基于仿真的艦載預警探測雷達使用性能分析研究

呂 可，趙嚴冰

(中國人民解放軍91336部隊,河北 秦皇島 066326)

0 引言

艦載預警探測雷達是一種重要的警戒裝備，主要用于發現和監視海面、空中目標，完成對海面、空中目標的搜索及多目標跟蹤，向艦作戰、指揮系統發送目標的跟蹤數據、航跡，為導彈制導雷達和炮瞄雷達提供目標指示等。[1-3]

當前國內針對預警探測雷達裝備能力的外場試驗是對照研制總要求，以對具體性能指標的測試為主，而對雷達在復雜地理、復雜氣象、極限邊界、高強度對抗等復雜環境和特殊條件下的作戰能力的試驗，受到實際條件的限制，測試樣本量較為有限。[4-5]為了摸清裝備性能底數和效能變化規律，研究在復雜特殊戰場環境下裝備作戰運用方法和應對策略，我們可以采用計算機建模的方式，最大限度地構造貼近實戰的環境，綜合應用仿真評估等手段方法，開展艦載預警探測雷達作戰能力的分析研究，為各級指戰員合理組織運用裝備、正確使用裝備提供有力支撐。

1 基于仿真的雷達能力測試

利用仿真方法進行預警探測雷達作戰能力測試，首先基于機理和數據結合的手段建立系統仿真模型，開展數字或半實物仿真，獲得大量的仿真數據，并利用仿真試驗結果，對要開展的外場試驗方案進行輔助設計，對雷達外場試驗結果進行預測；然后利用外場試驗數據、實物測試數據等參考數據對模型進行修正，提升仿真測試數據的準確度；再次利用仿真方法進行邊界和極限能力的評估[6]。仿真試驗及外場試驗結果共同作為全面評價預警探測雷達作戰能力的依據。具體實施流程如下。

圖1 預警探測雷達性能綜合試驗方法

2 仿真試驗重點考核項目及具體內涵

利用仿真方法進行預警探測雷達作戰能力試驗，核心是能夠充分檢驗裝備邊界極限條件下的能力及作戰效能。因此需要構建科學全面并貼近實戰的戰場環境，包括各種目標、干擾及雜波環境等。隨著世界信息技術和軍事理論的發展，艦載預警探測雷達也面臨如隱身目標、彈道導彈、無人機群、高速高機動作戰平臺及各類有、無源干擾等眾多新型威脅。針對這些挑戰，立足于艦載預警探測雷達的使命任務，考慮外場開展雷達試驗條件的局限性，基于仿真的雷達作戰能力試驗應重點開展復雜環境下對空中目標的發現及跟蹤能力、雷達邊界極限探測能力等項目的考核。各考核項目的具體內涵如下。

2.1 對空中目標的發現及跟蹤能力

空中目標包括各類作戰飛機、隱身飛機及反艦導彈等，是敵奪取空中優勢、壓制防空、實施全天候精確打擊的主要裝備，也是預警探測雷達最主要的探測目標。[7-11]在利用外場試驗結果對仿真試驗系統進行一致性校對和確認后，可開展的內容包括3個方面。

圖2 對空中目標發現及跟蹤能力仿真試驗開展項目

2.1.1 對外場試驗結果的預測及外推

通過改變目標高度、目標反射截面積、目標數量和速度等因素，將對中高空目標的預警探測能力試驗進行拓展。具體試驗因素有：

2.1.2 對典型作戰對象的探測能力

典型的作戰對象如F-16C/D 戰隼戰斗機、F-22A“猛禽”戰斗機、F-35“閃電2”聯合打擊戰斗機等隱身飛機，“魚叉”、“雄風-II”、“雄風-III”等反艦導彈，在對其目標特性進行建模仿真計算后，結合速度、升限、巡航高度等指標設置場景態勢，考察典型作戰對象在遂行典型戰術動作時雷達對其發現及跟蹤距離、最小作用距離、跟蹤精度、反應時間等參數。

2.1.3 干擾條件下的對抗能力

重點試驗對EA-18G電子戰飛機的對抗能力。EA-18G電子戰飛機是目前美軍新型主流電子戰飛機，它是在F/A-18F艦載多功能戰斗機的基礎上改進研制而成，裝載了先進的電子干擾設備，可掛載高速反輻射導彈，可通過對敵實施防區外電子干擾掩護攻擊飛機，保護水面艦艇、航母及地面部隊免遭導彈攻擊，具有防區外遠距支援、隨隊支援、時敏打擊支持以及全頻譜監視功能，還能與其他戰機進行高低空聯合作戰，共同打擊敵方目標。其干擾方式有遠距離支援干擾和隨隊干擾，干擾樣式主要是壓制式噪聲干擾[12]。

表1 對外場試驗結果外推的試驗因素

仿真試驗可根據該型飛機的高度、速度等性能參數和典型的電子攻擊作戰使用方式規劃作戰場景，設定干擾樣式、干擾參數等干擾環境，開展對典型空中平臺的自衛距離試驗、抗遠距離支援干擾能力試驗。

2.2 雷達邊界極限探測能力

現代艦載雷達所面臨的攻擊目標具有高速、大機動、隱身、超低空、集群的特點，同時敵我之間的對抗手段不斷豐富，呈現出多維一體作戰行動特點。由于外場試驗典型的小子樣特性和不可復制性，對大掃描角、遠界、高界等邊界條件和多目標環境(集群)、低空突防、高速、高機動目標、隱身目標的極限能力的性能考核缺失。[13-17]為了摸清裝備“底數”，可采用仿真試驗的手段，從邊界探測范圍和極限目標跟蹤能力兩個方面來考核。

2.2.1 雷達探測范圍

雷達探測范圍的意義涵蓋距離-高度探測范圍、仰角覆蓋范圍和方位覆蓋范圍。重點研究雷達探測范圍的高界、低界、遠界、近界以及相互組合，如探測范圍高界與遠界的交界域、低界與近界的交界點等。影響雷達探測范圍的因素包括目標類型、發現概率、雷達視距、環境條件、對抗條件等。

表2 雷達探測范圍的試驗因素

2.2.2 目標跟蹤能力

雷達在對目標的跟蹤過程中，若要形成穩定的航跡，需要在數據處理時根據當前目標位置和運動參數，預測下一個時刻的目標位置，進行航跡外推和關聯，從進入相關波門的多個點跡中選取正確的點跡來更新目標的航跡。因此，對于高速和高機動目標，由于其運動方向和速度多變，給雷達進行正常的航跡外推和匹配關聯帶來困難，容易造成目標丟失，跟蹤不穩定[18]。影響雷達對目標跟蹤的極限條件有目標機動航路、機動速度、機動加速度、環境條件等。

表3 目標跟蹤能力的試驗因素

3 仿真試驗結果評估

目前，預警探測雷達在外場的試驗，以性能試驗為主，圍繞研制總要求開展單指標測試，試驗結果通常是對最大作用距離、跟蹤精度、分辨力等單指標進行評價，判斷其是否符合相關要求。利用計算機建模與仿真技術開展的大樣本、遍歷條件、復雜邊界條件測試，能夠充分研究各個因素對雷達性能的影響規律，暴露雷達裝備問題，迭代優化抗干擾算法和措施，進而實現對被試雷達裝備使用性能的一體化評估與分析。

根據具體的試驗需求，通過仿真方式可開展的規律性研究很多。結合前面討論的仿真試驗的重點考核項目及具體內涵，對其結果的評估分為雷達的探測性能、跟蹤性能和抗干擾性能3個方面。

圖3 預警探測雷達性能評估指標

3.1 探測性能

雷達探測性能包括最大作用距離、最小作用距離、方位及仰角探測范圍等。其中，方位及仰角探測范圍主要取決于雷達天線發射波束的角度，與探測對象的關系不大。[19]根據探測對象和環境的不同，可重點研究雷達對下述3種探測對象的作用距離規律如表4所示。

表4 雷達對不同目標探測性能特性規律

3.2 跟蹤性能

雷達的跟蹤性能是評價雷達在對目標建航跟蹤以后的表現。具體指標包括對目標的最大跟蹤距離、全自動或半自動模式下的跟蹤截獲時間，對目標距離、方位、仰角的跟蹤精度、跟蹤航跡質量等。其中，最大跟蹤距離是指雷達采用全自動建航時，穩定建航的最遠距離；跟蹤截獲時間是指在全自動或半自動方式下，雷達從發現第一次目標回波至目標建航的間隔時間；跟蹤航跡質量指在跟蹤過程中雷達航跡的中斷次數。根據探測對象和環境的不同，跟蹤性能主要研究以下4個方面的特性規律如表5所示。

表5 雷達對不同目標探測性能特性規律

3.3 抗干擾性能

隨著現代電子信息技術的發展，雷達干擾呈現出高度集成化、綜合化和智能化的趨勢，可以在全空域、全頻域和全時域產生高強度、多樣式和有針對性的電子干擾，嚴重影響預警探測雷達的性能。雷達抗干擾能力已經直接關系到雷達作戰性能的發揮，以及在戰場環境下的生存能力。

評價雷達抗干擾性能的指標很多，從技術的角度有副瓣對消的干擾抑制比、副瓣匿影的有效扇區范圍、頻率捷變的變頻準確度、頻率分集的分集帶寬、集能區域的信噪比得益等。但這些技術上的評價都是針對某具體干擾場景和抗干擾方式的，不僅難以涵蓋各種抗干擾措施，也不能完整描述雷達系統總體抗干擾能力，同時給試驗評估帶來較大的工作量。從雷達在實戰環境中使用的角度看，我們更關心雷達抗干擾能力總體和全面的描述。考慮到雷達抗干擾的最終目的是提高在干擾環境下對目標的探測能力，我們從戰術的角度把雷達抗有源干擾性能的評估提煉為對干擾的自衛距離得益和對目標跟蹤航跡連續性得益[20]。

3.3.1 自衛距離得益

自衛距離是指在規定的實戰場景、干擾樣式、干擾功率譜密度下，雷達不采取抗干擾措施時，滿足規定發現概率和虛警概率時，對規定 RCS 的目標的探測距離。自衛距離得益指采取抗干擾措施后雷達自衛距離增加值相對無干擾時雷達作用距離的百分比，即采取抗干擾措施后提高的雷達作用距離百分比，定義為:

(1)

式中，Gz為自衛距離得益，Rz′為受干擾后采取抗干擾措施后雷達的探測距離，Rz為受干擾后未采取抗干擾措施時雷達的探測距離，R0為無干擾時雷達的作用距離。

3.3.2 目標跟蹤航跡連續性得益

目標在雷達采取抗干擾措施后比采取抗干擾措施前全航程增加的有效航跡點數(距離、角度精度滿足指標要求的航跡)相對于無干擾時總航跡點數的百分比，定義為:

(2)

式中，Gh為目標航跡連續性得益，N2為有干擾采取抗干擾措施后目標全航程的有效航跡點數，N1為有干擾未采取抗干擾措施時目標全航程的有效航跡點數，N0為無干擾時目標全航程的有效航跡點數。

結合實際作戰對象和作戰使用，在規劃了典型電子戰威脅的載機性能參數和典型的電子攻擊作戰使用態勢后，可以重點研究在不同海情海況、干擾機與攻擊飛機不同相對角度條件下的自衛距離得益和目標跟蹤連續性得益。

4 典型案例

下面以在電子戰飛機的掩護下，戰斗機進行突防為例，對預警探測雷達在此過程中的作戰能力進行仿真試驗評估。

戰斗機飛行高度7 000 m，時速700 km/h左右，從300 km飛入，至120 km降高1 000 m繼續進入至10 km；電子戰飛機位于250 km處巡航，高度7 000 m。采用遠距離支援干擾的方式，施放壓制噪聲干擾，干擾機與攻擊飛機方位角度10°，分別記錄雷達不采用抗干擾措施和采用抗干擾措施后，發現目標距離及跟蹤情況。

在無干擾條件下，雷達對7 000 m高度目標的最大作用距離R0為297 km，在受到干擾不采取抗干擾措施時作用距離Rz為224 km，受干擾后采取抗干擾措施后雷達的探測距離Rz′為252 km，根據公式(1)可以計算自衛距離得益Gz為9.43%。

無干擾時目標全航程的有效航跡點數N0為158，有干擾未采取抗干擾措施時目標全航程的有效航跡點數N1為135，有干擾采取抗干擾措施后目標全航程的有效航跡點數N2為112，根據公式(2)可以計算目標航跡連續性得益Gh為14.56%。

5 結束語

通過對預警探測雷達、復雜電磁環境和典型作戰對手的建模仿真，開展基于仿真的雷達性能測試，能夠研究雷達在不同作戰背景及邊界極限條件下的預警探測能力，為提出在不同戰場環境中發揮最大作戰效能的裝備使用方案奠定基礎，為艦艇部隊指揮員和一線職手正確使用裝備提供指導。同時，通過對仿真試驗結果數據的分析，可以比較全面地了解和掌握不同等級水平條件下目標及干擾環境對裝備影響的情況，在敏感度分析的基礎上，可選擇對于裝備影響較大的主要參數和典型的等級水平進行外場真實環境條件下的試驗，為外場試驗方案的優化提供支撐。