多站時差定位技術提升野戰機場航管與空情監視能力

鄭志娟,劉 建

(上海微波設備研究所,上海 201802)

0 引 言

前沿野戰機場是防空作戰與前沿突防攻擊機的主要基地。防空壓制手段多樣化與野戰機場抗毀性提升之間一直處于互動發展狀態。隱身飛機、多模反輻射導彈和高能微波武器的出現,使作為防空系統和野戰機場航管與空情監視的主要傳感器的有源雷達面臨前所未有的威脅。國外空軍高層預測:“2025～2030年之間,新一代空中隱身攻擊和反輻射攻擊平臺將使防空雷達和野戰機場不堪一擊”。因此,采用無源探測設備取代有源傳感器,或構成無源、有源相結合的一體化航管、空情監視系統已成為提升未來野戰機場抗毀性的重要途徑或選擇。

1 防空壓制手段多樣化對野戰機場抗毀性的挑戰

防空壓制一般代表強悍進攻方的進攻行動。在強勢防空壓制力量與野戰機場防空作戰的雙方搏弈中,防空作戰往往代表了弱勢守備方的防衛行動。更為嚴峻的是,作為實施防空壓制使命的進攻方,在分析了科索沃和伊拉克戰爭中空中打擊的經驗教訓的基礎上,通過綜合論證,已制訂和改進了實施防空壓制的一體化戰略,實現了防空壓制手段多樣化。2007年1月25日發布的美國新版《電子戰條令》明確指出:海軍航空兵和空軍飛機執行的空中電子攻擊(AEA)的共同使命是支持對敵一體化防空系統和野戰機場的防空壓制和防空摧毀作戰。其中,海軍的任務是利用艦載或陸基EA-6B電子戰飛機向對敵防空壓制作戰和信息作戰部隊提供遠程電子攻擊支持;空軍的AEA任務是混合使用“擊穿型”和“摧毀性”電子戰設備對敵方一體化防空系統、野戰機場航管系統等實施攻擊。敵防空壓制手段的多樣性對我野戰機場以有源雷達為主的航管和空情監視系統的抗毀性提出了挑戰。

在網絡中心戰作戰形態下,作為機場航管和空情監視系統主要傳感器的雷達除了面臨機載網絡攻擊系統快速定位的電子攻擊外,還面臨多模反輻射導彈硬摧毀和隱身平臺攻擊的威脅。

1.1 面臨多模尋的反輻射導彈攻擊的威脅

西方空軍人士認為,得到戰斗數據鏈和新算法支持,并加裝了毫米波(MMW)尋的頭的新型反輻射導彈已成為第5代戰機成軍之前對固定和移動雷達的新殺手。

一體化防空系統的迅速改進使防區內防空壓制無效。全球定位系統(GPS)制導的炸彈,諸如聯合直接攻擊彈藥(JADM)等使戰機具有對已知目標的精確打擊能力提高到5 m的精度,但作用距離僅有5～15 km,實施防空壓制的飛機必須進入到面-空導彈(SAM)的殺傷距離內,突防飛機的被毀風險劇增。而GPS制導的空地導彈,如?？章摵戏绤^外導彈(JSOW)和海軍SLAM-ER導彈雖然可以在防區外(即SAM導彈射程外)發射導彈,但該導彈的飛行時間長,有可能在飛行途中就被擊落。

在用于防空壓制使命的足夠數量的第5代飛機和武器部署到位前,先進反輻射導彈(AARGM)成了在防區外就能置防空雷達于死地的新殺手。美海軍計劃在2010年底,將1 750枚AGM-88反輻射導彈改裝為新型的AARGM。對我沿海野戰機場威脅最大的艦載機“大黃蜂”飛機是安裝AARGM的首選平臺,這必將對我前沿機場以雷達為主的航管系統構成威脅。

1.2 隱身攻擊平臺可長驅直入

國外空軍高層認為,2025～2030年之前,新一代空中隱身攻擊平臺和武器的出現將使地面雷達系統“不堪一擊”,甚至使防空壓制成為一種不是主要的作戰使命。這種預測盡管有點危言聳聽,但確實也反映了這樣一個事實,即防空雷達面臨的新殺手將更致命。

首先到2025～2030年,所有的非隱身飛機將被諸如F-22、F-35和B-52等大量的第5代隱身飛機所取代。到那時,防空武器制導雷達唯一能探測這些隱身飛機的只是部分低頻段的遠程預警雷達和地基控制的低頻段截獲雷達。而對這些雷達中的固定雷達也可以通過遠程精導巡航導彈(JASSM)來摧毀。增程型“JASSM-ER”裝備在B-1B,B-2,B-52和F-15,F-16上,可以飛近目標輻射源實施非致命性攻擊。只要將這部分低頻段的遠程預警雷達致盲,諸如F-22、F-35和B-52等大量的第5代隱身飛機就可長驅直入。

1.3 隱身無人機載HPM武器將使航管系統癱瘓

目前設想的基于有源電掃相控陣(AESA)的機載高功率微波武器(HPM)最有可能首先裝備到隱身無人戰斗機上,其主要作戰使命除了對抗巡航導彈、抗反輻射導彈外,還可悄悄逼近防空雷達和機場航管雷達等高價值目標,實施電子攻擊。因為隨著載機逼近目標雷達,HPM系統集中到目標的能量是以與目標間距的縮短成平方反比提升的,所以,實現上述機載HPM武器系統電子攻擊的設想是完全可行的?；贏ESA的HPM武器系統將成為聯合無人空中打擊系統載荷的一部分。

空軍和海軍將在未來10～15年內部署裝備有超級干擾機和空地武器的隱身無人戰斗機(UCAV)。所以,不久的將來對抗地面雷達和機場航管雷達等的主要武器不是GPS制導炸彈和導彈,而是裝備HPM武器的隱身無人戰斗機。

2 無源雷達提升了野戰機場抗空中電子攻擊的能力

為提高野戰機場雷達航管系統對多模反輻射導彈、隱身平臺和高能微波武器攻擊下的抗毀性,北約等西方國家采取3種措施:一是給現有的航管系統構建雷達系統綜合防護系統;二是采用偽裝與機動;三是部署無源雷達,即用下一代技術構建無源航管系統。

其中,給機場雷達系統加裝綜合防護系統是抗AEA攻擊的有效措施之一。例如,針對在第5代隱身攻擊平臺和無人機載高能定向武器尚未形成防空摧毀主體裝備之前加裝MMW有源尋的頭的反輻射導彈的情況,要有效保護機場雷達,首先要構建針對MMW有源尋的頭的告警和對抗系統。因為類似AARGM的反輻射導彈在進入對目標雷達致命殺傷距離時,為了防止目標雷達關機要啟動MMW尋的頭。信噪比很高的MMW信號被雷達陣地配備的MMW告警系統截獲后,可連鎖啟動MMW干擾系統或啟動其他對抗措施,破壞AARGM“識別系統”的工作、擾亂MMW尋的頭的成像功能、干擾戰斗數據鏈的工作,并擾亂“彈著點評估信息”的形成和傳輸等。同時還可在機場雷達一定距離上部署欺騙彈載“無源尋的頭”(ARH)的有源欺騙干擾誘餌,將導彈引偏到安全區。

措施之二是利用低頻雷達來探測空中隱身攻擊平臺。美國空軍人士透露,“目前敵方防空系統中僅有部分工作在低頻段的雷達才能發現F-22、F-35和B-2隱身飛機,所以應使用增程型 JASSM-ER導彈予以摧毀”。所以,低頻雷達同樣不安全,而只有無源雷達才有可能保留下來繼續探測隱身目標。

目前國外更多的是利用無源雷達來探測隱身目標。例如:利用廣播TV調頻信號的非協同無源定位系統(沉默的哨兵);利用大氣波導原理的超視距無源探測系統;英國利用多個移動通信基站對飛越頂空的隱身目標的探測,以及利用低頻段遠程預警雷達和無源探測系統組合來發現和跟蹤隱身飛機等。

無源雷達的缺點是目標必須輻射電磁信號才能工作,對于完全保持無線電沉默的目標是無法探測的。但是,在現代高科技戰爭中,完全無線電沉默的飛機是難于完成任務的,即使機載火控雷達關機,通信、導航和指揮設備、敵我識別(IFF)設備、地形回避雷達、機載氣象雷達、干擾設備等都難以同時長時間關機。只要目標有信號輻射,無源雷達就能快速確定出輻射源位置。

北約經驗表明,部署基于多站TDOA定位體制的無源雷達是提升野戰機場航管系統抗反輻射導彈攻擊和加強對隱身平臺探測能力的最有效措施。目前,北約等國的機場已部署基于無源雷達的“無源航管系統”。

3 無源雷達使航管系統功能更完善

目前,北約開始在所管轄的野戰機場部署基于TDOA技術的多站空中目標定位跟蹤系統,和原有的以二次雷達和IFF系統為主的航管和空情系統協同工作,大大提高了系統對空中目標的識別能力,并提高了機場抗反輻射攻擊的能力。有的野戰機場還完全采用無源航管系統取代原來的有源雷達航管系統。

3.1 用作航管系統的VERA無源雷達

目前被美國SRA國際公司全資收購的捷克ERA公司,為其盟友國家提供廣泛用作“電子情報偵察系統”(ELINT)和電子偵察(ESM)系統的VERA-E系統。同時,在此基礎上開發出“基于TDOA的多基線定位”核心技術的3種型號無源航管系統,分別應用于從飛機起飛至降落全過程的機場航管監視系統。

其中,VERA-AP遠程多基線監視系統(如圖1所示)通過對機載應答信號、IFF信號和數據鏈等信號的無源截收和定位,用于對機場上空和450 km范圍的空情監視;“多基線3-D二次雷達”(P3D)系統對機場上空飛機進行精確定位,大大加強了原航管系統對空中目標的識別和定位跟蹤能力;模式S機場表面監視系統能對地面飛機和車輛的運動情況以及其所在位置進行精確定位,大大提高了對機場地面機動目標的識別和調度能力。

圖1 VERA-AP遠程多基線監視系統對機載二次雷達應答信號定位示意圖

這種系統既不是傳統意義上的雷達系統,也不是傳統意義上的電子偵察系統,而是在電子偵察系統基礎上結合雷達的“點跡相關”和“航跡跟蹤”等技術發展起來的新型對空情報探測手段。它通過截獲和處理目標的電磁信號,對空中目標進行實時探測、識別和定位跟蹤,直接作為防空情報源使用,提供了對有源雷達的互補性。

3.2 無源航管系統比二次雷達具有更多優點

無源航管系統與二次航管雷達相比,有其優點:

(1)不存在目標識別模糊,目標發出的應答信號被多個接收站接收,在測得時間差的同時,將目標發出的信息解碼,得到目標的識別信息。相比之下,航管二次雷達只用1個接收機接收目標信息;

(2)定位精度高,目前二次雷達采用筆狀波束,測角精度為0.05°,距離測量精度為30 m(450 km內),二次雷達的測距精度高,但方位誤差隨著距離的增大導致目標位置誤差急速增大,而無源航管系統采用時差測量,方位精度優于0.03°,位置誤差隨距離的增大而緩慢增加;

(3)數據更新率高,無源航管系統的全向天線,超外差接收機時刻都在接收全空域信號,數據率同天線的轉速無關,只同應答信號的發射周期關聯;

(4)不需要高精度的方位校準;

(5)目標盲區小,二次雷達單站發射,接收目標信號易受地形遮蔽的影響,而無源航管系統的多站分布式系統大大降低了信號遮蔽的概率。

3.3 基于無源雷達的無源航管系統一般配置

美國SRA公司采用原捷克ERA公司的基于多站TDOA定位技術的VERA系列無源航管系統和其它機場航管設備構成了下一代機場監視與飛行跟蹤系統“多站和自動獨立監視廣播系統”。在此系統中,一般采用5個接收站和1個中心處理站。每個接收站由二次全向接收天線、接收機、通信設備和數據鏈構成。接收站將應答信號通過天線接收后處理成視頻信號送到中心處理站,中心處理站中的測量單元完成信號檢測、信號到達時間測量和信號解碼工作,并將處理數據送目標處理單元,完成信號識別和目標跟蹤。

4 無源航管系統的核心技術

4.1 長基線時差定位原理

采用長基線時差定位技術構成的兩坐標或三坐標測量體制(如圖2所示)對空中、地面或海上目標的輻射源進行定位、識別和跟蹤,這些輻射源包括雷達、干擾機、二次雷達/敵我識別應答信號、塔康/測距儀問答信號和聯合戰術信息分發系統(JTIDS)的通信信號等。

長基線時差定位的原理是:利用兩站的長基線系統測出目標信號的1條雙曲線軌跡,再利用一旋轉天線的指向與雙曲線相交定出目標位置。當輻射源輻射的脈沖分別被3個站截獲時,左、右站接收的脈沖再傳到中站,與中站相比接收脈沖的時間差分別為:

上述兩方程分別對應2條曲線,其交點即為目標位置。

圖2 無源雷達三坐標定位體制原理圖

這種系統要解決的關鍵技術是:多目標及多徑干擾情況下的信號分選脈沖配對;高精度的時差測量;目標識別數據庫及電磁信號參數的準確測量;對多目標實時跟蹤和航跡形成技術。

同時,對于不同頻段的信號,無源系統采用不同的天線形式與極化。例如,對二次雷達和塔康為扁平(二坐標時)或無方向性的垂直極化天線;(1～2,2～4)GHz為錐形螺旋圓極化天線;(4～8,8～18)GHz為喇叭斜極化天線;(0.1～1)GHz為1組振子天線。

4.2 時差測量方式選擇與脈沖配對技術

轉發方式是時差定位體制無源多站系統采用的較為普遍的方法,它將某個接收站的信號通過固定信道轉發到處理中心,信號傳輸的時間延遲是固定的,可以進行標定,并在系統中消除。轉發方式將不必進行各站間的時統校對而將測量轉化到單站的時間測量,巧妙地回避了時間同步問題。

要確保將各站接收機接收到的來自同一輻射源的同一個脈沖的信號在處理中心進行到達時間差處理,其關鍵是進行準確的“脈沖配對”處理。具體地說,就是給接收到的來自同一輻射源的信號一個信號預處理時標,然后通過數據鏈發至信號處理中心(CSP),通過軟件對脈沖配對進行時間補償。

4.3 二次應答信號目標識別技術

由于無源雷達自身不發射信號,僅靠接收目標信號進行定位,因此對于基于無源雷達的航管系統來說,如何識別出A/C碼是目標識別的關鍵。

對二次應答信號的識別要根據其應答模式、框架脈沖、信息脈沖及代碼名稱等不同特點來判斷。其中,應答模式分為2種:A模式,應答識別和監視,共有4 096個有效代碼;C模式,應答氣壓高度報告,共有2 048個有效代碼。應答碼既可以表示識別,也可以表示高度,具體由詢問模式而定。

框架脈沖:應答功能將使用1個包含2個框架脈沖的信號作為最基本的代碼,框架脈沖間隔為20.3 μ s。

信息脈沖:信息脈沖從第1個框架脈沖開始以1.45μ s為增量間隔,所有的應答脈沖寬度都為0.45 μ s±0.1 μ s,信息脈沖的標志和位置如圖 3所示。

圖3 A/C模式的應答脈沖序列

特殊位置脈沖SPI僅是人工(飛行員)選擇的結果,SPI脈沖在A模式應答的最后一個框架脈沖以4.35 μ s 間隔發射 。

代碼名稱:識別信息碼從高位到低位的排列順序為:A1A2A4 B1B2B4 C1C2C4 D1D2D4;高度信息碼從高位到低位的排列順序為:D1D2D4 A1A2A4 B1B2B4 C1C2C4。

二次應答信號經過接收機輸出應答編碼信號,根據框架脈沖可以對應答信號進行解碼,但是由于A/C碼的框架脈沖格式是相同的,信號脈沖的標志和位置也是相同的。對于無源定位系統來說,接收到A/C應答碼后,無法知道是高度碼還是識別碼。

也可以利用A/C碼產生的特定點采用排除法對A/C碼進行判別,順序如下:

(1)將信息碼按照A1A2A4 B1B2B4 C1C2C4 D1D2D4的順序排列。

(2)接收到特殊編碼7700,7600,7500代表危急信息,不作為識別碼,也不作為高度碼。

(3)判別在框架脈沖后是否有SPI脈沖,有則是識別碼;沒有可能是高度碼,也可能是識別碼。

(4)根據高度編碼規則,當D1為1時,對應的高度大于100 000英尺(約30 000 m),目前的民航飛機還達不到此海拔高度,所以,D1必須為0。因此,接收到的信息碼D組為1,3,5,7,是識別碼;0,2,4,6可能是高度碼,也可能是識別碼。在實際應用中,綜合來看D組為1,2,3,5,6,7,是識別碼,0,4可能是高度碼,也可能是識別碼。

(5)在高度編碼中,C組碼是“5周期循環碼”,連續遞增5次,標準循環碼遞增1次,因而在高度碼中,接收到的信息碼C組尾數為1,2,3,4,6,可能是高度碼,也可能是識別碼,即說明信息碼C組為0,5,7時是識別碼。通過這樣的方式,A/C碼的判別準確率為90%。

5 結束語

面對隱身飛機、多模反輻射導彈和高能定向武器的出現和投入使用,野戰機場航管雷達面臨被獵殺的挑戰是嚴峻的?；诙嗾?TDOA定位技術的無源雷達能使原有源雷達航管系統功能更完善,并能和地面詢問系統配合使用,還能獨立構成無源航管系統。這是一項新興系統工程,應加大研發力度,使之成為提升我野戰機場抗空中電子攻擊能力的實戰性裝備。

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