多站时差定位技术提升野战机场航管与空情监视能力

郑志娟,刘 建

(上海微波设备研究所,上海 201802)

0 引 言

前沿野战机场是防空作战与前沿突防攻击机的主要基地。防空压制手段多样化与野战机场抗毁性提升之间一直处于互动发展状态。隐身飞机、多模反辐射导弹和高能微波武器的出现,使作为防空系统和野战机场航管与空情监视的主要传感器的有源雷达面临前所未有的威胁。国外空军高层预测:“2025～2030年之间,新一代空中隐身攻击和反辐射攻击平台将使防空雷达和野战机场不堪一击”。因此,采用无源探测设备取代有源传感器,或构成无源、有源相结合的一体化航管、空情监视系统已成为提升未来野战机场抗毁性的重要途径或选择。

1 防空压制手段多样化对野战机场抗毁性的挑战

防空压制一般代表强悍进攻方的进攻行动。在强势防空压制力量与野战机场防空作战的双方搏弈中,防空作战往往代表了弱势守备方的防卫行动。更为严峻的是,作为实施防空压制使命的进攻方,在分析了科索沃和伊拉克战争中空中打击的经验教训的基础上,通过综合论证,已制订和改进了实施防空压制的一体化战略,实现了防空压制手段多样化。2007年1月25日发布的美国新版《电子战条令》明确指出:海军航空兵和空军飞机执行的空中电子攻击(AEA)的共同使命是支持对敌一体化防空系统和野战机场的防空压制和防空摧毁作战。其中,海军的任务是利用舰载或陆基EA-6B电子战飞机向对敌防空压制作战和信息作战部队提供远程电子攻击支持;空军的AEA任务是混合使用“击穿型”和“摧毁性”电子战设备对敌方一体化防空系统、野战机场航管系统等实施攻击。敌防空压制手段的多样性对我野战机场以有源雷达为主的航管和空情监视系统的抗毁性提出了挑战。

在网络中心战作战形态下,作为机场航管和空情监视系统主要传感器的雷达除了面临机载网络攻击系统快速定位的电子攻击外,还面临多模反辐射导弹硬摧毁和隐身平台攻击的威胁。

1.1 面临多模寻的反辐射导弹攻击的威胁

西方空军人士认为,得到战斗数据链和新算法支持,并加装了毫米波(MMW)寻的头的新型反辐射导弹已成为第5代战机成军之前对固定和移动雷达的新杀手。

一体化防空系统的迅速改进使防区内防空压制无效。全球定位系统(GPS)制导的炸弹,诸如联合直接攻击弹药(JADM)等使战机具有对已知目标的精确打击能力提高到5 m的精度,但作用距离仅有5～15 km,实施防空压制的飞机必须进入到面-空导弹(SAM)的杀伤距离内,突防飞机的被毁风险剧增。而GPS制导的空地导弹,如海空联合防区外导弹(JSOW)和海军SLAM-ER导弹虽然可以在防区外(即SAM导弹射程外)发射导弹,但该导弹的飞行时间长,有可能在飞行途中就被击落。

在用于防空压制使命的足够数量的第5代飞机和武器部署到位前,先进反辐射导弹(AARGM)成了在防区外就能置防空雷达于死地的新杀手。美海军计划在2010年底,将1 750枚AGM-88反辐射导弹改装为新型的AARGM。对我沿海野战机场威胁最大的舰载机“大黄蜂”飞机是安装AARGM的首选平台,这必将对我前沿机场以雷达为主的航管系统构成威胁。

1.2 隐身攻击平台可长驱直入

国外空军高层认为,2025～2030年之前,新一代空中隐身攻击平台和武器的出现将使地面雷达系统“不堪一击”,甚至使防空压制成为一种不是主要的作战使命。这种预测尽管有点危言耸听,但确实也反映了这样一个事实,即防空雷达面临的新杀手将更致命。

首先到2025～2030年,所有的非隐身飞机将被诸如F-22、F-35和B-52等大量的第5代隐身飞机所取代。到那时,防空武器制导雷达唯一能探测这些隐身飞机的只是部分低频段的远程预警雷达和地基控制的低频段截获雷达。而对这些雷达中的固定雷达也可以通过远程精导巡航导弹(JASSM)来摧毁。增程型“JASSM-ER”装备在B-1B,B-2,B-52和F-15,F-16上,可以飞近目标辐射源实施非致命性攻击。只要将这部分低频段的远程预警雷达致盲,诸如F-22、F-35和B-52等大量的第5代隐身飞机就可长驱直入。

1.3 隐身无人机载HPM武器将使航管系统瘫痪

目前设想的基于有源电扫相控阵(AESA)的机载高功率微波武器(HPM)最有可能首先装备到隐身无人战斗机上,其主要作战使命除了对抗巡航导弹、抗反辐射导弹外,还可悄悄逼近防空雷达和机场航管雷达等高价值目标,实施电子攻击。因为随着载机逼近目标雷达,HPM系统集中到目标的能量是以与目标间距的缩短成平方反比提升的,所以,实现上述机载HPM武器系统电子攻击的设想是完全可行的。基于AESA的HPM武器系统将成为联合无人空中打击系统载荷的一部分。

空军和海军将在未来10～15年内部署装备有超级干扰机和空地武器的隐身无人战斗机(UCAV)。所以,不久的将来对抗地面雷达和机场航管雷达等的主要武器不是GPS制导炸弹和导弹,而是装备HPM武器的隐身无人战斗机。

2 无源雷达提升了野战机场抗空中电子攻击的能力

为提高野战机场雷达航管系统对多模反辐射导弹、隐身平台和高能微波武器攻击下的抗毁性,北约等西方国家采取3种措施:一是给现有的航管系统构建雷达系统综合防护系统;二是采用伪装与机动;三是部署无源雷达,即用下一代技术构建无源航管系统。

其中,给机场雷达系统加装综合防护系统是抗AEA攻击的有效措施之一。例如,针对在第5代隐身攻击平台和无人机载高能定向武器尚未形成防空摧毁主体装备之前加装MMW有源寻的头的反辐射导弹的情况,要有效保护机场雷达,首先要构建针对MMW有源寻的头的告警和对抗系统。因为类似AARGM的反辐射导弹在进入对目标雷达致命杀伤距离时,为了防止目标雷达关机要启动MMW寻的头。信噪比很高的MMW信号被雷达阵地配备的MMW告警系统截获后,可连锁启动MMW干扰系统或启动其他对抗措施,破坏AARGM“识别系统”的工作、扰乱MMW寻的头的成像功能、干扰战斗数据链的工作,并扰乱“弹着点评估信息”的形成和传输等。同时还可在机场雷达一定距离上部署欺骗弹载“无源寻的头”(ARH)的有源欺骗干扰诱饵,将导弹引偏到安全区。

措施之二是利用低频雷达来探测空中隐身攻击平台。美国空军人士透露,“目前敌方防空系统中仅有部分工作在低频段的雷达才能发现F-22、F-35和B-2隐身飞机,所以应使用增程型 JASSM-ER导弹予以摧毁”。所以,低频雷达同样不安全,而只有无源雷达才有可能保留下来继续探测隐身目标。

目前国外更多的是利用无源雷达来探测隐身目标。例如:利用广播TV调频信号的非协同无源定位系统(沉默的哨兵);利用大气波导原理的超视距无源探测系统;英国利用多个移动通信基站对飞越顶空的隐身目标的探测,以及利用低频段远程预警雷达和无源探测系统组合来发现和跟踪隐身飞机等。

无源雷达的缺点是目标必须辐射电磁信号才能工作,对于完全保持无线电沉默的目标是无法探测的。但是,在现代高科技战争中,完全无线电沉默的飞机是难于完成任务的,即使机载火控雷达关机,通信、导航和指挥设备、敌我识别(IFF)设备、地形回避雷达、机载气象雷达、干扰设备等都难以同时长时间关机。只要目标有信号辐射,无源雷达就能快速确定出辐射源位置。

北约经验表明,部署基于多站TDOA定位体制的无源雷达是提升野战机场航管系统抗反辐射导弹攻击和加强对隐身平台探测能力的最有效措施。目前,北约等国的机场已部署基于无源雷达的“无源航管系统”。

3 无源雷达使航管系统功能更完善

目前,北约开始在所管辖的野战机场部署基于TDOA技术的多站空中目标定位跟踪系统,和原有的以二次雷达和IFF系统为主的航管和空情系统协同工作,大大提高了系统对空中目标的识别能力,并提高了机场抗反辐射攻击的能力。有的野战机场还完全采用无源航管系统取代原来的有源雷达航管系统。

3.1 用作航管系统的VERA无源雷达

目前被美国SRA国际公司全资收购的捷克ERA公司,为其盟友国家提供广泛用作“电子情报侦察系统”(ELINT)和电子侦察(ESM)系统的VERA-E系统。同时,在此基础上开发出“基于TDOA的多基线定位”核心技术的3种型号无源航管系统,分别应用于从飞机起飞至降落全过程的机场航管监视系统。

其中,VERA-AP远程多基线监视系统(如图1所示)通过对机载应答信号、IFF信号和数据链等信号的无源截收和定位,用于对机场上空和450 km范围的空情监视;“多基线3-D二次雷达”(P3D)系统对机场上空飞机进行精确定位,大大加强了原航管系统对空中目标的识别和定位跟踪能力;模式S机场表面监视系统能对地面飞机和车辆的运动情况以及其所在位置进行精确定位,大大提高了对机场地面机动目标的识别和调度能力。

图1 VERA-AP远程多基线监视系统对机载二次雷达应答信号定位示意图

这种系统既不是传统意义上的雷达系统,也不是传统意义上的电子侦察系统,而是在电子侦察系统基础上结合雷达的“点迹相关”和“航迹跟踪”等技术发展起来的新型对空情报探测手段。它通过截获和处理目标的电磁信号,对空中目标进行实时探测、识别和定位跟踪,直接作为防空情报源使用,提供了对有源雷达的互补性。

3.2 无源航管系统比二次雷达具有更多优点

无源航管系统与二次航管雷达相比,有其优点:

(1)不存在目标识别模糊,目标发出的应答信号被多个接收站接收,在测得时间差的同时,将目标发出的信息解码,得到目标的识别信息。相比之下,航管二次雷达只用1个接收机接收目标信息;

(2)定位精度高,目前二次雷达采用笔状波束,测角精度为0.05°,距离测量精度为30 m(450 km内),二次雷达的测距精度高,但方位误差随着距离的增大导致目标位置误差急速增大,而无源航管系统采用时差测量,方位精度优于0.03°,位置误差随距离的增大而缓慢增加;

(3)数据更新率高,无源航管系统的全向天线,超外差接收机时刻都在接收全空域信号,数据率同天线的转速无关,只同应答信号的发射周期关联;

(4)不需要高精度的方位校准;

(5)目标盲区小,二次雷达单站发射,接收目标信号易受地形遮蔽的影响,而无源航管系统的多站分布式系统大大降低了信号遮蔽的概率。

3.3 基于无源雷达的无源航管系统一般配置

美国SRA公司采用原捷克ERA公司的基于多站TDOA定位技术的VERA系列无源航管系统和其它机场航管设备构成了下一代机场监视与飞行跟踪系统“多站和自动独立监视广播系统”。在此系统中,一般采用5个接收站和1个中心处理站。每个接收站由二次全向接收天线、接收机、通信设备和数据链构成。接收站将应答信号通过天线接收后处理成视频信号送到中心处理站,中心处理站中的测量单元完成信号检测、信号到达时间测量和信号解码工作,并将处理数据送目标处理单元,完成信号识别和目标跟踪。

4 无源航管系统的核心技术

4.1 长基线时差定位原理

采用长基线时差定位技术构成的两坐标或三坐标测量体制(如图2所示)对空中、地面或海上目标的辐射源进行定位、识别和跟踪,这些辐射源包括雷达、干扰机、二次雷达/敌我识别应答信号、塔康/测距仪问答信号和联合战术信息分发系统(JTIDS)的通信信号等。

长基线时差定位的原理是:利用两站的长基线系统测出目标信号的1条双曲线轨迹,再利用一旋转天线的指向与双曲线相交定出目标位置。当辐射源辐射的脉冲分别被3个站截获时,左、右站接收的脉冲再传到中站,与中站相比接收脉冲的时间差分别为:

上述两方程分别对应2条曲线,其交点即为目标位置。

图2 无源雷达三坐标定位体制原理图

这种系统要解决的关键技术是:多目标及多径干扰情况下的信号分选脉冲配对;高精度的时差测量;目标识别数据库及电磁信号参数的准确测量;对多目标实时跟踪和航迹形成技术。

同时,对于不同频段的信号,无源系统采用不同的天线形式与极化。例如,对二次雷达和塔康为扁平(二坐标时)或无方向性的垂直极化天线;(1～2,2～4)GHz为锥形螺旋圆极化天线;(4～8,8～18)GHz为喇叭斜极化天线;(0.1～1)GHz为1组振子天线。

4.2 时差测量方式选择与脉冲配对技术

转发方式是时差定位体制无源多站系统采用的较为普遍的方法,它将某个接收站的信号通过固定信道转发到处理中心,信号传输的时间延迟是固定的,可以进行标定,并在系统中消除。转发方式将不必进行各站间的时统校对而将测量转化到单站的时间测量,巧妙地回避了时间同步问题。

要确保将各站接收机接收到的来自同一辐射源的同一个脉冲的信号在处理中心进行到达时间差处理,其关键是进行准确的“脉冲配对”处理。具体地说,就是给接收到的来自同一辐射源的信号一个信号预处理时标,然后通过数据链发至信号处理中心(CSP),通过软件对脉冲配对进行时间补偿。

4.3 二次应答信号目标识别技术

由于无源雷达自身不发射信号,仅靠接收目标信号进行定位,因此对于基于无源雷达的航管系统来说,如何识别出A/C码是目标识别的关键。

对二次应答信号的识别要根据其应答模式、框架脉冲、信息脉冲及代码名称等不同特点来判断。其中,应答模式分为2种:A模式,应答识别和监视,共有4 096个有效代码;C模式,应答气压高度报告,共有2 048个有效代码。应答码既可以表示识别,也可以表示高度,具体由询问模式而定。

框架脉冲:应答功能将使用1个包含2个框架脉冲的信号作为最基本的代码,框架脉冲间隔为20.3 μ s。

信息脉冲:信息脉冲从第1个框架脉冲开始以1.45μ s为增量间隔,所有的应答脉冲宽度都为0.45 μ s±0.1 μ s,信息脉冲的标志和位置如图 3所示。

图3 A/C模式的应答脉冲序列

特殊位置脉冲SPI仅是人工(飞行员)选择的结果,SPI脉冲在A模式应答的最后一个框架脉冲以4.35 μ s 间隔发射 。

代码名称:识别信息码从高位到低位的排列顺序为:A1A2A4 B1B2B4 C1C2C4 D1D2D4;高度信息码从高位到低位的排列顺序为:D1D2D4 A1A2A4 B1B2B4 C1C2C4。

二次应答信号经过接收机输出应答编码信号,根据框架脉冲可以对应答信号进行解码,但是由于A/C码的框架脉冲格式是相同的,信号脉冲的标志和位置也是相同的。对于无源定位系统来说,接收到A/C应答码后,无法知道是高度码还是识别码。

也可以利用A/C码产生的特定点采用排除法对A/C码进行判别,顺序如下:

(1)将信息码按照A1A2A4 B1B2B4 C1C2C4 D1D2D4的顺序排列。

(2)接收到特殊编码7700,7600,7500代表危急信息,不作为识别码,也不作为高度码。

(3)判别在框架脉冲后是否有SPI脉冲,有则是识别码;没有可能是高度码,也可能是识别码。

(4)根据高度编码规则,当D1为1时,对应的高度大于100 000英尺(约30 000 m),目前的民航飞机还达不到此海拔高度,所以,D1必须为0。因此,接收到的信息码D组为1,3,5,7,是识别码;0,2,4,6可能是高度码,也可能是识别码。在实际应用中,综合来看D组为1,2,3,5,6,7,是识别码,0,4可能是高度码,也可能是识别码。

(5)在高度编码中,C组码是“5周期循环码”,连续递增5次,标准循环码递增1次,因而在高度码中,接收到的信息码C组尾数为1,2,3,4,6,可能是高度码,也可能是识别码,即说明信息码C组为0,5,7时是识别码。通过这样的方式,A/C码的判别准确率为90%。

5 结束语

面对隐身飞机、多模反辐射导弹和高能定向武器的出现和投入使用,野战机场航管雷达面临被猎杀的挑战是严峻的。基于多站 TDOA定位技术的无源雷达能使原有源雷达航管系统功能更完善,并能和地面询问系统配合使用,还能独立构成无源航管系统。这是一项新兴系统工程,应加大研发力度,使之成为提升我野战机场抗空中电子攻击能力的实战性装备。

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