接條件允許的情況下，適當(dāng)擴(kuò)大雷達(dá)之間的距離，使任務(wù)剖面效能達(dá)到最高。

3.2 基于探測(cè)精度

圖6 三角形雷達(dá)布站探測(cè)概率分布

圖7 方形雷達(dá)布站探測(cè)概率分布

雷達(dá)探測(cè)精度反映了雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的定位能力，雷達(dá)組網(wǎng)后可大幅度提高雷達(dá)的定位精度，對(duì)雷達(dá)適當(dāng)組網(wǎng)可以對(duì)一些重要探測(cè)區(qū)域進(jìn)行高精度定位，為作戰(zhàn)系統(tǒng)提供可靠的目標(biāo)位置信息。本文仿真了不同雷達(dá)布站形式下雷達(dá)探測(cè)精度情況，計(jì)算中采用的雷達(dá)距離點(diǎn)跡精度為40×10－3km，雷達(dá)的方位點(diǎn)跡精度為4mrad，雷達(dá)的位置分布與3.1節(jié)設(shè)置相同。

從仿真結(jié)果圖8～11可以看出，雷達(dá)組網(wǎng)后對(duì)目標(biāo)的探測(cè)精度比單部雷達(dá)有明顯的提高，這主要是因?yàn)槔走_(dá)組網(wǎng)充分利用了各個(gè)雷達(dá)站對(duì)目標(biāo)的測(cè)量信息，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量數(shù)據(jù)的冗余，雷達(dá)數(shù)量越多，探測(cè)精度越高。例如，對(duì)于海平面上的某一目標(biāo)，單部雷達(dá)的探測(cè)精度為 （σx1，σy1），2部雷達(dá)同時(shí)進(jìn)行探測(cè)，根 據(jù) 式 （11），其 探 測(cè) 精 度 為 （1／（σx1＋σx2），1／（σy1＋σy2）），當(dāng)有N 部雷達(dá)同時(shí)探測(cè)時(shí)，其探測(cè)精度 （σx，σy）將有大幅度提高。

另外，不同布站形式下探測(cè)區(qū)域精度分布不同，從仿真結(jié)果可以看出，總體上三角形布站與正方形布站探測(cè)精度相當(dāng)，且均比直線形布站探測(cè)精度高，直線形布站橫向探測(cè)精度較高，因此在對(duì)雷達(dá)進(jìn)行布站時(shí)，需根據(jù)任務(wù)剖面和作戰(zhàn)環(huán)境的不同，采用相應(yīng)適當(dāng)?shù)牟颊拘问健?/p>

圖8 單站雷達(dá)GDOP分布

圖9 直線布站GDOP分布

圖10 三角形布站GDOP分布

圖11 正方形布站GDOP分布

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在不同任務(wù)使命的條件下進(jìn)行不同組網(wǎng)體系的研究，對(duì)特定組網(wǎng)形式下的效能進(jìn)行了評(píng)估。從結(jié)果中可以看到艦載雷達(dá)的組網(wǎng)體系不是一成不變的，需根據(jù)不同的作戰(zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)任務(wù)實(shí)時(shí)調(diào)整布站形式以達(dá)到最佳的作戰(zhàn)效能。另外，本文只對(duì)某一任務(wù)剖面進(jìn)行了仿真計(jì)算，在實(shí)際的作戰(zhàn)環(huán)境中需要綜合考慮各個(gè)任務(wù)剖面，建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，利用一些優(yōu)化算法得到最優(yōu)的雷達(dá)站布置。

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