基于彈道目標的發(fā)射事件管理技術研究

萬海東，王 博，王 洋，陳亞偉

(南京電子技術研究所，南京 210039)

0 引言

針對典型彈道導彈目標，其防御系統(tǒng)的主要作戰(zhàn)過程[1]包括:紅外預警衛(wèi)星探測來襲彈道導彈發(fā)射坐標和飛行參數(shù)，并傳送給預警中心;地基遠程預警雷達根據(jù)紅外預警衛(wèi)星的引導信息探測來襲導彈，并進行定軌、告警處理;地基多功能雷達根據(jù)地基遠程預警雷達引導信息開始搜索目標，并針對重點目標進行目標識別;預警中心將識別結果和引導信息上報給指控中心，由指控中心下達攔截任務;武器制導雷達根據(jù)識別結果和引導信息，引導地空攔截導彈實施有效目標攔截。

為了有效降低預警探測系統(tǒng)和攔截武器系統(tǒng)對發(fā)射的彈道導彈目標實施探測和攔截，一般彈道導彈目標攻擊可以采用多種突防戰(zhàn)術[2]，其中包括飽和式、多波次攻擊，即多發(fā)齊射，或在較短的時間內(nèi)發(fā)射多枚導彈，或在一定時間間隔內(nèi)發(fā)射多枚彈道導彈的作戰(zhàn)方式。在戰(zhàn)術上，通過發(fā)射多枚導彈進行突防進攻，或?qū)⑼环缽楊^和誘餌彈頭適當組合，形成多目標密集進攻態(tài)勢，以提高導彈突防概率和總體突防效果，使導彈防御系統(tǒng)的預警和精密跟蹤傳感器達到飽和狀態(tài)，不能有效探測來襲彈頭，從而降低武器系統(tǒng)的有效攔截效果。

因此，當敵方進行飽和式、多波次彈道導彈攻擊時，我方通過對發(fā)射目標進行有效關聯(lián)，準確判斷導彈數(shù)量，解決同一發(fā)射事件的關聯(lián)問題，來提高預警探測系統(tǒng)和攔截武器系統(tǒng)的探測和打擊效能。

1 名詞定義

在解決彈道導彈目標發(fā)射關聯(lián)問題時，涉及到了幾個名詞，包括發(fā)射事件、主從目標和分離事件，通過對這幾個名詞的定義進行解釋，給出解決該問題的設計思路和方法。下面給出這幾個名詞的具體定義。

1.1 發(fā)射事件

發(fā)射事件即一次彈道目標的發(fā)射，分為衛(wèi)星目標發(fā)射事件和彈道導彈目標發(fā)射事件[3]。

1)衛(wèi)星目標發(fā)射事件定義

衛(wèi)星目標發(fā)射事件分為兩類:一類為當前在軌衛(wèi)星，一類為衛(wèi)星發(fā)射。

對于前者，當雷達發(fā)現(xiàn)在軌衛(wèi)星時，給出該目標的發(fā)射事件序號，雖然當前衛(wèi)星已在軌飛行，不屬于發(fā)射時，但從歷史的角度來看，其仍屬于一次彈道目標發(fā)射，只不過無需將其他目標和其一起進行關聯(lián)處理。

對于后者，雷達發(fā)現(xiàn)該目標后，經(jīng)過定軌算法[4-6]確認該目標為衛(wèi)星目標;當運載火箭與有效載荷分離后產(chǎn)生碎片、發(fā)動機、燃料箱等目標時，由于這類目標最終要落入地球大氣層，通過對這類目標進行定軌計算后得出該類目標的預測軌道與地球有交點，此時將這類目標與其運載的衛(wèi)星目標定義為同一發(fā)射事件，將其事件號與衛(wèi)星目標事件號關聯(lián)為同一事件號;當該類目標被關聯(lián)為衛(wèi)星發(fā)射事件時，就不會因為對其進行初定軌發(fā)現(xiàn)與地球有交點，給出導彈發(fā)射告警，而降低數(shù)據(jù)處理中心的導彈發(fā)射虛警概率。

2)彈道導彈目標發(fā)射事件定義

彈道導彈目標從發(fā)射后的一個目標，經(jīng)歷一級火箭分離后分為多個目標。不同類型彈道導彈在后續(xù)的飛行過程中將產(chǎn)生不同的結構部件，包括多級火箭發(fā)動機、分離時產(chǎn)生的碎片、攜帶彈頭的導彈母艙、誘餌、中繼裝置、導彈彈頭、導彈彈體等，這些目標在飛行過程中將會被雷達探測到并產(chǎn)生不同的航跡，但從一次發(fā)射過程來講，其屬于同一次發(fā)射事件。因此，對于彈道導彈目標，將屬于同一次發(fā)射、在不同飛行階段產(chǎn)生的結構部件，關聯(lián)在一起的過程稱為一次導彈目標發(fā)射事件，并通過同一個發(fā)射事件號進行不同航跡的管理。

1.2 主從目標

在一次發(fā)射事件中，包括主目標和從目標。

衛(wèi)星目標發(fā)射事件中的主從目標定義:根據(jù)衛(wèi)星目標發(fā)射事件定義，對于在軌衛(wèi)星目標，由于其一般只有一條航跡(即一個目標)，主目標即其本身;對于第二類衛(wèi)星發(fā)射時，在未分離段，只有一個目標，定義為主目標，當發(fā)生分離后，系統(tǒng)航跡產(chǎn)生分批，生成多條新航跡，通過發(fā)射事件關聯(lián)算法對屬于同一發(fā)射事件的目標進行軌道判斷，與地球有交點的為從目標，無交點的為主目標。

彈道導彈目標發(fā)射事件中的主從目標定義:針對屬于同一發(fā)射事件的彈道導彈目標，在不同階段主目標和從目標不同，對應同一發(fā)射事件的主目標包含多個，即上升段時的導彈整體為主目標;頭體分離后的彈體目標為主目標，其余部分為從目標;釋放多彈頭、誘餌的導彈母艙為主目標，其余部分為從目標;彈頭伴飛目標群的彈頭目標為主目標，其余部分為從目標。定義為主、從目標的航跡在其生存周期內(nèi)的主從屬性不變。

1.3 分離事件

在彈道導彈從發(fā)射到落地整個飛行過程中，會進行頭體分離、拋灑誘餌、變軌等多種動作。目標頭體分離、拋灑誘餌、碎片分離等都反映為目標分離事件。通過目標寬窄帶數(shù)據(jù)、雷達橫截面(RCS)數(shù)據(jù)監(jiān)測目標分離特征事件，監(jiān)測目標在寬窄帶距離門從一個分離出多個的過程，判斷目標分離事件。

在數(shù)據(jù)處理中心進行檢測跟蹤處理流程中，通過對重點目標進行寬窄帶跟蹤，在一維距離像上進行寬帶檢測，當能夠檢測到目標由一個變?yōu)槎鄠€時，認為有目標分離事件發(fā)生，通過RCS變化確認分離事件，之后從窄帶進行多目標檢測跟蹤，從分離前后目標的運動軌跡進行主從目標判斷。

2 解決方法

針對衛(wèi)星目標和彈道導彈目標，由于衛(wèi)星目標的發(fā)射事件關聯(lián)算法可以采用部分彈道導彈目標發(fā)射事件關聯(lián)算法，且在戰(zhàn)略上彈道導彈目標的威脅度要高于衛(wèi)星目標。因此，本文主要針對彈道導彈目標發(fā)射事件管理進行研究。

一次彈道導彈目標的發(fā)射過程如圖1所示，在導彈不同飛行階段產(chǎn)生多種目標，發(fā)射事件關聯(lián)管理軟件可以根據(jù)導彈飛行過程中的特點，即在發(fā)射后的第一次關機點之前只有一批目標，通過對該批目標進行定軌，判斷為導彈目標后生成一次發(fā)射事件號，在之后的所有目標的分離過程中，可以通過精密觀測雷達獲取不同目標的航跡測量數(shù)據(jù)、寬帶一維像數(shù)據(jù)和RCS特征數(shù)據(jù)，并根據(jù)以上數(shù)據(jù)采用時間-空間關聯(lián)算法、導彈定軌關聯(lián)算法和分離事件關聯(lián)算法，實現(xiàn)將不同目標與第一次關機點前觀測到的目標關聯(lián)為同一次發(fā)射事件，并對屬于同一發(fā)射事件的所有目標航跡進行管理，識別出不同階段的主目標。

圖1 彈道導彈目標飛行過程

2.1 流程設計

根據(jù)上述描述，給出一次彈道導彈目標發(fā)射中的發(fā)射事件關聯(lián)處理流程，在該流程中，假設彈道導彈目標從發(fā)射后開始，到所有目標落地前均能探測到。具體流程如圖2所示。

圖2 彈道導彈目標發(fā)射事件關聯(lián)處理流程

根據(jù)圖2描述，當出現(xiàn)新的目標時，先進行發(fā)射事件建立判斷，即對當前處理目標與系統(tǒng)中所有目標進行時間-空間關聯(lián)、定軌關聯(lián)，關聯(lián)失敗時建立新的發(fā)射事件，關聯(lián)成功時將當前目標關聯(lián)到已有發(fā)射事件號;對于發(fā)射事件建立后出現(xiàn)的新目標，先根據(jù)時間-空間關聯(lián)算法或分離事件關聯(lián)算法進行關聯(lián)判斷，失敗時再根據(jù)導彈定軌算法進行關聯(lián)，定軌關聯(lián)失敗時建立新的發(fā)射事件，任一種算法關聯(lián)成功時將當前目標關聯(lián)到已有發(fā)射事件號，并退出發(fā)射事件關聯(lián)。

對于目標的主從屬性，根據(jù)主從目標名詞定義，主要根據(jù)彈道目標定軌算法進行彈道估計，對屬于同一發(fā)射事件的目標從發(fā)射時間、定軌后各目標間軌道相交次數(shù)來判斷主從目標;與其他目標相交次數(shù)最多的目標為主目標，其他為從目標。

2.2 算法描述

彈道導彈目標發(fā)射事件關聯(lián)技術中涉及到了三種主要算法，包括時間-空間關聯(lián)算法、導彈定軌關聯(lián)算法和導彈分離事件關聯(lián)算法。通過這三個算法，可以完成對彈道目標的空間關系關聯(lián)，下面進行具體描述。

2.2.1 時間-空間關聯(lián)算法

時間-空間關聯(lián)算法是發(fā)射事件管理流程中的第一步，其具體流程如圖3所示。

在圖3中，根據(jù)雷達上報目標航跡信息中的觀測時間，首先進行目標時間判斷，由于同一個導彈發(fā)射點的彈道導彈發(fā)射有時間間隔，因此可以通過時間判斷目標是否屬于同一發(fā)射事件;其次，對于時間判斷屬于同一發(fā)射時刻(考慮系統(tǒng)誤差，在給定門限內(nèi)的目標屬于同一發(fā)射時刻)的目標，通過當前空間位置，判斷是否屬于同一空間格子(將空間平面劃分為不同的格子，格子分辨率一般為系統(tǒng)量測誤差和系統(tǒng)誤差的3倍大小)，由于不同發(fā)射事件的彈道導彈發(fā)點雖然有可能很近(幾十米)，但目標在發(fā)射后的雷達可觀測區(qū)域其空間分布將有可能超過格子分辨率，因此可以通過空間第一次判斷目標是否屬于同一發(fā)射事件;最后，將判斷屬于同一格子的目標，進行空間距離計算，對于屬于給定距離門限的目標可以判斷為屬于同一發(fā)射事件。

圖3 時間-空間關聯(lián)算法處理流程

通過時間-空間關聯(lián)算法來進行發(fā)射事件關聯(lián)管理，要求雷達的分辨率較高，能夠觀測到目標分離階段，時間/距離/測角誤差在給定門限內(nèi);當上述流程中關聯(lián)失敗，則可能由于雷達未能觀測到目標分離或超出各類門限設置，此時可以通過導彈定軌關聯(lián)算法進行判斷。

2.2.2 導彈定軌關聯(lián)算法

導彈定軌關聯(lián)算法是發(fā)射事件管理流程中的重要手段，其具體流程如圖4所示。

在圖4中，根據(jù)雷達上報目標航跡信息對屬于同一格子內(nèi)的所有目標進行定軌處理，根據(jù)目標軌道信息，首先對齊時間刻度，并根據(jù)同一時刻上的目標計算目標間的空間距離，對于屬于給定距離門限(定軌精度的3σ)的目標可以判斷為屬于同一發(fā)射事件;同時，根據(jù)目標定軌時間推進，判斷目標間距離曲線(通過該方法可以無需對目標定軌結果進行全弧段計算，節(jié)省計算量和計算時間)，當目標間距離超過最小值時(或已經(jīng)計算到當前物理時間點)，退出定軌關聯(lián)計算，形成新的發(fā)射事件。

通過導彈定軌關聯(lián)算法來進行發(fā)射事件關聯(lián)管理，要求對彈道目標的定軌精度達到一定程度。因此，定軌算法的精度影響著發(fā)射事件關聯(lián)結果;隨著雷達對目標觀測數(shù)據(jù)的增多，其定軌精度和發(fā)點估計精度也會提高。因此，對于通過定軌計算關聯(lián)失敗的目標，需在目標的整個飛行階段進行不斷計算，直到關聯(lián)成功則退出關聯(lián)，關聯(lián)失敗的目標首先定義為新發(fā)射事件，但需對其與其他目標一直進行定軌關聯(lián)。

2.2.3 導彈分離事件[7]關聯(lián)算法

導彈分離事件關聯(lián)算法是發(fā)射事件管理流程中的重要補充，其過程是通過雷達測量數(shù)據(jù)，提取目標特征量，根據(jù)特征量在事件發(fā)生時的特點或事件發(fā)生前后的變化來進行監(jiān)測[8]。導彈分離事件關聯(lián)算法需要利用雷達的寬窄帶觀測數(shù)據(jù)和雷達基本信息，具體流程如圖5所示。

圖5 導彈分離事件關聯(lián)處理流程

具體的判斷過程如下:

1)目標飛行階段判斷

由于彈道目標的特征發(fā)生在不同飛行階段，判斷前首先需要對目標所處的飛行階段進行判別;主要依據(jù)是目標海拔、速度、加速度的變化情況，針對不同類型導彈目標確定適當?shù)呐袥Q條件。

2)目標RCS突變

彈道目標發(fā)生分離、自旋、誘餌拋灑等動作時，常會引起目標姿態(tài)變化，又由于RCS隨目標姿態(tài)變化敏感。因此，RCS是進行特征事件考察的重要特征量。這里主要利用RCS的突變檢測對分離事件進行確認[9]。

3)目標高分辨一維像序列分析

目標寬帶一維像距離分辨率高，可以有效反映目標結構的徑向變化，對于各種分離事件具有很好的觀測能力[10]。一維距離像序列用于分離事件監(jiān)測的主要處理方法為:基于高分辨距離像的相關性與散布情況對特征事件進行監(jiān)測，給出目標數(shù)目的變化過程。

4)基于分離點信息的發(fā)射事件關聯(lián)

根據(jù)目標分離特性判斷，首先給出目標在分離點的時間、空間坐標等信息;其次，對屬于同一格子內(nèi)的所有目標分離特性進行關聯(lián)，包括時間、空間關聯(lián)，將關聯(lián)成功的目標判斷為屬于同一發(fā)射事件。

由于通過前三個階段獲得的目標分離特性其精度高，因此通過導彈分離事件進行目標發(fā)射事件管理的結果置信度最高;但由于雷達不可能全程工作在寬帶識別模式，導致無法準確獲取目標分離階段的寬帶數(shù)據(jù)。因此，該方法只能作為輔助手段。

3 試驗驗證

在靶場實彈打靶試驗中，通過單目標發(fā)射驗證了發(fā)射事件管理技術流程;通過不同發(fā)射點(大范圍、少目標)多目標發(fā)射驗證了關鍵技術;通過不同發(fā)射點(大范圍、多目標近距離、多枚齊射)進行近飽和攻擊試驗，完善了相關技術;通過寬帶雷達跟蹤、成像試驗，驗證了導彈分離事件算法。

4 結束語

本文通過對彈道目標發(fā)射過程管理需求研究的基礎上，分析了發(fā)射事件管理技術的應用流程和關鍵算法，并進行了工程實際開發(fā)應用，通過了實裝數(shù)據(jù)驗證。試驗結果表明:該技術能夠較為準確地對彈道目標進行關聯(lián)處理，經(jīng)過事后的數(shù)據(jù)回放分析，針對簡單場景下的目標發(fā)射事件關聯(lián)，其關聯(lián)成功率能達到98%;針對較為復雜的場景，其關聯(lián)成功率能達到90%;針對有干擾、近飽和攻擊場景，其關聯(lián)成功率能達到80%;從試驗結果可以明顯看出算法的有效性，但針對復雜場景，由于數(shù)據(jù)源本身難以得到穩(wěn)定的保障，因而影響了關聯(lián)結果。

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