組網(wǎng)雷達分布式協(xié)同干擾仿真研究

楊會軍，李 強

(中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京 210007)

0 引言

雷達網(wǎng)[1]把多部不同工作模式、不同頻段、不同極化方式、不同體制的雷達適當布站，利用通信手段鏈接成網(wǎng)，由中心站統(tǒng)一調(diào)配而形成一個有機的整體，在戰(zhàn)場上構(gòu)成全方位、立體化、多層次的戰(zhàn)斗體系，具有很強的生存能力和抗干擾能力。

本文針對組網(wǎng)雷達工作特點研究分布式協(xié)同干擾技術(shù)，基于分布式協(xié)同干擾仿真評估軟件開展仿真研究，建立了組網(wǎng)雷達對抗數(shù)字仿真系統(tǒng)，可實現(xiàn)組網(wǎng)雷達功能級干擾仿真研究。

1 雷達組網(wǎng)方式

1.1 數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)

組網(wǎng)雷達數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)包括集中式融合、分布式融合和混合式融合三種。

1)集中式融合結(jié)構(gòu)

集中式數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)將各節(jié)點雷達檢測到的目標量測值傳遞到融合中心，在融合中心進行數(shù)據(jù)對準、點跡相關(guān)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、航跡濾波、預(yù)測與綜合跟蹤。

2)分布式融合結(jié)構(gòu)

分布式數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)的每個節(jié)點雷達對其數(shù)據(jù)進行處理，產(chǎn)生局部多目標跟蹤航跡，然后把跟蹤結(jié)果及估計數(shù)據(jù)送至融合中心，中心根據(jù)各節(jié)點雷達的航跡數(shù)據(jù)完成航跡關(guān)聯(lián)和航跡融合，形成全局估計。

3)混合式融合結(jié)構(gòu)

混合式融合結(jié)構(gòu)同時傳輸探測到的點跡信息和經(jīng)過局部節(jié)點處理過的航跡信息，一般在大型融合系統(tǒng)中運用。

組網(wǎng)雷達融合結(jié)構(gòu)性能比較見表1。其中，集中式融合結(jié)構(gòu)估計精度高，但需要較大的通信帶寬，同時計算量大，可靠性低；分布式融合結(jié)構(gòu)對通信帶寬要求不高、計算速度快、可靠性高，但聯(lián)合估計和跟蹤精度低于集中式融合結(jié)構(gòu)；混合式是集中式和分布式的組合。

表1 組網(wǎng)雷達融合結(jié)構(gòu)性能比較

圖1 組網(wǎng)雷達仿真系統(tǒng)構(gòu)成

圖2 單部雷達功能級仿真系統(tǒng)組成框圖

1.2 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法

組網(wǎng)雷達數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)是確定雷達接收到的量測信息和目標源對應(yīng)關(guān)系的過程，涉及到三類關(guān)聯(lián)問題：點跡-點跡關(guān)聯(lián)、點跡-航跡關(guān)聯(lián)和航跡-航跡關(guān)聯(lián)。

1)點跡-點跡關(guān)聯(lián)

通過在多個采樣周期之間進行點跡-點跡關(guān)聯(lián)，可以為新目標建立起始航跡提供初始化信息。新目標航跡起始應(yīng)用于集中式融合結(jié)構(gòu)的融合中心、分布式融合結(jié)構(gòu)中的各節(jié)點雷達。在集中式融合結(jié)構(gòu)中，在對點跡融合之前也需要進行“點跡-點跡”關(guān)聯(lián)，以確定哪些點跡源于同一個探測目標。

2)點跡-航跡關(guān)聯(lián)

為了更新航跡，維持跟蹤的連續(xù)性，需要進行點跡-航跡關(guān)聯(lián)以確定用于航跡修正的新觀測數(shù)據(jù)。持續(xù)跟蹤的過程同時存在于集中式融合結(jié)構(gòu)的融合中心和分布式融合結(jié)構(gòu)中的各節(jié)點雷達中。

3)航跡-航跡關(guān)聯(lián)

在分布式融合結(jié)構(gòu)中，為了對由多部節(jié)點雷達輸出的多目標航跡數(shù)據(jù)進行融合，首先需要進行航跡-航跡數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，以確定哪些局部航跡源于同一個被跟蹤的目標。

2 組網(wǎng)雷達數(shù)字仿真系統(tǒng)

2.1 組網(wǎng)雷達仿真系統(tǒng)組成

組網(wǎng)雷達仿真系統(tǒng)包括系統(tǒng)仿真模型庫、仿真場景生成、顯示控制三個部分，如圖1所示。

2.2 單部雷達仿真系統(tǒng)模型

網(wǎng)內(nèi)單部雷達功能級仿真系統(tǒng)的組成框圖如圖2所示。其完成的主要功能是接收外部系統(tǒng)傳入的雷達初始化參數(shù)，以及外部其它系統(tǒng)導(dǎo)入的實時信息數(shù)據(jù)，還有目標的先驗信息、干擾信息數(shù)據(jù)，進而仿真功能級的目標檢測、搜索、多目標跟蹤以及波束調(diào)度等功能。

2.3 組網(wǎng)雷達融合中心仿真系統(tǒng)模型

2.3.1數(shù)據(jù)標準化處理

在組網(wǎng)雷達信息融合系統(tǒng)中，各站雷達數(shù)據(jù)由各站分別獲得。因而指揮中心所接收的遠方目標情報受到指揮中心地理位置、工作時空的影響，具有時空相對性。對于一個雷達網(wǎng)系統(tǒng)而言，首先是單個雷達在各自的時間和空間系統(tǒng)內(nèi)進行測量然后對各自的測量結(jié)果進行時間配準和空間配準，只有在統(tǒng)一的時間和坐標系統(tǒng)內(nèi)才能進行多傳感器的融合。

2.3.2數(shù)據(jù)融合模型

根據(jù)需求采用合適的融合結(jié)構(gòu)：若各節(jié)點雷達工作在遠程搜索模式，只能采用集中式融合結(jié)構(gòu)；若雷達工作在中遠程跟蹤模式或中近程搜索跟蹤模式，可工作在任意一種融合結(jié)構(gòu)下；若組網(wǎng)雷達內(nèi)各節(jié)點雷達工作在不同工作方式下，融合中心采用混合式融合結(jié)構(gòu)，滿足各雷達不同的融合需求。

2.4 組網(wǎng)雷達干擾模型

組網(wǎng)雷達干擾方式包括分布式噪聲壓制干擾、 密集假目標干擾、多假目標航跡擾亂干擾、分布式協(xié)同虛假航跡欺騙干擾、多點源相參干擾等。

1)分布式噪聲壓制干擾[1]

為了掩護某特定區(qū)域的目標或在某一地區(qū)內(nèi)制造假的進攻態(tài)勢，將眾多體積小、質(zhì)量輕、價格便宜的小型電子干擾機散布在接近被干擾目標的空域上，自動或受控地對選定的軍事電子設(shè)備進行干擾。

2)密集假目標干擾

密集假目標干擾是指干擾機產(chǎn)生數(shù)量眾多的與雷達發(fā)射信號相同(或相似)的干擾信號，使得組網(wǎng)雷達數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)運算量加劇甚至過載，以期達到延緩數(shù)據(jù)處理速度、飽和跟蹤能力和多航跡起始的目的。當組網(wǎng)雷達處在對目標跟蹤起始階段，可以使用密集假目標干擾。

3)多假目標航跡擾亂干擾

多假目標航跡擾亂干擾是指在雷達跟蹤波門內(nèi)產(chǎn)生一定數(shù)量的高逼真度假目標，使得雷達在進行點跡-航跡關(guān)聯(lián)時出現(xiàn)關(guān)聯(lián)錯誤，從而破壞雷達對真實目標的跟蹤。當組網(wǎng)雷達已經(jīng)對目標形成穩(wěn)定跟蹤，推薦使用航跡擾亂干擾，這樣可以使航跡關(guān)聯(lián)假目標點跡混批，使跟蹤航跡變得不穩(wěn)定。

4)分布式協(xié)同虛假航跡欺騙干擾[2-4]

組網(wǎng)雷達位置已知，多部機載干擾機在系統(tǒng)控制下協(xié)同飛行，每部干擾機干擾一部雷達，預(yù)先設(shè)置每部干擾機形成的虛假目標位置，使得網(wǎng)中各部雷達探測到同一虛假目標，從而對組網(wǎng)雷達產(chǎn)生有效的航跡欺騙。

2.5 干擾評估模型

研究組網(wǎng)雷達干擾效果評估方法，建立組網(wǎng)雷達干擾效果評估指標體系、評估準則，組網(wǎng)雷達干擾效果評估指標包括威力范圍、檢測概率、自衛(wèi)距離、欺騙概率等，建立干擾效果評估系統(tǒng)模型?；谠u估結(jié)果對干擾樣式、干擾參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。

3 組網(wǎng)雷達干擾仿真

3.1 對抗場景

以分布式協(xié)同虛假航跡欺騙干擾為例進行組網(wǎng)雷達干擾仿真研究。首先預(yù)設(shè)假目標運動軌跡，由于各個時刻干擾機必在雷達和假目標位置的連線上，結(jié)合假目標和干擾機運動學規(guī)律，設(shè)計出每部干擾機可行的運動軌跡。只要設(shè)計使假目標航跡和干擾機航跡滿足各自的運動學特性，這樣就可以對組網(wǎng)雷達形成一條相關(guān)的虛假航跡。對抗場景如圖3所示，雷達1、雷達2以集中式方式組網(wǎng)工作，戰(zhàn)機1、戰(zhàn)機2攜帶自衛(wèi)式干擾機，兩部干擾機協(xié)同工作，在組網(wǎng)雷達融合中心形成穩(wěn)定逼真的假目標航跡。

圖3 分布式協(xié)同虛假航跡欺騙干擾示意圖

3.2 參數(shù)設(shè)置

雷達1位置為(0 km,0 km,0 km)，換算到經(jīng)緯高坐標系下為(123°,30°,0 m)。雷達2位置為(0 km,100 km,0 km)，換算到經(jīng)緯高坐標系下為(123°,30.90°,787.15 m)。2部雷達同構(gòu)，信號帶寬20 MHz，波束寬度1.25°。

2架目標飛機攜帶自衛(wèi)式干擾機勻速飛行，對組網(wǎng)雷達實施虛假航跡干擾，產(chǎn)生一條初始位置為(123.7118°,30.2374°,5 km)、速度矢量為(200 m/s,100 m/s,4 m/s)的虛假航跡。

3.3 仿真結(jié)果

設(shè)干擾機1、干擾雷達1，干擾機2、干擾雷達2，2部干擾機協(xié)同工作產(chǎn)生航跡欺騙干擾。初始時延60 ms，仿真步長1 s，仿真時間為1～100 s。圖4、圖5分別給出了2部雷達的探測結(jié)果。

圖4 雷達1探測結(jié)果

雷達1和雷達2分別對虛假目標進行跟蹤，得到虛假目標航跡。將2部雷達得到的虛假航跡傳輸?shù)綌?shù)據(jù)融合中心進行航跡關(guān)聯(lián)檢驗，采用序貫航跡關(guān)聯(lián)算法，數(shù)據(jù)融合中心航跡關(guān)聯(lián)結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，產(chǎn)生的虛假航跡可以通過數(shù)據(jù)融合中的航跡關(guān)聯(lián)檢驗，被誤判為真實航跡。

圖5 雷達2探測結(jié)果

圖6 融合中心航跡關(guān)聯(lián)結(jié)果

如果干擾機獲取的雷達位置不精確，設(shè)定位誤差為500 m和700 m，干擾機對2部雷達產(chǎn)生的虛假航跡在數(shù)據(jù)融合中心進行雙門限航跡關(guān)聯(lián)檢驗，進行100次蒙特卡洛實驗，在500 m的定位誤差下，虛假航跡仍被誤判為真實航跡，但關(guān)聯(lián)距離進一步變大；在700 m的定位誤差下，虛假航跡有一定的概率判斷為假航跡，被成功剔除。

因此，分布式協(xié)同虛假航跡欺騙干擾要求干擾機具有更強的信號分選識別、 定位以及計算處理能力，在有些情況下需要外在的信息支持，才能通過組網(wǎng)雷達融合中心的航跡關(guān)聯(lián)檢驗，產(chǎn)生欺騙干擾效果。

4 結(jié)束語

雷達網(wǎng)利用數(shù)據(jù)鏈或者通信網(wǎng)絡(luò)，把特定區(qū)域內(nèi)的雷達鏈接成網(wǎng)，具有很強的生存能力和抗干擾能力。本文以組網(wǎng)雷達為對抗目標，研究組網(wǎng)雷達干擾仿真技術(shù)。分析了組網(wǎng)雷達的工作方式及特點，給出了組網(wǎng)雷達仿真系統(tǒng)的組成及模型，建立了組網(wǎng)雷達對抗數(shù)字仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)可實現(xiàn)組網(wǎng)雷達功能級干擾仿真研究?！?/p>