艦載搜索雷達組網體系研究

顧 兵，史厚寶，張 放

（船舶重工集團公司723所，揚州225001）

0 引 言

雷達組網可以實現系統內的情報資源共享，完成對每個雷達的實時指揮控制，增加了實戰的可靠性，在戰場上構成了全方位、立體化和多層次的戰斗體系，大大提高了防空能力，能有效對付各種平臺武器的攻擊，從而有效保護了被攻擊的目標，提高了目標的生存能力。對于艦載搜索雷達，其主要任務是對空、對海警戒以及反導搜索，對導彈、飛機以及海面目標進行全方位搜索、錄取處理，并將回波視頻信號、錄取的目標點跡數據或航跡信息傳送給指揮系統。通過對艦載搜索雷達進行編隊組網探測，能夠在雷達探測距離、抗低空突防、反隱身等能力上較單艦雷達有較大的改善，提高艦載搜索雷達覆蓋區的探測數據率，擴大有效搜索范圍，提升近程防御能力和生存能力。另外，隨著航母編隊戰斗群的形成，通過艦載搜索雷達組網可以形成編隊探測能力，有效增大近程探測防御范圍和精度，減少目標指示反應時間，提高近程武器系統反導、反低空小目標突防的能力，對整個航母戰斗群的生存起著至關重要的作用。

本文對艦載搜索雷達組網體系進行了研究，對組網雷達的布站形式，以及針對不同作戰任務條件下雷達組網布站的效能進行了仿真計算，從仿真結果可以看出組網使雷達探測概率和探測精度等有了極大的提高。本文研究結果對搜索雷達組網具有實際的應用價值。

1 艦載搜索雷達組網布站

1.1 布站流程

為了對雷達進行有效部署，首先要了解作戰環境，確定主要的防護區域；然后對目前雷達部署情況進行效能評估，判斷其是否滿足作戰需求。如果目前雷達部署情況能夠滿足作戰需求，則無需對雷達進行調動；否則，進行優化布站，使雷達網滿足作戰要求。整個組網流程如圖1所示［1］。

作戰環境包括戰時的地理環境（氣候、地形、海況等）和戰斗環境（敵我雙方的位置分布、裝備狀況等）。確定防護的區域包括確定防護區域（高空、中空、低空、對海）和確定重點防護方向（敵方最有可能襲擊的方向）等。效能評估包括探測概率、探測精度、覆蓋率、重點區域的冗余度、抗干擾、抗低空突襲、反隱身、反輻射導彈等的評估。優化布站可以根據一定的任務剖面（例如基于探測概率、基于探測精度、基于反隱身等），當然也可以綜合考慮所有的任務剖面，將優化布站定義為各個任務剖面的函數，建立適當的數學模型，利用一些優化算法（遺傳算法、粒子群算法等）進行求解得到最優的布站模式［2］。

1.2 組網布站形式

雷達組網對網內雷達進行合理的部署，不但可抑制干擾，還能改善低空探測性能、增大對隱身目標的探測距離，對目標進行跟蹤和狀態的實時估計。因此，在雷達組網時，如何高效率配置雷達，盡可能使單部雷達在網內發揮最大效能，大幅度提升系統作戰能力是極其重要的問題。

在敵我對抗環境中，根據是否有重點防御區域，雷達組網有均衡布站和加權布站2種布站方式，如圖2所示。

圖2 均衡布站與加權布站

均衡布站的特點是網內各雷達均勻分布，以面防御為主，無重點防御方向，主要用在目標來襲方向不明確的情況下。加權布站的特點是以某一方向防御為主，網內各雷達沿重點防護區域層次分布，通常用在目標來襲方向確定的情況下。

根據雷達組網形狀可分為線性、三角形、方形、圓形布站等方式，如圖3所示。

圖3 不同網絡形狀布站

線性布站方式的優點是正面探測范圍最大，并且由于正面探測區域重疊范圍大，對目標的發現概率大，抗干擾能力強。其缺點是除正面外，其他方向的探測能力減弱，由于受通信能力和火力銜接的影響，整體探測范圍較小，線陣太長會降低信息傳遞能力，導致系統效能降低。通常情況下，在敵來襲方向十分確定時采用此布站形式。三角形布站方式最大的優點是以少量的雷達達到最大的覆蓋區域，是最經濟的布站方式，并且各個雷達站之間可以自由互通，信息共享率高，但三角布站會出現探測盲區，所以雷達站之間間距不宜過大。方形布站方式（正方形部署）時，重疊系數比三角形部署的大，其雷達情報的可靠性、連續性及低空性能更好，但這也是站多的代價。環形布站方式搜索死角小，可在360°的范圍內進行等概率搜索，并且其靜態配置面積比較大，受通信能力和火力銜接的影響小，但是此布站方式不分主次，無法對重點區域進行加強搜索。所以該布站方式通常是在敵主攻方向不明的情況下使用。

2 雷達組網發現概率與定位精度

2.1 發現概率

在一定的虛警概率和檢測概率條件下，單部雷達的發現概率可以表示為［3］：

本文取n＝1，則y≈5.891 64，式（1）可以寫成：

由于雷達所處環境的不確定性，很難寫出綜合性的信噪比表達式，本文考慮在無源干擾狀態下的雷達探測概率，由文獻［4］，信噪比可以表示為：

式中：R為雷達到目標的距離；R0為信噪比為1時雷達的作用距離［5］：

式中：Pav為雷達平均發射功率；G為雷達天線的增益；λ為發射電磁波波長；σ為目標的散射截面；k＝1.38×10－23，為玻爾茲曼常數；T0＝290K，為室溫下的熱力學溫度；Bn為系統噪聲帶寬；Fn為接收機噪聲系數；Ls為雷達的系統損耗。

將式（3）代入式（2），得：

當有N部雷達同時探測時，假設它們相互獨立，同樣在無源干擾條件下，雷達組網的聯合探測概率為：

式中：Pi為第i部雷達發現目標的概率；SNRi為第i部雷達在特定距離上的信噪比。

組網雷達要求組網后的發現概率PL≥0.9，可對雷達網進行適當布置，使其在此發現概率條件下覆蓋面達到最大。

2.2 定位精度

為了評估雷達的定位性能，可以用幾何精度因子（GDOP）作為評價指標，GDOP的表達式可以表示為［6］：

由方差的性質

由動態加權融合法［7］可以得到：

3 仿真與討論

3.1 基于探測概率

基于探測概率的優化布站就是在防護區域內，保證一定探測概率的情況下，對雷達進行優化組合，使其覆蓋范圍最大。本文采用蒙特卡洛方法［3］，在一定的探測區域內隨機產生n組數據并計算其探測概率，比較不同組網形式（線性、三角形和正方形）下雷達組網的覆蓋范圍。計算過程中采用的計算參數為：雷達發射頻率9.6GHz，雷達發射功率1.4kW，雷達脈沖寬度13×10－6s，雷達增益29dB，雷達接收機帶寬1MHz，雷達接收機噪聲系數4dB，雷達系統損耗10.5dB，目標的雷達橫截面積（RCS）＝100m2。

計算結果如圖4～7所示，在防護區域（125－0）×（125－0）＝15 625，圖中星號（＊）部分是雷達探測概率滿足PL≥0.9的覆蓋范圍，加號（＋）是雷達的位置。由于組網通信條件限制，這里雷達站之間的距離采用20km，線性雷達位置分布（35，62.5）、（55，62.5）、（75，62.5）、（95，62.5），其覆蓋面積為9 952；三角雷達位置分布（52.5，62.5）、（62.5，72.5）、（62.5，52.5）、（72.5，62.5），其覆蓋面積為9 171；方形雷達位置分布（52.5，72.5）、（52.5，52.5）、（72.5，72.5）、（72.5，52.5），其覆蓋面積為9 357。

圖4 單部雷達探測概率分布

圖5 直線形雷達布站探測概率分布

從計算結果可以得到，在防護區域一定、雷達間距一定、滿足一定概率的情況下，線性分布的探測范圍最大。因此對于艦載搜索雷達布站應根據需要選擇相應的布局模式，使任務剖面或者各個任務剖面綜合效率達到最高。

另外，由圖4可以看出，單部雷達的探測半徑達30km，因此可以在通信連接條件允許的情況下，適當擴大雷達之間的距離，使任務剖面效能達到最高。

3.2 基于探測精度

圖6 三角形雷達布站探測概率分布

圖7 方形雷達布站探測概率分布

雷達探測精度反映了雷達對目標的定位能力，雷達組網后可大幅度提高雷達的定位精度，對雷達適當組網可以對一些重要探測區域進行高精度定位，為作戰系統提供可靠的目標位置信息。本文仿真了不同雷達布站形式下雷達探測精度情況，計算中采用的雷達距離點跡精度為40×10－3km，雷達的方位點跡精度為4mrad，雷達的位置分布與3.1節設置相同。

從仿真結果圖8～11可以看出，雷達組網后對目標的探測精度比單部雷達有明顯的提高，這主要是因為雷達組網充分利用了各個雷達站對目標的測量信息，實現了測量數據的冗余，雷達數量越多，探測精度越高。例如，對于海平面上的某一目標，單部雷達的探測精度為 （σx1，σy1），2部雷達同時進行探測，根 據 式 （11），其 探 測 精 度 為 （1／（σx1＋σx2），1／（σy1＋σy2）），當有N 部雷達同時探測時，其探測精度 （σx，σy）將有大幅度提高。

另外，不同布站形式下探測區域精度分布不同，從仿真結果可以看出，總體上三角形布站與正方形布站探測精度相當，且均比直線形布站探測精度高，直線形布站橫向探測精度較高，因此在對雷達進行布站時，需根據任務剖面和作戰環境的不同，采用相應適當的布站形式。

圖8 單站雷達GDOP分布

圖9 直線布站GDOP分布

圖10 三角形布站GDOP分布

圖11 正方形布站GDOP分布

4 結束語

本文在不同任務使命的條件下進行不同組網體系的研究，對特定組網形式下的效能進行了評估。從結果中可以看到艦載雷達的組網體系不是一成不變的，需根據不同的作戰環境和作戰任務實時調整布站形式以達到最佳的作戰效能。另外，本文只對某一任務剖面進行了仿真計算，在實際的作戰環境中需要綜合考慮各個任務剖面，建立適當的數學模型，利用一些優化算法得到最優的雷達站布置。

［1］盧宣華.多平臺雷達組網優化部署研究［D］.南京：南京理工大學，2012.

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