基于時間約束的彈道導彈目標識別任務流程設計方法

李陸軍， 丁建江， 呂金建， 馬 梁， 趙龍華

(1. 空軍預警學院, 湖北 武漢 430019； 2. 93975 部隊， 新疆 烏魯木齊 830000；3. 95269 部隊， 廣東 廣州 510000)

基于時間約束的彈道導彈目標識別任務流程設計方法

李陸軍1,2， 丁建江1， 呂金建1， 馬 梁1， 趙龍華3

(1. 空軍預警學院, 湖北 武漢 430019； 2. 93975 部隊， 新疆 烏魯木齊 830000；3. 95269 部隊， 廣東 廣州 510000)

結合彈道導彈目標特性和預警裝備特點，提出了一種基于時間約束的彈道導彈目標識別任務流程設計方法。首先，從彈道導彈目標特性、預警裝備性能和攔截武器性能3方面分析了反導過程的時間約束性；其次，給出了識別任務流程設計原則，重點分析了微動特征和成像特征的約束條件，在此基礎上提出了彈道導彈目標識別任務流程設計方法；最后，提出了基于STK(Satellite ToolKit)的預警雷達識別任務流程推演設計方法，并結合典型作戰場景，設計了具體的雷達識別任務流程。研究表明：該流程設計方法具有明顯的時間約束特性，能夠用于反導作戰中戰法設計。

時間約束； 目標識別； 識別特征； 任務流程； STK

目標識別在反導中占有重要的地位，是反導作戰的關鍵環節，決定反導的成敗。目標識別貫穿反導全程，隨著作戰進程推進，識別裝備、識別對象動態變化，不同階段的識別內容、要求各具特點。在反導作戰中，單一裝備難以完成識別任務，需要多裝備合力完成，因此，彈道導彈識別不僅要關注局部，更要綜合考量整個反導全程。目前，有關彈道導彈目標識別的研究主要集中在特征提取、目標分類和綜合識別等方面[1-3]，研究成果突出；然而相關研究只針對彈道導彈某一飛行階段或某個特征，未針對整個反導全程研究目標識別，預警裝備成孤立個體、識別特征在整個反導過程中的位置不明確等因素勢必會影響整體作戰效能的發揮。

識別任務流程的設計能夠將整個反導系統串聯在一起，從導彈發射前到落地明確不同識別特征位置，為反導作戰提供依據。其主要利用戰法工程設計思想[4-9]，戰前對識別任務進行規劃，通過明確作戰關鍵節點的任務、要求和時限，以及裝備間作戰活動和交互關系，實現裝備間協調統一，達成一體化作戰目的。為此，筆者提出一種基于時間約束的彈道導彈目標識別任務流程設計方法，并通過典型作戰場景下的推演分析，設計雷達識別任務流程。

1 彈道導彈目標識別的時間約束性

彈道導彈目標識別具有強烈的時間約束性，反導系統只有在規定的時間內完成識別任務，才是有效的識別；否則，對反導作戰無益。筆者主要從彈道導彈目標特性、預警裝備性能和攔截武器性能3個方面分析彈道導彈目標識別的時間約束性。

1.1 彈道導彈目標特性約束

彈道導彈以其速度快、威力大，能夠迅速達成戰略目的，而具有其他武器所無法比擬的作戰優勢。典型遠程彈道導彈的整個飛行時間大約在30 min：彈道導彈發射以助推段為起點，助推段飛行時間為3～6 min；中段為彈道的最長段，飛行時間為15～20 min；再入段為進入大氣層到打擊目標的飛行段，飛行時間為1～1.5 min。因此，從整個飛行階段或單個飛行段來說，留給反導系統的反應時間、識別時間非常短，這對反導系統提出了很高要求。

1.2 預警裝備性能約束

以美國為例，現有的反導裝備主要是預警衛星、遠程預警雷達和多功能相控陣雷達等，其結構龐大，造價昂貴，自身性能有限。若經費緊張，則勢必會造成部署反導裝備有限；裝備自身探測范圍有限，只有目標進入探測區間，才能發揮其作戰效能。

1.3 攔截武器性能約束

以美國為例，目前參與反導攔截的裝備多種多樣，覆蓋不同空間層次，以滿足不同攔截需求，實現全程反導、全程攔截的作戰目標。目標識別為攔截服務，受攔截彈的部署、性能約束，目標識別必須在攔截窗口完成，如果越過攔截窗口進行目標識別，將失去其本身的意義。

2 彈道導彈目標識別任務流程設計

識別任務流程設計主要是規劃戰前、戰中和戰后的各個階段，做什么？誰來做？怎么做？何時做？它是迅速、有效、有序制定反導預案的重要依據。

2.1 流程設計原則

2.1.1 針對性

彈道導彈識別任務流程與特定作戰環境、作戰部署緊密聯系，目標改變、裝備部署調整等都將改變整個識別任務流程。因此，識別任務流程設計必須瞄準特定的場景，在確定目標、裝備部署后，才能進行識別任務流程設計；否則，設計流程沒有依據，且無法指導反導作戰。同時，若條件、戰情改變，就需要重新設計識別任務流程。

2.1.2 全局性

彈道導彈目標識別貫穿整個反導過程，有癥候識別、星彈識別和真假彈頭識別等，識別對象、內容隨著時間推進變化，不同階段的識別裝備不同，用于識別的特征也不同，各個識別環節緊密相連，上一階段的識別效果對后續的作戰影響較大。如：若星彈識別出現偏差，則會直接影響整個反導全局，導致“未戰先敗”；若真假彈頭識別出現差錯，誘餌被攔截，則會浪費攔截資源，導致錯失戰機。因而，識別任務流程應著眼整個反導全程，只有精密設計每個階段，才能整體提升反導作戰效能。完整的識別任務流程最早始于戰前的情報收集、重點部位監視和發射癥候識別，一直持續到戰后的識別效果分析，貫穿整個反導全程。

2.1.3 時間約束性

由上述分析可知：彈道導彈目標具有明顯的時間約束性，戰機稍縱即逝，留給人為參與或反應的時間極其有限。反導系統一體化、自動化運行是有效的解決方法，這就需要戰前對整個反導過程進行精密規劃，規劃某時間約束下采用何種裝備和識別特征。

2.1.4 完備性

彈道導彈目標識別任務流程是整個反導有序進行的重要依據，是針對特定目標的戰前規劃，方便戰時調用。在進行流程設計時，必須考慮目標在多種突防方式下的應對措施以及不同彈道(高拋、低拋、標準彈道)下的識別任務流程；否則，設計的識別任務流程完備性較差，無法應對復雜多變的戰場態勢。

2.2 特征約束分析

要進行識別任務流程設計，首先應深入分析飛行中不同階段的識別對象、目標和內容等，據此分析裝備的有效探測范圍和特征的運用限制條件。特征的運用限制條件很多，本文主要結合微多普勒調制帶寬和目標特征作用距離2方面進行分析。

2.2.1 微多普勒調制帶寬

一個周期內，微多普勒頻率最大值和最小值之差的絕對值即為微多普勒調制帶寬[10-11]，可表示為

(1)

式中：dp、dt分別為目標散射中心到質心的垂直和水平距離；θ為錐旋運動時的進動角；α為雷達視線與目標進動軸間的平均視線角；ω為目標進動角速度；λ為雷達波長。

微多普勒調制帶寬Bmd反映了回波多普勒展寬程度，其值越大，雷達越易檢測到這種微動變化。在彈道導彈目標飛行過程中，目標尺寸和進動參數不變，只有α隨著目標移動不斷變化，不同時刻的Bmd差異較大。若當前時刻的Bmd∈[Bmax/2,Bmax](Bmax為最大調制帶寬)，則認為當前時刻屬于“易檢測段”；反之，屬于“不易檢測段”。當目標對象和雷達部署位置變化時，目標微多普勒特征“易檢測段”也是不同的，因此可以根據雷達的部署位置找出目標微多普勒“易檢測段”，為微多普勒特征運用提供依據。

2.2.2 目標特征作用距離

在彈道導彈目標飛行期間，目標信噪比動態變化，目標識別需建立在對目標進行穩定跟蹤的基礎上。在彈道導彈攻防中，一般認為信噪比在17 dB以上時可對目標進行穩定跟蹤，目標檢測時的信噪比要求在15 dB以上，成像時的信噪比要求在20 dB以上，因此可以根據雷達方程估算不同識別特征有效作用距離[10-15]。

以雷達成像[14-15]為例，雷達在成像時交替發射窄帶和寬帶信號，寬帶成像作用距離由運動補償精度決定；窄帶用于跟蹤，為寬帶提供引導信息，最大精度跟蹤距離決定了其引導距離。寬帶時運動補償比保精度跟蹤的信噪比要求略低，然而一般寬帶信號能量大于窄帶信號，如果成像和跟蹤的信噪比相同時，寬帶信號仍然可以進行保精度補償，而窄帶信號已很難進行保精度跟蹤。經過分析可知：寬帶成像作用距離由窄帶信號的跟蹤距離決定，因此可以用窄帶跟蹤距離估算寬帶成像作用距離。

2.3 基于時間約束的識別任務流程設計

由于彈道目標的特殊性，涉及裝備類型較多，不同階段可采用的識別特征不同，因此，筆者提出了一種圖形化描述方法，用于設計目標識別任務流程，方便軍事人員、技術人員以及戰法設計人員進行交流。該方法從識別內容、識別裝備和識別特征3個維度描述識別任務流程，橫向維為彈道目標飛行時間，清晰反映不同特征、裝備的時間約束特性。圖1為基于時間約束的彈道導彈目標識別任務流程，可以看出：識別對象、裝備和特征等隨著時間推進而改變。

圖1 基于時間約束的彈道導彈目標識別任務流程

圖1中：to為彈道導彈發射時刻，在此之前導彈發射癥候識別；ta為助推段結束時刻，to和ta之間分別進行發射位置、射向、星彈以及彈型識別；ta和tj之間為彈道導彈飛行中段區間，其中tb和tc之間為預警雷達的探測區間，可以提取的特征有速度特征和彈道特征；td和tk之間為雷達2探測區間，ti和tl之間為雷達3探測區間，2個區間或存在交叉部分，如圖1中陰影部分所示。在整個導彈飛行過程中，可以獲取的雷達識別特征有雷達散射截面積(Radar Cross Section,RCS)、彈道特征、慣量比、質阻比、微動特征、一維像及二維像，由于雷達目標相對位置變化以及裝備性能和特征獲取要求，不同識別特征獲取時間區間有差異。tl為進行有效攔截的時刻，為簡化研究程序，圖1僅設置了一個攔截點，然而在實際反導過程中可以設置多個攔截點，需要根據目標特性和武器裝備性能制定攔截任務規劃。

3 基于STK的預警雷達識別任務流程推演設計

3.1 基于STK的預警雷達識別任務流程設計

STK(Satellite ToolKit)的可視化仿真技術具有較強的分析能力、形象的三維顯示以及良好的可擴展性，在航空、航天領域得到了廣泛應用。因此，筆者采用STK作為彈道導彈目標的預警雷達識別任務流程推演設計平臺，圖2給出了基于STK的預警雷達識別任務流程。首先，依據作戰目的，編輯彈道導彈發點、落點以及彈道類型，產生典型場景下的彈道，或者從外部導入導彈數據，建立地方攻擊的場景；其次，依據實際要求，部署作戰實體，設定雷達的部署位置、觀察距離、覆蓋范圍、波束形式和寬度等主要參數，形成應對作戰態勢；最后，執行仿真推演，分析識別任務流程是否滿足要求，滿足則結束，不滿足則對目標、裝備等參數進行調整，重新推演，直至滿足要求為止。

圖2 基于STK的預警雷達識別任務流程

3.2 典型場景下預警雷達識別任務流程推演設計

由于整個反導過程涉及裝備種類多樣，技術復雜，在進行流程設計時需要多領域專家的有效配合，因此研究中無法有效進行完整的識別任務流程設計。本文以典型的作戰場景為例，重點圍繞預警雷達設計識別任務流程。圖3為反導模式下雷達對彈道導彈目標的探測場景。

圖3 反導模式下雷達對彈道導彈目標的探測場景

3.2.1 彈道生成

由于彈道導彈的實際數據獲取困難，因此主要通過仿真獲取彈道數據。假設目標發點為(-120,36)，落點為(118,34)，目標采用標準彈道進行突防，根據彈道方程仿真計算飛行的實時彈道，作為STK彈道生成的依據，圖4、5分別為彈道距地表高度和地心坐標系下彈道軌跡。

圖4 彈道距地表高度

圖5 地心坐標系下彈道軌跡

3.2.2 裝備部署及威力參數設置

如圖3所示，遠程預警雷達部署位置為(164,42)，威力范圍在4 000 km；多功能相控陣雷達部署位置為(137,47)，威力范圍在2 000 km；一維像距離作用范圍在1 400 km；二維像距離作用范圍在800 km。

3.2.3 裝備和特征作用時間分析

遠程預警雷達主要搜索、跟蹤中段目標，能夠實現對導彈目標735.67 s的探測時間，占整個飛行全程的29.6%。多功能相控陣雷達對目標探測時間為411.488 s，占整個飛行全程的16.6%；一維像對目標作用時間為301.226 s，占整個飛行全程的16.6%；二維像對目標作用時間為172.011 s，占整個飛行全程的7%。從總體上來說，2部預警裝備只能實現對目標46.2%的作用時間，時間約束性較強，留給決策者的時間有限，戰機稍縱即逝，這與防空作戰有著很大的差別。表1為通過STK仿真獲得的預警裝備在彈道導彈飛行段的作用時間，其中：RCS和彈道特征只要滿足彈道導彈跟蹤要求即可獲取，其作用時間和裝備的探測跟蹤時間一致；慣量比主要作用在飛行中段，其作用時間與裝備中段探測時間一致。

表1 預警裝備在彈道導彈飛行段的作用時間

需要說明的是：本文考慮的情況比較理想，假定已經建立完備的基礎數據庫和特征庫等，只要滿足獲取條件，即可用于識別；然而實際中目標數據庫建立復雜，需要較長時間的積累，因此部分特征不具備識別條件，在分析時可以不考慮。

3.2.4 微動特征分析

通過式(1)計算雷達對導彈的微多普勒調制帶寬Bmd，將位于Bmax/2以上的區間作為微多普勒“易檢測段”。圖6為雷達對導彈的微多普勒調制帶寬隨時間變化曲線，可知：288.75～1 506.85 s和2 040.15～2 457.15 s兩個區間段為微多普勒“易檢測段”。由于第1個區間時間遠遠超出多功能相控陣雷達的威力范圍，因此應將第2個區間與雷達探測區間重疊部分作為實際中的易檢測段。

圖6 微多普勒調制帶寬隨時間變化曲線

3.2.5 基于時間約束的彈道目標雷達識別任務流程

根據上述特征分析結果，設計典型場景下彈道導彈目標的雷達識別任務流程，如圖7所示，該流程充分反映了參與識別的裝備、作用時間范圍和不同特征作用區間等，詳細給出了何時采用何種裝備以及何種識別特征具備參與識別條件，為反導作戰目標識別運用提供了重要依據。其中：縱坐標給出了參與識別裝備和可以提取的識別特征；為了凸顯多功能相控陣雷達不同識別特征發揮作用時間的區別，橫坐標上預警雷達和多功能相控陣雷達的時間刻度沒有按照比例進行設置。

圖7 典型場景下彈道導彈目標的雷達識別任務流程

4 結論

筆者提出了一種基于時間約束的彈道導彈目標識別任務流程設計方法，能夠對未來不同時間段的識別任務進行有效規劃，為反導作戰目標識別提供重要依據。然而本文的任務流程設計是基于體系作戰對反導全程參與識別的裝備、識別任務和識別特征等進行的粗規劃，若要實現在裝備中自動化執行，從而減輕人為參與的負擔，還需在以下3個方面進行深入研究：

1)反導時間有限，用于識別的時間更是有限，需要在戰前固化不同識別模式參數設計，戰時直接調用或微調即可。因此，需要明確任務流程中各特征下模式參數，如數據率、積累時間和信號形式等，確定具體場景下各模式消耗的時間資源，作為戰時調整的重要依據。

2)結合不同突防方式變化，設計基于時間序列的特征運用流程，戰時直接根據戰場態勢分析來選擇對應的識別特征運用流程，作為裝備順序執行不同任務模式的依據。

3)識別方法的選擇直接影響目標識別效果，而最優的識別方法通常與具體的應用場景、戰情緊密相連，因此需要結合具體場景，綜合考慮目標先驗信息多寡、目標群復雜程度，選擇合適的識別方法和融合方法。

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(責任編輯: 尚彩娟)

Design Method of Ballistic Missile Target Identification Task Process Based on Time Constraint

LI Lu-jun1,2， DING Jian-jiang1， Lü Jin-jian1， MA Liang1， ZHAO Long-hua3

(1. Academy of Air Force Early Warning, Wuhan 430019, China； 2. Troop No.93975 of PLA, Urumqi 830000, China；3. Troop No.95269 of PLA, Guangzhou 510000, China)

Based on specialties of ballistic missile target and characteristics of early warning equipment, a design method of ballistic missile target identification task process based on time constraint is proposed. Firstly，from three aspects of ballistic missile target properties, early warning equipment performance, and intercept weapon performance, time constraint of anti-missile process is analyzed. Then, design principles of identification task process are given, constraint conditions of micro-motion feature and imaging feature are analyzed. Based on that, design method of ballistic missile target identification task process is given. Finally, a design procedure of early warning radar identification task process based on STK (Satellite ToolKit) is given, and the radar identification process in typical combat scene is designed. The study shows that the task process design method has time constraint characteristic, and can be used for tactics design of anti-missile combat.

time constraint; target identification; identification feature; task process; STK

1672-1497(2017)02-0068-06

2016-10-26

國家自然科學基金青年科學基金資助項目(61401503，61602506)； 中國博士后基金資助項目(20110491889)； 全軍軍事類研究生資助課題

李陸軍(1986-)，男，博士研究生。

TJ761.3

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2017.02.015