臨空高超聲速飛行器地基攔截引導(dǎo)需求分析*

孫　文，王　剛，韋　剛，郭相科，高嘉樂

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

臨空高超聲速飛行器地基攔截引導(dǎo)需求分析*

孫文，王剛，韋剛，郭相科，高嘉樂

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

NSHV具有速度快、隱身性好、突防能力強等特點，對傳統(tǒng)防空反導(dǎo)體系提出了巨大挑戰(zhàn)，對國家安全構(gòu)成了重大威脅。針對此類目標(biāo)攔截引導(dǎo)難度大的特點，分析了地基雷達(dá)在地球曲率影響下引導(dǎo)能力的局限性；具體討論了武器系統(tǒng)對NSHV的攔截引導(dǎo)需求，分析了地基雷達(dá)引導(dǎo)能力與需求的矛盾關(guān)系；基于上述分析，給出了天基、臨空基、空基和地基探測平臺協(xié)同引導(dǎo)的解決方案，并結(jié)合實例對協(xié)同引導(dǎo)的過程和能力進(jìn)行了分析。此研究對于未來應(yīng)對NSHV的威脅具有一定的理論指導(dǎo)意義。

臨空高超聲速飛行器，地基雷達(dá)，引導(dǎo)需求，協(xié)同引導(dǎo)

0　引言

臨空高超聲速飛行器（Near Space Hypersonic Vehicle，NSHV）指飛行高度在20 km～100 km，飛行速度在5Ma～25Ma的一類飛行器，主要有空天飛機、臨空無人飛行器、超高速巡航導(dǎo)彈等［1-2］，具有飛行速度快、隱身性能好、打擊精度高、攻擊范圍廣等特點［3］，主要執(zhí)行兵力投送、精確打擊和戰(zhàn)略威懾等任務(wù)［4］，成為未來戰(zhàn)爭的殺手锏。

NSHV的攔截引導(dǎo)需求分析主要是指武器系統(tǒng)攔截NSHV時對其精確實時信息的需求情況分析，是實現(xiàn)探測→跟蹤→攔截閉環(huán)過程的重要環(huán)節(jié)。目前，對于NSHV的攔截引導(dǎo)，可行性手段主要是依靠地基雷達(dá)的探測引導(dǎo)，而地基雷達(dá)受地球曲率影響尤其嚴(yán)重，難以探測超出直視距離以外的飛行器［5］，導(dǎo)致NSHV速度、高度及系統(tǒng)反應(yīng)時間變化時，會影響武器系統(tǒng)的攔截距離［6］。改進(jìn)方式主要是依靠地基探測平臺進(jìn)行優(yōu)化組網(wǎng)、增大功率、改進(jìn)探測方式等，難以滿足攔截引導(dǎo)的需求［7-8］。本文在詳細(xì)分析地基雷達(dá)引導(dǎo)能力和不同情況下武器系統(tǒng)攔截引導(dǎo)需求的基礎(chǔ)上，總結(jié)出實際能力與需求的矛盾關(guān)系，提出了借助更具有探測優(yōu)勢的天基、臨空基和空基探測平臺與地基探測平臺協(xié)同引導(dǎo)的解決思路，滿足未來武器系統(tǒng)對NSHV的攔截引導(dǎo)需求。

1　地基雷達(dá)引導(dǎo)能力分析

地基雷達(dá)的技術(shù)發(fā)展較為成熟，是未來引導(dǎo)武器系統(tǒng)攔截NSHV的可行性手段，在不考慮目標(biāo)運用、光電特性等前提下，分析地球曲率對其引導(dǎo)能力的影響。

圖1　視線盲區(qū)示意圖

地球曲率主要影響探測角度，使地基雷達(dá)對目標(biāo)探測時存在一定的視線盲區(qū)［9］。視線盲區(qū)如圖1所示，盲區(qū)高度的計算公式如下：

其中，D為目標(biāo)與雷達(dá)的距離，D'為目標(biāo)與雷達(dá)在地球表面上的投影距離，D≈D'，R是地球的半徑，R'為考慮雷達(dá)波在大氣中折射的地球等效半徑，R'≈4/3R。

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，地基雷達(dá)對目標(biāo)的探測距離公式如下：

其中，h1是地基雷達(dá)的高度，h2是目標(biāo)的高度。通過計算可以等效為：

地基雷達(dá)的高度較低可以近似忽略，得到探測距離與目標(biāo)高度的關(guān)系如圖2所示。

圖2　目標(biāo)高度與雷達(dá)探測距離的關(guān)系

典型高度下探測距離如表1所示，由表可知，目標(biāo)的飛行高度越低，地基雷達(dá)的探測距離越近，受地球曲率的影響對NSHV的最遠(yuǎn)探測距離為1 300 km。

表1　高度與探測距離的關(guān)系

2　武器系統(tǒng)攔截引導(dǎo)需求及矛盾分析

目前，沒有專門攔截NSHV的武器系統(tǒng)，在此，以典型防空反導(dǎo)武器系統(tǒng)為依據(jù)，假定未來攔截NSHV的武器系統(tǒng)所具有的性能［10-11］。典型的防空反導(dǎo)武器系統(tǒng)主要有PAC-3、THAAD和SM-3等，具體性能參數(shù)［12-13］如表2所示。綜合考慮武器系統(tǒng)的性能參數(shù)和NSHV的飛行特性，以及戰(zhàn)場情況下傳輸時延和人機交互的影響。以THAAD武器系統(tǒng)為例，假定，攔截彈的平均速度V=1.2 km/s，攔截線L=200 km，武器系統(tǒng)反應(yīng)時間t1=30 s，整體反應(yīng)時間t2=3.5min。

表2　武器系統(tǒng)性能參數(shù)

2.1不同情況下武器系統(tǒng)攔截引導(dǎo)需求分析

從攔截角度出發(fā)，分析情況1指定攔截距離（200 km）的引導(dǎo)距離；情況2考慮武器系統(tǒng)反應(yīng)時間（30 s）計算所需的引導(dǎo)距離；情況3考慮整體反應(yīng)時間（3.5min）計算所需的引導(dǎo)距離。得到不同情況下速度與所需的攔截引導(dǎo)距離關(guān)系如圖3所示，典型速度下所需的引導(dǎo)距離，如下頁表3所示。

圖3　不同情況下速度與攔截引導(dǎo)距離關(guān)系

由下頁表3可知，隨著速度的增加、反應(yīng)時間的增長，所需的引導(dǎo)距離不斷增大，完全滿足所有的情況，所需的引導(dǎo)范圍為483.6 km～3 404.5 km。

2.2引導(dǎo)需求與地基雷達(dá)引導(dǎo)能力矛盾分析

地基雷達(dá)受地球曲率的影響，對不同情況下NSHV的引導(dǎo)情況如表4所示。

表3　不同情況下典型速度所需的攔截引導(dǎo)距離

表4　不同情況典型速度下地基雷達(dá)的引導(dǎo)情況

由表分析可知，在滿足200 km的攔截距離的前提下，隨著情況的復(fù)雜、速度的增加，地基雷達(dá)的引導(dǎo)能力在不斷被壓縮；情況1下所需的引導(dǎo)范圍484 km～1 618 km；情況2下所需的引導(dǎo)范圍535 km～1873km；情況3下所需的引導(dǎo)范圍841km～3405km，而地基雷達(dá)實際的引導(dǎo)距離580 km～1 300 km難以有效覆蓋所需的探測引導(dǎo)范圍。

綜上所述，由于NSHV速度的增加，系統(tǒng)反應(yīng)時間的增長，武器系統(tǒng)的引導(dǎo)需求越來越大，依靠地基雷達(dá)的探測能力不能夠使攔截彈在200 km處攔截NSHV。為了解決引導(dǎo)需求與引導(dǎo)能力之間的矛盾，需要考慮借助天基、臨空基和空基等其他探測平臺進(jìn)行協(xié)同引導(dǎo)。

3　攔截引導(dǎo)需求的實現(xiàn)途徑

未來將主要通過借助天基、臨空基、空基探測平臺與地基探測平臺協(xié)同引導(dǎo)的方式，來增大引導(dǎo)的距離，滿足武器系統(tǒng)的對NSHV攔截引導(dǎo)需求。

3.1各探測平臺性能分析

（1）前置雷達(dá)作用分析

由圖4分析可知，對于20 km～100 km高度飛行的目標(biāo)，前置雷達(dá)相比武器系統(tǒng)配屬的地基雷達(dá)可以更早探測到目標(biāo)信息，為攔截留下充足的準(zhǔn)備時間；前置雷達(dá)比地基雷達(dá)的位置前移，可以在更遠(yuǎn)的距離探測到目標(biāo)，減少地球曲率的影響；前置雷達(dá)的部署受地理限制較大，但是其引導(dǎo)精度較高，可以為攔截提供更加精確的目標(biāo)信息。

（2）天基、臨空基和空基探測平臺性能分析

天基探測平臺的高度大約在1000 km～2800 km，臨空基探測平臺的高度為20 km，空基探測平臺分為8 km高的預(yù)警飛機和3 km高的飛艇兩種類型［14］，其探測性能仿真如圖5～圖8所示。

圖4　地基雷達(dá)和前置雷達(dá)對目標(biāo)的探測示意圖

圖5　天基探測平臺探測距離與平臺高度關(guān)系

圖6　臨空基探測平臺探測距離與目標(biāo)高度關(guān)系

圖7　8 km空基探測平臺探測距離與目標(biāo)高度關(guān)系

圖8　3 km空基探測平臺探測距離與目標(biāo)高度關(guān)系

根據(jù)各個探測平臺的性能仿真圖，得到各平臺在不同情況下引導(dǎo)的目標(biāo)特性，如下頁表5所示。在考慮直視距離的情況下，由表分析可知，天基探測平臺可以對任意NSHV進(jìn)行引導(dǎo)，臨空基在情況1和情況2下對任意NSHV的進(jìn)行引導(dǎo)，空基探測平臺只能對一定速度范圍的NSHV進(jìn)行引導(dǎo)；在引導(dǎo)精度及效費比方面，空基最好，臨空基次之，天基最差；各平臺進(jìn)行協(xié)同探測可以滿足引導(dǎo)需求。

3.2多平臺協(xié)同引導(dǎo)過程分析

不同探測平臺在對NSHV的探測時段、距離和體制方面具有很強的優(yōu)勢互補性，為了最大限度地發(fā)揮各個探測平臺的性能，需要各個探測平臺協(xié)同工作。天基探測平臺通常在目標(biāo)的助推段最先發(fā)現(xiàn)目標(biāo)；臨空基、空基平臺探測到的目標(biāo)信息，為地基探測平臺的搜索提供引導(dǎo)信息；前置雷達(dá)主要是增大探測距離、提高引導(dǎo)精度。臨空基、空基和地基探測平臺在探測距離上的互補性如圖9所示。

表5　不同情況下各平臺引導(dǎo)的目標(biāo)特性

圖9　臨空基、空基探測平臺與地基雷達(dá)在距離上的互補性示意圖

天基、臨空基、空基探測平臺與地基探測平臺協(xié)同引導(dǎo)過程如圖10所示。

圖10　天基、臨空基、空基探測平臺與地基雷達(dá)的協(xié)同探測過程

由圖10分析可知，天基探測平臺探測距離最遠(yuǎn)，可以在助推段或更早時刻探測到NSHV，將目標(biāo)信息通過天基信息處理節(jié)點傳遞給信息處理中心；臨空基、空基信息處理節(jié)點根據(jù)信息處理中心的指示調(diào)整各自探測器狀態(tài)，對NSHV進(jìn)行連續(xù)探測，將信息反饋到信息處理中心；信息處理中心對地基探測平臺進(jìn)行探測引導(dǎo)，地基探測平臺及時調(diào)整雷達(dá)的波束指向，對預(yù)報空域進(jìn)行重點的搜索，前置雷達(dá)將獲取的高精度NSHV信息傳遞給地基雷達(dá)。地基雷達(dá)即使自身沒有發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，也已經(jīng)獲取了目標(biāo)的準(zhǔn)確信息，能夠?qū)ξ淦飨到y(tǒng)進(jìn)行攔截引導(dǎo)。各探測平臺可以通過信息處理中心和信息處理節(jié)點共享其他平臺探測到的信息，另外，要根據(jù)NSHV的具體情況，靈活進(jìn)行各個探測平臺的組合使用。

3.3多平臺協(xié)同引導(dǎo)能力仿真分析

以美軍的HTV-2為例，具體介紹多平臺協(xié)同引導(dǎo)的能力。HTV-2的飛行特性如表所示。

表6　HTV-2的飛行特性

假定，在情況1下，HTV-2從4 000 km以外的A點飛往B點，在飛行過程中，各探測平臺對其引導(dǎo)過程如下頁圖11所示。

由圖11分析可知，在HTV-2飛行助推段距B約為3 500 km～2 900 km的范圍，主要由天基探測平臺探測；在HTV-2滑翔的初始段距B點為3000 km～2 400 km范圍，由天基和臨空基共同探測，滑翔段的大部分區(qū)域距B點約為2 600 km～1 200 km，由臨空基和空基探測平臺進(jìn)行探測；在HTV-2的滑翔段的后半部分和末段距B點約為15 000 km～0 km范圍，主要是空基和地基探測平臺進(jìn)行探測。其中，目標(biāo)信息的傳輸流程遵循處理節(jié)點與處理中心的傳輸準(zhǔn)則，信息處理中心將HTV-2綜合信息傳遞給地基雷達(dá)，引導(dǎo)武器系統(tǒng)進(jìn)行攔截。

通過分析可以得到天基、臨空基、空基探測平臺與地基探測平臺協(xié)同引導(dǎo)的優(yōu)勢如下：

①有助于減少地球曲率的影響；

②縮短搜索發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的時間；

③提升對目標(biāo)的引導(dǎo)精度；

④提高對目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率。

綜上所述，天基、臨空基、空基探測平臺與地基探測平臺組成的協(xié)同引導(dǎo)方式對NSHV進(jìn)行探測引導(dǎo)時，能夠覆蓋84 km～3 405 km的探測范圍，實現(xiàn)在3種情況下對任意NSHV的攔截引導(dǎo)。

圖11　多平臺對HTV-2的協(xié)同引導(dǎo)過程

4　結(jié)論

臨空高超聲速飛行器的攔截引導(dǎo)已經(jīng)成為攻防體系對抗的重要組成部分，對未來戰(zhàn)爭的勝負(fù)具有至關(guān)重要的影響。在傳統(tǒng)防空反導(dǎo)體系的架構(gòu)下，地基雷達(dá)的引導(dǎo)能力不能夠有效滿足武器系統(tǒng)的攔截引導(dǎo)需求，需要采用天基、臨空基、空基探測平臺與地基探測平臺協(xié)同引導(dǎo)的方式，共同完成對NSHV的攔截引導(dǎo)。本文的研究對于構(gòu)建NSHV防御體系，應(yīng)對NSHV威脅具有重要指導(dǎo)意義，下一步研究的重點將是如何發(fā)揮天基、臨空基、空基和地基等探測平臺協(xié)同引導(dǎo)的最大效能。

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Ground-based Intercepting GuidanceDemand Analysisof NSHV

SUNWen，WANGGang，WEIGang，GUOXiang-ke，GAO Jia-le
（School of Air and Missile Defense，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

NSHV has the characteristics of high-speed，well-stealth performance，powerfulpenetration ability and so on，that puts huge challenges to the traditional air defense anti-missile system and forms great threat to the national security.Because of the difficult guidance，this paper analyzes the ground-based radar’s limitation under the curvature of the earth.It talks about the weapon system’s guidance demand and analyses the contradictory relationship between the groundradar’s guidance ability and the demand.Based on the analyses，this paper puts forward the collaborative guidance way about space-based，near space-based，air-based and ground-based exploring platform and analyzes the collaborative guidance’s process and ability with example.The study of this paper has a great theoretical guiding significance to dealwith NSHV in the future.

NSHV，ground-based radar，guidance demand，collaborative guidance

V448；TJ761.5

A

1002-0640（2016）08-0020-05

2015-06-25

2015-07-23

國家自然科學(xué)基金（61272011）；國家自然科學(xué)青年基金資助項目（61102109）

孫文（1992-），男，山東青州人，碩士研究生。研究方向：臨空高超聲速飛行器引導(dǎo)需求。