臨空高速目標協同探測跟蹤需求分析

付 強，王 剛，郭相科，劉昌云，張小寬

（空軍工程大學防空反導學院，陜西西安710051）

臨空高速目標協同探測跟蹤需求分析

付 強，王 剛，郭相科，劉昌云，張小寬

（空軍工程大學防空反導學院，陜西西安710051）

臨空高速目標具有高空、高速、機動能力強、雷達散射截面積小等特性，僅靠單一探測手段難以發現和穩定跟蹤。在分析臨空高速目標的運動、電磁及紅外特性的基礎上，探討了目前雷達、紅外平臺探測跟蹤能力的不足，提出了多平臺協同探測跟蹤臨空高速目標平臺與載荷需求、多平臺協同工作流程。最后，初步仿真驗證了天基多平臺的協同探測能力需求。研究可為反臨空高速目標的探測跟蹤系統發展提供理論和技術支持。

臨空高速目標；多平臺協同；探測跟蹤；需求分析

0 引 言

臨空高速目標具有飛行高度高、速度快、機動性強、無固定軌跡的特點，導致傳感器信號檢測困難［1-2］，僅靠單一探測平臺難以捕獲及穩定跟蹤目標。因此綜合利用各種空、天、地基探測傳感器獲得的各類觀測信息，如天基紅外信息、可見光學圖像信息、地基的雷達探測信息等，通過各類傳感器之間的協同互補，將是針對該類目標探測跟蹤的有效途徑。

目前國內外對動目標檢測跟蹤、多傳感器協同等方面的研究較多，文獻［3- 4］研究了基于天基雷達背景下對目標跟蹤的研究，文獻［5- 7］提出了多傳感器基于協同作戰能力的3種航跡合成方法（數據融合、互補跟蹤及接力跟蹤）。針對臨空高速目標探測跟蹤領域的研究尚處于探索階段，對臨空高速目標的探測跟蹤比普通動目標復雜，傳感器協同也要求更高，但針對動目標的跟蹤平臺交接和航跡合成等方法可以結合對臨空高速目標的研究，推廣應用到臨空高速目標跟蹤問題。本文在研究臨空高速目標運動、電磁散射及紅外輻射特性的基礎上，探討了目標特性對傳感器探測發現、穩定跟蹤、大空域連續跟蹤等帶來的影響。進而分析目前探測跟蹤平臺應對臨空高速目標能力的不足，提出了多平臺協同探測跟蹤平臺和載荷需求，對探測跟蹤臨空高速目標的多傳感器協同工作流程進行研究，最后仿真驗證了天基平臺協同的可探測性。

1 臨空高速目標特性分析

1.1 運動特性分析

臨空高速目標主要依靠各類發動機提供動力，在進入臨近空間后，與彈道導彈的運動特性不同，臨空高速目標具有很強的變軌能力。它能夠在很短的時間內完成加速，在巡航段開始幾百秒的時間內速度馬赫數就可達6～7，甚至達到20。高超聲速特性使目標在相干積累時間內跨越多個距離單元，產生距離走動效應，造成檢測困難。

典型臨空高速目標的運動軌跡以X-51A為例，可以簡化為3個階段：助推段、巡航段和攻擊段，其中，巡航段又包括爬升段、平飛加速段和等速巡航段，飛行過程如圖1所示。

圖1 X-51A的飛行過程

X-51A從在B-52上起飛開始，跨層至臨近空間巡航，再到目標上空重返對流層對目標實施打擊，其飛行高度跨過對流層和臨近空間，飛行過程分別采用了飛航式、跳躍式和彈道式。

1.2 電磁特性分析

臨空高速目標電磁特性機制復雜，甚至一些散射機制從機理上尚未探索清楚。因此，對其電磁特性的研究是一個長期的過程。

臨空高速目標的電磁特性由飛行器結構特性以及飛行器本體、周圍流場、尾跡流場的電磁特性所決定。由于臨空高速目標結構特性導致其本身雷達散射截面積（radar cross section，RCS）就很小，無論是水平極化還是垂直極化，其RCS大小差別不大，通常在0．01 m2左右［8］，在迎擊和尾追方向，RCS更小。另一方面，其飛行空域大部分時間在20～100 km之間，進入大氣層后，由于強烈的激波壓縮和粘性摩擦作用，飛行器周圍的溫度迅速升高［9］。高溫使空氣發生電離，也使防熱材料被燒蝕，這樣在飛行器周圍形成十分復雜的電離層，該電離層即等離子體鞘套。

由于等離子鞘套的作用，在不同電磁波長的情況下，當雷達波照射到臨空高速目標時，會形成多種折射、電磁特性衰減或激增等模式。比如在目標沖壓發動機工作，速度大幅提升時，目標電磁特性衰減。當發動機關閉，在滑翔階段中，其電磁特性激增［10］。同時，臨空高速目標尾部將形成等離子體尾流，尾流對雷達波造成強烈的散射，形成雷達目標特性衰減現象。

1.3 紅外特性分析

臨空高速目標在大氣層中飛行，決定了本體的紅外特性主要是灰體輻射。其次是高溫等離子體尾跡的紅外特性［11］。在極高超聲速條件，飛行器本體被加熱、燒蝕，并有大量的燒蝕產物注入到等離子體流場中。流場的紅外特性主要與本體防熱材料的燒蝕模式、燒蝕狀態和燒蝕產物有關，在本體周圍形成非線性、非灰體的強烈紅外輻射。而等離子流場的輻射特性比較復雜，這是由于飛行高度、速度、姿態及相應的大氣物理環境不同，導致臨空高速目標等離子體包覆流場各點的氣體溫度、組份、熱力學狀態也不同，使得光譜分布較平衡態有很大偏離，與灰體輻射差別較大［12］。

臨空高速目標在穩定平飛階段，峰值波長處于短波，由于其飛行高度在20～100 km，導致地面、空中的強背景噪聲容易將信號淹沒。當臨空高速目標處于機動、連續滑翔／跳躍階段時，峰值波長不斷發生變化，面臨強變回波噪聲影響，輻射強度較弱。同時紅外頻譜隨著不同的運動階段發生變化。

2 探測跟蹤臨空高速目標能力分析

2.1 雷達探測能力分析

雷達探測跟蹤臨空高速目標受兩個方面的影響。一方面由于地球曲率避擋帶來的低仰角探測，使得地基雷達對低空飛行的目標存在視線盲區，從而使得預警能力下降。另一方面，目標的高速、機動也大大降低預警雷達系統和制導雷達系統的檢測概率、跟蹤距離和精度。

2．1．1 地基雷達基本探測能力分析

地基雷達探測面臨的首要問題是地球曲率的影響。目前遠程導彈預警雷達為了提高對彈道目標的探測跟蹤距離，常采用封邊、封海的方式［11］，即盡可能沿地平線設置截獲屏，按照一定的截獲概率設置方位和截獲屏的厚度，確保對彈道類目標穿越截獲屏時進行可靠截獲；但對于20～100 km高度平飛穿屏、且可以進行水平機動的臨近空間目標而言，截獲屏模式在探測概率、預警時間以及雷達資源利用率急劇下降。地基雷達對彈道目標、臨空目標探測能力，如圖2所示。

圖2 地基雷達對彈道目標、臨空目標探測能力

通過文獻［12］中引導條件下雷達搜索空域計算方法，結合臨空高速目標在平飛穿屏時的飛行速度及高度，并假設在有效攔截窗口內攔截目標要求所需要的預警時間為400 s左右。若在攔截窗口內攔截目標，所需的預警距離如圖3所示。

圖3 所需預警距離與攔截窗口的關系

2．1．2 雷達探測跟蹤信號檢測能力分析

為提高雷達目標的檢測概率，最直接的方法是增大發射機的平均功率；同時為了兼顧距離分辨率，需要信號有較大的帶寬。因此，雷達多采用線性調頻（linear frequency modulation，LFM）的信號體制，并對回波進行匹配濾波，提高距離分辨率和信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）［13］。但是僅通過對LFM信號進行脈沖壓縮所提高的SNR是不夠的，為進一步提高回波SNR，提高目標檢測概率，通常對回波進行相干積累或非相干積累處理。脈沖積累通過犧牲時間來換取目標回波能量，可顯著提高SNR。

對于臨近空間目標，其特點為目標RCS弱小，且運動速度極快，回波積累數量就會減少，這就給脈沖積累處理帶來困難。傳統的相干積累要求目標在積累時間內的運動距離不超過半個距離單元。若采用LFM脈沖壓縮的雷達信號處理體制，其距離單元可以小到只有幾米，在相干積累時間內，目標可能跨過六七個距離單元，產生距離走動，導致傳統的相干積累失效，使得數據率和檢測率更低。

假設已實現時頻對齊，LFM脈沖信號模型描述［14］為

式中，NS為采樣點數；NP為脈沖數；幅度因子Ak＝A ejφk，模A為脈沖幅度，φk為無用參數，不估計；εk為復高斯噪聲；f0、φ0和K分別為相位調制的載頻、初相和調制斜率；TS為采樣間隔。在相同采樣間隔內，速度增加，導致采樣點數減少，從而使脈沖信號減弱。

若I為定位信號n在k時刻發射的信號強度，L為信號傳播衰減，則Sn（k）＝I－L為接收到的信號強度，設Tn為第n種定位信號的檢測閾值，檢測概率為

仿真結果如圖4所示。重復頻率為1 000 Hz，脈沖寬度為1×10－6s，c為光速，距離分辨率為10－6×c／2 m，目標速度為6 800 m／s，方位角覆蓋范圍30°，天線掃描時間0．9 s。NP增加時會使檢測概率增加，但目標距離的增大使檢測概率顯著減小。當目標距離超過50 km，NP＝1時，檢測概率顯著下降。NP＝50在150 km內檢測概率顯著優于NP＝10。當目標距離過大時，NP增加效果不明顯。

“小廣告是城市‘牛皮癬’，條例對戶外廣告尤其是垃圾廣告進行了嚴格規范，但在城市的小街小巷、樓宇樓道，辦證、刻章、貸款等小廣告還屢見不鮮。請問城管部門將采取哪些措施遏制這類問題？”王立軍委員發問。市城市管理執法局局長孫九鵬坦言，整治城市“牛皮癬”是一項長期而艱巨的工作，稍有松懈就會反彈?！跋乱徊?，我們將繼續保持高壓態勢，完善整治工作各項運行機制和規章制度，更加注重部門協作配合，疏堵結合清除管理盲區，堅決做好小廣告清理整治工作。”

圖4 不同積累脈沖數俯仰機動的檢測概率

圖5 為不同速度的目標檢測概率曲線。從圖5中可以看出，速度越大，檢測概率相對有所降低，其實質是因為當積累脈沖數不變時，目標速度增加導致飛行的距離越過檢測距離，從而產生了距離走動。由于目標速度過大，特別是馬赫數為20時，產生非常明顯的距離走動，檢測概率不穩定，導致曲線抖動。馬赫數為6和馬赫數為12的曲線差別不明顯，由于速度均沒有超過檢測波門的閾值（馬赫數為20時明顯超過閾值），對檢測概率而言差別不大，但也產生距離走動，曲線較為不穩定。

圖5 不同速度的目標檢測概率

2.2 紅外探測能力分析

影響紅外探測能力的主要因素是目標的紅外強度和譜段。臨空高速目標在助推段時，由于傳感器的物理特性和部署地域的限制，使得地基和空基傳感器的性能有限，為了能在助推段探測到臨空高速目標，主要通過天基紅外傳感器來完成。臨空高速目標在巡航段飛行時，氣動加熱導致臨空高速目標表面溫度較高，可達到2 000 K左右。對于有動力飛行器，主要采用超燃沖壓發動機或組合發動機作為動力，發動機尾焰溫度將達幾百至上千度。據此分析，此階段臨空高速目標的紅外輻射強度相對有利于實現紅外探測。

以X-51A為例。根據分析預測紅外特性可得高超聲速巡航導彈X-51 A的輻射信息如表1所示［15］。

表1 X-51A紅外輻射信息

文獻［16］研究了在不同紅外強度下紅外探測距離的推算方法，本文在此基礎上結合傳感器探測靈敏度。得出在不同檢測靈敏度、不同紅外輻射強度下，紅外傳感器探測能力分析如圖6所示。

圖6 紅外探測距離 檢測靈敏度 輻射強度的關系

以典型地球同步軌道的高軌天基導彈預警衛星為例［17］，在理想情況下，根據X-51 A的粗略紅外輻射強度值，并根據天基導彈預警衛星的基本性能，可分析得出天基導彈預警衛星對X-51 A的探測跟蹤能力，如表2所示。

表2 天基導彈預警衛星對X-51A探測跟蹤能力

根據分析，目前發展中的天基預警衛星針對X-51A等目標，理論上具備一定的探測能力，但在跟蹤能力上較弱。

3 多平臺協同探測跟蹤需求及體系

通過上述分析，由于臨空高速目標具有大空域、高速、機動能力強、RCS弱等特點，在不同的運動階段具有不同的頻譜特性，單一探測跟蹤系統無法提供臨空高速目標的全程、多維信息。因此通過以天基，空基、地基多平臺，構建天地一體化的信息網，綜合利用空天地多平臺多譜段的優勢，實現對臨空高速目標的快速分析與捕獲、穩定跟蹤和準確識別。其中天基系統負責全球區域大范圍的早期預警跟蹤，空基、地基主要負責目標的穩定跟蹤和識別。天基、空基和地基探測預警系統密切協同，形成一個有機的臨空高速目標探測跟蹤信息網。

3.1 探測的平臺及載荷需求

3．1．1 雷達探測跟蹤平臺及載荷需求

針對臨空高速目標，傳統的地基探測跟蹤平臺采用封海、封邊的搜索屏探測方式，其有效探測時間短，無法滿足預警的時間需求，并且由于遠程預警雷達的陣面朝向境外，不具備對內陸上空飛行的臨空高速目標的探測跟蹤能力。由于地球曲率的影響，地基平臺的探測概率、預警時間以及雷達資源利用率急劇下降。因而，從提高預警時間考慮，應發展空／天基的雷達探測跟蹤平臺（由于其不受地球曲率限制。針對馬赫數為5，60 km高度的典型臨空高速飛行器，8 km高度跟蹤平臺探測距離最遠為1 450 km，相對地基雷達可提高預警時間4 min），實現對臨空高速目標的盡早預警；從臨空高速目標的全程監視、跟蹤方面考慮，應發展新型地基跟蹤雷達并拓展其能力，實現臨空高速目標的穩定精確跟蹤。

3．1．2 紅外探測跟蹤平臺及載荷需求

傳統的天基預警裝備是針對彈道導彈目標探測設計的，其載荷探測波段、傳感器的工作模式、檢測算法難以滿足對臨空高速目標探測跟蹤的需要。為滿足對臨空高速目標的盡早發現和全程覆蓋，需要覆蓋面積大的高軌衛星實現全球的監視和探測，并補充發展可以覆蓋主要威脅方向的跟蹤精度高、分辨率高的中低軌衛星星座。需要針對臨空高速目標的輻射特性、傳感器輻射的波段，發展相對應波段的天基紅外／可見光載荷。同時，針對相對應波段傳感器的大氣吸收特性較差，地面背景噪聲大的特點，需解決強變化背景噪聲處理技術，去除復雜的背景噪聲。

3.2 協同探測跟蹤體系結構

為實現空天地多平臺傳感器的協同觀測，必須解決天基（高軌、低軌）、空基和地基平臺間的管理、規劃、調度、協同與共享機制，把空天地不同傳感器資源組成的協同探測跟蹤系統，看成是一個資源虛擬化的智能傳感器系統，實現對臨空高速目標探測事件的智能感知、協同檢測、協同信息處理及多傳感器系統的最優探測，其工作過程如圖7所示。

圖7 傳感器協同工作流程

為實現對臨空高速目標穩定跟蹤和準確識別，必須使具有不同能力的多傳感器系統協同工作，這種協同包括了不同波段／頻段、不同軌道／平臺、不同視場／視角的空天地多傳感器，通過實時目標感知，實現不同傳感器的協同工作。為了保障探測跟蹤的連續性以及相鄰傳感器的交接，協同引導就顯得特別重要。

通過充分合理地利用空天地探測跟蹤資源，可滿足大范圍、長期監測與快速響應等臨空高速目標探測跟蹤需求，為多平臺協同探測跟蹤提供依據。

4 天基多平臺協同探測仿真分析

本文初步對天基多平臺協同探測進行仿真。場景設為5顆地球靜止軌道衛星（攜帶紅外短波和中波載荷），一個軌道面上有6顆均勻分布的低軌衛星，各有一個掃描相機和凝視相機，衛星軌道高度1 600 km，與地面傾角90°，偏心率0°，升交點赤經190°。掃描型相機紅外參數：測量誤差σLOS為50μrad，探測速率1 s，視場大小20°×10°，目標容量100。凝視型相機紅外參數：測量誤差σLOS為10μrad，探測速率30 ms，視場大小0．1°×0．1°，目標容量2。在該方案的假設環境下，通過仿真分析系統對其連續探測的時間和空間性能如圖8～圖11所示。

（1）系統的靜態覆蓋能力分析

靜態覆蓋效果如圖8所示，從圖8可以看到，由于高軌衛星的存在，全球大部分區域已經實現4重覆蓋，絕大部分區域滿足2重覆蓋，可以滿足臨空高速目標預警的能力要求。

圖8 靜態覆蓋效果

（2）系統動態覆蓋能力初步分析

覆蓋百分比報告如圖9所示，從圖9可以看到，在整場景運行周期內，對全球的覆蓋范圍超過98%，累積覆蓋范圍接近100%，基本滿足全球監視預警的需要。

圖9 覆蓋百分比報告

時間滿足報告如圖10所示，從圖10可以看到，在整個場景運行周期內，系統每一時刻對整個覆蓋區域中滿足兩顆星同時看到的柵格相對于整個覆蓋區域的百分率超過97．5%。為后續與地基平臺協同跟蹤提供了支撐。

圖10 時間滿足報告

從圖11可以看到，系統可以在X-51 A的全部飛行時間區域內實現探測跟蹤，滿足對覆蓋區域內臨空高速目標探測跟蹤的需要。

圖11 X-51A的探測起止時間

5 結束語

本文首先分析了臨空高速目標的運動、電磁、紅外特性，根據其目標特性分析了目前雷達及紅外傳感器應對這類目標探測跟蹤能力的不足，進而提出多平臺協同探測跟蹤平臺與載荷需求，給出了協同探測跟蹤工作過程，初步仿真驗證天基平臺協同的可行性。為下一步反臨空高速目標多平臺協同探測跟蹤系統發展提供支持。

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Requirements analysis on collaborative detection and tracking of near space high-speed targets

FU Qiang，WANG Gang，GUO Xiang-ke，LIU Chang-yun，ZHANG Xiao-kuan
（School of Air And Missile Defense，Air force Engineering University，Xi’an 710051，China）

Near space high-speed targets with features such as high altitude，high speed，motor ability，radar cross section weak．It is difficult to detect and capture the target only by means of a single or limited detection．By studying on motion，electromagnetic and infrared features of near space high-speed targets，the detection and tracking ability of radar，infrared detection ability is discussed and lack of platform．The multi-platform collaborative detection tracking platform and load requirements，multi-platform collaborative workflow are proposed．Preliminary simulation verifies the cooperative detection capability of space based multi platform．Research can be used as anti near space high-speed targets tracking system development to provide theoretical and technical support．

near space high-speed target；multi-platform cooperative；detection and tracking；requirements analysis

TP391

A

10．3969／j．issn．1001-506X．2015．04．06

付 強（1988-），男，博士研究生，主要研究方向為智能信息處理、多傳感器融合。E-mail：fuqiang_66688＠163．com

王 剛（1975-），男，教授，博士，主要研究方向為防空反導指控技術、智能任務規劃。E-mail：iamwg＠sina．com

郭相科（1980-），男，碩士，主要研究方向為機動目標跟蹤、多傳感器協同跟蹤。E-mail：guoxk123＠163．com

劉昌云（1978 ），男，博士，主要研究方向為雷達組網、弱小目標跟蹤。E-mail：changyunl＠163．com

張小寬（1981-），男，博士，主要研究方向為電磁場與微波技術、雷達組網。E-mail：zxkuang＠163．com

1001-506X（2015）04-0757-06

2014- 05- 22；

2014- 11- 14；網絡優先出版日期：2014- 12- 12。

網絡優先出版地址：http：／／w ww．cnki．net／kcms／detail／11．2422．TN．20141212．0850．003．html

國家自然科學基金（61102109，61272011）資助課題