基于MIMO雷達的對空防御火控系統(tǒng)設(shè)計

周克強

(江蘇自動化研究所,江蘇 連云港 222061)

目前,反艦導(dǎo)彈仍然是水面艦艇面臨的最大威脅之一,并且隨著智能化、隱身化、高速性等水平不斷提升,將對艦艇形成集群突防態(tài)勢[1],給現(xiàn)有的艦艇對空防御系統(tǒng)帶來新的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)有艦艇防空反導(dǎo)裝備中用于攔截反艦導(dǎo)彈的武器,主要包括防空導(dǎo)彈和中小口徑艦炮等硬武器,以及有源/無源干擾設(shè)備[2]等軟武器。為了應(yīng)付日益增強的反艦導(dǎo)彈威脅,艦艇對空防御系統(tǒng)也不斷進行升級。一方面通過研制新型彈藥,擴展武器系統(tǒng)攔截能力,例如美國雷神公司的MAD-FIRES(Multi-Azimuth Defense Fast Intercept Round Engagement System)彈藥,作為一種炮射導(dǎo)彈,將導(dǎo)彈的制導(dǎo)能力、命中精度與炮彈的快速射擊能力相結(jié)合,可以實現(xiàn)多方位快速攔截能力;另一方面通過升級和改造現(xiàn)有火控系統(tǒng),通過信息能力的增強來實現(xiàn)作戰(zhàn)能力的提升,以美國海軍的艦載自防御系統(tǒng)(Ship Self-Defense System,SSDS)[3]為代表,該系統(tǒng)作為一種綜合型全自動傳感器融合和武器控制系統(tǒng),具備多層次整體防御作戰(zhàn)能力,在作戰(zhàn)過程中可通過整合艦載傳感器資源,完善信息共享手段,優(yōu)化武器攔截策略,將各型攔截武器終端融為一體,可有效提升對反艦導(dǎo)彈的攔截效率。目前該系統(tǒng)已部署于美國海軍多型航母和兩棲艦艇,承擔(dān)防空作戰(zhàn)任務(wù)。

目前,國內(nèi)在艦艇對空防御火控系統(tǒng)上也進行了多方面的深入研究。文獻[4]對艦載集中式彈炮結(jié)合防空武器系統(tǒng)進行了總體設(shè)計,該系統(tǒng)優(yōu)化了小口徑艦炮武器和近程防空導(dǎo)彈的交接控制策略,實現(xiàn)了對目標(biāo)的梯次攔截,在一定程度上提升了系統(tǒng)的多目標(biāo)攔截能力;文獻[5]重點考慮了不同口徑艦炮武器系統(tǒng)的聯(lián)合反導(dǎo)問題,綜合利用中大口徑艦炮射擊產(chǎn)生水幕以及小口徑艦炮射擊形成彈幕,通過不同口徑艦炮武器產(chǎn)生的終端效應(yīng)在目標(biāo)航路上實施聯(lián)合攔截。文獻[6]將信息化艦炮武器系統(tǒng)進行功能分解,根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)的不同,實施功能動態(tài)重組,體現(xiàn)了艦炮武器功能系統(tǒng)模塊化、通用化的設(shè)計理念;文獻[7]提出了綜合火控網(wǎng)的設(shè)計思路,構(gòu)建了多平臺武器協(xié)同控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),該方案本質(zhì)上通過基于分布式火控解算的協(xié)同火力控制模型,解決跨平臺武器的協(xié)同控制問題。

通過上述分析,為了發(fā)揮各武器系統(tǒng)的協(xié)同交戰(zhàn)能力,對空防御火控系統(tǒng)正逐步打破原有“煙囪式”的信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu),向更為扁平化的結(jié)構(gòu)發(fā)展,但是國內(nèi)的研究主要還是集中在跟蹤數(shù)據(jù)/火控處理數(shù)據(jù)的共享層次,尚未打破傳統(tǒng)集中式雷達體制的制約。從反艦導(dǎo)彈的發(fā)展趨勢來看,為對付此類小型、掠海高速、集群導(dǎo)彈類目標(biāo),有必要建立分布式雷達體系,利用頻率和空間分集增益來深度挖掘雷達信號處理的潛力,進一步提升對空防御火控系統(tǒng)的多目標(biāo)檢測、群目標(biāo)分辨,以及多目標(biāo)精確跟蹤等方面的能力。因此,本文應(yīng)用新體制分布式MIMO(Multiple Input Multiple Output)雷達,基于開放式體系架構(gòu),提出新型對空防御火控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),為實現(xiàn)分布式雷達信號級數(shù)據(jù)融合處理提供了基礎(chǔ),可更高效地向各武器系統(tǒng)提供滿足精度要求的目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù),最終提高各武器系統(tǒng)攔截反艦導(dǎo)彈時的精確、協(xié)同作戰(zhàn)能力。

1 現(xiàn)有對空防御火控系統(tǒng)

1.1 基于作戰(zhàn)平臺的火控系統(tǒng)

火控系統(tǒng)通常在火力打擊中完成信息處理、火力控制,以及射擊指揮等功能?；谧鲬?zhàn)平臺的傳統(tǒng)火控系統(tǒng)屬于“煙囪式”的控制結(jié)構(gòu),往往依賴指控系統(tǒng)來分配目標(biāo)指示數(shù)據(jù),操作手根據(jù)下發(fā)的目標(biāo)指示數(shù)據(jù)操控本系統(tǒng)內(nèi)的跟蹤傳感器對該目標(biāo)實施捕獲和跟蹤,為系統(tǒng)內(nèi)的單一武器終端,進行射擊/發(fā)射諸元解算,控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。目前現(xiàn)役火控系統(tǒng),由于需要依賴其上級指揮系統(tǒng)提供的命令和目標(biāo)指示數(shù)據(jù),受“煙囪式”體系結(jié)構(gòu)形式的制約,通常只能獨立工作,無法實施傳感器和武器的綜合管控,體系攔截效率不夠理想。

1.2 協(xié)同火力控制系統(tǒng)

艦艇編隊指控系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)來襲態(tài)勢向各武器系統(tǒng)下達目標(biāo)跟蹤任務(wù),發(fā)布作戰(zhàn)命令,各武器系統(tǒng)再對攔截目標(biāo)實施精確跟蹤,并在武器系統(tǒng)級共享火控處理信息,武器終端根據(jù)目標(biāo)處理信息計算具體的武器火力計劃,該系統(tǒng)將戰(zhàn)場上廣泛分布的火控系統(tǒng)進行有機融合,使各武器系統(tǒng)具備協(xié)同火力打擊能力,形成了多平臺武器協(xié)同控制系統(tǒng),見圖2。

圖1 基于作戰(zhàn)平臺的火控系統(tǒng)功能流程圖

圖2 多平臺武器協(xié)同控制系統(tǒng)功能流程圖

該系統(tǒng)特點在于利用多平臺之間的高速通信網(wǎng)絡(luò),將各獨立火控系統(tǒng)計算的目標(biāo)運動要素進行發(fā)布,訂閱者對發(fā)布的目標(biāo)參數(shù)進行時空對準等處理后,即可進行武器射擊(發(fā)射)諸元解算。

1.3 艦載自防御系統(tǒng)

為提升艦艇的綜合對空防御能力,美國海軍研制開發(fā)了艦艇自防御系統(tǒng)(SSDS)[8],該系統(tǒng)采用全分布式結(jié)構(gòu),實時調(diào)度和利用自防御資源,并與協(xié)同交戰(zhàn)能力(Cooperative Engagement Capability,CEC)系統(tǒng)相融合,有效提高了對空防御系統(tǒng)的綜合作戰(zhàn)效能。SSDS采用開放式體系結(jié)構(gòu)(Open Architecture,OA),將商用軟硬件(Commercial off-the-shelf,COTS)通過光纖局域網(wǎng)(Fiber Distributed Data Interface,FDDI)連接而成,通過對各武器系統(tǒng)的改造和升級,使其成為具有探測、控制、交戰(zhàn)能力的一體化防御系統(tǒng)。

圖3 艦艇自防御系統(tǒng)(SSDS)典型配置圖

典型作戰(zhàn)艦艇的SSDS配置如圖 3所示,通過融合不同類型雷達、電子支援系統(tǒng)、敵我識別器等數(shù)據(jù)對目標(biāo)進行識別和判斷,實施目標(biāo)復(fù)合跟蹤。在系統(tǒng)組成中，AN/SPS-49A為遠程警戒,掃描周期5 s;AN/SPS-48E為三維對空搜索雷達,可實現(xiàn)俯仰電掃;AN/SPQ-9B具有反艦導(dǎo)彈探測模式,可在嚴重海雜波和電子干擾情況下探測得到掠海飛行的反艦導(dǎo)彈目標(biāo);NSSMS Mk 9 TI為海麻雀導(dǎo)彈火控照射器是一種連續(xù)波目標(biāo)照射器,可提供距離、方位,以及仰角測量。每型雷達都存在特有的局限性,其中AN/SPQ-9B無法探測高仰角目標(biāo);AN/SPS-48E對于群目標(biāo)可能無法進行多普勒分辨;AN/SPS-49掃描周期長,無法對付高機動目標(biāo);NSSMS Mk 9 TI只能跟蹤單目標(biāo),而且受電子干擾的影響。該系統(tǒng)的特點就是能夠綜合各武器系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù),采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)形成目標(biāo)跟蹤軌跡,完成單個傳感器無法完成的信息提取任務(wù)。

通過對美國海軍SSDS的分析可見,其對空防御火控系統(tǒng)特點在于傳感器數(shù)據(jù)的融合處理,除了能夠進行點跡/航跡融合,形成單一綜合空情圖外,還能夠面向終端武器定制火控濾波器,從而提供更精確化的目標(biāo)瞄準數(shù)據(jù),甚至能夠更好地協(xié)同管控雷達波束資源,相比于協(xié)同火力控制系統(tǒng)中共享火控濾波后的目標(biāo)運動參數(shù),無疑實施了更為深層次的控制優(yōu)化處理。

2 新型火控系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)想

根據(jù)突防任務(wù)的特點,反艦導(dǎo)彈逐步強化超高聲速、掠海低空、隱身、復(fù)合精確制導(dǎo)、多角度打擊、集群智能等特征,將給現(xiàn)有艦載對空防御火控系統(tǒng)帶來新的挑戰(zhàn)。

2.1 新型火控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

面對反艦導(dǎo)彈的未來作戰(zhàn)樣式,SSDS也難以有效地解決目標(biāo)跟蹤通道迅速增多、集群目標(biāo)超分辨識別,以及低空掠海跟蹤等諸多挑戰(zhàn)。

圖4 新型火控系統(tǒng)MIMO雷達配置

隨著無人艇逐漸成為海上無人作戰(zhàn)體系的重要組成部分,為了有效應(yīng)付未來反艦導(dǎo)彈的突防威脅,可利用無人艇作為艦艇編隊最外層防御力量,通過無人艇搭載火控系統(tǒng)傳感器實時獲取外圍環(huán)境和目標(biāo)信息,并實時將探測信號高速回傳給母艦進行集中式處理,可有效增強對掠海目標(biāo)的探測能力。新型對空防御火控系統(tǒng)將采用雙基地MIMO體制雷達(如圖4所示),通過在母艇上搭載發(fā)射陣列,其每個子陣發(fā)射相互正交的信號,在責(zé)任空域形成低增益寬波束;在無人艇搭載接收陣列,與發(fā)射陣列之間形成雙基地MIMO雷達結(jié)構(gòu),接收的雷達信號回傳母艇處理時形成同時數(shù)字多波束,用于覆蓋發(fā)射的寬波束空域。利用母艇和無人艇形成雙基地MIMO雷達體制,充分發(fā)揮了分布式雷達的空間優(yōu)勢和正交波形頻率優(yōu)勢,可有效提升現(xiàn)有雷達組網(wǎng)系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能。

新型火控系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖5所示,其火控服務(wù)器核心主要包含3個功能模塊。數(shù)據(jù)緩存功能模塊實時記錄母艇和無人艇平臺數(shù)據(jù)、雷達發(fā)射參數(shù)、無人艇雷達接收信號、目標(biāo)跟蹤軌跡等信息;計算決策功能模塊利用母艇的計算服務(wù)器完成同時數(shù)字多波束處理,結(jié)合反艦導(dǎo)彈知識庫和歷史軌跡對目標(biāo)進行機動識別、多維特征提取、干擾誘騙控制等處理;火控濾波功能模塊負責(zé)為不同的武器終端定制交互多模型(Interacting Multiple Model,IMM)火控濾波器結(jié)構(gòu),以提供更精確化的目標(biāo)瞄準數(shù)據(jù)。

圖5 新型火控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

2.2 雙基地MIMO雷達信號模型

假設(shè)雙基地MIMO雷達采用均勻線陣,如圖4所示,有K個非相干遠場的突防導(dǎo)彈目標(biāo),θk為第k個目標(biāo)的雷達波到達方向(Direction of Arrival,DOA),φk是第k個目標(biāo)的雷達波離開方向(Direction of Departure,DOD),發(fā)射陣列發(fā)射的正交波形B=[b1,b2,…bM]T，經(jīng)過目標(biāo)反射由接收陣列接收到的數(shù)據(jù)矩陣可以表示成[9-10]:

式中，zn為第n個陣元接收的回波信號;βk和fdk=2vdkf0/c分別是第k個目標(biāo)的發(fā)射系數(shù)和多普勒頻移;vdk為目標(biāo)徑向速度;f0為中心頻率;W為加性高斯白噪聲矩陣;at(φk)和ar(θk)分別為發(fā)射和接收陣列的導(dǎo)向向量。

無人艇接收的雷達回波信號回傳母艇,經(jīng)過匹配濾波后[11],可得

x(t)=(AR°AT)s(t)+n(t)

式中，°為Khatri-Rao積;AR=[ar(θ1),ar(θ2),…,ar(θK)]為K個接收陣列導(dǎo)向向量[ar(θ1),ar(θ2),…,ar(θK)]組成;AT=[at(φ1),at(φ2),…,at(φK)]為K個發(fā)射陣列導(dǎo)向向量[at(φ1),at(φ2),…,at(φK)]組成;s(t)=[s1(t),s2(t),…,sK(t)]T=[β1ej2πfd1t,β2ej2πfd2t,…,βKej2πfdKt]T為一個列向量,其元素為K個目標(biāo)的反射系數(shù)與多普勒頻移的乘積。

最后,取J個快拍組成接收信號矩陣:

X=[vec(x(t1)),vec(x(t2)),…,vec(x(tJ))]=

(AR°AT)S+N

式中，vec(.)為向量化算子;S=[s(t1),s(t2),…,s(tJ)];N=[n(t1),n(t2),…,n(tJ)]為J個高斯白噪聲快拍組成的矩陣。

3 新型火控系統(tǒng)目標(biāo)探測優(yōu)勢

對空防御火控系統(tǒng)的首要任務(wù)就是對敵來襲空中目標(biāo)進行快速、準確的辨別定位,以實施精確打擊。

未來防空作戰(zhàn),對空防御火控系統(tǒng)需要同時應(yīng)對多個不同種類的目標(biāo)。導(dǎo)彈武器系統(tǒng)發(fā)射后,防空導(dǎo)彈通常依靠彈上末制導(dǎo)(或者專用制導(dǎo)雷達)獲取目標(biāo)精確跟蹤信息,用于實施精確攔截控制,而對于導(dǎo)彈發(fā)射前的目標(biāo)跟蹤精度要求相對不高,一般由傳統(tǒng)相控陣雷達以搜索加跟蹤(Track and Search,TAS)的方式同時提供多個攔截目標(biāo)信息,如需要提高某一目標(biāo)的跟蹤精度,可分配專門的針狀跟蹤波束對目標(biāo)進行反復(fù)的周期性探測,但跟蹤波束將占用專門的雷達駐留周期,一般使用1°×1°左右的波束對常規(guī)空中目標(biāo)進行跟蹤時,為獲得比較穩(wěn)健、理想的跟蹤效果,至少需要10 Hz的數(shù)據(jù)率,因此相控陣雷達精確跟蹤的目標(biāo)數(shù)量和測量精度還是有一定局限性。而艦炮武器系統(tǒng)在發(fā)射前就需要毫弧級的高精度目標(biāo)跟蹤信息,特別是對付高機動反艦導(dǎo)彈目標(biāo),數(shù)據(jù)率要求達到50 Hz甚至更高,將占用大量的雷達資源,因此目前國內(nèi)中小口徑艦炮武器系統(tǒng)內(nèi)還是保留系統(tǒng)專用的常規(guī)單脈沖跟蹤雷達,用于保證目標(biāo)跟蹤精度,但是對于多目標(biāo)跟蹤能力就會受限。

新型火控系統(tǒng)內(nèi)的MIMO雷達采用正交波形結(jié)合雙基地雷達體制,具備很多獨特的潛力,包括目標(biāo)定位精度改善、欺騙干擾對抗能力、抗飽和攻擊能力等[12]。

1)雙基地MIMO雷達使用超大時寬發(fā)射信號工作,有效降低雷達的峰值功率,可提高雷達抗信號截獲能力,并且多個獨立的信號均分發(fā)射功率,被截獲的距離進一步降低。

2)MIMO雷達是寬波束發(fā)射,同時多波束接收,可對責(zé)任空域內(nèi)進行長時間連續(xù)探測,責(zé)任空域內(nèi)的全部目標(biāo)均能同時探測跟蹤,只要雷達的信號處理和數(shù)據(jù)處理能力足夠強,理論上可不受時間資源的約束,同時跟蹤無窮多個目標(biāo)。實際工程中通過合理的硬件平臺設(shè)計,完全可以通過計算資源換取跟蹤目標(biāo)容量和精度的提升,實現(xiàn)50 Hz的數(shù)據(jù)率對數(shù)百批目標(biāo)的精密跟蹤。因此,新型對空防御火控系統(tǒng)的抗飽和攻擊的能力將顯著增強。

3)由于MIMO雷達既有接收波束形成,也有等效發(fā)射波束形成,因此既可測量目標(biāo)的接收角度,也可測量目標(biāo)的發(fā)射角度,兩次測量相互獨立,且精度相同,可通過對這些角度信息的測量實現(xiàn)對目標(biāo)的交叉定位。在同等陣元和信噪比條件下,與普通相控陣雷達的單脈沖測角方法相比,MIMO雷達對目標(biāo)交叉定位的測角精度得到提高,而且利用外圍無人艇搭載發(fā)射陣列一定程度上也可改善低角跟蹤的性能。

在新型對空防御火控系統(tǒng)中,采用上述雙基地MIMO雷達體制(也可通過增加無人艇數(shù)量擴展為多基地雷達系統(tǒng)),充分利用了頻率和空間分集的優(yōu)勢,利用計算資源換取目標(biāo)容量和探測精度的提升,同時利用無人艇前出并高速回傳雷達接收信號,改善了對掠海飛行目標(biāo)的低角跟蹤性能,可有效提升系統(tǒng)對空防御系統(tǒng)對反艦導(dǎo)彈的攔截能力。

4 仿真分析

由上可知，新型火控系統(tǒng)包括多目標(biāo)檢測、群目標(biāo)分辨、多目標(biāo)跟蹤,以及火控濾波等核心算法,同時也涉及無人艇的數(shù)量和部署等問題,而本節(jié)主要針對反艦導(dǎo)彈飽和攻擊中出現(xiàn)的多目標(biāo)DOD和DOA聯(lián)合交叉定位的問題進行了仿真,用于驗證新型火控系統(tǒng)的多目標(biāo)處理能力,也是進一步進行多目標(biāo)精確跟蹤的基礎(chǔ)。

本文采用平行因子(Parallel Factor Analysis,PARAFAC)理論來實現(xiàn)新型火控系統(tǒng)中對來襲多目標(biāo)的DOD和DOA聯(lián)合估計的能力。PARAFAC模型[13]是一種三線性分解的方法,它不需要常規(guī)二維矩陣分解的正交性或其他約束條件,即可對模型進行辨識。

根據(jù)雙基地MIMO雷達信號模型，有

式中，Xn=ATDn(AR)S+Nn,也可以寫成另外一種形式:

Xn為這個三線性模型的一個方向的切片。根據(jù)三線性模型的對稱性,另外兩個方向的切片可以表示為:

進而可以構(gòu)造Y和Z矩陣:

即完成了PARAFAC建模,然后采用三線性交替最小二乘(Trilinear Alternating Least Square,TALS)算法就可以估計得到多目標(biāo)的DOA和DOD。

仿真試驗比較了傳統(tǒng)Capon算法[14]和PARAFAC算法的多目標(biāo)檢測性能,發(fā)射陣元M=6,接收陣元N=8;考慮空中12個目標(biāo),發(fā)射角分別為{-55,-45,-20,5,8,10,15,20,25,30,40,50},接收角分別為{-20,70,40,-40,-60,-50,-45,-10,50,15,25,35};500個脈沖,每個脈沖的采樣個數(shù)為512個,信噪比8 dB;圖6顯示了采用Capon算法對多目標(biāo)的角度估計結(jié)果;圖7顯示了采用PARAFAC算法對多目標(biāo)的角度估計結(jié)果。兩幅圖中目標(biāo)真值用圓圈表示,符號“*”代表估計值。

通過仿真結(jié)果可以看出，對于相對靠近的多目標(biāo)而言,PARAFAC算法表現(xiàn)出較好的分辨性能,實際作戰(zhàn)應(yīng)用中可以布設(shè)更多的陣元,進一步提高多目標(biāo)分辨能力,增強火控系統(tǒng)對空多目標(biāo)的探測能力。

圖6 Capon算法目標(biāo)角度聯(lián)合估計

圖7 OARAFAC算法目標(biāo)角度聯(lián)合估計

以上仿真驗證了新型對空防御火控系統(tǒng)的多目標(biāo)精確定位能力,體現(xiàn)了其對抗飽和攻擊的潛力。該系統(tǒng)的信息處理模型也符合艦艇公共計算環(huán)境的架構(gòu),可適配多型武器終端攔截反艦導(dǎo)彈,具備一定的技術(shù)可行性。

5 結(jié)束語

隨著反艦導(dǎo)彈突防手段的升級,除了原有對空防御火控系統(tǒng)的升級外,本文結(jié)合未來海戰(zhàn)場無人艇的應(yīng)用,采用新體制雷達,構(gòu)建新型對空防御火控系統(tǒng)信息架構(gòu)。該設(shè)計充分挖掘了雷達信號特征,為多武器終端按需定制目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)。通過分析,并結(jié)合多目標(biāo)交叉定位算法的仿真驗證,顯示了新系統(tǒng)在低角探測、信息融合,以及抗飽和攻擊等方面的潛在優(yōu)勢,為艦艇綜合對空防御系統(tǒng)的設(shè)計提供技術(shù)參考。