高精度測量雷達發(fā)展趨勢

黨 弦，江 天，成 浩

(海軍標準化研究中心,上海 200235)

0 引 言

高精度測量雷達主要用于試驗評估及靶場測量,包括航天器的發(fā)射、運行、回收的跟蹤測量，武器系統(tǒng)飛行和對抗試驗、鑒定以及評估的跟蹤測量，飛行目標特性的跟蹤測量等，其跟蹤測量精度比武器系統(tǒng)跟蹤雷達高出3～10倍左右[1]。

高精度測量雷達具備全天候、全天時、高可靠性、高精度等特點[2]。高精度測量雷達從武器系統(tǒng)跟蹤雷達演變而來，因而早期主要為常規(guī)反射面體制，具備單目標高精度跟蹤以及靶場監(jiān)視控制能力，后續(xù)隨著試驗要求的提高，提出了多目標跟蹤測量需求，高精度測量雷達由常規(guī)反射面體制逐步向相控陣體制發(fā)展。

隨著多彈頭、子母彈、高超音速導(dǎo)彈以及以電磁軌道炮為代表的新質(zhì)武器等新型武器的發(fā)展，對高精度測量雷達提出了更高要求，并作為技術(shù)發(fā)展動力引導(dǎo)高精度測量雷達發(fā)展。

1 常規(guī)體制測量雷達

在測量雷達發(fā)展初期，高精度測量雷達主要由武器系統(tǒng)跟蹤雷達演變而來，主要采用常規(guī)反射面單脈沖體制，以美國為代表的主要有以下幾種[3]。

1.1 AN/FPS-16單脈沖跟蹤雷達

世界第1部用于導(dǎo)彈和衛(wèi)星精密跟蹤測量的單脈沖雷達由美國無線電公司于1956年研制成功，如圖1所示，1957年美國各導(dǎo)彈靶場正式使用。該雷達采用直徑為3.6 m的圓拋物面天線，四喇叭單脈沖，工作于C波段，作用距離235 km，距離跟蹤精度3.6 m，角精度0.2 mrad，有5個型號，其中XN-5型為艦載型，安裝在“范戈特”號、“紅石”號等測量船上，目前該系列雷達已裝備近百套。

圖1 AN/FPS-16單脈沖跟蹤雷達

1.2 AN/MPS-36機動靶場測量雷達

1968年5月，美國RCA公司根據(jù)美國陸軍提出的“機動式靶場安全系統(tǒng)”需求設(shè)計研制出AN/MPS-36機動式靶場測量雷達。該雷達具備高可靠性、高維護性以及高機動性等特點，能夠滿足靶場測量各項任務(wù)。該測量雷達天線直徑3.66 m，采用5喇叭饋源單脈沖形式，角跟蹤精度0.2 mrad，距離跟蹤精度2.7 m，能夠跟蹤2 000 nmile以外的目標，美國和德國靶場均已裝備該雷達。

1.3 AN/FPQ-10靶場通用測量雷達

AN/FPQ-10是基于AN/FPS-16和AN/FPQ-6進行研制的，該雷達接收機采用雙通道單脈沖系統(tǒng)，波寬為1°～1.1°，采用圓拋物面天線，具備垂直極化、水平極化、右旋極化和左旋極化，角跟蹤精度0.3 mrad(最大值)，距離跟蹤精度達1.8 m，于1966年開始裝備美國各靶場。

1.4 固定式單脈沖精密測量雷達

上世紀60年代國內(nèi)成功研制出第1臺精密測量雷達，該雷達采用單脈沖非相參磁控管發(fā)射機體制，天線直徑4.2 m，發(fā)射峰值功率800 kW，測角精度0.2 mrad，距離測量精度5 m，與美國AN/FPS-16(XN-1)測量雷達水平相當(dāng)。70年代又基于該雷達研制出單脈沖相參精密測量雷達。

1.5 移動式車載非相參精密測量雷達

國內(nèi)從第1部精密測量雷達開始，經(jīng)過20多年發(fā)展，20世紀80年代中期，成功研制出移動式車載非相參精密測量雷達，該雷達搭載在移動拖車上，可拆裝，機動性強，如圖2所示，填補了車載移動式精密測量雷達空白，隨后又研制出機動型相參精密測量雷達。常規(guī)體制測量雷達主要采用機械掃描反射面體制，相對于相控陣體制，其成本較低，具備一定的機動性能，但是僅能完成單目標跟蹤測量，功能相對較少，難以滿足試驗跟蹤測量提出的多目標以及多功能需求。

圖2 移動式車載非相參精密測量雷達

2 相控陣多目標測量雷達

隨著武器系統(tǒng)的發(fā)展，對測量雷達提出了多目標探測需求，由此多目標測量技術(shù)得到了迅速發(fā)展與應(yīng)用。

為滿足多目標測量跟蹤需求，高精度測量雷達由常規(guī)反射面體制逐步向相控陣體制發(fā)展，但是采用相控陣體制會大大增加雷達成本。為實現(xiàn)較高性價比的高精度測量雷達，通常采用空饋相控陣或無源相控陣以及機相掃結(jié)合形式，以降低成本。隨著相控陣技術(shù)的應(yīng)用，高精度測量雷達不僅實現(xiàn)了多目標測量跟蹤，而且還具備邊跟邊監(jiān)視、靶場控制、靶場安全等功能同時進行，極大地提高了高精度性能。相控陣體制高精度測量雷達主要有以下幾種。

2.1 MOTR多目標精密測量雷達

MOTR雷達為1985年由美國RCA公司開始研制的一款相控陣體制的多目標測量雷達。該雷達的脈沖重頻、脈寬、工作頻率、編碼形式、時統(tǒng)以及發(fā)射功率可根據(jù)靶場試驗需要進行靈活設(shè)置，具備對空、靶場安全、靶場控制以及監(jiān)視等多種功能，能夠同時跟蹤10批目標，并且絕對精度比單目標測量雷達高1～2倍。該雷達可以對目標進行自動捕獲并轉(zhuǎn)跟蹤，且捕獲時間小于1 s，具備良好的低角跟蹤性能，低角跟蹤精度比AN/MPS-36和 AN/FPS-16測量雷達高3倍。

2.2 MIR多目標測量雷達

根據(jù)美海軍航空系統(tǒng)司令部提出的多目標靶場測量要求，由美國雷聲公司研制出了MIR。該雷達是一部機相掃結(jié)合的測量雷達，采用空饋透鏡相控陣列，天線直徑3.6 m，由8 973個天線單元組成，電掃范圍：方位±35°，俯仰±30°，兩軸機掃方位470°，能夠同時跟蹤16批高機動目標，特別適用于飛機和導(dǎo)彈靶場，并且其多目標跟蹤精度不亞于單目標測量雷達跟蹤精度。MIR多目標測量雷達對雷達截面積(RCS)為1 m2目標的作用距離為342.8 km，方位絕對跟蹤精度為0.1 mrad，俯仰相對跟蹤精度為0.05 mrad，距離跟蹤精度為1.8 m。

2.3 REST電掃描靶場測量實驗雷達

REST雷達是一部有限相掃范圍的機相掃結(jié)合雷達，在20世紀70年代，為了使測量雷達滿足高動態(tài)性能、多目標的要求，美國無線電公司將REST天線前端部分安裝在AN/FPS-16雷達天線座上，由于AN/FPS-16雷達原有天線基座、發(fā)射機、定時系統(tǒng)以及對外接口等部分都保持不變，所以大大降低了REST雷達的研制和生產(chǎn)成本。REST雷達工作在C波段，天線直徑3 m，天線單元112×64個，相掃方位10°×10°，相掃范圍內(nèi)可跟蹤20個目標，對RCS為1 m2目標的作用距離110 km，系統(tǒng)指向精度≤0.312 mrad(均方根值)。這種機相掃結(jié)合雷達不僅加快了目標捕獲過程，而且特別適用于跟蹤多目標群。

2.4 TWS-QR邊掃描邊跟蹤寂靜雷達

TWS-QR作為一款美國休斯飛機公司于1982年初研制出的跟蹤雷達，主要用于各種地空導(dǎo)彈系統(tǒng)，還作為SHORAD/LOMAS武器系統(tǒng)和AMRAAM空空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的監(jiān)視和控制雷達，該雷達具備較強的復(fù)雜電磁環(huán)境抗干擾能力。TWS-QR工作在I/J波段，方位旋轉(zhuǎn)，俯仰電掃多波束，可以通過方位50轉(zhuǎn)/min搜索監(jiān)視360°方位空域。該雷達具備超低副瓣、低功率波形、高跟蹤精度等特點，另外還具備高機動，整部雷達可通過2輛車完成裝載，隨時機動。

2.5 車載相控陣多目標單脈沖精密跟蹤雷達

為滿足多目標測量需求，國內(nèi)在20世紀90年代成功研制出第1部相控陣多目標測量雷達，如圖3所示。該雷達采用機相掃結(jié)合形式，搭載在移動拖車上，具備較強的機動性能。該雷達陣面采用空饋透鏡式稀布陣，陣面天線口徑3.7 m，可同時進行10批目標跟蹤測量，性能相當(dāng)于美國MOTR多目標精密測量雷達的水平。

圖3 車載相控陣多目標單脈沖精密跟蹤雷達

3 后續(xù)發(fā)展趨勢分析

作為新型武器發(fā)展方向，多彈頭、子母彈、高超聲速導(dǎo)彈以及以電磁軌道炮為代表的新質(zhì)武器等正逐步走向應(yīng)用，如圖4、圖5所示。

圖4 美國海軍電磁軌道炮

圖5 美國X-51高超音速飛行器

新型武器主要特點包括：

(1) 新型武器具備高超音速飛行能力，如美軍電磁軌道炮彈丸初速度可達2～2.5 km/s，X-51A高超音速巡航導(dǎo)彈速度可達6 Ma，X-37B空天飛機速度可達25 Ma等；

(2) 新型武器具備超遠距離打擊能力，如美國電磁軌道炮極速射擊200 km外目標，遠遠超出常規(guī)火炮打擊距離，超音速導(dǎo)彈打擊距離可從幾百公里延伸至幾千公里；

(3) 新型武器具備多彈丸、多彈頭、子母彈飽和攻擊能力。為了突破對方防御體系，新型武器一次發(fā)射通常攜帶多枚彈頭或者連續(xù)飽和攻擊，提升打擊效果；

(4) 具備高機動、超低突防、末段高角俯沖攻擊等特點，如俄羅斯和印度的布拉莫斯等；

(5) 為躲避雷達探測，提升突防能力，新型武器提升雷達隱身性能，盡量降低目標特征，使對方雷達難以探測。

以上特點對高精度測量雷達在原相控陣多目標測量雷達的基礎(chǔ)上，提出了更高、更多的要求，包括：

(1) 超高音速目標的多目標、遠距離、高精度跟蹤能力；

(2) 針對超高倍音速目標的快速反應(yīng)與處理能力；

(3) 適應(yīng)試驗測量需求的輕量化高機動能力；

(4) 強抗干擾(抗雜波、電磁干擾)能力；

(5) 提升經(jīng)濟性，發(fā)揮最大費效比。

為滿足這些需求，國外進行了一些新體制測量雷達研究。

3.1 新型iMOTR移動多目標跟蹤雷達

英國BAE系統(tǒng)公司2017年在美國的亨茨維爾太空和導(dǎo)彈防御研討會上推出了一款新型iMOTR移動多目標跟蹤雷達，如圖6、圖7所示。該雷達采用干涉-相控陣體制，工作在C或X波段，能對低空、掠海以及水面各種多目標進行高精度實時跟蹤，具備較強的海雜波、地雜波抑制能力，目前主要用于對飛機和無人機的測評和評估。該雷達與目前在役的靶場雷達相比，能在更寬的視場范圍內(nèi)提供更精確的多目標位置信息數(shù)據(jù)。

圖6 新型iMOTR移動多目標跟蹤雷達

圖7 iMOTR雷達折疊狀態(tài)

iMOTR雷達優(yōu)先選用現(xiàn)有貨架產(chǎn)品(包括增強型氮化鎵、射頻和模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù))相匹配的設(shè)計思路進行設(shè)計，以獲得一種高性價比的多目標跟蹤雷達。iMOTR雷達與目前傳統(tǒng)多目標相控陣跟蹤雷達系統(tǒng)相比，具備較高的性價比和高機動性，其突出的低空和超低空探測能力，可與遠程預(yù)警探測雷達實現(xiàn)盲區(qū)補充探測，具備高費效比，可有效對末端導(dǎo)彈等目標進行穩(wěn)定探測跟蹤。

表1 新型iMOTR移動多目標跟蹤雷達主要參數(shù)

3.2 iMOTR移動多目標跟蹤雷達的改進型

2018年4月，弗吉尼亞州貝爾沃堡的美國陸軍采購中心公布了一種全新的炮瞄雷達，如圖8所示。這種雷達裝在一個小拖車上，天線陣面傾斜，由4塊平板組成，由于還處在研發(fā)階段，并未公布其型號和性能。根據(jù)外形與iMOTR移動多目標跟蹤雷達相近，可判斷該雷達可能為BAE系統(tǒng)為美國陸軍的研制的iMOTR移動多目標跟蹤雷達的改進型，從公布的圖片分析，該雷達體制應(yīng)該與iMOTR雷達體制一樣，不過與其不同的可能是收發(fā)分置，中間平板天線發(fā)射，外圍3個平板天線接收。另外，根據(jù)美軍電磁軌道炮相關(guān)信息判斷，該雷達可能主要為美軍電磁軌道炮提供測試保障，能夠快速發(fā)現(xiàn)、捕獲超高音速的電磁軌道炮彈丸，并對其進行精確跟蹤測量。

圖8 iMOTR移動多目標跟蹤雷達的改進型

為適應(yīng)新型武器發(fā)展，國內(nèi)外均對新體制高精度測量雷達進行了探索和研究。雖然國內(nèi)外研究的新體制具體形式不同，但是為滿足新型武器發(fā)展對高精度測量雷達提出的超高音速目標的高精度跟蹤、多目標、遠距離、輕量化高機動、強抗干擾能力(抗雜波、電磁干擾)、高性價比等新的跟蹤測量要求，發(fā)展新體制高精度雷達測量將成為一種趨勢。

4 結(jié)束語

測量雷達由最初的常規(guī)體制單脈沖跟蹤雷達開始，隨著武器系統(tǒng)和測量對象的多目標需求，出現(xiàn)了多目標相控陣測量雷達。進入21世紀后，隨著現(xiàn)代化高超音速武器以及新質(zhì)武器的發(fā)展，對高精度測量雷達提出了更高要求，新體制測量雷達應(yīng)運而生，后續(xù)高精度測量雷達還會隨著武器以及測量對象的需求而進一步發(fā)展提高。