雙艦協(xié)同探測研究*

張 森 董受全

（1.海軍大連艦艇學(xué)院學(xué)員五大隊(duì) 大連 116018）（2.海軍大連艦艇學(xué)院導(dǎo)彈與艦炮系 大連 116018）

1 引言

基于編隊(duì)協(xié)同防空信息系統(tǒng)下的防空反導(dǎo)作戰(zhàn)，協(xié)同探測時(shí)各艦艇將本艦雷達(dá)探測到的目標(biāo)點(diǎn)跡信息在編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)中共享，各艦通過接收、處理后獲得一致的對空態(tài)勢圖[1]。任意艦艇的預(yù)警探測范圍將擴(kuò)大為編隊(duì)整體的探測范圍[2]。通過艦艇的合理部署，編隊(duì)可有效提升對威脅方向目標(biāo)的超視距預(yù)警探測能力[3]。

2 雙艦協(xié)同探測范圍分析

由經(jīng)驗(yàn)可知，雙艦協(xié)同探測范圍主要受艦間距離和單艦雷達(dá)探測范圍兩項(xiàng)指標(biāo)影響，且雙艦協(xié)同探測需考慮的因素也是多艦協(xié)同探測的基礎(chǔ)，本文只討論雙艦協(xié)同探測[4]。因編隊(duì)協(xié)同防空信息系統(tǒng)采用微波傳輸數(shù)據(jù)，其具有大容量、極低時(shí)延和高數(shù)據(jù)率的特點(diǎn)，所以雙艦最大間距應(yīng)小于視距。考慮到艦艇機(jī)動(dòng)時(shí)航海安全要求，艦間距離應(yīng)大于兩艦戰(zhàn)術(shù)直徑之和。戰(zhàn)術(shù)直徑指水面艦艇從開始轉(zhuǎn)向到航向改變180°時(shí)，兩航向線之間的垂直距離[5]。并且同頻雷達(dá)間有互擾現(xiàn)象，因使兩艦最小距離避免干擾[6]。

依據(jù)雷達(dá)公式和視距公式[7]，雷達(dá)探測范圍受雷達(dá)參數(shù)、目標(biāo)雷達(dá)散射截面積（RCS）和目標(biāo)高度等因素影響。具體影響因素如圖1所示。

3 雙艦協(xié)同探測范圍建模

如圖2所示，兩艘裝備有不同雷達(dá)探測系統(tǒng)的艦艇組成編隊(duì)進(jìn)行協(xié)同探測。此時(shí)雷達(dá)間干擾因素可忽略。設(shè)兩艦雷達(dá)探測半徑為RA和RB，兩艦距離為D。

圖2 雙艦協(xié)同探測圖

3.1 兩艦距離條件

設(shè)兩艦數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)的相控陣天線架設(shè)高度為h1和h，則艦間最大數(shù)據(jù)傳輸距離為

設(shè)兩艦長度為d1和d2，當(dāng)艦船滿舵機(jī)動(dòng)時(shí)，其戰(zhàn)術(shù)直徑為兩艦長度的3～5倍[5]?？紤]到安全性，這里取5倍艦長。則兩艦最小安全距離應(yīng)大于5(d1+d2)。

因此艦間距離應(yīng)滿足：

3.2 單艦雷達(dá)探測范圍建模

由雷達(dá)方程可知，單艦雷達(dá)最大探測距離為

其中K為表征任意一型雷達(dá)參數(shù)的量。

由視距公式可知，對于高度為H的低空目標(biāo)，設(shè)兩艦雷達(dá)架高分別為h3和h4，則單艦雷達(dá)最大探測距離為

探測距離取雷達(dá)方程和視距公式求得的最小距離：

則A、B兩艦雷達(dá)探測范圍為

3.3 雙艦協(xié)同探測范圍建模

雙艦協(xié)同探測重合范圍為

由余弦定理可得：

1) The simulation analysis of bumpers with different wall-thicknesses shows that the safety distance of the bumper increases with the increasing of thickness. When the wall-thickness is 1.5 mm, the unit mass energy absorption of the bumper reaches maximum.

其中θ1和θ2分別為艦間連線與A、B兩艦到協(xié)同探測交點(diǎn)的夾角，且以角度表示。

則雙艦協(xié)同探測范圍為

根據(jù)目標(biāo)不同RCS和高度，可得到雙艦協(xié)同探測范圍的分段函數(shù)：

其中Cij是A艦探測距離取RAi，B艦探測距離取RBj時(shí)的探測范圍重合面積。

同時(shí)可得，兩艦探測范圍增大比例P為

4 雙艦協(xié)同探測范圍仿真與分析

依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，給定參數(shù)大小和艦間距離約束，具體如表1。

表1 性能參數(shù)賦值表

4.1 雙艦協(xié)同探測范圍與艦間距離關(guān)系

表2 典型目標(biāo) RCS[9]和飛行高度 H[8，10]

取表2典型目標(biāo)RCS和飛行高度H的上下限，則對F-35和反艦導(dǎo)彈的協(xié)同探測范圍區(qū)域與艦間距離關(guān)系如圖3，對B-52協(xié)同探測范圍區(qū)域與艦間距離關(guān)系如圖4，A艦對不同典型目標(biāo)探測范圍的增大比例如圖5。

圖3 雙艦協(xié)同探測范圍與兩艦距離關(guān)系

圖4 雙艦協(xié)同探測范圍與兩艦距離關(guān)系

由圖3、圖4可知，雙艦協(xié)同探測范圍隨兩艦距離的增大先不變后增大，不變階段的原因?yàn)锳艦探測范圍包含于B艦探測范圍。當(dāng)艦間距離繼續(xù)增大后，協(xié)同探測范圍近似隨艦間距離的增大而線性增大。且對反艦導(dǎo)彈和隱身飛機(jī)類目標(biāo)增大明顯，對普通轟炸機(jī)目標(biāo)增大不明顯。

圖5 A艦探測范圍增大比例與兩艦距離關(guān)系

由圖可知，為發(fā)揮協(xié)同探測優(yōu)勢，對反艦導(dǎo)彈類目標(biāo)，應(yīng)保證艦間距離大于9km；對隱身飛機(jī)類目標(biāo)，艦間距離大于6km；對普通轟炸機(jī)目標(biāo)，艦間距離大于35km。因協(xié)同探測時(shí)數(shù)據(jù)共享距離應(yīng)小于視距39km，因此隨艦間距離增大，雙艦協(xié)同探測方式對反艦導(dǎo)彈和隱身飛機(jī)類目標(biāo)的效果較好。

由圖5可知，單艦探測范圍增大的比例隨兩艦距離的增大先不變，隨后近似線性增大。除高空B-52外，單艦探測范圍增大比例均較大，可證明協(xié)同探測對擴(kuò)大單艦探測范圍優(yōu)勢明顯。

兩艦距離大于30km時(shí)，雖然A艦對低空B-52的探測范圍的絕對值遠(yuǎn)低于高空B-52，但探測范圍擴(kuò)大的相對值卻反超。從單艦角度看，擴(kuò)大兩艦距離可有效提高對此類目標(biāo)的探測范圍。

4.2 雙艦協(xié)同探測范圍與目標(biāo)RCS關(guān)系

因艦間距離擴(kuò)大將導(dǎo)致協(xié)同探測范圍增大，所以取艦間距離為39km，高度H為20m，則雙艦協(xié)同探測范圍與目標(biāo)RCS關(guān)系如圖6所示。

由圖6分析可知，目標(biāo)RCS小于0.09時(shí)，雙艦協(xié)同探測范圍與目標(biāo)RCS關(guān)系呈指數(shù)增加，對應(yīng)于式（15）中RA1≤RA2，RB1≤RB2條件下的S；當(dāng)RCS在0.09～0.14之間時(shí)，對應(yīng)于式（15）中RA1≤RA2，RB1≥RB2和RA1≥RA2，RB1≤RB2條件下的S，雙艦協(xié)同探測范圍與目標(biāo)RCS關(guān)系近似呈線性增加，且增加趨勢減緩；當(dāng)RCS在大于0.14時(shí)，對應(yīng)于式（15）中RA1≥RA2，RB1≥RB2條件下的S，此時(shí)因目標(biāo)高度限制，使得協(xié)同探測范圍不變。

4.3 雙艦協(xié)同探測范圍與目標(biāo)高度關(guān)系

同理，取雙艦艦間距離為39km，目標(biāo)RCS為0.5m2，則協(xié)同探測范圍與目標(biāo)高度H關(guān)系如圖7所示。

圖7 雙艦協(xié)同探測范圍與目標(biāo)高度H的關(guān)系

由圖7分析可知，目標(biāo)高度H小于60m時(shí)，雙艦協(xié)同探測范圍與目標(biāo)高度H的關(guān)系呈指數(shù)增加；高度在60m～86m之間時(shí)，雙艦協(xié)同探測范圍與目標(biāo)RCS關(guān)系近似呈線性增加，但增加幅度減小；高度大于86m時(shí)，此時(shí)因目標(biāo)RCS限制，使得協(xié)同探測范圍不變。

5 雙艦協(xié)同探測預(yù)警時(shí)間建模與仿真

協(xié)同防空反導(dǎo)作戰(zhàn)時(shí)，預(yù)警時(shí)間的長短決定了防空武器作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。預(yù)警時(shí)間越長，則留給防空反導(dǎo)作戰(zhàn)的準(zhǔn)備時(shí)間越充分，攔截次數(shù)也越多。協(xié)同探測的優(yōu)勢正是擴(kuò)大了各艦預(yù)警探測的時(shí)間。協(xié)同探測的預(yù)警時(shí)間不僅與協(xié)同探測范圍有關(guān)，而且隨目標(biāo)來襲方向的不同而顯著變化[11～12]。

基于雙艦協(xié)同探測范圍仿真結(jié)果，令目標(biāo)高度為20m，目標(biāo)RCS為0.5m2。取兩艦距離為視距、二分之一視距和四分之一視距，此時(shí)兩艦相對位置關(guān)系如圖8。令艦首方向?yàn)檎?，則目標(biāo)來襲方位為α，兩艦連線方向與A艦到探測范圍交點(diǎn)連線夾角為θ1。設(shè)目標(biāo)對A艦的航路捷徑為0，速度為V，目標(biāo)從被發(fā)現(xiàn)到飛臨A艦的時(shí)間為TA。則對A艦有：

設(shè)目標(biāo)速度為300m/s，仿真可得不同方位來襲目標(biāo)預(yù)警時(shí)間圖9所示。

圖8 某一方位目標(biāo)來襲圖

圖9 不同方位來襲目標(biāo)預(yù)警時(shí)間圖

由圖9可知，當(dāng)兩艦距離為視距進(jìn)行協(xié)同探測時(shí)，目標(biāo)從方位（28°，152°）襲擊A艦，協(xié)同探測預(yù)警時(shí)間先增大后減小，當(dāng)目標(biāo)來襲方向?yàn)閮膳炦B線指向鄰艦方向時(shí)（此時(shí)為正橫方向），預(yù)警時(shí)間最長為260s（對A艦）。其余來襲方向，預(yù)警時(shí)間恒為123s。預(yù)警時(shí)間最大增加111%，可見協(xié)同探測對增加預(yù)警時(shí)間作用明顯。

當(dāng)兩艦距離為二分之一視距時(shí)，目標(biāo)從（38°，142°）襲擊A艦，協(xié)同探測預(yù)警時(shí)間比視距時(shí)減小，且最大預(yù)警時(shí)間減小25%。目標(biāo)從（8°，28°）和（152°，171°）襲擊A艦，協(xié)同探測預(yù)警時(shí)間增加。減小兩艦距離，可增大對目標(biāo)較長時(shí)間預(yù)警的角度范圍。

6 結(jié)語

綜上，協(xié)同防空反導(dǎo)作戰(zhàn)時(shí)，對RCS較小的目標(biāo)或低空飛行目標(biāo)應(yīng)綜合考慮艦載雷達(dá)探測能力與地球曲率影響。目標(biāo)RCS處于隱身區(qū)（RCS小于0.1m2）或目標(biāo)為超低空（高度小于100m），協(xié)同探測方式對單艦掌握此類目標(biāo)的探測范圍增效明顯。在非隱身區(qū)或非超低空區(qū)，協(xié)同探測范圍變化不顯著。

兩艦間距太小時(shí)，其中一型艦艇雷達(dá)的探測范圍完全覆蓋鄰艦雷達(dá)探測范圍，影響協(xié)同探測范圍優(yōu)勢的發(fā)揮。若兩艦間距不宜過大，則可關(guān)閉探測范圍小的雷達(dá)，減小雷達(dá)被敵截獲的可能性，而此時(shí)兩艦協(xié)同探測范圍無影響。

協(xié)同探測的預(yù)警時(shí)間隨目標(biāo)來襲方位而變化，最大預(yù)警時(shí)間為兩艦連線指向鄰艦的方向。減小兩艦距離，雖然一定角度范圍的最大預(yù)警時(shí)間減小，但對目標(biāo)的較長時(shí)間預(yù)警的角度范圍擴(kuò)大，如何取舍需指揮員根據(jù)當(dāng)時(shí)敵情態(tài)勢和防空反導(dǎo)需求靈活選擇。