敵我識別系統與一次雷達融合的一種設計方法

李 翔,張莉萍

(船舶重工集團公司723所,揚州 225001)

0 引 言

1 IFF系統組成及工作原理

IFF系統是通過各種可利用的技術和手段,結合通用或專用平臺裝備,在作戰所需的時空范圍內,對目標的敵我屬性進行判別和確認。目前最常用的一種類型是協作式敵我識別系統,它采用識別方與被識別目標之間相互配合獲取敵我屬性信息的工作方式。其優點在于識別過程簡單、準確性高、可有效防止敵方對我方密碼的破譯和利用。本文所討論的IFF系統都是此種類型,其工作原理如圖1所示。

此系統主要是由詢問機和應答機兩部分組成。詢問機由詢問天線、固態功放、調制器、接收機、信號處理器、視頻處理器、1 030 MHz本振等組成。應答機由應答天線、固態功放、調制器、接收機、視頻處理器、編解碼器、1 090 MHz本振等組成。

圖1 協作式IFF系統工作原理圖

系統工作時,由地面(或艦載)詢問機天線向待識別目標(飛機或艦船)發射經過加密的詢問脈沖信號(頻率1 030 MHz),目標的應答機接收后通過解碼器判斷并確認該詢問信號,然后以對應模式通過全向天線發射約定的應答脈沖信號(頻率1 090 MHz),該應答信號被地面天線系統接收到以后送往視頻和信號處理器,對信號進行處理從而獲取相應的信息,最終的結果在顯示屏上顯示出來。

2 IFF系統和一次雷達的區別與聯系

一次雷達依靠目標對雷達發射的電磁波的反射作用工作,因此它最大的優點是可以主動發現目標并且定位,只要目標表面能夠發射電磁波就可以了,不需要目標攜帶任何專門的設備。它的缺點是:會同時接收到來自天空、地面的虛假目標的反射,例如雨滴、大地甚至鳥類等等,這些不相關的反射雜波會影響系統辨別真正的目標。

IFF系統采用和一次雷達一樣的手段,也是以射頻頻率發射一系列的脈沖串,但是工作方式卻截然不同,它是在地面站和目標應答器的配合下,采用問答方式工作的,它必須經過2次有源輻射電磁波信號(詢問與應答各一次)才能完成應有的功能,這是兩者之間最根本的區別。由于應答器的配合,IFF系統具有一次雷達所沒有的許多優點:

(1)IFF系統的詢問距離僅與發射功率的平方根成正比,因此在達到規定作用距離時,發射功率比一次雷達小得多;同樣由于信號的單程傳輸,應答回波比一次雷達反射回波強度大得多;

(2)由于IFF系統詢問射頻1 030 MHz與應答射頻1 090 MHz兩者射頻波長不等,從而消除了地物雜波、氣象雜波和仙波的干擾;

(3)IFF系統的回波與目標有效發射面積無關,因此也就無目標閃爍現象;

式中:表示對第m-1幀純凈語音的功率譜估計,表示對第m-1幀的噪聲功率譜估計。α為調節系數,它的選取至關重要,其取值越接近1對“音樂噪聲”的抑制效果越好,但是會造成比較大的語音失真,α取值0.95～0.99時效果較佳[6],max函數返回兩個參數的最大值,SNRpost(m,k)表示后驗信噪比,定義后驗信噪比為:

(4)能利用編碼信號交換豐富的信息(當飛機發生故障、通信系統失靈或遇到劫持時,能提供危急告警信息);

(5)IFF系統可以提供精度更高的高度和方位信息。

然而,應答機的使用使得IFF系統在獲得優勢的同時,也限制了其使用范圍,因為它要求目標必須安裝應答機。為彌補該缺點,可以將IFF系統與一次雷達配合使用,充分發揮各自優勢,互相補充。

3 一種IFF系統與一次雷達融合的設計方法

通常將IFF系統與一次雷達配合使用的方法是由一次雷達對目標進行探測與定位,而由IFF系統提供此目標的更多信息。這種情況下,IFF系統和一次雷達在硬件結構上不相關聯,有各自的操控單元、供電系統和顯示屏等,兩者作為獨立的2套設備單獨使用,完成各自任務,僅僅是利用電纜連接進行相關數據的信息交換。

下面介紹的一種新方法是將IFF系統融合到一次雷達當中,IFF系統作為整個雷達系統的一部分,聯合完成目標敵我識別屬性判斷的功能。

此方法的總體設計思路是采用寄生詢問天線,敵我屬性判斷功能由雷達情報處理單元統一考慮,IFF系統的硬件結構納入雷達整體設計,電源供電也由雷達配電箱統一分配。其IFF系統的主要組成為應答機天線、詢問機天線、旋轉關節、詢問/應答機和遙控顯示單元,布置圖如圖2所示,虛線部分與雷達融合共用。

圖2 IFF系統布置圖

應答機天線為垂直振子天線,天線方向圖在方位面近似無方向性,它接收1 030 MHz的詢問信號,發射1 090 MHz的應答信號。

詢問機天線為一輕型高強度的陣列系統,有2個饋電端口,其中和端口饋電使天線產生和方向圖,差端口饋電使天線產生差方向圖,前者用于發射1 030 MHz的詢問信號和接收1 090 MHz的應答信號,后者用于發射1 030 MHz的控制信號。此天線安裝在雷達天線背面,背靠背安裝,方位上相差180°,與雷達天線同步旋轉。

詢問天線的和差通道旋轉關節寄生在雷達的饋線系統中,與雷達共用,為三通道旋轉關節,分別傳送雷達信號、詢問和信號、詢問差信號。

詢問/應答機是將原IFF系統中獨立的詢問機和應答機合并為一個機柜,完成IFF系統詢問與應答的信號處理功能,內含詢問收發機、應答機、視頻信號處理、應答信號處理和電源等模塊。

遙控顯示單元與雷達綜合控制臺相融合,遙控分為詢問機和應答機兩部分,寄生在雷達的綜合控制臺上,完成控制詢問機的加電、工作方式選擇、詢問的開關、應答處理機自測試及模式、應答信息指示和故障信息指示等各種相關功能,部分IFF系統的狀態、指示等信息則在雷達情報顯示器內顯示。

IFF系統和一次雷達之間的接口,一方面,由于IFF整體功耗不大,一次雷達直接從其配電系統提供一路220 V交流電源給 IFF系統供電;另一方面,除了主脈沖和方位增量等少數必要信號通過電纜直接互連以外,兩者之間其他的各種控制命令和交互信息均通過公共網絡進行傳輸。

通信網絡采用建立在IEEE802.3標準之上的通用TCP/IP通信協議,通信各節點采用C類IP地址。網絡的物理拓撲結構是以網絡交換機為中心的星型拓撲結構。上網設備配置雙以太網接口,通過交換機構成雙冗余網絡。采用網絡雙冗余設計可以使網絡在局部故障或受損時,系統不至于癱瘓失效,提高系統可靠性。每個設備和交換機之間的網絡均為2路,互為備份,各網絡節點可動態監測雙網的運行情況,當一路網絡出現故障時,自動切換到另一路進行數據傳輸。雙冗余切換原理如圖3所示。

圖3 雙冗余切換原理示意圖

交換機A和交換機B互聯,且同時工作。節點1和節點2分別采用兩通道a、b與交換機A和交換機B互聯。在同一時刻,只有一個通道處于運行狀態,另一個通道處于后備狀態。雙冗余切換在底層設備驅動程序中實現,對網絡層級以上各層,冗余切換時完全透明。

整個系統工作時,雷達向IFF系統提供超前的觸發脈沖和控制命令,而IFF系統則將識別標志視頻送給雷達情報處理單元進行數據融合,聯合完成目標敵我識別屬性判斷,最終與雷達情報相結合,在顯示屏上進行綜合顯示。

這種設計方法的新穎之處在于將IFF系統與一次雷達融合設計,一方面,硬件結構上將兩者視為整體考慮,供電統一分配,IFF系統的詢問天線與雷達天線寄生,旋轉關節共用,遙控顯示單元也融合在一個綜合控制臺上,統一控制、綜合顯示;另一方面,使用網絡功能統一了數據格式,所有數據都是根據網絡報文和接口協議,利用公共網絡進行傳輸和信息交換,在免去了各種格式轉換電路的同時也大大提高了信息交換的速度。這樣的設計使得整個雷達系統在實現更多功能的基礎上結構更精簡,操控更方便,穩定性和可靠性也更高。

4 結束語

在未來更加復雜的信息化戰場,快速、準確、實時、可靠地完成目標敵我屬性識別將會成為取得戰爭勝利更重要的因素,敵我識別問題日益迫切。只有積極地研究與應用敵我識別系統,才能在未來的戰爭中取得先機。

[1]張尉.二次雷達原理[M].北京:國防工業出版社,2009.

[2]錢眺.IFF信號的分析與識別研究[M].南京:南京信息工程大學,2008.