臨空高速目標(biāo)協(xié)同探測(cè)跟蹤需求分析

付 強(qiáng)，王 剛，郭相科，劉昌云，張小寬

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西西安710051）

臨空高速目標(biāo)協(xié)同探測(cè)跟蹤需求分析

付 強(qiáng)，王 剛，郭相科，劉昌云，張小寬

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西西安710051）

臨空高速目標(biāo)具有高空、高速、機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)、雷達(dá)散射截面積小等特性，僅靠單一探測(cè)手段難以發(fā)現(xiàn)和穩(wěn)定跟蹤。在分析臨空高速目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)、電磁及紅外特性的基礎(chǔ)上，探討了目前雷達(dá)、紅外平臺(tái)探測(cè)跟蹤能力的不足，提出了多平臺(tái)協(xié)同探測(cè)跟蹤臨空高速目標(biāo)平臺(tái)與載荷需求、多平臺(tái)協(xié)同工作流程。最后，初步仿真驗(yàn)證了天基多平臺(tái)的協(xié)同探測(cè)能力需求。研究可為反臨空高速目標(biāo)的探測(cè)跟蹤系統(tǒng)發(fā)展提供理論和技術(shù)支持。

臨空高速目標(biāo)；多平臺(tái)協(xié)同；探測(cè)跟蹤；需求分析

0 引 言

臨空高速目標(biāo)具有飛行高度高、速度快、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、無(wú)固定軌跡的特點(diǎn)，導(dǎo)致傳感器信號(hào)檢測(cè)困難［1-2］，僅靠單一探測(cè)平臺(tái)難以捕獲及穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。因此綜合利用各種空、天、地基探測(cè)傳感器獲得的各類觀測(cè)信息，如天基紅外信息、可見(jiàn)光學(xué)圖像信息、地基的雷達(dá)探測(cè)信息等，通過(guò)各類傳感器之間的協(xié)同互補(bǔ)，將是針對(duì)該類目標(biāo)探測(cè)跟蹤的有效途徑。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)跟蹤、多傳感器協(xié)同等方面的研究較多，文獻(xiàn)［3- 4］研究了基于天基雷達(dá)背景下對(duì)目標(biāo)跟蹤的研究，文獻(xiàn)［5- 7］提出了多傳感器基于協(xié)同作戰(zhàn)能力的3種航跡合成方法（數(shù)據(jù)融合、互補(bǔ)跟蹤及接力跟蹤）。針對(duì)臨空高速目標(biāo)探測(cè)跟蹤領(lǐng)域的研究尚處于探索階段，對(duì)臨空高速目標(biāo)的探測(cè)跟蹤比普通動(dòng)目標(biāo)復(fù)雜，傳感器協(xié)同也要求更高，但針對(duì)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤平臺(tái)交接和航跡合成等方法可以結(jié)合對(duì)臨空高速目標(biāo)的研究，推廣應(yīng)用到臨空高速目標(biāo)跟蹤問(wèn)題。本文在研究臨空高速目標(biāo)運(yùn)動(dòng)、電磁散射及紅外輻射特性的基礎(chǔ)上，探討了目標(biāo)特性對(duì)傳感器探測(cè)發(fā)現(xiàn)、穩(wěn)定跟蹤、大空域連續(xù)跟蹤等帶來(lái)的影響。進(jìn)而分析目前探測(cè)跟蹤平臺(tái)應(yīng)對(duì)臨空高速目標(biāo)能力的不足，提出了多平臺(tái)協(xié)同探測(cè)跟蹤平臺(tái)和載荷需求，對(duì)探測(cè)跟蹤臨空高速目標(biāo)的多傳感器協(xié)同工作流程進(jìn)行研究，最后仿真驗(yàn)證了天基平臺(tái)協(xié)同的可探測(cè)性。

1 臨空高速目標(biāo)特性分析

1.1 運(yùn)動(dòng)特性分析

臨空高速目標(biāo)主要依靠各類發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，在進(jìn)入臨近空間后，與彈道導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)特性不同，臨空高速目標(biāo)具有很強(qiáng)的變軌能力。它能夠在很短的時(shí)間內(nèi)完成加速，在巡航段開(kāi)始幾百秒的時(shí)間內(nèi)速度馬赫數(shù)就可達(dá)6～7，甚至達(dá)到20。高超聲速特性使目標(biāo)在相干積累時(shí)間內(nèi)跨越多個(gè)距離單元，產(chǎn)生距離走動(dòng)效應(yīng)，造成檢測(cè)困難。

典型臨空高速目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡以X-51A為例，可以簡(jiǎn)化為3個(gè)階段：助推段、巡航段和攻擊段，其中，巡航段又包括爬升段、平飛加速段和等速巡航段，飛行過(guò)程如圖1所示。

圖1 X-51A的飛行過(guò)程

X-51A從在B-52上起飛開(kāi)始，跨層至臨近空間巡航，再到目標(biāo)上空重返對(duì)流層對(duì)目標(biāo)實(shí)施打擊，其飛行高度跨過(guò)對(duì)流層和臨近空間，飛行過(guò)程分別采用了飛航式、跳躍式和彈道式。

1.2 電磁特性分析

臨空高速目標(biāo)電磁特性機(jī)制復(fù)雜，甚至一些散射機(jī)制從機(jī)理上尚未探索清楚。因此，對(duì)其電磁特性的研究是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。

臨空高速目標(biāo)的電磁特性由飛行器結(jié)構(gòu)特性以及飛行器本體、周圍流場(chǎng)、尾跡流場(chǎng)的電磁特性所決定。由于臨空高速目標(biāo)結(jié)構(gòu)特性導(dǎo)致其本身雷達(dá)散射截面積（radar cross section，RCS）就很小，無(wú)論是水平極化還是垂直極化，其RCS大小差別不大，通常在0．01 m2左右［8］，在迎擊和尾追方向，RCS更小。另一方面，其飛行空域大部分時(shí)間在20～100 km之間，進(jìn)入大氣層后，由于強(qiáng)烈的激波壓縮和粘性摩擦作用，飛行器周圍的溫度迅速升高［9］。高溫使空氣發(fā)生電離，也使防熱材料被燒蝕，這樣在飛行器周圍形成十分復(fù)雜的電離層，該電離層即等離子體鞘套。

由于等離子鞘套的作用，在不同電磁波長(zhǎng)的情況下，當(dāng)雷達(dá)波照射到臨空高速目標(biāo)時(shí)，會(huì)形成多種折射、電磁特性衰減或激增等模式。比如在目標(biāo)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作，速度大幅提升時(shí)，目標(biāo)電磁特性衰減。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，在滑翔階段中，其電磁特性激增［10］。同時(shí)，臨空高速目標(biāo)尾部將形成等離子體尾流，尾流對(duì)雷達(dá)波造成強(qiáng)烈的散射，形成雷達(dá)目標(biāo)特性衰減現(xiàn)象。

1.3 紅外特性分析

臨空高速目標(biāo)在大氣層中飛行，決定了本體的紅外特性主要是灰體輻射。其次是高溫等離子體尾跡的紅外特性［11］。在極高超聲速條件，飛行器本體被加熱、燒蝕，并有大量的燒蝕產(chǎn)物注入到等離子體流場(chǎng)中。流場(chǎng)的紅外特性主要與本體防熱材料的燒蝕模式、燒蝕狀態(tài)和燒蝕產(chǎn)物有關(guān)，在本體周圍形成非線性、非灰體的強(qiáng)烈紅外輻射。而等離子流場(chǎng)的輻射特性比較復(fù)雜，這是由于飛行高度、速度、姿態(tài)及相應(yīng)的大氣物理環(huán)境不同，導(dǎo)致臨空高速目標(biāo)等離子體包覆流場(chǎng)各點(diǎn)的氣體溫度、組份、熱力學(xué)狀態(tài)也不同，使得光譜分布較平衡態(tài)有很大偏離，與灰體輻射差別較大［12］。

臨空高速目標(biāo)在穩(wěn)定平飛階段，峰值波長(zhǎng)處于短波，由于其飛行高度在20～100 km，導(dǎo)致地面、空中的強(qiáng)背景噪聲容易將信號(hào)淹沒(méi)。當(dāng)臨空高速目標(biāo)處于機(jī)動(dòng)、連續(xù)滑翔／跳躍階段時(shí)，峰值波長(zhǎng)不斷發(fā)生變化，面臨強(qiáng)變回波噪聲影響，輻射強(qiáng)度較弱。同時(shí)紅外頻譜隨著不同的運(yùn)動(dòng)階段發(fā)生變化。

2 探測(cè)跟蹤臨空高速目標(biāo)能力分析

2.1 雷達(dá)探測(cè)能力分析

雷達(dá)探測(cè)跟蹤臨空高速目標(biāo)受兩個(gè)方面的影響。一方面由于地球曲率避擋帶來(lái)的低仰角探測(cè)，使得地基雷達(dá)對(duì)低空飛行的目標(biāo)存在視線盲區(qū)，從而使得預(yù)警能力下降。另一方面，目標(biāo)的高速、機(jī)動(dòng)也大大降低預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)和制導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)的檢測(cè)概率、跟蹤距離和精度。

2．1．1 地基雷達(dá)基本探測(cè)能力分析

地基雷達(dá)探測(cè)面臨的首要問(wèn)題是地球曲率的影響。目前遠(yuǎn)程導(dǎo)彈預(yù)警雷達(dá)為了提高對(duì)彈道目標(biāo)的探測(cè)跟蹤距離，常采用封邊、封海的方式［11］，即盡可能沿地平線設(shè)置截獲屏，按照一定的截獲概率設(shè)置方位和截獲屏的厚度，確保對(duì)彈道類目標(biāo)穿越截獲屏?xí)r進(jìn)行可靠截獲；但對(duì)于20～100 km高度平飛穿屏、且可以進(jìn)行水平機(jī)動(dòng)的臨近空間目標(biāo)而言，截獲屏模式在探測(cè)概率、預(yù)警時(shí)間以及雷達(dá)資源利用率急劇下降。地基雷達(dá)對(duì)彈道目標(biāo)、臨空目標(biāo)探測(cè)能力，如圖2所示。

圖2 地基雷達(dá)對(duì)彈道目標(biāo)、臨空目標(biāo)探測(cè)能力

通過(guò)文獻(xiàn)［12］中引導(dǎo)條件下雷達(dá)搜索空域計(jì)算方法，結(jié)合臨空高速目標(biāo)在平飛穿屏?xí)r的飛行速度及高度，并假設(shè)在有效攔截窗口內(nèi)攔截目標(biāo)要求所需要的預(yù)警時(shí)間為400 s左右。若在攔截窗口內(nèi)攔截目標(biāo)，所需的預(yù)警距離如圖3所示。

圖3 所需預(yù)警距離與攔截窗口的關(guān)系

2．1．2 雷達(dá)探測(cè)跟蹤信號(hào)檢測(cè)能力分析

為提高雷達(dá)目標(biāo)的檢測(cè)概率，最直接的方法是增大發(fā)射機(jī)的平均功率；同時(shí)為了兼顧距離分辨率，需要信號(hào)有較大的帶寬。因此，雷達(dá)多采用線性調(diào)頻（linear frequency modulation，LFM）的信號(hào)體制，并對(duì)回波進(jìn)行匹配濾波，提高距離分辨率和信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）［13］。但是僅通過(guò)對(duì)LFM信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮所提高的SNR是不夠的，為進(jìn)一步提高回波SNR，提高目標(biāo)檢測(cè)概率，通常對(duì)回波進(jìn)行相干積累或非相干積累處理。脈沖積累通過(guò)犧牲時(shí)間來(lái)?yè)Q取目標(biāo)回波能量，可顯著提高SNR。

對(duì)于臨近空間目標(biāo)，其特點(diǎn)為目標(biāo)RCS弱小，且運(yùn)動(dòng)速度極快，回波積累數(shù)量就會(huì)減少，這就給脈沖積累處理帶來(lái)困難。傳統(tǒng)的相干積累要求目標(biāo)在積累時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)距離不超過(guò)半個(gè)距離單元。若采用LFM脈沖壓縮的雷達(dá)信號(hào)處理體制，其距離單元可以小到只有幾米，在相干積累時(shí)間內(nèi)，目標(biāo)可能跨過(guò)六七個(gè)距離單元，產(chǎn)生距離走動(dòng)，導(dǎo)致傳統(tǒng)的相干積累失效，使得數(shù)據(jù)率和檢測(cè)率更低。

假設(shè)已實(shí)現(xiàn)時(shí)頻對(duì)齊，LFM脈沖信號(hào)模型描述［14］為

式中，NS為采樣點(diǎn)數(shù)；NP為脈沖數(shù)；幅度因子Ak＝A ejφk，模A為脈沖幅度，φk為無(wú)用參數(shù)，不估計(jì)；εk為復(fù)高斯噪聲；f0、φ0和K分別為相位調(diào)制的載頻、初相和調(diào)制斜率；TS為采樣間隔。在相同采樣間隔內(nèi)，速度增加，導(dǎo)致采樣點(diǎn)數(shù)減少，從而使脈沖信號(hào)減弱。

若I為定位信號(hào)n在k時(shí)刻發(fā)射的信號(hào)強(qiáng)度，L為信號(hào)傳播衰減，則Sn（k）＝I－L為接收到的信號(hào)強(qiáng)度，設(shè)Tn為第n種定位信號(hào)的檢測(cè)閾值，檢測(cè)概率為

仿真結(jié)果如圖4所示。重復(fù)頻率為1 000 Hz，脈沖寬度為1×10－6s，c為光速，距離分辨率為10－6×c／2 m，目標(biāo)速度為6 800 m／s，方位角覆蓋范圍30°，天線掃描時(shí)間0．9 s。NP增加時(shí)會(huì)使檢測(cè)概率增加，但目標(biāo)距離的增大使檢測(cè)概率顯著減小。當(dāng)目標(biāo)距離超過(guò)50 km，NP＝1時(shí)，檢測(cè)概率顯著下降。NP＝50在150 km內(nèi)檢測(cè)概率顯著優(yōu)于NP＝10。當(dāng)目標(biāo)距離過(guò)大時(shí)，NP增加效果不明顯。

“小廣告是城市‘牛皮癬’，條例對(duì)戶外廣告尤其是垃圾廣告進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)范，但在城市的小街小巷、樓宇樓道，辦證、刻章、貸款等小廣告還屢見(jiàn)不鮮。請(qǐng)問(wèn)城管部門將采取哪些措施遏制這類問(wèn)題？”王立軍委員發(fā)問(wèn)。市城市管理執(zhí)法局局長(zhǎng)孫九鵬坦言，整治城市“牛皮癬”是一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱巨的工作，稍有松懈就會(huì)反彈?！跋乱徊?，我們將繼續(xù)保持高壓態(tài)勢(shì)，完善整治工作各項(xiàng)運(yùn)行機(jī)制和規(guī)章制度，更加注重部門協(xié)作配合，疏堵結(jié)合清除管理盲區(qū)，堅(jiān)決做好小廣告清理整治工作?！?/p>

圖4 不同積累脈沖數(shù)俯仰機(jī)動(dòng)的檢測(cè)概率

圖5 為不同速度的目標(biāo)檢測(cè)概率曲線。從圖5中可以看出，速度越大，檢測(cè)概率相對(duì)有所降低，其實(shí)質(zhì)是因?yàn)楫?dāng)積累脈沖數(shù)不變時(shí)，目標(biāo)速度增加導(dǎo)致飛行的距離越過(guò)檢測(cè)距離，從而產(chǎn)生了距離走動(dòng)。由于目標(biāo)速度過(guò)大，特別是馬赫數(shù)為20時(shí)，產(chǎn)生非常明顯的距離走動(dòng)，檢測(cè)概率不穩(wěn)定，導(dǎo)致曲線抖動(dòng)。馬赫數(shù)為6和馬赫數(shù)為12的曲線差別不明顯，由于速度均沒(méi)有超過(guò)檢測(cè)波門的閾值（馬赫數(shù)為20時(shí)明顯超過(guò)閾值），對(duì)檢測(cè)概率而言差別不大，但也產(chǎn)生距離走動(dòng)，曲線較為不穩(wěn)定。

圖5 不同速度的目標(biāo)檢測(cè)概率

2.2 紅外探測(cè)能力分析

影響紅外探測(cè)能力的主要因素是目標(biāo)的紅外強(qiáng)度和譜段。臨空高速目標(biāo)在助推段時(shí)，由于傳感器的物理特性和部署地域的限制，使得地基和空基傳感器的性能有限，為了能在助推段探測(cè)到臨空高速目標(biāo)，主要通過(guò)天基紅外傳感器來(lái)完成。臨空高速目標(biāo)在巡航段飛行時(shí)，氣動(dòng)加熱導(dǎo)致臨空高速目標(biāo)表面溫度較高，可達(dá)到2 000 K左右。對(duì)于有動(dòng)力飛行器，主要采用超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)或組合發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰溫度將達(dá)幾百至上千度。據(jù)此分析，此階段臨空高速目標(biāo)的紅外輻射強(qiáng)度相對(duì)有利于實(shí)現(xiàn)紅外探測(cè)。

以X-51A為例。根據(jù)分析預(yù)測(cè)紅外特性可得高超聲速巡航導(dǎo)彈X-51 A的輻射信息如表1所示［15］。

表1 X-51A紅外輻射信息

文獻(xiàn)［16］研究了在不同紅外強(qiáng)度下紅外探測(cè)距離的推算方法，本文在此基礎(chǔ)上結(jié)合傳感器探測(cè)靈敏度。得出在不同檢測(cè)靈敏度、不同紅外輻射強(qiáng)度下，紅外傳感器探測(cè)能力分析如圖6所示。

圖6 紅外探測(cè)距離 檢測(cè)靈敏度 輻射強(qiáng)度的關(guān)系

以典型地球同步軌道的高軌天基導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星為例［17］，在理想情況下，根據(jù)X-51 A的粗略紅外輻射強(qiáng)度值，并根據(jù)天基導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星的基本性能，可分析得出天基導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星對(duì)X-51 A的探測(cè)跟蹤能力，如表2所示。

表2 天基導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星對(duì)X-51A探測(cè)跟蹤能力

根據(jù)分析，目前發(fā)展中的天基預(yù)警衛(wèi)星針對(duì)X-51A等目標(biāo)，理論上具備一定的探測(cè)能力，但在跟蹤能力上較弱。

3 多平臺(tái)協(xié)同探測(cè)跟蹤需求及體系

通過(guò)上述分析，由于臨空高速目標(biāo)具有大空域、高速、機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)、RCS弱等特點(diǎn)，在不同的運(yùn)動(dòng)階段具有不同的頻譜特性，單一探測(cè)跟蹤系統(tǒng)無(wú)法提供臨空高速目標(biāo)的全程、多維信息。因此通過(guò)以天基，空基、地基多平臺(tái)，構(gòu)建天地一體化的信息網(wǎng)，綜合利用空天地多平臺(tái)多譜段的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)臨空高速目標(biāo)的快速分析與捕獲、穩(wěn)定跟蹤和準(zhǔn)確識(shí)別。其中天基系統(tǒng)負(fù)責(zé)全球區(qū)域大范圍的早期預(yù)警跟蹤，空基、地基主要負(fù)責(zé)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤和識(shí)別。天基、空基和地基探測(cè)預(yù)警系統(tǒng)密切協(xié)同，形成一個(gè)有機(jī)的臨空高速目標(biāo)探測(cè)跟蹤信息網(wǎng)。

3.1 探測(cè)的平臺(tái)及載荷需求

3．1．1 雷達(dá)探測(cè)跟蹤平臺(tái)及載荷需求

針對(duì)臨空高速目標(biāo)，傳統(tǒng)的地基探測(cè)跟蹤平臺(tái)采用封海、封邊的搜索屏探測(cè)方式，其有效探測(cè)時(shí)間短，無(wú)法滿足預(yù)警的時(shí)間需求，并且由于遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)的陣面朝向境外，不具備對(duì)內(nèi)陸上空飛行的臨空高速目標(biāo)的探測(cè)跟蹤能力。由于地球曲率的影響，地基平臺(tái)的探測(cè)概率、預(yù)警時(shí)間以及雷達(dá)資源利用率急劇下降。因而，從提高預(yù)警時(shí)間考慮，應(yīng)發(fā)展空／天基的雷達(dá)探測(cè)跟蹤平臺(tái)（由于其不受地球曲率限制。針對(duì)馬赫數(shù)為5，60 km高度的典型臨空高速飛行器，8 km高度跟蹤平臺(tái)探測(cè)距離最遠(yuǎn)為1 450 km，相對(duì)地基雷達(dá)可提高預(yù)警時(shí)間4 min），實(shí)現(xiàn)對(duì)臨空高速目標(biāo)的盡早預(yù)警；從臨空高速目標(biāo)的全程監(jiān)視、跟蹤方面考慮，應(yīng)發(fā)展新型地基跟蹤雷達(dá)并拓展其能力，實(shí)現(xiàn)臨空高速目標(biāo)的穩(wěn)定精確跟蹤。

3．1．2 紅外探測(cè)跟蹤平臺(tái)及載荷需求

傳統(tǒng)的天基預(yù)警裝備是針對(duì)彈道導(dǎo)彈目標(biāo)探測(cè)設(shè)計(jì)的，其載荷探測(cè)波段、傳感器的工作模式、檢測(cè)算法難以滿足對(duì)臨空高速目標(biāo)探測(cè)跟蹤的需要。為滿足對(duì)臨空高速目標(biāo)的盡早發(fā)現(xiàn)和全程覆蓋，需要覆蓋面積大的高軌衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球的監(jiān)視和探測(cè)，并補(bǔ)充發(fā)展可以覆蓋主要威脅方向的跟蹤精度高、分辨率高的中低軌衛(wèi)星星座。需要針對(duì)臨空高速目標(biāo)的輻射特性、傳感器輻射的波段，發(fā)展相對(duì)應(yīng)波段的天基紅外／可見(jiàn)光載荷。同時(shí)，針對(duì)相對(duì)應(yīng)波段傳感器的大氣吸收特性較差，地面背景噪聲大的特點(diǎn)，需解決強(qiáng)變化背景噪聲處理技術(shù)，去除復(fù)雜的背景噪聲。

3.2 協(xié)同探測(cè)跟蹤體系結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)空天地多平臺(tái)傳感器的協(xié)同觀測(cè)，必須解決天基（高軌、低軌）、空基和地基平臺(tái)間的管理、規(guī)劃、調(diào)度、協(xié)同與共享機(jī)制，把空天地不同傳感器資源組成的協(xié)同探測(cè)跟蹤系統(tǒng)，看成是一個(gè)資源虛擬化的智能傳感器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)臨空高速目標(biāo)探測(cè)事件的智能感知、協(xié)同檢測(cè)、協(xié)同信息處理及多傳感器系統(tǒng)的最優(yōu)探測(cè)，其工作過(guò)程如圖7所示。

圖7 傳感器協(xié)同工作流程

為實(shí)現(xiàn)對(duì)臨空高速目標(biāo)穩(wěn)定跟蹤和準(zhǔn)確識(shí)別，必須使具有不同能力的多傳感器系統(tǒng)協(xié)同工作，這種協(xié)同包括了不同波段／頻段、不同軌道／平臺(tái)、不同視場(chǎng)／視角的空天地多傳感器，通過(guò)實(shí)時(shí)目標(biāo)感知，實(shí)現(xiàn)不同傳感器的協(xié)同工作。為了保障探測(cè)跟蹤的連續(xù)性以及相鄰傳感器的交接，協(xié)同引導(dǎo)就顯得特別重要。

通過(guò)充分合理地利用空天地探測(cè)跟蹤資源，可滿足大范圍、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與快速響應(yīng)等臨空高速目標(biāo)探測(cè)跟蹤需求，為多平臺(tái)協(xié)同探測(cè)跟蹤提供依據(jù)。

4 天基多平臺(tái)協(xié)同探測(cè)仿真分析

本文初步對(duì)天基多平臺(tái)協(xié)同探測(cè)進(jìn)行仿真。場(chǎng)景設(shè)為5顆地球靜止軌道衛(wèi)星（攜帶紅外短波和中波載荷），一個(gè)軌道面上有6顆均勻分布的低軌衛(wèi)星，各有一個(gè)掃描相機(jī)和凝視相機(jī)，衛(wèi)星軌道高度1 600 km，與地面傾角90°，偏心率0°，升交點(diǎn)赤經(jīng)190°。掃描型相機(jī)紅外參數(shù)：測(cè)量誤差σLOS為50μrad，探測(cè)速率1 s，視場(chǎng)大小20°×10°，目標(biāo)容量100。凝視型相機(jī)紅外參數(shù)：測(cè)量誤差σLOS為10μrad，探測(cè)速率30 ms，視場(chǎng)大小0．1°×0．1°，目標(biāo)容量2。在該方案的假設(shè)環(huán)境下，通過(guò)仿真分析系統(tǒng)對(duì)其連續(xù)探測(cè)的時(shí)間和空間性能如圖8～圖11所示。

（1）系統(tǒng)的靜態(tài)覆蓋能力分析

靜態(tài)覆蓋效果如圖8所示，從圖8可以看到，由于高軌衛(wèi)星的存在，全球大部分區(qū)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)4重覆蓋，絕大部分區(qū)域滿足2重覆蓋，可以滿足臨空高速目標(biāo)預(yù)警的能力要求。

圖8 靜態(tài)覆蓋效果

（2）系統(tǒng)動(dòng)態(tài)覆蓋能力初步分析

覆蓋百分比報(bào)告如圖9所示，從圖9可以看到，在整場(chǎng)景運(yùn)行周期內(nèi)，對(duì)全球的覆蓋范圍超過(guò)98%，累積覆蓋范圍接近100%，基本滿足全球監(jiān)視預(yù)警的需要。

圖9 覆蓋百分比報(bào)告

時(shí)間滿足報(bào)告如圖10所示，從圖10可以看到，在整個(gè)場(chǎng)景運(yùn)行周期內(nèi)，系統(tǒng)每一時(shí)刻對(duì)整個(gè)覆蓋區(qū)域中滿足兩顆星同時(shí)看到的柵格相對(duì)于整個(gè)覆蓋區(qū)域的百分率超過(guò)97．5%。為后續(xù)與地基平臺(tái)協(xié)同跟蹤提供了支撐。

圖10 時(shí)間滿足報(bào)告

從圖11可以看到，系統(tǒng)可以在X-51 A的全部飛行時(shí)間區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)探測(cè)跟蹤，滿足對(duì)覆蓋區(qū)域內(nèi)臨空高速目標(biāo)探測(cè)跟蹤的需要。

圖11 X-51A的探測(cè)起止時(shí)間

5 結(jié)束語(yǔ)

本文首先分析了臨空高速目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)、電磁、紅外特性，根據(jù)其目標(biāo)特性分析了目前雷達(dá)及紅外傳感器應(yīng)對(duì)這類目標(biāo)探測(cè)跟蹤能力的不足，進(jìn)而提出多平臺(tái)協(xié)同探測(cè)跟蹤平臺(tái)與載荷需求，給出了協(xié)同探測(cè)跟蹤工作過(guò)程，初步仿真驗(yàn)證天基平臺(tái)協(xié)同的可行性。為下一步反臨空高速目標(biāo)多平臺(tái)協(xié)同探測(cè)跟蹤系統(tǒng)發(fā)展提供支持。

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Requirements analysis on collaborative detection and tracking of near space high-speed targets

FU Qiang，WANG Gang，GUO Xiang-ke，LIU Chang-yun，ZHANG Xiao-kuan
（School of Air And Missile Defense，Air force Engineering University，Xi’an 710051，China）

Near space high-speed targets with features such as high altitude，high speed，motor ability，radar cross section weak．It is difficult to detect and capture the target only by means of a single or limited detection．By studying on motion，electromagnetic and infrared features of near space high-speed targets，the detection and tracking ability of radar，infrared detection ability is discussed and lack of platform．The multi-platform collaborative detection tracking platform and load requirements，multi-platform collaborative workflow are proposed．Preliminary simulation verifies the cooperative detection capability of space based multi platform．Research can be used as anti near space high-speed targets tracking system development to provide theoretical and technical support．

near space high-speed target；multi-platform cooperative；detection and tracking；requirements analysis

TP391

A

10．3969／j．issn．1001-506X．2015．04．06

付 強(qiáng)（1988-），男，博士研究生，主要研究方向?yàn)橹悄苄畔⑻幚?、多傳感器融合。E-mail：fuqiang_66688＠163．com

王 剛（1975-），男，教授，博士，主要研究方向?yàn)榉揽辗磳?dǎo)指控技術(shù)、智能任務(wù)規(guī)劃。E-mail：iamwg＠sina．com

郭相科（1980-），男，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤、多傳感器協(xié)同跟蹤。E-mail：guoxk123＠163．com

劉昌云（1978 ），男，博士，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)組網(wǎng)、弱小目標(biāo)跟蹤。E-mail：changyunl＠163．com

張小寬（1981-），男，博士，主要研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)與微波技術(shù)、雷達(dá)組網(wǎng)。E-mail：zxkuang＠163．com

1001-506X（2015）04-0757-06

2014- 05- 22；

2014- 11- 14；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2014- 12- 12。

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http：／／w ww．cnki．net／kcms／detail／11．2422．TN．20141212．0850．003．html

國(guó)家自然科學(xué)基金（61102109，61272011）資助課題