多機(jī)有源無源協(xié)同探測(cè)及精度分析*

李其虎,王 穎,商開拴

(中國電子科學(xué)研究院, 北京 100041)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,單一空基平臺(tái)因自平臺(tái)的載荷資源能力有限以及所攜帶傳感器能力限制,提供的探測(cè)信息已不能滿足現(xiàn)代體系化作戰(zhàn)的需求。綜合利用多平臺(tái)獲取的多維度探測(cè)信息,通過機(jī)間數(shù)據(jù)鏈對(duì)不同空基平臺(tái)獲取的信息進(jìn)行融合,是實(shí)現(xiàn)功能互補(bǔ)、效能倍增,提高協(xié)同作戰(zhàn)整體效能的重要途徑。目前研究較多的空基多平臺(tái)協(xié)同探測(cè)主要集中在基于多機(jī)的有源協(xié)同探測(cè)和無源協(xié)同偵察[1-3]。利用多機(jī)有源雷達(dá)協(xié)同組網(wǎng)方式進(jìn)行有源探測(cè),雖能夠擴(kuò)大探測(cè)范圍,提高探測(cè)精度,但易被對(duì)方電子偵察設(shè)備和反輻射武器攻擊[4-6]。采用多機(jī)協(xié)同無源探測(cè)方式進(jìn)行偵察,雖能夠獲得更遠(yuǎn)的偵察距離,且不易被對(duì)方偵察截獲,但多機(jī)無源協(xié)同偵察精度難以滿足武器平臺(tái)對(duì)目標(biāo)的火力打擊要求[7-9]。

文中綜合利用多機(jī)有源協(xié)同探測(cè)精度高,無源協(xié)同偵察距離遠(yuǎn)和范圍廣優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)了多機(jī)有源無源協(xié)同工作流程,并對(duì)協(xié)同探測(cè)精度進(jìn)行了仿真分析。理論仿真結(jié)果表明，文中所設(shè)計(jì)的多機(jī)有源無源協(xié)同探測(cè)方式不僅有探測(cè)精度高、作用距離遠(yuǎn)優(yōu)點(diǎn),同時(shí)具備良好隱蔽性。

1 協(xié)同工作流程

多機(jī)協(xié)同工作場(chǎng)景設(shè)定為由3架執(zhí)勤飛機(jī)共同組建成執(zhí)勤編隊(duì),充分利用不同平臺(tái)在空間上能夠快速形成多變進(jìn)攻或防御的特點(diǎn)來彌補(bǔ)單機(jī)在預(yù)警探測(cè)、突擊防御以及精確打擊等作戰(zhàn)能力的不足。編隊(duì)中每架飛機(jī)根據(jù)預(yù)先的作戰(zhàn)任務(wù)籌劃,在統(tǒng)一的作戰(zhàn)任務(wù)指揮下,進(jìn)行協(xié)同偵察與探測(cè),并將偵察探測(cè)結(jié)果通過戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈上報(bào)指揮中心,為武器平臺(tái)的火力打擊提供精確的情報(bào)支援。

圖1為多機(jī)協(xié)同工作的幾何示意圖。多機(jī)協(xié)同工作一般僅需3～4架飛機(jī)構(gòu)成空中編隊(duì)對(duì)預(yù)先規(guī)劃偵察區(qū)域?qū)崟r(shí)協(xié)同偵察探測(cè)。為不失一般性,文中按照3架飛機(jī)開展協(xié)同工作流程設(shè)計(jì),其中一架飛機(jī)為中心站,其余作為副站。為便于描述,中心站由一架預(yù)警機(jī)擔(dān)任,兩架副站分別由一架戰(zhàn)斗機(jī)和一架干擾機(jī)擔(dān)任。首先3架飛機(jī)按照在預(yù)先任務(wù)規(guī)劃中設(shè)置的編隊(duì)參數(shù)和航線規(guī)劃對(duì)指定區(qū)域利用無源偵察的隱蔽性和探測(cè)距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)進(jìn)行無源協(xié)同偵察,該階段偵察方式屬于常規(guī)偵察工作模式。當(dāng)偵察截獲到目標(biāo)信號(hào)后,利用3機(jī)時(shí)差定位方式對(duì)輻射源進(jìn)行初步目標(biāo)定位和參數(shù)測(cè)量,判斷目標(biāo)平臺(tái)類型和威脅等級(jí),并將分析結(jié)果上報(bào)指揮中心。當(dāng)需要進(jìn)一步確定對(duì)方精確坐標(biāo)位置時(shí),此時(shí)中心站將系統(tǒng)切換至跟蹤工作模式。由于當(dāng)前目標(biāo)位置已經(jīng)初步確定,編隊(duì)中帶有有源探測(cè)手段的空基平臺(tái),利用已粗定位的目標(biāo)位置牽引本機(jī)雷達(dá)對(duì)指定方向和指定區(qū)域開展短時(shí)猝發(fā)目標(biāo)探測(cè)。由于該短時(shí)猝發(fā)探測(cè)時(shí)間短,脈沖數(shù)量少,因此該探測(cè)方式將不易被對(duì)方電子偵察設(shè)備截獲和目標(biāo)位置鎖定。同時(shí),根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境需要,另一架擔(dān)任副站的干擾機(jī)可通過無源偵察獲取的目標(biāo)參數(shù)信息,選擇有效的電子干擾措施,隨隊(duì)支援己方編隊(duì)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行火力打擊。最后由協(xié)同編隊(duì)對(duì)毀傷效果進(jìn)行評(píng)估,并將評(píng)估結(jié)果上報(bào)指揮中心。圖2為多機(jī)協(xié)同工作時(shí)序圖。

圖1 多機(jī)協(xié)同工作幾何示意圖

圖2 多機(jī)協(xié)同工作時(shí)序圖

2 協(xié)同探測(cè)理論

2.1 時(shí)差定位

根據(jù)空基運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的特點(diǎn),綜合考慮定位算法受平臺(tái)站址誤差、參數(shù)測(cè)量精度等觀測(cè)平臺(tái)參數(shù)的影響,文中多平臺(tái)協(xié)同工作采用多機(jī)時(shí)差定位體制進(jìn)行無源協(xié)同偵察。根據(jù)雙曲線理論,當(dāng)已知兩個(gè)坐標(biāo)的觀測(cè)平臺(tái)偵收到同一目標(biāo)信號(hào)的時(shí)間差,可以推算出該目標(biāo)輻射源是在以這兩個(gè)觀測(cè)平臺(tái)為焦點(diǎn)的雙曲線上。因此當(dāng)利用3個(gè)已知坐標(biāo)觀測(cè)平臺(tái)偵收到同一個(gè)輻射源信號(hào)的達(dá)到時(shí)間差可以確定兩組雙曲線,兩組雙曲線的交點(diǎn)必為輻射源目標(biāo)坐標(biāo)點(diǎn)。由于兩組雙曲線交點(diǎn)不唯一,存在模糊點(diǎn),再利用觀測(cè)站的測(cè)向信息消除虛假定位點(diǎn),即可確認(rèn)輻射源的真實(shí)位置。

當(dāng)輻射源相對(duì)于觀測(cè)平臺(tái)位置為遠(yuǎn)場(chǎng)環(huán)境時(shí),目標(biāo)輻射源的高度遠(yuǎn)小于目標(biāo)輻射源與觀測(cè)平臺(tái)之間的距離,因此可以認(rèn)為目標(biāo)與偵察站在同一水平面。為簡(jiǎn)化計(jì)算,不妨假設(shè)將坐標(biāo)系選在中心站上,副站和目標(biāo)均在同一個(gè)平面XOY內(nèi)。

設(shè)輻射源的坐標(biāo)為(xT,yT),中心站的坐標(biāo)為(x0,y0),副站的坐標(biāo)分別為(x1,y1)和(x2,y2)。輻射源到中心站和副站的距離分別為r0、r1和r2,則可得到時(shí)差定位方程:

(1)

式中:Δti為不同觀測(cè)平臺(tái)截獲到輻射源信號(hào)的時(shí)間差值,改寫式(1)得:

(x-xi)x+(y-yi)y+(z-zi)z=ki+r0Δri

(2)

(3)

將式(2)改寫為矩陣方式:

AX=C

(4)

(5)

(6)

(7)

對(duì)式(2)求解可得輻射源的位置為:

X=(ATA)-1ATC

2.2 有源探測(cè)

有源探測(cè)對(duì)目標(biāo)定位原理是通過向空間發(fā)射帶有一定特征波形的射頻信號(hào),通過分析收到的發(fā)射波回波信號(hào)，計(jì)算目標(biāo)相對(duì)于發(fā)射平臺(tái)的直線距離,再利用已知發(fā)射波形的發(fā)射角,對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行探測(cè)定位[10]。

為定量描述有源探測(cè)定位,假設(shè)發(fā)射波形的發(fā)射角度為α,通過對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)的解算得出目標(biāo)相對(duì)發(fā)射平臺(tái)的距離為d,則易得出探測(cè)到的目標(biāo)坐標(biāo)位置(x,y)為:

(8)

由于有源探測(cè)信號(hào)的發(fā)射方向是由通過無源偵察的粗定位結(jié)果進(jìn)行引導(dǎo),因此對(duì)目標(biāo)的測(cè)向精度能力有限,但對(duì)探測(cè)回波信號(hào)處理,可以獲得良好的測(cè)距能力。

2.3 協(xié)同探測(cè)

文中所描述的多機(jī)協(xié)同有源無源協(xié)同探測(cè)方式是指多機(jī)無源時(shí)差定位體制結(jié)合短時(shí)方向性有源探測(cè)方式的綜合探測(cè)模式。為對(duì)所構(gòu)建的協(xié)同探測(cè)方式精度進(jìn)行定量分析,假設(shè)輻射源的實(shí)際位置為ST=(x,y)。由于兩種偵察探測(cè)方式均相互獨(dú)立,不妨再設(shè)多機(jī)時(shí)差定位方式獲取的目標(biāo)位置為S1,有源探測(cè)方式獲取的目標(biāo)位置為S2,ΔS1和ΔS2分別為兩種方式的定位誤差,且相互獨(dú)立。同時(shí)為便于量化分析,假設(shè)兩種定位方式的定位誤差都服從零均值高斯分布,則有:

ΔS1=ST-S1

(9)

ΔS2=ST-S2

(10)

E{ΔS1}=0

(11)

E{ΔS2}=0

(12)

由概率統(tǒng)計(jì)學(xué)理論可知,兩個(gè)隨機(jī)變量的總體誤差大小可由這兩個(gè)變量的協(xié)方差表示。因此,此處采用協(xié)方差矩陣對(duì)不同偵察探測(cè)方式的定位性能進(jìn)行定量分析。不失一般性,設(shè)C1為多機(jī)協(xié)同無源偵察方式協(xié)方差矩陣,C2為短時(shí)方向性有源探測(cè)方式協(xié)方差矩陣。C為兩種偵察探測(cè)方式協(xié)同協(xié)方差矩陣,則有:

(13)

(14)

(15)

綜上所述,采用多機(jī)有源無源協(xié)同探測(cè)方式獲取的目標(biāo)定位誤差協(xié)方差矩陣可表述為:

(16)

3 實(shí)驗(yàn)仿真與精度分析

為對(duì)文中所提出的多機(jī)有源無源協(xié)同探測(cè)性能進(jìn)行定量分析,基于上述協(xié)同探測(cè)理論,分別對(duì)3機(jī)無源時(shí)差定位性能、短時(shí)方向性有源探測(cè)定位性能以及多機(jī)有源無源協(xié)同探測(cè)定位性能進(jìn)行了仿真計(jì)算。按照文中所述的多機(jī)協(xié)同工作典型陣位構(gòu)型。兩座副站與中心站之間的相互夾角為90°,兩座副站與中心站之間的相互距離為40 km,時(shí)差測(cè)量精度為30 ns。采用三站時(shí)差定位獲得的目標(biāo)定位距離誤差分布CEP曲線如圖3所示。

圖3 協(xié)同無源時(shí)差定位精度誤差CEP(km)

通過圖3所示的仿真曲線不難看出,按照上述的布站方式、時(shí)差測(cè)量精度條件,目標(biāo)位置定位誤差值會(huì)隨著偵察距離變遠(yuǎn)而逐漸變大。當(dāng)目標(biāo)距離大于400 km時(shí),定位距離誤差精度已低于1%R。因此,僅依靠現(xiàn)有條件下無源時(shí)差定位精度,不能滿足系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)打擊需求。

為定量分析短時(shí)方向性有源探測(cè)定位誤差精度,設(shè)測(cè)向精度為0.8°,測(cè)距精度為50 m。有源干擾探測(cè)方式的誤差距離曲線如圖4,由于有源探測(cè)的本質(zhì)屬性,因此該方式下的目標(biāo)定位誤差距離CEP曲線圖為圓。

圖4 短時(shí)方向性有源探測(cè)精度誤差CEP(km)

為對(duì)有源無源協(xié)同探測(cè)性能進(jìn)行定量分析,在同一剖面下仿真分析多機(jī)協(xié)同探測(cè)相對(duì)單一工作模式距離誤差變化情況。多機(jī)協(xié)同無源偵察采用的時(shí)差定位布陣方式、時(shí)差測(cè)量精度、基線長度以及有源探測(cè)的測(cè)向精度和測(cè)距精度都與單一工作模式相同。圖5為根據(jù)協(xié)同探測(cè)理論仿真得到的協(xié)同探測(cè)的誤差距離曲線。圖5所示的理論仿真結(jié)果表明：采用多機(jī)時(shí)差定位聯(lián)合短時(shí)方向性有源探測(cè)方式對(duì)目標(biāo)進(jìn)行協(xié)同探測(cè),可以大幅度提高對(duì)探測(cè)目標(biāo)的定位精度,對(duì)于探測(cè)區(qū)域內(nèi)的多數(shù)范圍內(nèi)的目標(biāo)位置誤差精度不超多0.025%R。且采用該方式對(duì)監(jiān)視區(qū)域范圍內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行協(xié)同探測(cè)時(shí),目標(biāo)位置精度不會(huì)隨目標(biāo)距離的變遠(yuǎn)而惡化。

圖5 協(xié)同探測(cè)精度誤差CEP(km)

綜合理論仿真結(jié)果表明,采用文中所述的多機(jī)有源無源協(xié)同偵察方式在探測(cè)距離和探測(cè)目標(biāo)精度均優(yōu)于單一模式的偵察和探測(cè)方式。可以較好的滿足協(xié)同平臺(tái)對(duì)目標(biāo)打擊時(shí)的位置精度需求。

4 結(jié)論

針對(duì)空基單平臺(tái)、單手段偵察與探測(cè)能力的不足,以未來戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)空基平臺(tái)能力需求為牽引,以滿足未來體系化作戰(zhàn)的能力需求為導(dǎo)向,構(gòu)建了一種基于多機(jī)協(xié)同工作場(chǎng)景,對(duì)多機(jī)協(xié)同偵察、截獲、識(shí)別、探測(cè)、打擊和評(píng)估流程進(jìn)行了詳細(xì)闡述。為定量分析多機(jī)協(xié)同探測(cè)方式的效能,對(duì)多機(jī)有源無源協(xié)同探測(cè)的理論進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,并對(duì)模型進(jìn)行了理論仿真和精度分析。研究表明文中所述的多機(jī)有源無源協(xié)同探測(cè)方式不僅可以大幅度提高對(duì)目標(biāo)位置的探測(cè)精度和探測(cè)距離,很好地滿足了武器平臺(tái)對(duì)目標(biāo)位置精度的需求,而且具備良好的隱蔽性,為基于該工作模式的多機(jī)協(xié)同探測(cè)工程化應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。