艦載相控陣雷達對空搜索方位上的資源分配研究*

郭萬海 邵曉方 滕 俊

(1.海軍大連艦艇學院信息作戰系 大連 116018)(2.海司軍訓部 北京 100036)

艦載相控陣雷達對空搜索方位上的資源分配研究*

郭萬海1邵曉方1滕 俊2

(1.海軍大連艦艇學院信息作戰系 大連 116018)(2.海司軍訓部 北京 100036)

針對艦載相控陣雷達對空搜索的特點和規律,分析了影響艦載相控陣雷達對空搜索方位上資源分配的因素,建立了對空搜索時方位上資源分配的數學模型,給出了艦載相控陣雷達在防空作戰中方位上搜索時的資源分配方法,對艦載相控陣雷達的作戰使用具有一定的指導意義。

艦載相控陣雷達; 對空搜索; 方位; 資源分配

Class Number TN95

1 引言

艦載相控陣雷達具有天線波束快速掃描、波束形狀可變、空間功率合成等技術特點,因而可實現多種功能。除可完成搜索、目標截獲和多目標跟蹤外,還可在某些重點方向上增加信號能量,實現某一方位上的重點搜索[1]。因此,為了合理運用艦載相控陣雷達的對空搜索資源,實現對目標的及時發現、準確發現和最遠發現,就必須使艦載相控陣雷達對空搜索時方位上的資源進行分配。

本文通過對方位搜索扇面的戰術分析,提出一種最優化的分區搜索算法。把整個警戒空域分為較小的區域,分析各區域平均發現一個目標消耗的雷達資源和目標被發現的平均時間同搜索幀周期以及目標強度的內在關系;并研究在雷達時間資源有限和區域重要性加權的約束條件下,使目標被發現的平均時間最小的區域最優幀周期。從而實現了在使目標被發現的平均最小的準則下的相控陣雷達對空搜索方位上的最優資源分配。

2 方位搜索扇面的戰術分析

2.1 傳統導彈多方向攻擊

在傳統的導彈戰法中,大多強調導彈艦艇實施多方向攻擊,也就是說利用艦艇機動形成對敵攻擊的多方向,使導彈從不同方向飛臨目標,造成目標抗擊的困難。而在當今高透明度的海上戰場和中遠程反艦導彈嚴重威脅的情況下,依靠艦艇機動來實現多方向攻擊已十分困難。即使是采用飛機進行多方向攻擊,為了保證攻擊的突然性以及攻擊兵力的安全,多方向攻擊也難以做到全方位,多方向的攻擊的扇面通常限制在120°的范圍內。

2.2 機動彈道導彈的多方向攻擊

機動彈道導彈實現了導彈火力機動代替了艦艇兵力機動。其工作過程如下:根據預定的攻擊方案,發射前給每枚導彈裝訂飛行轉向點和轉角。發射后,導彈按第一個航向飛行。到達第一個轉向點后,按預定轉角轉向第二個航向。如果設定了多個轉向點,則可以依次轉向。這樣,利用導彈飛行中的轉向功能,實現真正意義上的導彈火力機動,形成多方向攻擊。同時,可以實現導彈艦艇依托島礁隱蔽攻擊,利用導彈的航向控制功能,繞過島礁等障礙物。由此,反艦導彈攻擊樣式的定義,不再是導彈攻擊時的導彈艦艇兵力的配置,而是導彈飛臨目標時的方向數的多少。從一個方向飛臨目標,則稱單方向攻擊;從兩個以上方向飛臨目標,則稱多方向攻擊。如果飛臨目標的導彈的方向間的總夾角超過180°,可稱之為全向攻擊,或全方位攻擊。根據水面艦艇對空防御能力分析,若能實現反艦導彈的全方位攻擊,就可以使用較少的導彈來達到飽和攻擊的目的,大大增強導彈的突防能力。俄羅斯的“馬斯基特”、美國的“戰斧”與“捕鯨叉”、瑞典的RBS-15導彈等,都采用了機動彈道控制技術[2]。

從上述分析可以看出,隨著海戰場的透明度的增加,來襲導彈通過艦艇機動實現多方向攻擊時,其攻擊的扇面將會受到很大的限制;當采用火力機動來實現多方向攻擊時,其對艦艇的威脅比較大,對雷達的扇面搜索也提出了更高的要求。

3 方位上資源的戰術優化

3.1 方位最優搜索算法的確定

對于各區域,目標被發現的時間包括兩部分:目標出現時刻到下一幀搜索時刻的時間和沒有被發現而需要等待n個幀周期(n為非負整數)的時間。由泊松流的假設知,如果已知在(0,Tsi)內有新目標出現,則新目標出現的時間均勻分布于(0,Tsi)內。那么，目標出現時刻到緊接一幀搜索時刻的平均時間為

(1)

則目標被發現的平均時間[4]為

=(1/pdi-1/2)·Tsi

(2)

(3)

Ei/(λiTsi)=Ei/λi(1/pdi-1/2)

(4)

圖與pdi關系圖

由以上的分析和圖1可得到結論:

綜上所述,各區域平均發現一個目標所消耗的雷達資源與搜索一幀消耗的雷達資源、搜索幀周期和目標強度有關,搜索幀周期是決定平均發現一個目標消耗的雷達資源的重要因素,并決定著目標被發現的平均時間?？梢娫趦灮走_搜索算法時,首先,必須采用最優的方法使各區域搜索一幀消耗的雷達資源最少,然后,采用最佳的搜索幀周期,即在目標強度大的區域采用較小的幀周期,在目標強度小的區域采用較大的幀周期,實現雷達資源在各區域的最優分配,從而達到使目標被發現的平均時間最小的目的。

3.2 方位最優搜索幀周期的確定

當整個警戒空域目標環境、目標強度、警戒空域的重要性等條件不均勻時,在雷達資源有限的條件下,為了合理利用雷達資源,使目標被發現的平均時間最小,應該對目標強度和重要性大的區域采用較小的搜索幀周期,即分配較多的雷達資源,而對目標強度和重要性小的區域采用較大的搜索幀周期[5]。因此,本節將研究使目標被發現的平均時間最小時,在區域重要性加權條件下受雷達時間資源約束的區域最優幀周期。

根據上述假設,為了表示各個空域的不同重要性,我們給各區域的目標設置不同的加權系數ωi,加權系數以最小值1為基準,一般空域為1,重要的空域視其相對一般空域的重要性賦予大于1的加權系數,可知新目標被發現的平均時間[4]為

(5)

則“加權平均時間”為

(6)

(7)

(8)

根據上文提出的最優幀周期進行搜索時,把最優幀周期代入式(5),可得最優搜索性能,即目標被發現的最小平均時間為

(9)

根據柯西-許瓦茲不等式可得:

(10)

可見各區域的最優搜索幀周期與各區域的目標強度、各區域搜索一幀所消耗的雷達時間、各區域的加權系數有關。在式(7)中,當各區域檢測概率相同時,加權系數和目標強度越大、搜索一幀所消耗的雷達時間越小的空域幀周期越短;當各區域檢測概率不相同時,檢測概率越小的區域幀周期越小。

由目標被發現的平均時間與搜索周期關系可知:目標被發現的平均時間同各區域的檢測概率、目標強度、搜索一幀消耗的雷達時間以及個空域的加權系數有關,這些參數的不同分布決定著目標被發現的平均時間也不同。

4 結語

當艦載相控陣雷達進行對空搜索時,除了要靈活控制脈沖重復周期、總脈沖積累數、能量和脈沖寬度等參數外,還必須注意將具體的戰術與雷達的技術特點相結合,只有這樣才能得到最優的搜索結果。本文提出在方位上搜索時的資源分配方法可以使相控陣雷達豐富的資源得到有效的利用,從而提高艦載相控陣雷達在防空作戰中的作戰效能。

[1] 張光義.相控陣雷達系統[M].北京:國防工業出版社,2001:72-77.

[2] 徐品高.防空導彈體系總體設計[M].北京:宇航出版社,1996:35-41.

[3] 盧建斌,胡衛東,郁文賢.相控陣雷達資源受限時最優搜索性能研究[J].系統工程與電子技術,2004,5(10):1388-1390.

[4] 盧建斌,胡衛東,郁文賢.多功能相控雷達實時駐留的自適應調度算法[J].系統工程與電子技術,2005(12):1981-1987.

[5] 徐斌,楊晨陽,李少洪,等.相控陣雷達的最優分區搜索算法[J].電子學報,2000(12):69-73.

[6] 徐斌,楊晨陽,李少洪,等.相控陣雷達中的自適應搜索研究[J].電子學報,2001(12):1719-1722.

[7] 周穎,王雪松,王國玉,等.相控陣雷達最優搜索隨機規劃研究[J].現代雷達,2005(4):60-63.

[8] 周穎,王雪松,王國玉,等.相控陣雷達最優波位編排的邊界約束算法研究[J].電子學報,2004(6):997-1000.

[9] 周穎,施龍飛,陳明輝,等.密集干擾環境下相控陣雷達資源管理優化研究[J].電子學報,2005(6):999-1003.

[10] 張伯彥,蔡慶宇.相控陣雷達的計算機控制技術[J].系統工程與電子技術,1999(1):45-49.

Resource Management in Different Direction of Shipborne Phased Array Radar

GUO Wanhai1SHAO Xiaofang1TENG Jun1

(1. Department of Information Operation, Dalian Naval Academy, Dalian 116018) (2. Department of Operation and Training, Navy Command, Beijing 100036)

According to the traits and regulations of ship borne phased array radar in air defense, the main factors influencing the resource management are analyzed, the mathematic model of resource management in different direction is established, the shipborne phased arry radar in air defense combat direction search method for resource management is given, which has certain guiding significance in the shipborne phased arry radar combat.

ship borne phased array radar, air defense, direction, resource management

2014年4月13日,

2014年5月31日

郭萬海,男,博士,教授,博士生導師,研究方向:水面艦艇作戰指揮系統與指揮自動化。

TN95

10.3969/j.issn1672-9730.2014.10.021