多机有源无源协同探测及精度分析*

李其虎,王 颖,商开拴

(中国电子科学研究院, 北京 100041)

0 引言

随着科学技术的发展,单一空基平台因自平台的载荷资源能力有限以及所携带传感器能力限制,提供的探测信息已不能满足现代体系化作战的需求。综合利用多平台获取的多维度探测信息,通过机间数据链对不同空基平台获取的信息进行融合,是实现功能互补、效能倍增,提高协同作战整体效能的重要途径。目前研究较多的空基多平台协同探测主要集中在基于多机的有源协同探测和无源协同侦察[1-3]。利用多机有源雷达协同组网方式进行有源探测,虽能够扩大探测范围,提高探测精度,但易被对方电子侦察设备和反辐射武器攻击[4-6]。采用多机协同无源探测方式进行侦察,虽能够获得更远的侦察距离,且不易被对方侦察截获,但多机无源协同侦察精度难以满足武器平台对目标的火力打击要求[7-9]。

文中综合利用多机有源协同探测精度高,无源协同侦察距离远和范围广优势,设计了多机有源无源协同工作流程,并对协同探测精度进行了仿真分析。理论仿真结果表明，文中所设计的多机有源无源协同探测方式不仅有探测精度高、作用距离远优点,同时具备良好隐蔽性。

1 协同工作流程

多机协同工作场景设定为由3架执勤飞机共同组建成执勤编队,充分利用不同平台在空间上能够快速形成多变进攻或防御的特点来弥补单机在预警探测、突击防御以及精确打击等作战能力的不足。编队中每架飞机根据预先的作战任务筹划,在统一的作战任务指挥下,进行协同侦察与探测,并将侦察探测结果通过战术数据链上报指挥中心,为武器平台的火力打击提供精确的情报支援。

图1为多机协同工作的几何示意图。多机协同工作一般仅需3～4架飞机构成空中编队对预先规划侦察区域实时协同侦察探测。为不失一般性,文中按照3架飞机开展协同工作流程设计,其中一架飞机为中心站,其余作为副站。为便于描述,中心站由一架预警机担任,两架副站分别由一架战斗机和一架干扰机担任。首先3架飞机按照在预先任务规划中设置的编队参数和航线规划对指定区域利用无源侦察的隐蔽性和探测距离远等优势进行无源协同侦察,该阶段侦察方式属于常规侦察工作模式。当侦察截获到目标信号后,利用3机时差定位方式对辐射源进行初步目标定位和参数测量,判断目标平台类型和威胁等级,并将分析结果上报指挥中心。当需要进一步确定对方精确坐标位置时,此时中心站将系统切换至跟踪工作模式。由于当前目标位置已经初步确定,编队中带有有源探测手段的空基平台,利用已粗定位的目标位置牵引本机雷达对指定方向和指定区域开展短时猝发目标探测。由于该短时猝发探测时间短,脉冲数量少,因此该探测方式将不易被对方电子侦察设备截获和目标位置锁定。同时,根据战场环境需要,另一架担任副站的干扰机可通过无源侦察获取的目标参数信息,选择有效的电子干扰措施,随队支援己方编队对目标进行火力打击。最后由协同编队对毁伤效果进行评估,并将评估结果上报指挥中心。图2为多机协同工作时序图。

图1 多机协同工作几何示意图

图2 多机协同工作时序图

2 协同探测理论

2.1 时差定位

根据空基运动平台的特点,综合考虑定位算法受平台站址误差、参数测量精度等观测平台参数的影响,文中多平台协同工作采用多机时差定位体制进行无源协同侦察。根据双曲线理论,当已知两个坐标的观测平台侦收到同一目标信号的时间差,可以推算出该目标辐射源是在以这两个观测平台为焦点的双曲线上。因此当利用3个已知坐标观测平台侦收到同一个辐射源信号的达到时间差可以确定两组双曲线,两组双曲线的交点必为辐射源目标坐标点。由于两组双曲线交点不唯一,存在模糊点,再利用观测站的测向信息消除虚假定位点,即可确认辐射源的真实位置。

当辐射源相对于观测平台位置为远场环境时,目标辐射源的高度远小于目标辐射源与观测平台之间的距离,因此可以认为目标与侦察站在同一水平面。为简化计算,不妨假设将坐标系选在中心站上,副站和目标均在同一个平面XOY内。

设辐射源的坐标为(xT,yT),中心站的坐标为(x0,y0),副站的坐标分别为(x1,y1)和(x2,y2)。辐射源到中心站和副站的距离分别为r0、r1和r2,则可得到时差定位方程:

(1)

式中:Δti为不同观测平台截获到辐射源信号的时间差值,改写式(1)得:

(x-xi)x+(y-yi)y+(z-zi)z=ki+r0Δri

(2)

(3)

将式(2)改写为矩阵方式:

AX=C

(4)

(5)

(6)

(7)

对式(2)求解可得辐射源的位置为:

X=(ATA)-1ATC

2.2 有源探测

有源探测对目标定位原理是通过向空间发射带有一定特征波形的射频信号,通过分析收到的发射波回波信号，计算目标相对于发射平台的直线距离,再利用已知发射波形的发射角,对目标位置进行探测定位[10]。

为定量描述有源探测定位,假设发射波形的发射角度为α,通过对目标回波信号的解算得出目标相对发射平台的距离为d,则易得出探测到的目标坐标位置(x,y)为:

(8)

由于有源探测信号的发射方向是由通过无源侦察的粗定位结果进行引导,因此对目标的测向精度能力有限,但对探测回波信号处理,可以获得良好的测距能力。

2.3 协同探测

文中所描述的多机协同有源无源协同探测方式是指多机无源时差定位体制结合短时方向性有源探测方式的综合探测模式。为对所构建的协同探测方式精度进行定量分析,假设辐射源的实际位置为ST=(x,y)。由于两种侦察探测方式均相互独立,不妨再设多机时差定位方式获取的目标位置为S1,有源探测方式获取的目标位置为S2,ΔS1和ΔS2分别为两种方式的定位误差,且相互独立。同时为便于量化分析,假设两种定位方式的定位误差都服从零均值高斯分布,则有:

ΔS1=ST-S1

(9)

ΔS2=ST-S2

(10)

E{ΔS1}=0

(11)

E{ΔS2}=0

(12)

由概率统计学理论可知,两个随机变量的总体误差大小可由这两个变量的协方差表示。因此,此处采用协方差矩阵对不同侦察探测方式的定位性能进行定量分析。不失一般性,设C1为多机协同无源侦察方式协方差矩阵,C2为短时方向性有源探测方式协方差矩阵。C为两种侦察探测方式协同协方差矩阵,则有:

(13)

(14)

(15)

综上所述,采用多机有源无源协同探测方式获取的目标定位误差协方差矩阵可表述为:

(16)

3 实验仿真与精度分析

为对文中所提出的多机有源无源协同探测性能进行定量分析,基于上述协同探测理论,分别对3机无源时差定位性能、短时方向性有源探测定位性能以及多机有源无源协同探测定位性能进行了仿真计算。按照文中所述的多机协同工作典型阵位构型。两座副站与中心站之间的相互夹角为90°,两座副站与中心站之间的相互距离为40 km,时差测量精度为30 ns。采用三站时差定位获得的目标定位距离误差分布CEP曲线如图3所示。

图3 协同无源时差定位精度误差CEP(km)

通过图3所示的仿真曲线不难看出,按照上述的布站方式、时差测量精度条件,目标位置定位误差值会随着侦察距离变远而逐渐变大。当目标距离大于400 km时,定位距离误差精度已低于1%R。因此,仅依靠现有条件下无源时差定位精度,不能满足系统对目标打击需求。

为定量分析短时方向性有源探测定位误差精度,设测向精度为0.8°,测距精度为50 m。有源干扰探测方式的误差距离曲线如图4,由于有源探测的本质属性,因此该方式下的目标定位误差距离CEP曲线图为圆。

图4 短时方向性有源探测精度误差CEP(km)

为对有源无源协同探测性能进行定量分析,在同一剖面下仿真分析多机协同探测相对单一工作模式距离误差变化情况。多机协同无源侦察采用的时差定位布阵方式、时差测量精度、基线长度以及有源探测的测向精度和测距精度都与单一工作模式相同。图5为根据协同探测理论仿真得到的协同探测的误差距离曲线。图5所示的理论仿真结果表明：采用多机时差定位联合短时方向性有源探测方式对目标进行协同探测,可以大幅度提高对探测目标的定位精度,对于探测区域内的多数范围内的目标位置误差精度不超多0.025%R。且采用该方式对监视区域范围内的目标进行协同探测时,目标位置精度不会随目标距离的变远而恶化。

图5 协同探测精度误差CEP(km)

综合理论仿真结果表明,采用文中所述的多机有源无源协同侦察方式在探测距离和探测目标精度均优于单一模式的侦察和探测方式。可以较好的满足协同平台对目标打击时的位置精度需求。

4 结论

针对空基单平台、单手段侦察与探测能力的不足,以未来战场环境对空基平台能力需求为牵引,以满足未来体系化作战的能力需求为导向,构建了一种基于多机协同工作场景,对多机协同侦察、截获、识别、探测、打击和评估流程进行了详细阐述。为定量分析多机协同探测方式的效能,对多机有源无源协同探测的理论进行数学建模,并对模型进行了理论仿真和精度分析。研究表明文中所述的多机有源无源协同探测方式不仅可以大幅度提高对目标位置的探测精度和探测距离,很好地满足了武器平台对目标位置精度的需求,而且具备良好的隐蔽性,为基于该工作模式的多机协同探测工程化应用提供理论基础。