氣球載雷達使用效能分析

劉育才 馬曉靜

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230088;2.國防科技大學電子對抗學院 合肥 230031)

0 引言

在現代戰爭中,飛機、巡航導彈從低空、超低空突防是慣用的進攻手段,一方面是因為低空飛行的目標受到地球曲率和地物遮蔽的影響,地面雷達的視距和低空探測范圍受到限制,使預警時間大為減少;另一方面是由于目標在強地雜波或海雜波背景中飛行,增加雷達檢測這些目標的難度。為了能有效地監視和攔截低空目標,各國都在積極發展低空探測裝備,其主要措施是在提高雷達反雜波性能的同時把雷達架設平臺升高,如高山俯視雷達、空中預警機、氣球載雷達等[2]。

氣球載雷達系統利用系留氣球把雷達升到空中,相對于地面雷達,可在一定程度上克服地球曲率及地形遮蔽的影響,使低空探測能力大大提高;相對于預警機載雷達,氣球載雷達留空時間長,可持續監視,使用效費比高。由于氣球載雷達具有獨特優點,因此受到世界各國的青睞,并在軍事、民用領域發揮著重要作用。

本文首先介紹國內外系留氣球載雷達主要性能及其應用情況,然后從持續留空時間、帶載能力、低空覆蓋范圍、低空反隱身以及相對預警機載雷達具有的慢速目標探測、功率孔徑資源使用效率優勢等方面對氣球載雷達系統使用效能進行綜合分析,并對未來發展趨勢進行展望。

1 發展現狀

美國是最早發展系留氣球雷達系統的國家,部署于沿海及美墨邊境地區,用于實現沿海及邊境監視,其氣球載雷達主要有3種型號,改進型全固態AN/TPS-63(V)雷達、L-88A雷達和改進型AN/APG-66雷達,其中數量最多的是AN/TPS-63(V)雷達,三個型號的主要性能如表1所示[7][13]。

表1 主要性能表

由表1可見,氣球載雷達一般工作在L或X頻段,其中工作在L頻段的AN/TPS-63(V)、L-88A雷達發射功率及天線口徑較大,搭載于大型系留氣球平臺,探測距離遠,實現大范圍監視;工作在X頻段的改進型AN/APG-66雷達發射功率及天線口徑較小,搭載于小型系留氣球平臺,探測距離較近,但是具有一定的機動能力。三型氣球載雷達均采用全固態發射機,具有較高的可靠性。地雜波改善因子可達60dB左右,以實現在強地雜波環境中有效探測低空目標。工作波形采用低重頻或者中重頻,以適應海上、陸地等不同雜波、目標環境。

美國后來還發展了聯合對地攻擊巡航導彈防御空中組網探測器系統(JLENS),對巡航導彈進行超視距探測與跟蹤,用于保護在海外地區執行任務的美陸軍部隊免遭巡航導彈的攻擊,利用TCOM公司的71M型氣球,升空高度可達3000～4600m,連續執行任務時間達720h,系統包含兩個氣球及兩個雷達載荷,其中一套攜帶預警監視雷達,探測距離320km,另一套攜帶火控雷達,用于引導地面防空導彈實施攔截,火控距離達250km。

除美國外,目前裝備系留氣球系統的還有俄羅斯、以色列、印度等國。我國也在航展上展出了JY-400系留氣球偵察監視系統,體積較大,可以攜帶大型預警雷達、通信中繼、綜合光電等任務載荷執行大范圍、長時間的空中滯留偵察和警戒任務,可廣泛用于要地防御預警、邊防海防實時監控、通信中繼等多種任務。

圖1 美國在海外部署的小型系留氣球雷達系統

圖2 我國在航展上展示的機動式系留氣球系統

2 使用效能分析

氣球載雷達系統得益于氣球平臺升空高度高、安裝空間大、地面系留供電、不需額外動力、運動速度慢等特點,在使用效能方面具有獨特的優勢,下面重點從全天時能力、低空目標監視能力、反隱身能力以及相對預警機載雷達的優勢等幾個方面分析系留氣球載雷達的使用效能。

2.1 全天時工作能力

與預警機等機載平臺不同,系留氣球平臺依靠空氣凈浮力升空,還可通過系留纜繩從地面直接對球上雷達持續穩定供電,因此留空時間一般只受天氣和氣球材料本身限制[1]。

從續航時間上來看,一般預警機最長連續工作時間在10h左右,預警直升機的連續工作時間在2.5～3h左右,大型無人機的連續工作時間一般約30h左右,而氣球載雷達系統最長連續留空時間可達30天,單部氣球載雷達即可實現重點區域的全天時值班,而預警機等機載平臺需要通過多部雷達接力工作才能實現全天時值班。

從帶載能力來看,預警機的雷達載荷重量約1t或更重,大型系留氣球系統載重能力可達1～3t,小型系留氣球系統載重能力可達幾百千克。目前國際上已研制出可實現媲美預警機的載重能力的大型系留氣球系統,系留氣球系統也可作為通用型平臺,可以同時或者輪換搭載其他種類載荷執行不同的任務,具有靈活的載荷適應性。

從費效比來看,各種升空預警系統中最先發展起來的是預警機,由于預警機巡航時間短,長期值守不但運行費用很高,要保持空中始終有一架預警機長期值守,還需要考慮換防、維護等問題,要有2～3架作為后備。預警機的特長和軍事上的重要作用是在進攻時短時間的前置引導、指揮。而與預警飛機相比,系留氣球載雷達預警系統可降低大量能耗和飛行費用,只需要少量的維護工作就可以連續使用。1993年,美國海關總署(USCS,目前隸屬于美國國土安全部)呈送參議院一份報告,較為詳細地介紹了采購和使用以系留氣球為平臺的雷達監視系統的費用。根據該報告,對于一套能在方圓278km內探測雷達截面為2m2的空中目標的系統,其采購費用在1800萬～2200萬美元之間,每小時使用費用估計在300～400美元之間。假定一套系統的使用率為60%,即每年可工作時間為5256h,則總的使用費在300萬美元左右。相比之下,采購一架P-3“獵戶座”空中預警與控制飛機的費用約為3700萬美元,每小時使用費用為3500美元。假定每架“獵戶座”飛機的使用率為60%,則每年維持一支由4架“獵戶座”飛機組成的機隊的費用為1800萬美元。因此,從經濟、軍力等方面考慮,執行經常性的預警監視,預警機不如系留氣球載雷達系統經濟實用。

2.2 低空目標監視能力

岸基地面雷達受架高限制,對低空、海面目標探測距離非常有限,遠不能滿足預警、監視需求。美國、俄羅斯等國為了解決該問題,先后發展了岸基系留氣球載雷達系統,部署于邊境、沿海地區,拓展預警監視范圍。該范圍受制于系留氣球載重能力及升空高度,一般升空高度3000m左右,對超低空、海面目標探測距離可達220km左右。發展氣球載雷達系統,可通過在沿海批量部署,拓展常規地面雷達預警監視范圍,在所關注的空域、海域形成大范圍、長時間持續感知能力,為維護海洋權益,保衛國家安全提供信息支撐。視距隨雷達架設高度變化曲線如圖3所示。以青島某地為例,地面雷達、氣球載雷達覆蓋范圍對比情況如圖4所示。

圖3 視距隨架設高度變化曲線

圖4 氣球載雷達相對地面雷達低空覆蓋范圍對比

2.3 反隱身能力

隱身目標的典型特征為在微波頻段RCS小,相對常規飛機,其RCS在微波頻段縮小2個數量級以上。目前反隱身的途徑主要有大功率孔徑積反隱身、頻段反隱身兩種方式,大功率孔徑積反隱身要求雷達具備較大的天線口徑以及發射功率,彌補RCS的縮小,以實現對隱身目標的遠距離探測;頻段反隱身主要是利用隱身飛機在低頻段隱身性能差、RCS較大的特點,使雷達工作在VHF、UHF等較低頻段,實現對隱身目標的遠距離探測。地面雷達受尺寸、重量、功耗等因素影響較小,可根據作戰需要靈活選擇上述兩種方式實現對隱身目標的有效探測,解決中高空隱身目標探測問題,但是難以解決低空隱身目標探測問題。機載雷達受安裝空間、重量、功耗等因素限制,一般工作于L、S等較高的頻段,難以通過上述兩種方式實現遠距離探測隱身目標。系留氣球平臺具備使用低頻段雷達實現低空隱身目標遠距離探測的安裝空間、系統功耗等條件,通過沿海批量部署,同地面反隱身雷達一起,可以補齊低空反隱身短板,形成遠距離、全高度域的探測隱身目標的能力。

2.4 相對于機載雷達優勢

在功率孔徑資源使用效率方面,氣球載平臺對天線垂直口徑限制小,有利于實現天線系統的優化設計,提高功率孔徑資源使用效率。預警機載雷達受限于氣動布局影響,垂直口徑一般較小,因此其俯仰維波束寬度較寬,無法實現將有限的能量集中于重點關注的空域,不利于實現匹配探測空域的雷達系統資源的優化設計。系留氣球平臺在垂直方向的限制較小,可以實現更大的天線垂直口徑,壓窄俯仰波束寬度,在所關注的重點空域內,實現更遠的探測距離。以覆蓋10000m高度為例,同樣的功率孔徑積,波束寬度不同時,窄波束有利于實現能量在10000m高度以下空域的聚焦,實現更遠的探測距離。

圖5 俄羅斯A50、美國E2C預警機圖片

圖6 寬、窄波束威力覆蓋示意圖對比

在研制及使用成本方面,系留氣球平臺載荷裝載空間更大,有利于搭載低頻段雷達,降低研制成本。一般用于低空、海面遠程預警,其探測距離和功率孔徑積成正比,在一定條件下,對于給定探測距離,天線接收孔徑越大,則所需要的平均發射功率越小。對于相控陣雷達,采用低頻段工作,可以用較少的有源通道實現較大的天線孔徑,從而以較低的成本、較小的功耗實現遠距離探測,提高系統的經濟性。

表2 三種雷達指標對比

在慢速小目標的檢測能力方面,系留氣球平臺由于運動速度很慢,有利于提高對慢速小目標的檢測能力[11]。機載雷達工作時,平臺處于運動狀態,對低空動目標檢測的主要困難在于濾除地面強雜波的影響,由于波束主瓣有一定寬度,并且處于下視狀態,主瓣雜波、副瓣雜波地雜波譜均有嚴重的展寬。主瓣雜波可以通過多普勒濾波的方式濾除,而副瓣雜波則難以通過多普勒濾波的方式濾除,天線副瓣水平是限制機載預警雷達性能的關鍵,機載預警雷達天線一般具備低副瓣特征,以降低副瓣雜波強度,其低副瓣能力限制了雷達在強雜波背景下檢測慢速小目標的能力。相對于機載雷達,系留氣球載雷達工作時處于準靜止狀態,地雜波譜中心頻率基本為0,雜波譜寬度較窄,和地面雷達接近,可以通過多普勒濾波的方式得到理想地改善因子,實現強雜波環境下對慢速小目標的可靠檢測。

根據上述分析,對地面雷達、預警機雷達以及系留氣球載雷達系統主要技術指標、戰術指標對比情況進行綜合分析,如表2所示,系留氣球載雷達系統在執行長時間低空、海面目標監視任務時,在探測距離、持續工作時間、效費比等方面具有明顯的效能優勢,主要弱點為機動能力較差,抗摧毀能力弱。

3 結束語

綜上分析,氣球載雷達系統具有全天時工作能力強、功率孔徑資源使用效率高、低空覆蓋范圍大等突出優點,但是在機動性方面,相對預警機載雷達的高機動能力,存在機動能力差的問題;在雷達體制方面,采用反射面天線(改進型全固態AN/TPS-63(V)雷達、L-88A雷達)或無源相控陣體制(改進型AN/APG-66雷達),天線效率低,反干擾能力弱;在主要功能方面,主要承擔低空預警功能,搜索、跟蹤、制導等多功能潛力尚未發揮。

因此,未來氣球載雷達系統需要從技術體制、裝備形態等方面進一步優化設計,提高天線效率,減小雷達系統規模,從而縮減系留氣球平臺規模,提高快速機動能力,同時具備搜索、跟蹤、制導等多功能一體化能力。

在技術體制方面,有源相控陣雷達是現代雷達的發展趨勢,氣球載雷達選擇有源相控陣體制與其它體制雷達相比具有輻射效率高、損耗低、作用距離遠以及空間自由度高、波束形成靈活、抗干擾能力強、任務可靠性高等優勢,可以大幅提升天線效率,減小雷達系統規模,提升雷達性能,為系留氣球平臺的小型化打好基礎。

在裝備形態方面,可以考慮基于氣球載雷達系統平臺與綜合射頻技術,通過將雷達、通信、電子戰一體化設計,利用浮空氣球平臺的特點與優勢,使系統能夠完成對低空目標探測、跟蹤的同時,實現遠距離、大容量的雙向數據通信,并且完成電子偵察與干擾,減少分立裝備的數量,提高電子系統裝備的一體化水平、平臺適裝性和綜合作戰效能。