無源雷達與綜合防空系統(tǒng)集成的現(xiàn)狀及發(fā)展

王冠

（中國電子科技集團公司第五十一研究所，上海201802）

0 引言

自2015年美國戰(zhàn)略與預算評估中心（CSBA）在《決勝電磁波：重拾美國在電磁頻譜領域的優(yōu)勢地位》的研究報告中明確提出了“低-零功率”電磁頻譜戰(zhàn)新型作戰(zhàn)概念后，美軍通過成立專門機構、頒布戰(zhàn)略、制定條令和發(fā)布“決勝三部曲”等，持續(xù)推進“低-零功率”電磁頻譜作戰(zhàn)概念和能力發(fā)展。

“低-零功率”作戰(zhàn)的主要思想之一是利用低功率或無源探測（零功率）系統(tǒng)提高探測敵方目標的可能性并降低被敵方探測的可能性。無源探測系統(tǒng)包括無源雷達和電子支援措施（ESM）系統(tǒng)等。無源探測系統(tǒng)與有源雷達集成或組網(wǎng)探測可大大提高綜合防空系統(tǒng)的信息對抗能力。

近年來隨著寬帶數(shù)字化技術、算法和計算能力的不斷增強，各國積極發(fā)展無源雷達，將無源雷達集成到新一代綜合防空系統(tǒng)，提高防空系統(tǒng)的電磁頻譜作戰(zhàn)能力。德國亨索爾特公司將“特因維斯”（Twinvis）無源雷達作為可選組件集成到迪爾公司IRIS-T系列防空系統(tǒng)中。瑞士在其“空中2030”防空現(xiàn)代化項目中也測試了無源雷達。美軍的第三代“沉默哨兵”無源雷達系統(tǒng)也將通過其在研的一體化防空反導作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)（IBCS）實現(xiàn)和“薩德”反導系統(tǒng)等系統(tǒng)的互聯(lián)互通互操作［1］。

1 研發(fā)背景

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，地面防空系統(tǒng)，特別是其目標指示和制導雷達系統(tǒng)，因依靠自身定向輻射電磁波實現(xiàn)目標的探測、定位和跟蹤，故往往是被優(yōu)先打擊的對象。通過將無源探測系統(tǒng)集成到新一代綜合防空系統(tǒng)，可實現(xiàn)“靜默”工作，減少甚至無需雷達開機，即可對入侵的敵作戰(zhàn)飛機等空中目標進行探測和跟蹤，為武器系統(tǒng)提供目標指示和制導信息，直接引導武器進行打擊，提供有效的防空打擊能力。

有源雷達與無源探測系統(tǒng)融合（或集成）的歷史起源于20世紀70年代。多假設跟蹤（MHT）技術常被用于處理雜波環(huán)境下的多目標情況。起初，是為得到更優(yōu)的對空監(jiān)視空情圖，將有源雷達、ESM系統(tǒng)和紅外傳感器的數(shù)據(jù)進行融合。隨著越來越復雜系統(tǒng)的逐步開發(fā)，有源雷達、敵我識別（IFF）或ESM等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)已能被結合起來。進入21世紀，越來越強的計算能力推動了無源雷達的快速發(fā)展。

無源雷達（也稱非合作無源探測系統(tǒng)或無源相干定位（PCL）系統(tǒng)）是利用第三方發(fā)射的電磁信號（主要有：雷達信號、調頻/調幅/數(shù)字音頻廣播信號、模擬/數(shù)字電視信號、GSM/CDMA移動通信信號、全球定位系統(tǒng)等衛(wèi)星信號及手機基站信號等）探測、跟蹤目標的特殊雙/多基地雷達系統(tǒng)，其通過接收來自照射源的直達波和經(jīng)目標反射后的回波，測得目標回波的多普勒頻率、到達時差和到達角等信息，經(jīng)處理后實現(xiàn)目標的探測、跟蹤和定位。

無源雷達具有反隱身、抗干擾、抗超低空突防以及抗反輻射武器的特性，越來越受各國重視。近年來，隨著寬帶數(shù)字化技術和算法的不斷成熟及硬件水平的大幅度提高，各國積極推進無源雷達在新一代綜合防空系統(tǒng)中的應用。

由于無源雷達存在高虛警率、可能的虛假目標、到達角（DOA）估計差（與典型的對空監(jiān)視雷達相比）等問題，融合無源和有源雷達數(shù)據(jù)會引起高計算量，因此，21世紀才首次嘗試此類融合。2009年北約傳感器與電子技術（SET）研究任務組（RTG）從北約SET-152/RTG“可部署多波段無源/有源雷達（DMPAR）”起（2009—2012年）就已開展了大量的工作，DMPAR概念的重點目標是集成工作在不同頻段上的無源/有源雷達的數(shù)據(jù)。2019年9月北約SET-258/RTG“DMPAR部署與評估”（2018—2022年）在波蘭舉行了一場名為地基、空基、?；性礋o源雷達試驗（APART-GAS）的試驗活動，將從軍用網(wǎng)絡所收集的有源和無源雷達等的點跡在線進行了融合。該試驗讓武裝部隊在無源雷達和有源雷達的實際協(xié)同方面獲得了重要經(jīng)驗。從2019年9月起APART-GAS試驗活動就成為了北約科學與技術組織的一項長期持續(xù)的工作，用以實現(xiàn)一種集成有源軍用雷達、現(xiàn)役無源雷達、無源雷達樣機及無源輻射源跟蹤（PET，一種ESM）系統(tǒng)等的優(yōu)化方法。2022年3月北約科學與技術組織揭示了可部署的DMPAR系統(tǒng)。

2 無源雷達最新發(fā)展及其在綜合防空系統(tǒng)集成應用情況

隨著無源雷達快速發(fā)展，各國積極推進無源雷達在綜合防空系統(tǒng)中的應用。

2.1 德國將“特因維斯”系統(tǒng)集成到IRIS-T系列防空系統(tǒng)

2022年2月，德國亨索爾特公司將“特因維斯”無源雷達系統(tǒng)作為可選組件集成到德國迪爾防務公司IRIS-T系列防空系統(tǒng)中。埃及是首批運用該技術的用戶之一，向該國出售的16套IRIS-T系統(tǒng)將包括“特因維斯”系統(tǒng)。瑞士被認為是另一個潛在客戶，該國在其“空中2030”防空現(xiàn)代化項目中測試了無源雷達系統(tǒng)。2022年6月德國空軍也有意采購無源雷達系統(tǒng)。

亨索爾特公司曾在2018年柏林航展期間利用“特因維斯”系統(tǒng)捕捉到了2架到訪的美國F-35隱身飛機?！疤匾蚓S斯”系統(tǒng)具有360°全方位覆蓋，三維跟蹤，能同時利用調頻、數(shù)字音頻廣播（DAB）和數(shù)字電視廣播（DVB-T）信號，實時融合25臺不同頻段發(fā)射機信號。其對客機大小空中目標的探測距離為250～300 km，從天線到跟蹤的延遲時間小于1.5 s，跟蹤更新率為0.5 s。隨著天線技術的快速發(fā)展，“特因維斯”系統(tǒng)天線尺寸越來越小、部署起來更加方便，無源感知的應用領域也不斷擴大［2］。

過去無源雷達在欠發(fā)達地區(qū)和偏遠地區(qū)無法發(fā)揮作用，因為這些地區(qū)的外輻射源過少且信號比較弱，近年來亨索爾特公司通過算法升級改進了技術，使“特因維斯”系統(tǒng)能對非常微弱的信號進行截獲并對其目標進行定位。另外，“特因維斯”系統(tǒng)與帶有智能導引頭（提供目標終端制導）的導彈一起使用能提供的制導能力足以使導彈在導引距離內發(fā)揮作用。亨索爾特公司稱“特因維斯”系統(tǒng)是地面防空作戰(zhàn)中不可或缺的重要組成部分。

2022年5月，俄烏沖突中，德國亨索爾特公司將“特因維斯”系統(tǒng)與TRML-4D防空系統(tǒng)的有源雷達結合，形成獨特的雙傳感器（TwinSens）解決方案，通過在這2個系統(tǒng)之間交換傳感器數(shù)據(jù)，大大提高了陸基防空系統(tǒng)態(tài)勢感知能力。

2.2 美國準備將“沉默哨兵”系統(tǒng)集成到IBCS系統(tǒng)

美國陸軍正在研制的一體化防空反導作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)（IBCS）于2022年3月在新墨西哥州白沙靶場完成2次初始作戰(zhàn)試驗，成功攔截3個威脅目標。其采用開放式架構，因此能夠快速集成各種可用的新技術。美軍正在研制的第三代“沉默哨兵”系統(tǒng)和“薩德”反導系統(tǒng)等可通過IBCS系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)互通互操作［1］。

“沉默哨兵”系統(tǒng)是美國用15年時間于1998年研制成功的第一個真正意義上的無源雷達。其以商業(yè)調頻電臺和電視信號作為外輻射源。該系統(tǒng)的接收站由相控陣天線、大動態(tài)范圍的數(shù)字接收機、每秒千兆次浮點運算的高性能并行處理器和三維戰(zhàn)術顯示器組成，通過測量目標的到達角、多普勒頻移和目標信號與直達波信號到達接收站的時間差，利用無源相干定位技術來對目標進行定位與跟蹤?！俺聊诒毕到y(tǒng)的信號源數(shù)據(jù)庫存貯了全球5.5萬個商用電臺、電視臺的位置與頻率信息，因此該系統(tǒng)可在世界大多數(shù)區(qū)域使用。目前，“沉默哨兵”系統(tǒng)已發(fā)展到第三代，新系統(tǒng)能夠覆蓋360°空域，可處理8個照射源發(fā)射的信號，具有固定站式和快速部署式，也可安裝到飛機和艦船上。新系統(tǒng)能同時跟蹤200多個目標，并能鑒別出間隔15 m的2個目標。美國空軍的B-2戰(zhàn)略隱身轟炸機在250 km外就曾被“沉默哨兵”擒獲。

2.3 北約集成軍用可部署多波段無源/有源雷達系統(tǒng)提升防空能力

2022年3月，北約傳感器和電子技術小組成功完成了一項活動，旨在優(yōu)化DMPAR系統(tǒng)的使用。DMPAR系統(tǒng)可用于檢測和跟蹤空中目標。一套DMPAR系統(tǒng)包括幾個合作的傳感器站點和模式，由照射發(fā)射機和通信基礎設施支持。與許多當前的雷達系統(tǒng)不同，DMPAR可以利用許多雷達傳感器在不同頻段有源和無源工作，從而得以顯著擴展探測范圍。這也使DMPAR系統(tǒng)能夠“填補”傳統(tǒng)的有源雷達的空白，并能夠探測低空和低雷達截面目標，在針對隱形目標等行動中，可大大提升防空系統(tǒng)偵察、干擾和打擊目標的能力。

2.4 波蘭聯(lián)合開發(fā)無源定位系統(tǒng)提升防空反導能力

2022年波蘭PIT-RADWAR公司與AMT技術公司和華沙理工大學（WUT）一起聯(lián)合開發(fā)由無源相干定位（PCL，也稱無源雷達）系統(tǒng)和無源輻射源跟蹤（PET，一種電子支援措施）子系統(tǒng)組成無源定位系統(tǒng)（PLS）。該系統(tǒng)仍在開發(fā)中，預計其頻率覆蓋范圍為20 MHz～18 GHz，融合PET和PCL探測結果，并完成信號情報和分類功能，旨在為防空反導系統(tǒng)提供先進的無源定位系統(tǒng)，提升戰(zhàn)場生存能力和作戰(zhàn)效率［3］。

2.5 意大利研制軟件定義多波段無源雷達提升防空能力

意大利萊昂納多公司從2006年開始研發(fā)“奧羅斯”（AULOS）無源雷達系統(tǒng)，研發(fā)工作從單頻二維傳感器開始，發(fā)展到基于軟件的多頻三維系統(tǒng)，能探測從大型客機到小型商用無人機的目標。目前“奧羅斯”系統(tǒng)已研制完畢，羅馬附近一個軍用機場安裝了一套該工作系統(tǒng)，用于測試反無人機效果，以優(yōu)化設計。

2022年，意大利雷達與監(jiān)視系統(tǒng)國家實驗室研制了“軟件定義多波段外輻射源無源探測系統(tǒng)”（SMARP）演示樣機，它是一種基于軟件定義解決方案、面向海岸監(jiān)視應用的多波段無源雷達。利用地面數(shù)字電視廣播和通用移動通信系統(tǒng)（UMTS）的標準信號，SMARP樣機演示了在幾個領域取得的進展，包括：采用雙極化接收的多波段（特高頻波段和S波段）接收陣天線、基于商用解決方案的軟件定義多波段靈活接收機、數(shù)字陣列處理技術、基于商用現(xiàn)貨多核處理器架構的先進雷達信號處理算法等。

3 無源雷達與有源雷達數(shù)據(jù)融合

下面以北約科學與技術組織開展APART-GAS的測試（2018—2022年）為例，介紹無源雷達與有源雷達數(shù)據(jù)融合（或集成）。APART-GAS試驗和后續(xù)工作的主要目標是通過構建由有源和無源雷達傳感器等組成的系統(tǒng)實現(xiàn)更優(yōu)的空中態(tài)勢感知，提供更大的探測區(qū)域，填補單基地幾何引起的盲區(qū)；進行更高頻次的探測；探測更多數(shù)量的目標；提升對隱身目標探測能力；對其他雷達系統(tǒng)引起的干擾有更強的魯棒性和抗干擾性（無源雷達能以一種簡單的方式采用不同的發(fā)射機進行重新配置）和更優(yōu)的預警能力［4-5］。

在APART-GAS測試活動期間，采用了2部有源雷達和5部無源雷達傳感器來進行測量。圖1示出了亨索爾特公司無源雷達跟蹤與數(shù)據(jù)融合引擎的軟件架構。左側3個模塊提供了處理與融合無源雷達傳感器雙基地點跡數(shù)據(jù)的核心功能，這3個模塊的實現(xiàn)在文獻［6］中進行了詳述，在此僅簡要描述其主要功能。針對新出現(xiàn)目標及其對應航跡，相應組件將執(zhí)行3個不同的處理階段。在轉換為內部數(shù)據(jù)格式后，雙基地點跡通過雙基地點跡關聯(lián)器進入跟蹤系統(tǒng)。在無三維航跡的情況下（如系統(tǒng)啟動后），所有點跡被傳輸至后續(xù)的距離/距離變化率（R3）跟蹤器?；诮o定的距離和距離變化率信息（加上可能提供的方位信息），形成對應的R3航跡。以每對傳感器/發(fā)射機（FM）或每單頻網(wǎng)絡（DAB或DVB-T）來執(zhí)行這一操作，以減少虛警的次數(shù)。航跡綜合器將不同來源的已確認R3航跡關聯(lián)起來（通過橢球相交），逐步監(jiān)測每個關聯(lián)的運動學和質量（將更新的雙基地點跡重新與R3航跡關聯(lián)），最終要么中斷關聯(lián)（質量太差），要么在質量充分不存在關聯(lián)沖突的情況下確認關聯(lián)（進而與R3航跡相關），作為多維分配問題的解決方案。因此，航跡跟蹤器生成綜合三維笛卡爾航跡，并向人機接口（HMI）報送。除此以外，它還會向雙基地點跡關聯(lián)器發(fā)送反饋，從而能實現(xiàn)雙基地點跡與笛卡爾航跡關聯(lián)。而關聯(lián)點跡會被直接發(fā)送給航跡跟蹤器，并入到已保持的相關航跡中。另一方面，R3跟蹤器若未接收到關聯(lián)點跡，則終止對應的R3跟蹤。因此，點跡僅通過一種路徑進入航跡綜合器，避免了雙重投票，通過保持低數(shù)量的關聯(lián)假設顯著降低了計算量。

圖1 數(shù)據(jù)融合架構及部分界面

除三維航跡外，亨索爾特公司無源雷達跟蹤與融合軟件還生成笛卡爾點跡（即AsterixCAT15格式下的傳感器中心點跡），主要用于輸出。在某時間段內，與特定三維航跡關聯(lián)的雙基地點跡（CAT15格式下表示為測量點跡）會在運動學上融合生成笛卡爾位置與速度估計。由于距離/多普勒處理是相互獨立的，不同接收機/發(fā)射機對獲取的雙基地點跡之間和不同相干處理間隔（CPI）之間的測量誤差無疑可假設為是獨立的。并且由于采用雙基地點跡來計算不同的接收機/發(fā)射機對，和/或與特定航跡關聯(lián)的三維點跡之間的CPI，這些三維點跡的估計誤差會被認為是相互獨立的。對每部無源雷達傳感器都會執(zhí)行所描述的點跡融合。

起初，軟件重點關注綜合雙基地點跡數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在，融合其他來源數(shù)據(jù)的能力會帶來更多的價值。如圖1所示，這些數(shù)據(jù)可能是廣播式自動相關監(jiān)視（ADS-B）數(shù)據(jù)或雷達/IFF數(shù)據(jù)。前者既可能是原始模式S擴展電文（ES）消息，也可能以聚合形式輸入。一次和二次雷達的點跡或航跡數(shù)據(jù)也可以進行處理。不過，不同雷達的點跡數(shù)據(jù)可能會展示完全不同的特性或特征，雷達跟蹤軟件通常需要進行細致合適的調整。這一任務被認為超出了無源雷達軟件的任務范圍。點跡因而必須帶有一個顯示它們關聯(lián)性的航跡標簽。

圖1中的航跡綜合器執(zhí)行與前述相同的任務，但由于外部數(shù)據(jù)的三維笛卡爾特性，通用性較低。其大體上能將所提供的外部數(shù)據(jù)與無源雷達數(shù)據(jù)進行相關、關聯(lián)并在運動學上融合。其中，所有的處理都是實時進行的。綜合IFF信息是融合結果的一部分，因此輸出航跡可能會載有相關ADS-B的模式S信息（地址和呼號）和二次監(jiān)視雷達的模式3/A編碼。在亨索爾特公司的“特因維斯”無源雷達系統(tǒng)中，F(xiàn)unke PTH80接收機提供原始ADS-B信息，默認情況下僅對這些信息作解碼并以聚合形式將它們發(fā)送至HMI。在APART-GAS測試活動中，聚合的ADS-B數(shù)據(jù)僅被用于對比。不過，與聚合的ADS-B（內部或外部）進行融合也是可行的，具體取決于結構。

圖2總結了整個數(shù)據(jù)與融合配置。亨索爾特公司2部、PIT-RADWAR公司1部以及瑞士國防裝備采購局和華沙理工大學的2部研究型的共5部無源雷達傳感器，根據(jù)亨索爾特公司獨家輸入格式提供了其雙基地點跡數(shù)據(jù)（包括雙基地距離和距離變化率，如果傳感器能提供的話，還包括方位信息）。2部有源雷達提供一次監(jiān)視雷達和二次監(jiān)視雷達點跡。有源數(shù)據(jù)首先會被標準跟蹤器進行處理，結果送入數(shù)據(jù)融合。

APART-GAS測試活動中，各參與方的多波段有源和無源雷達傳感器聯(lián)合起來對一片直徑超過500 km區(qū)域內的軍民用飛機進行了監(jiān)視。有源和無源雷達技術完全不同的和部分互補的特性結合起來明顯改善了態(tài)勢感知。

4 啟示建議

新一代隱身作戰(zhàn)飛機的投入使用，再加上無人機以及其他低空小型目標不斷增多，迫切需要能夠補充傳統(tǒng)雷達不足的技術，而無源雷達正是填補傳統(tǒng)監(jiān)視雷達空白的一個很好的解決方案，隨著寬帶數(shù)字化技術和算法的不斷成熟及硬件水平的大幅度提高，無源雷達呈現(xiàn)出快速發(fā)展的勢頭，無源雷達與有源雷達集成大大提高了現(xiàn)代防空系統(tǒng)的綜合性能。

1）無源雷達與有源雷達集成將大幅提高現(xiàn)代防空系統(tǒng)的綜合性能。

大多數(shù)隱身飛機已經(jīng)針對工作在較高頻段的大多數(shù)火控雷達進行了優(yōu)化，并可對抗“單基地”雷達，試圖最大限度地減少其前扇區(qū)的頻譜反射。這時采用有源低頻段雷達，再結合無源雷達，將是對抗隱身飛機等空中隱身目標的一種理想組合。

同時，當外界電磁輻射設備關機或無法利用時，無源雷達無法單獨對目標進行探測定位，可考慮將無源雷達與有源雷達相集成；當外界電磁輻射不存在或無法利用時，利用無源雷達接收己方有源雷達的直射信號與目標反射信號對目標進行探測，這樣既提高了無源雷達的利用率，又增強了有源雷達的隱蔽性和生存能力，將大大提高防空系統(tǒng)的信息對抗能力。

2）低成本認知多波段無源/有源雷達系統(tǒng)實現(xiàn)成為可能。

一般來說，無源雷達通常使用專用的低噪聲線性數(shù)字接收機。然而，使用軟件定義電臺作為接收機（可能不是特別低的噪聲）和簡單天線陣列的低成本系統(tǒng)并不少見（例如電視或調頻天線）。天線通常一次切換到一部接收機，而對于廣播發(fā)射機來說，可以將多個接收機信號分配給多個天線，以提高瞬時覆蓋。意大利雷達與監(jiān)視系統(tǒng)國家實驗室已經(jīng)開發(fā)成功軟件定義多波段陣列無源雷達演示驗證機。認知化開放式架構無源雷達，有利于各種有源和無源雷達系統(tǒng)快速集成，提高防空系統(tǒng)作戰(zhàn)能力。

3）無源/有源雷達集成還留有較大的增長空間。

有源和無源雷達集成（或數(shù)據(jù)融合）盡管目前已取得了一些積極的結果，但還留有較大的增長空間。畢竟，融合的數(shù)據(jù)來源于以完全獨立方式運行的各個傳感器，且融合后也沒有對這些傳感器提供任何反饋。尤其針對采用有源電子掃描陣列（AESA）天線的有源雷達，基于相關反饋，可能會以更有效的方式來利用其資源。雖然效果并不顯著，但無源雷達通過自適應地選擇相應的發(fā)射機也可以利用反饋。對于在各傳感器間實現(xiàn)資源優(yōu)化分配而言，深度集成這2種傳感器技術是未來追尋的目標。

5 結束語

無源雷達技術越來越成熟，市場上已經(jīng)出現(xiàn)了一些原型和系統(tǒng)。將無源雷達與有源雷達集成可大大提高綜合防空系統(tǒng)探測隱身目標和微小目標的能力和綜合防空反導能力。本文介紹了無源雷達與有源雷達集成的研發(fā)背景、無源雷達的最新發(fā)展及其在綜合防空系統(tǒng)中的應用情況、無源和有源雷達數(shù)據(jù)融合架構及其技術，最后給出幾點啟示建議，為無源雷達裝備與技術發(fā)展及其在綜合防空系統(tǒng)中的應用提供借鑒。