多機有源無源協(xié)同探測及精度分析*

李其虎,王 穎,商開拴

(中國電子科學(xué)研究院, 北京 100041)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,單一空基平臺因自平臺的載荷資源能力有限以及所攜帶傳感器能力限制,提供的探測信息已不能滿足現(xiàn)代體系化作戰(zhàn)的需求。綜合利用多平臺獲取的多維度探測信息,通過機間數(shù)據(jù)鏈對不同空基平臺獲取的信息進行融合,是實現(xiàn)功能互補、效能倍增,提高協(xié)同作戰(zhàn)整體效能的重要途徑。目前研究較多的空基多平臺協(xié)同探測主要集中在基于多機的有源協(xié)同探測和無源協(xié)同偵察[1-3]。利用多機有源雷達協(xié)同組網(wǎng)方式進行有源探測,雖能夠擴大探測范圍,提高探測精度,但易被對方電子偵察設(shè)備和反輻射武器攻擊[4-6]。采用多機協(xié)同無源探測方式進行偵察,雖能夠獲得更遠的偵察距離,且不易被對方偵察截獲,但多機無源協(xié)同偵察精度難以滿足武器平臺對目標的火力打擊要求[7-9]。

文中綜合利用多機有源協(xié)同探測精度高,無源協(xié)同偵察距離遠和范圍廣優(yōu)勢,設(shè)計了多機有源無源協(xié)同工作流程,并對協(xié)同探測精度進行了仿真分析。理論仿真結(jié)果表明，文中所設(shè)計的多機有源無源協(xié)同探測方式不僅有探測精度高、作用距離遠優(yōu)點,同時具備良好隱蔽性。

1 協(xié)同工作流程

多機協(xié)同工作場景設(shè)定為由3架執(zhí)勤飛機共同組建成執(zhí)勤編隊,充分利用不同平臺在空間上能夠快速形成多變進攻或防御的特點來彌補單機在預(yù)警探測、突擊防御以及精確打擊等作戰(zhàn)能力的不足。編隊中每架飛機根據(jù)預(yù)先的作戰(zhàn)任務(wù)籌劃,在統(tǒng)一的作戰(zhàn)任務(wù)指揮下,進行協(xié)同偵察與探測,并將偵察探測結(jié)果通過戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈上報指揮中心,為武器平臺的火力打擊提供精確的情報支援。

圖1為多機協(xié)同工作的幾何示意圖。多機協(xié)同工作一般僅需3～4架飛機構(gòu)成空中編隊對預(yù)先規(guī)劃偵察區(qū)域?qū)崟r協(xié)同偵察探測。為不失一般性,文中按照3架飛機開展協(xié)同工作流程設(shè)計,其中一架飛機為中心站,其余作為副站。為便于描述,中心站由一架預(yù)警機擔(dān)任,兩架副站分別由一架戰(zhàn)斗機和一架干擾機擔(dān)任。首先3架飛機按照在預(yù)先任務(wù)規(guī)劃中設(shè)置的編隊參數(shù)和航線規(guī)劃對指定區(qū)域利用無源偵察的隱蔽性和探測距離遠等優(yōu)勢進行無源協(xié)同偵察,該階段偵察方式屬于常規(guī)偵察工作模式。當偵察截獲到目標信號后,利用3機時差定位方式對輻射源進行初步目標定位和參數(shù)測量,判斷目標平臺類型和威脅等級,并將分析結(jié)果上報指揮中心。當需要進一步確定對方精確坐標位置時,此時中心站將系統(tǒng)切換至跟蹤工作模式。由于當前目標位置已經(jīng)初步確定,編隊中帶有有源探測手段的空基平臺,利用已粗定位的目標位置牽引本機雷達對指定方向和指定區(qū)域開展短時猝發(fā)目標探測。由于該短時猝發(fā)探測時間短,脈沖數(shù)量少,因此該探測方式將不易被對方電子偵察設(shè)備截獲和目標位置鎖定。同時,根據(jù)戰(zhàn)場環(huán)境需要,另一架擔(dān)任副站的干擾機可通過無源偵察獲取的目標參數(shù)信息,選擇有效的電子干擾措施,隨隊支援己方編隊對目標進行火力打擊。最后由協(xié)同編隊對毀傷效果進行評估,并將評估結(jié)果上報指揮中心。圖2為多機協(xié)同工作時序圖。

圖1 多機協(xié)同工作幾何示意圖

圖2 多機協(xié)同工作時序圖

2 協(xié)同探測理論

2.1 時差定位

根據(jù)空基運動平臺的特點,綜合考慮定位算法受平臺站址誤差、參數(shù)測量精度等觀測平臺參數(shù)的影響,文中多平臺協(xié)同工作采用多機時差定位體制進行無源協(xié)同偵察。根據(jù)雙曲線理論,當已知兩個坐標的觀測平臺偵收到同一目標信號的時間差,可以推算出該目標輻射源是在以這兩個觀測平臺為焦點的雙曲線上。因此當利用3個已知坐標觀測平臺偵收到同一個輻射源信號的達到時間差可以確定兩組雙曲線,兩組雙曲線的交點必為輻射源目標坐標點。由于兩組雙曲線交點不唯一,存在模糊點,再利用觀測站的測向信息消除虛假定位點,即可確認輻射源的真實位置。

當輻射源相對于觀測平臺位置為遠場環(huán)境時,目標輻射源的高度遠小于目標輻射源與觀測平臺之間的距離,因此可以認為目標與偵察站在同一水平面。為簡化計算,不妨假設(shè)將坐標系選在中心站上,副站和目標均在同一個平面XOY內(nèi)。

設(shè)輻射源的坐標為(xT,yT),中心站的坐標為(x0,y0),副站的坐標分別為(x1,y1)和(x2,y2)。輻射源到中心站和副站的距離分別為r0、r1和r2,則可得到時差定位方程:

(1)

式中:Δti為不同觀測平臺截獲到輻射源信號的時間差值,改寫式(1)得:

(x-xi)x+(y-yi)y+(z-zi)z=ki+r0Δri

(2)

(3)

將式(2)改寫為矩陣方式:

AX=C

(4)

(5)

(6)

(7)

對式(2)求解可得輻射源的位置為:

X=(ATA)-1ATC

2.2 有源探測

有源探測對目標定位原理是通過向空間發(fā)射帶有一定特征波形的射頻信號,通過分析收到的發(fā)射波回波信號，計算目標相對于發(fā)射平臺的直線距離,再利用已知發(fā)射波形的發(fā)射角,對目標位置進行探測定位[10]。

為定量描述有源探測定位,假設(shè)發(fā)射波形的發(fā)射角度為α,通過對目標回波信號的解算得出目標相對發(fā)射平臺的距離為d,則易得出探測到的目標坐標位置(x,y)為:

(8)

由于有源探測信號的發(fā)射方向是由通過無源偵察的粗定位結(jié)果進行引導(dǎo),因此對目標的測向精度能力有限,但對探測回波信號處理,可以獲得良好的測距能力。

2.3 協(xié)同探測

文中所描述的多機協(xié)同有源無源協(xié)同探測方式是指多機無源時差定位體制結(jié)合短時方向性有源探測方式的綜合探測模式。為對所構(gòu)建的協(xié)同探測方式精度進行定量分析,假設(shè)輻射源的實際位置為ST=(x,y)。由于兩種偵察探測方式均相互獨立,不妨再設(shè)多機時差定位方式獲取的目標位置為S1,有源探測方式獲取的目標位置為S2,ΔS1和ΔS2分別為兩種方式的定位誤差,且相互獨立。同時為便于量化分析,假設(shè)兩種定位方式的定位誤差都服從零均值高斯分布,則有:

ΔS1=ST-S1

(9)

ΔS2=ST-S2

(10)

E{ΔS1}=0

(11)

E{ΔS2}=0

(12)

由概率統(tǒng)計學(xué)理論可知,兩個隨機變量的總體誤差大小可由這兩個變量的協(xié)方差表示。因此,此處采用協(xié)方差矩陣對不同偵察探測方式的定位性能進行定量分析。不失一般性,設(shè)C1為多機協(xié)同無源偵察方式協(xié)方差矩陣,C2為短時方向性有源探測方式協(xié)方差矩陣。C為兩種偵察探測方式協(xié)同協(xié)方差矩陣,則有:

(13)

(14)

(15)

綜上所述,采用多機有源無源協(xié)同探測方式獲取的目標定位誤差協(xié)方差矩陣可表述為:

(16)

3 實驗仿真與精度分析

為對文中所提出的多機有源無源協(xié)同探測性能進行定量分析,基于上述協(xié)同探測理論,分別對3機無源時差定位性能、短時方向性有源探測定位性能以及多機有源無源協(xié)同探測定位性能進行了仿真計算。按照文中所述的多機協(xié)同工作典型陣位構(gòu)型。兩座副站與中心站之間的相互夾角為90°,兩座副站與中心站之間的相互距離為40 km,時差測量精度為30 ns。采用三站時差定位獲得的目標定位距離誤差分布CEP曲線如圖3所示。

圖3 協(xié)同無源時差定位精度誤差CEP(km)

通過圖3所示的仿真曲線不難看出,按照上述的布站方式、時差測量精度條件,目標位置定位誤差值會隨著偵察距離變遠而逐漸變大。當目標距離大于400 km時,定位距離誤差精度已低于1%R。因此,僅依靠現(xiàn)有條件下無源時差定位精度,不能滿足系統(tǒng)對目標打擊需求。

為定量分析短時方向性有源探測定位誤差精度,設(shè)測向精度為0.8°,測距精度為50 m。有源干擾探測方式的誤差距離曲線如圖4,由于有源探測的本質(zhì)屬性,因此該方式下的目標定位誤差距離CEP曲線圖為圓。

圖4 短時方向性有源探測精度誤差CEP(km)

為對有源無源協(xié)同探測性能進行定量分析,在同一剖面下仿真分析多機協(xié)同探測相對單一工作模式距離誤差變化情況。多機協(xié)同無源偵察采用的時差定位布陣方式、時差測量精度、基線長度以及有源探測的測向精度和測距精度都與單一工作模式相同。圖5為根據(jù)協(xié)同探測理論仿真得到的協(xié)同探測的誤差距離曲線。圖5所示的理論仿真結(jié)果表明：采用多機時差定位聯(lián)合短時方向性有源探測方式對目標進行協(xié)同探測,可以大幅度提高對探測目標的定位精度,對于探測區(qū)域內(nèi)的多數(shù)范圍內(nèi)的目標位置誤差精度不超多0.025%R。且采用該方式對監(jiān)視區(qū)域范圍內(nèi)的目標進行協(xié)同探測時,目標位置精度不會隨目標距離的變遠而惡化。

圖5 協(xié)同探測精度誤差CEP(km)

綜合理論仿真結(jié)果表明,采用文中所述的多機有源無源協(xié)同偵察方式在探測距離和探測目標精度均優(yōu)于單一模式的偵察和探測方式。可以較好的滿足協(xié)同平臺對目標打擊時的位置精度需求。

4 結(jié)論

針對空基單平臺、單手段偵察與探測能力的不足,以未來戰(zhàn)場環(huán)境對空基平臺能力需求為牽引,以滿足未來體系化作戰(zhàn)的能力需求為導(dǎo)向,構(gòu)建了一種基于多機協(xié)同工作場景,對多機協(xié)同偵察、截獲、識別、探測、打擊和評估流程進行了詳細闡述。為定量分析多機協(xié)同探測方式的效能,對多機有源無源協(xié)同探測的理論進行數(shù)學(xué)建模,并對模型進行了理論仿真和精度分析。研究表明文中所述的多機有源無源協(xié)同探測方式不僅可以大幅度提高對目標位置的探測精度和探測距離,很好地滿足了武器平臺對目標位置精度的需求,而且具備良好的隱蔽性,為基于該工作模式的多機協(xié)同探測工程化應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。