航空集群協(xié)同反隱身構(gòu)型與機(jī)動(dòng)策略

張佳強(qiáng),梁曉龍,尹忠海,孫　強(qiáng)

(1.空軍工程大學(xué)空管領(lǐng)航學(xué)院,陜西 西安 710051;2.空軍工程大學(xué)理學(xué)院,陜西 西安 710051)

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航空集群協(xié)同反隱身構(gòu)型與機(jī)動(dòng)策略

張佳強(qiáng)1,梁曉龍1,尹忠海2,孫強(qiáng)2

(1.空軍工程大學(xué)空管領(lǐng)航學(xué)院,陜西 西安 710051;2.空軍工程大學(xué)理學(xué)院,陜西 西安 710051)

針對(duì)航空集群獨(dú)立反隱身的任務(wù)需求,提出使用集群任一成員機(jī)載雷達(dá)作為發(fā)射陣元,群內(nèi)其他成員機(jī)載雷達(dá)作為接收陣元,構(gòu)建多部雙基雷達(dá),利用雷達(dá)收、發(fā)分置帶來(lái)的空間分集優(yōu)勢(shì),在隱身目標(biāo)不同方位探測(cè)其散射的電磁波,形成反隱身能力。研究了接收節(jié)點(diǎn)在不同距離和方位配置時(shí)形成的反隱身探測(cè)空域;針對(duì)機(jī)載雷達(dá)掃描角限制造成的前向空間探測(cè)盲區(qū),提出了3種集群飛行器機(jī)動(dòng)策略。仿真結(jié)果表明,航空集群各節(jié)點(diǎn)均能夠形成一定的反隱身探測(cè)能力,不同集群構(gòu)型能夠適應(yīng)不同威脅等級(jí)的反隱身任務(wù)需求;發(fā)射節(jié)點(diǎn)通過S形機(jī)動(dòng)能夠達(dá)成良好的雷達(dá)補(bǔ)盲效果。

航空集群; 反隱身; 機(jī)載雙基雷達(dá); 空間分集

0　引　言

具有集群智能的多類飛行器組成的任務(wù)集群是未來(lái)空中戰(zhàn)場(chǎng)的主導(dǎo)力量[1-3],在可能面臨的缺乏信息支援的孤立環(huán)境中獨(dú)立作戰(zhàn)的能力是航空集群要解決的重要問題[4],其中隱身與反隱身的對(duì)抗將貫穿作戰(zhàn)行動(dòng)的始終。研究表明,反隱身可采用空間、頻率、極化、波形等多種技術(shù)途徑[5-8],本文從隱身飛機(jī)雷達(dá)波側(cè)向、前向散射大的空間分布特點(diǎn)出發(fā),基于雙基雷達(dá)空間分集思想,研究以有人/無(wú)人隱身飛機(jī)為節(jié)點(diǎn)的航空集群利用自身機(jī)載雷達(dá)協(xié)同反隱身的實(shí)現(xiàn)方法,提出使用航空集群任一成員作為發(fā)射陣元,群內(nèi)其他成員作為接收陣元,通過優(yōu)化布陣,形成對(duì)隱身飛機(jī)的有效探測(cè)。

目前,雙基/多基雷達(dá)反隱身研究多集中在地基、海基等雷達(dá)平臺(tái)之上[9-10],平臺(tái)位置相對(duì)固定,而機(jī)載雙基雷達(dá)則擁有更加機(jī)動(dòng)、敏捷的構(gòu)型產(chǎn)生與變換能力,能夠針對(duì)隱身目標(biāo)的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性的改變雙基雷達(dá)的空間部署,從而更加有利于雙基雷達(dá)性能的發(fā)揮。此外,前向配置并采用無(wú)源方式探測(cè)目標(biāo)的航空集群成員,能夠避免自身雷達(dá)開機(jī)帶來(lái)的暴露危險(xiǎn),實(shí)現(xiàn)先敵發(fā)現(xiàn)、隱蔽接敵,具有重要的戰(zhàn)術(shù)意義。

1　協(xié)同反隱身空域覆蓋模型

雙基雷達(dá)方程[11]為

(1)

記

則

(2)

式中,Rt為雷達(dá)發(fā)射機(jī)至目標(biāo)距離；Rr為雷達(dá)接收機(jī)至目標(biāo)距離；Bbistatic為雙基地雷達(dá)性能參數(shù)；σb為目標(biāo)的雙基雷達(dá)散射截面積。

Rt、Rr受到兩個(gè)幾何約束:

式中,Rb為雷達(dá)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離。

不考慮大氣對(duì)雷達(dá)波的衰減,當(dāng)雙基地雷達(dá)性能參數(shù)Bbistatic確定后,只要確定了Rb、σb,就能計(jì)算出雷達(dá)的探測(cè)空域,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行多部機(jī)載雙基雷達(dá)的空間部署構(gòu)型設(shè)計(jì)。

1.1σb的影響

雙基雷達(dá)散射截面積σb是收、發(fā)兩地姿態(tài)角的函數(shù)[12]:

(3)

當(dāng)σb為定值時(shí),具有全向收、發(fā)能力的雙基雷達(dá)探測(cè)邊界的幾何輪廓在任何含有發(fā)射-接收軸線的平面內(nèi)都是Cassini卵形線[13],如圖1所示。

圖1　雙基雷達(dá)(全向)對(duì)RCS為定值目標(biāo)的探測(cè)空間Fig.1　Detection space of bistatic radar (omni-directional)to the target with constant RCS

對(duì)于隱身目標(biāo),σb值在空間上的變化超過±20 dB[14],圖2(a)給出了一種隱身飛機(jī)模型在水平面內(nèi)的RCS仿真結(jié)果[15],圖2(b)為其4階多項(xiàng)式擬合曲線。可見,RCS在鼻錐方向有顯著縮減,對(duì)雙基雷達(dá)探測(cè)空間形狀有極大影響。

圖2　隱身飛機(jī)模型在機(jī)體水平面內(nèi)的RCS分布Fig.2　RCS distribution of stealth aircraft model in its horizontal plane

對(duì)抗條件下,作為雷達(dá)發(fā)射節(jié)點(diǎn)的隱身飛機(jī)自身會(huì)暴露于敵方的無(wú)源探測(cè)系統(tǒng)之下,通常敵隱身飛機(jī)會(huì)采取能最大限度發(fā)揮自身隱身性能的方式,即指向我集群中雷達(dá)處于開機(jī)狀態(tài)的飛機(jī)方向飛行以達(dá)成導(dǎo)彈發(fā)射條件。該假設(shè)條件下,我方航空集群中處于開機(jī)搜索狀態(tài)雷達(dá)的照射波可以近似為從目標(biāo)鼻錐方向入射,因而目標(biāo)的雙基雷達(dá)散射截面積σb的影響因子可以假設(shè)為αt=βt=0,僅需要知道目標(biāo)在0°入射波照射下的雙站RCS空間分布,就能夠計(jì)算出機(jī)載雙基雷達(dá)對(duì)隱身目標(biāo)的探測(cè)空間。

1.2Rb的影響

以機(jī)載雷達(dá)對(duì)隱身目標(biāo)迎頭探測(cè)距離rT作為距離基準(zhǔn),研究雷達(dá)收、發(fā)機(jī)之間距離變化對(duì)雙基雷達(dá)探測(cè)空域的影響。引用文獻(xiàn)[15]中給出的隱身目標(biāo)RCS空間分布,并考慮有人/無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)載雷達(dá)通常存在的最大掃描角限制ν≤νmax,仿真得到的機(jī)載雙基雷達(dá)探測(cè)空域分布如圖3所示。圖中給出了“1發(fā)5收”6個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的航空集群在收發(fā)分置模式下的機(jī)載雷達(dá)作用范圍,其中,發(fā)射節(jié)點(diǎn)為兼用收、發(fā)模式的全功能雷達(dá),位于坐標(biāo)原點(diǎn),5個(gè)處于接收狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)在發(fā)射節(jié)點(diǎn)前向[0,π]空間逆時(shí)針等距離、等角間距分布,且假設(shè)隱身目標(biāo)在發(fā)射節(jié)點(diǎn)前向[0,π]空間指向發(fā)射節(jié)點(diǎn)飛行。

仿真結(jié)果顯示,航空集群中位于不同方位的接收節(jié)點(diǎn)反隱身探測(cè)空間的大小和形狀顯著不同,主要源于隱身目標(biāo)雙站RCS在空間的分布極不均勻和存在雷達(dá)最大掃描角所致。越鄰近發(fā)射節(jié)點(diǎn)兩翼配置的接收節(jié)點(diǎn)探測(cè)空域越大,反之越接近發(fā)射節(jié)點(diǎn)正前方配置的接收節(jié)點(diǎn)探測(cè)距離越小,最小值位于發(fā)射節(jié)點(diǎn)正前方向,如圖3中3號(hào)節(jié)點(diǎn)(接收機(jī)3),且3號(hào)探測(cè)空域被2號(hào)和4號(hào)節(jié)點(diǎn)探測(cè)空域完全覆蓋,因此在集群反隱身構(gòu)型設(shè)計(jì)時(shí),發(fā)射節(jié)點(diǎn)正前方向通常不配置接收節(jié)點(diǎn)。此外,受發(fā)射節(jié)點(diǎn)雷達(dá)最大掃描角νmax約束,位于左右正側(cè)方的1號(hào)、5號(hào)節(jié)點(diǎn)損失了部分探測(cè)能力,即便如此,圖3(a)、圖3(b)表明,與其他節(jié)點(diǎn)相比,1號(hào)、5號(hào)節(jié)點(diǎn)仍然獲得了最大的探測(cè)空間。

圖3　集群機(jī)載雷達(dá)收發(fā)分置模式下對(duì)隱身目標(biāo)的探測(cè)空間Fig.3　Detection space of swarm bistatic airborne radars to stealth aircraft

比較圖3(a)～圖3(d),可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)Rb=1.0rT時(shí),發(fā)射節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)形成的探測(cè)空域有較多的重疊,該集群構(gòu)型適宜于高威脅空域情形;當(dāng)Rb增大到2.0rT時(shí),各節(jié)點(diǎn)形成的探測(cè)空域向外充分?jǐn)U展并緊密銜接,有利于遠(yuǎn)距離發(fā)現(xiàn)隱身目標(biāo)并防止其從各節(jié)點(diǎn)探測(cè)空域結(jié)合部進(jìn)入;而當(dāng)Rb向外進(jìn)一步擴(kuò)大到3.0rT時(shí),雖然各節(jié)點(diǎn)形成的探測(cè)空域明顯向外擴(kuò)展,但空域塊之間的結(jié)合部已出現(xiàn)明顯間隙,各節(jié)點(diǎn)之間缺乏交叉保護(hù)的能力,這種構(gòu)型僅可運(yùn)用于潛在威脅較小的情形;隨著Rb繼續(xù)擴(kuò)大,各節(jié)點(diǎn)探測(cè)空域開始萎縮,甚至失去雙基雷達(dá)探測(cè)能力(見圖3(d))。

1.3αbist的影響

除了收、發(fā)機(jī)之間距離外,直接決定雙基雷達(dá)探測(cè)范圍的是接收節(jié)點(diǎn)相對(duì)發(fā)射節(jié)點(diǎn)的方位角αbist,圖4給出了Rb=2.0rT時(shí)位于發(fā)射節(jié)點(diǎn)不同方位8個(gè)接收節(jié)點(diǎn)的探測(cè)空域分布,可見當(dāng)接收雷達(dá)節(jié)點(diǎn)配置在發(fā)射節(jié)點(diǎn)左右兩翼[0,(π-νmax)/2]、[(π+νmax)/2,π]時(shí),會(huì)在發(fā)射節(jié)點(diǎn)正面[(π-νmax)/2,(π+νmax)/2]空間形成較大的反隱身探測(cè)空域。而最優(yōu)方位的選擇,還需考慮機(jī)載導(dǎo)彈的性能和戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用層面的因素。

圖4　不同方位分布的接收節(jié)點(diǎn)探測(cè)空域Fig.4　Detection space of bistatic radar receivers in different direction

2　協(xié)同反隱身機(jī)動(dòng)策略

如圖3、圖4所示,基于機(jī)載雷達(dá)組成的雙基雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)隱身目標(biāo)在前向[0,π]空間內(nèi)存在兩個(gè)扇面角大小(π-νmax)/2的探測(cè)盲區(qū)。對(duì)此,航空集群內(nèi)各戰(zhàn)斗機(jī)可以通過自身機(jī)動(dòng),提高空域覆蓋度。以圖3(b)構(gòu)型(去除3號(hào)節(jié)點(diǎn))為對(duì)象,分析收、發(fā)節(jié)點(diǎn)的機(jī)動(dòng)策略。

2.1作為發(fā)射節(jié)點(diǎn)的飛機(jī)做S形機(jī)動(dòng)

當(dāng)發(fā)射節(jié)點(diǎn)(位于坐標(biāo)原點(diǎn))在集群基準(zhǔn)航向上做S形機(jī)動(dòng)時(shí),在最大偏航角(π-νmax)/2時(shí)形成的反隱身探測(cè)空域如圖5所示,可見,集群兩側(cè)的反隱身盲區(qū)可被有效覆蓋。

圖5　發(fā)射節(jié)點(diǎn)做S形機(jī)動(dòng)時(shí)的集群探測(cè)空域Fig.5　Detection space of bistatic airborne radar swarm when transmitter maneuvers along S type path

2.2作為接收節(jié)點(diǎn)的飛機(jī)做S形機(jī)動(dòng)

當(dāng)所有接收節(jié)點(diǎn)在集群基準(zhǔn)航向上同步做S形機(jī)動(dòng)時(shí),在各節(jié)點(diǎn)達(dá)到最大偏航角(π-νmax)/2時(shí)形成的反隱身探測(cè)空域如圖6所示。

圖6　接收節(jié)點(diǎn)做S形機(jī)動(dòng)時(shí)的集群探測(cè)空域Fig.6　Detection space of bistatic airborne radar swarm when all the receivers maneuver along S type path

2.3收、發(fā)節(jié)點(diǎn)飛機(jī)同步做S形機(jī)動(dòng)

當(dāng)航空集群內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)在集群基準(zhǔn)航向上同步做S形機(jī)動(dòng)時(shí),在最大偏航角(π-νmax)/2時(shí)形成的反隱身探測(cè)空域如圖7所示。

圖7　收、發(fā)節(jié)點(diǎn)飛機(jī)同步做S形機(jī)動(dòng)時(shí)的集群探測(cè)空域Fig.7　Detection space of bistatic airborne radar swarm when the transmitter and receivers maneuver together along the S type path

對(duì)比圖5～圖7可以看出,發(fā)射節(jié)點(diǎn)不做機(jī)動(dòng)而僅依靠接收節(jié)點(diǎn)機(jī)動(dòng)時(shí),探測(cè)空域的盲區(qū)問題無(wú)法得到解決;收、發(fā)節(jié)點(diǎn)飛機(jī)同時(shí)做S形機(jī)動(dòng)時(shí)的探測(cè)空域略小于僅有發(fā)射節(jié)點(diǎn)機(jī)動(dòng)時(shí)的探測(cè)空域,且各節(jié)點(diǎn)探測(cè)空域結(jié)合部未形成閉合,增大了漏警風(fēng)險(xiǎn)。因此,作為發(fā)射節(jié)點(diǎn)的飛機(jī)做S形機(jī)動(dòng),其他作為接收節(jié)點(diǎn)的飛機(jī)按既定航線飛行,是3種機(jī)動(dòng)反隱身策略中的最佳策略。

3　結(jié)　論

本文從隱身目標(biāo)RCS的空間差異分布入手,研究了利用集群內(nèi)多節(jié)點(diǎn)機(jī)載雷達(dá)收、發(fā)分置所形成的空間探測(cè)優(yōu)勢(shì),在保證群內(nèi)多數(shù)節(jié)點(diǎn)保持雷達(dá)靜默的條件下,擴(kuò)大了單機(jī)對(duì)隱身目標(biāo)的探測(cè)空域,實(shí)現(xiàn)整個(gè)集群在前向空間對(duì)隱身目標(biāo)的探測(cè)覆蓋,主要結(jié)論包括:

(1)機(jī)載雷達(dá)構(gòu)成的雙基雷達(dá)系統(tǒng),處于“只收不發(fā)”模式的各接收節(jié)點(diǎn)均能夠形成一定的反隱身探測(cè)能力,接收節(jié)點(diǎn)方位越靠近發(fā)射節(jié)點(diǎn)正側(cè)方,探測(cè)空域越大,反之越靠近發(fā)射節(jié)點(diǎn)正前方,探測(cè)空域越小;

(2)收、發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的基線距離為2倍單基雷達(dá)對(duì)隱身目標(biāo)的迎頭探測(cè)距離時(shí),集群形成較好的反隱身空域覆蓋能力。基線距離越小,空域的覆蓋重疊度越高;基線距離越大,空域覆蓋重疊度越低,連續(xù)性越差;

(3)為彌補(bǔ)機(jī)載雷達(dá)掃描角限制所造成的前向探測(cè)盲區(qū),提出了3種S形機(jī)動(dòng)策略,其中發(fā)射節(jié)點(diǎn)機(jī)動(dòng)策略具有更好的補(bǔ)盲效果。

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梁曉龍(1981-),通信作者,男,副教授,博士,主要研究方向?yàn)楹娇占褐笓]與控制、智能系統(tǒng)、空管自動(dòng)化。

E-mail:xiaolong.liang@hotmail.com

尹忠海(1964-),男,教授,博士,主要研究方向?yàn)榧和ㄓ崱⒕W(wǎng)絡(luò)通訊。

E-mail:zhonghai2005@163.com

孫強(qiáng)(1970-),男,副教授,博士,主要研究方向?yàn)榧褐悄芘c智能計(jì)算。

E-mail:s126email@126.com

Design of aircraft swarm cooperating anti-stealth configuration and maneuver strategy

ZHANG Jia-qiang1,LIANG Xiao-long1,YIN Zhong-hai2,Sun Qiang2

(1.Air Traffic Control and Navigation College,Air Force Engineering University,Xi’an 710051,China; 2.Science College,Air Force Engineering University,Xi’an 710051,China)

To meet the demand of aircraft swarm autonomously anti-stealth,a bistatic airborne radar system concept is proposed,where the airborne radar of any member in the aircraft swarm can be designed as bistatic radar transmitter while the others are designed as the radar receivers.Benefiting from the space diversity design,the swarm members can detect the scattered radar electromagnetic energy from different directions of the stealth target and find out the stealth aircraft.Based on this concept,this paper calculates the anti-stealth airspace range of the bistatic airborne radar system when the radar receivers are placed at different distance and different direction.To eliminate the blind area caused by the radar scanning angle in the swarm forward detecting airspace,three basic types of maneuver strategies of the swarm aircrafts are put forward.The simulation results indicate that,all the radar nodes in aircraft swarm can possess the anti-stealth ability but of various detecting area size and shapes,and different swarm configuration suits different anti-stealth needs in different threat level airspace.The strategy that keeps the radar transmitter node flying in S-type way can fill the swarm detecting gaps.

aircraft swarm; anti-stealth; bistatic airborne radar; space diversity

2015-08-31；

2016-06-03；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2016-07-14。

國(guó)家自然科學(xué)基金(61472442，61472443)；陜西省自然科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2013JQ8042)資助課題

V 488.2

ADOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2016.11.11

張佳強(qiáng)(1984-),男,講師,博士,主要研究方向?yàn)楹娇占豪碚撆c技術(shù)、智能空中交通管理。

E-mail:jiaqiang-z@163.com

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20160714.1253.006.html