艦艇編隊協同制導防空關鍵技術研究*

2016-04-15 08:20:02成順利,王悅

艦船電子工程 2016年3期

艦艇編隊協同制導防空關鍵技術研究*

成順利王悅

(92941部隊93分隊葫蘆島125001)

摘要論文對國內外艦艇編隊協同制導防空現狀及具有的優勢進行了描述,對協同制導防空的模式和體系做了說明,重點對艦艇編隊協同制導防空需要研究的關鍵技術進行了闡述。

關鍵詞協同制導; 艦艇編隊; 防空; 艦空導彈

Key Technology of Cooperative Control and Guidance for Warship group in Air-Defense

CHENG ShunliWANG Yue

(Unit 93, No. 92941 Troops of PLA, Huludao125001)

AbstractThe paper describes current situation and some superiority in domestic and overseas warship group cooperative control air-defense, and explains the model and system of cooperative control air-defense, and expouds expound study key technology of warship group cooperative control air-defense warship group.

Key Wordscooperative guided control, warship group, air-defense, ship to air missile

Class NumberE273.1

1引言

艦艇編隊協同制導防空是為應對日益嚴重的空中目標威脅而提出的一種以編隊內探測、跟蹤信息共享為基礎的新型作戰模式。隨著高技術武器裝備的不斷涌現,以先進的機動電子戰系統、四代作戰飛機、超音速反艦導彈和艦載無人機等為代表的新一代空中打擊武器,具有隱身性強、速度快、破壞威力大等特點,對艦艇編隊構成了新的空中威脅,尤其是防區外發射、低空隱蔽突防和飽和攻擊等新戰術,使艦艇對空探測的縱深及作戰空域極大地受到壓縮。因此,研究艦艇編隊協同制導防空關鍵技術,成為提升防空作戰效能迫切需求。

2國內外研究現狀

2.1美海軍協同制導防空發展概況

美海軍于20世紀80年代研制“協同作戰能

力”(CEC)系統,該系統通過各種傳感器的相互聯網,利用計算機、通信和網絡等技術,將編隊中各艦艇的目標探測系統、指控系統、武器系統和預警機聯成網絡,從而實現作戰信息共享,使作戰部隊能夠共享高精度的火控級信息,改進信息態勢,統一協調戰斗行動。目前改進型CEC BlockⅡ系統、小型化的CEC BlockⅢ系統已經大量裝備于美國海軍各種作戰平臺[1]。

2.2我國海軍協同制導防空發展現狀

我國艦艇編隊協同制導防空技術的研究剛剛起步。目前,艦艇編隊各戰術單位間通過數據鏈等通信設備可以初步共享傳感器探測、決策和作戰數據。“十一五”期間,國內在理論上開展了多平臺超視距協同制導作戰技術研究,后期也開展了相關系統試驗,但整體上來看,我國艦艇編隊協同制導防空技術目前還處在研究與試驗階段,協同制導防空能力還未真正實現。

3協同制導防空的優勢

艦艇編隊協同制導防空與傳統單艦制導防空模式比較具有以下優勢:

1) 多艦協同完成對目標探測、跟蹤,擴大了探測范圍,可更早地掌握敵我雙方的作戰態勢,提高單艦探測平臺對空情的感知范圍,尤其是可以彌補單艦探測平臺低空盲區,實現超視距攔截,同時多艦探測也有利于實現對隱身目標的可靠探測、穩定跟蹤[2]。

2) 復雜戰場條件下,單艦武器系統受敵方電子干擾影響,往往會喪失作戰能力,通過多艦多傳感器的組合可維持戰場態勢圖,即使目標進入某一成員雷達探測盲區,形成的復合航跡也能使武器系統完成攻擊的整個過程。

3) 網絡無固定中心節點,體系作戰生存能力強。傳統單艦武器系統在遭受敵人打擊后,往往一個分系統受損就將導致整個武器系統全部癱瘓,通過協同防空作戰,武器系統未受損部分可與編隊內其它武器系統動態重組,繼續履行防空使命。

4) 有效提高對巡航段反艦導彈的打擊能力。目前大多數反艦導彈都采用巡航段亞音速飛行,末端超音速機動突防的作戰方式。處在巡航段的反艦導彈飛行高度一般較高,航路相對穩定,一般不采取大航路的機動,可以對其進行快速穩定跟蹤,毀傷概率高。受中遠程艦空導彈制導盲區的限制,多艦作戰存在可以發現但不能進行攔截的問題,而采用協同制導技術可以擴大中遠程艦空導彈的打擊范圍,對巡航段的反艦導彈進行有效攔截。

5) 增大中遠程艦空導彈的發射區,提高對來襲目標的攔截次數。在現有技術條件下,對付反艦導彈攻擊的有效手段就是“早發現、早發射”的快速反應原則。只要目標處于本艦的發射區或者友艦的協同發射區就可以發射艦空導彈,導彈飛行過程中,采用協同制導技術,利用編隊內其它平臺獲取的數據,控制或引導其它制導雷達制導控制導彈攔截目標,形成接力攔截作戰能力,從而突破了本艦制導雷達視距的限制,實現超視距作戰,加大了作戰縱深,增加了全航路的有效攔截次數[3]。

6) 有效對抗反輻射導彈的攻擊。反輻射導彈利用導引頭接收我方雷達輻射的電磁波進行被動尋的制導,以達到摧毀我方雷達的目的。在復雜的電子戰環境下,我方的雷達制導信號容易被敵方反輻射導彈發現和跟蹤鎖定,如果采取無線電靜默的方式進行對抗,會影響我方對艦空導彈的制導工作效果。在協同制導防空的背景下,通過制導平臺的變換,敵方的反輻射導彈難以有效發現、跟蹤我方制導信號,可以降低反輻射導彈的攻擊成功率,而且不會影響我方對艦空導彈制導效果。

4艦艇編隊武器系統協同制導防空作戰模式、體系

4.1協同制導防空作戰模式

1) 遠程數據交戰

本艦艦空導彈武器控制系統根據它艦制導雷達目標探測數據進行射擊諸元解算、導彈發射等工作,導彈發射后,由本艦制導雷達根據它艦制導雷達目標精跟信息和本艦制導雷達導彈精跟信息,完成對導彈的跟蹤與制導,直至彈目交會。

2) 航跡合成

目標探測跟蹤信息由兩部以上制導雷達共同完成。采用該種作戰模式可用來提高航跡的穩定性和連續性,并適用于抗干擾作戰,如制導雷達遭遇自衛干擾后,可以利用兩部制導雷達的被動跟蹤信息實施被動交叉定位解算、或者利用它艦未受干擾的制導雷達距離信息對本艦制導雷達進行距離信息支援,角度信息采用本艦制導雷達跟蹤信息,從而恢復本艦武器系統的作戰能力。

3) 接力制導

導彈發射后,由本艦制導雷達完成對導彈的初始截獲、跟蹤及部分中制導,當導彈飛出本艦制導雷達威力范圍或由于其它原因導致本艦制導雷達無法繼續對導彈跟蹤制導時,由它艦制導雷達接力完成對導彈的跟蹤制導,直至彈目交會[4]。

在艦艇編隊艦空導彈武器系統實際作戰過程中,目標支路與導彈支路獨立工作,因此在實際協同作戰過程中,上述三種作戰模式經常是耦合鉸鏈的。

4.2艦艇編隊艦空導彈武器系統協同制導體系

艦艇編隊中各成員單位(包括艦載平臺、機載平臺)通過專用高速數據鏈共享傳感器原始信息(既包括目標信息,也包括導彈信息),在各艦協同制導處理設備中進行分布式處理,形成高質量統一制導信息場,滿足艦艇編隊艦空導彈武器系統協同作戰使用需求。

以航母編隊為例,艦艇編隊艦空導彈武器系統協同制導體系框圖如圖1所示。

由圖1體系框圖可知,編隊各成員之間通過專用高速數據鏈自組織成分布式的網絡。各平臺之間充分共享信息并進行信息的分布式處理,均配置協同制導處理設備,為保證統一制導信息場的實時性與精確性,外部傳感器對目標與導彈的跟蹤信息,應通過專用高速數據鏈直通協同制導處理設備。各成員艦艇能夠動態接入及退出編隊網絡,實現協同制導網絡的可動態重組。

圖1　艦艇編隊武器系統協同制導體系框圖

針對協同制導功能具體實現,增設協同制導處理設備,其功能框圖如圖2所示。

圖2　協同制導處理設備功能框圖

5艦艇編隊協同制導防空關鍵技術研究

艦艇編隊協同制導防空是一項復雜的系統工程,涉及探測、通信、導彈制導、作戰指揮和控制等多個領域。

5.1協同制導總體技術

協同制導總體技術是協同作戰模式設計和作戰效能分析的前提和基礎,并決定系統設計的總體思路。協同作戰需要將提供目標或者導彈跟蹤信息的外部傳感器均納入武器系統的范疇。因此,為了設計協同制導總體方案,需要重點關注多平臺探測、跟蹤傳感器信息測量、信息傳輸、信息轉換與信息應用的相關模型,提出不同協同制導模式下對信息的相關需求。此外,由于艦艇編隊協同作戰涉及的因素和環節多,協同制導體系結構設計難度大。需要深入分析編隊指揮、艦指揮、武器系統、戰術數據鏈、制導平臺等多方面的關系,才能處理好各環節的功能定位和任務分工。

5.2多雷達組網技術

艦艇編隊中不同頻段、不同體制的多雷達協同工作,提升了對小目標、隱身目標、高速高機動目標、低空目標等的探測和跟蹤能力,以及整體抗干擾、抗摧毀能力。研究的關鍵技術包括:1)多雷達優化部署技術;2)基于信息柵格和點跡融合的雷達組網技術;3)多雷達動態組合及控制技術;4)雷達組網條件下的協同探測、遠程控制、目標識別、效能評估技術。

5.3數據鏈延時補償技術

艦艇編隊協同制導防空系統中,將艦艇編隊內各作戰平臺上的探測跟蹤系統、指揮控制系統、武器系統整合成統一高效的網絡體系,但是由于物理距離以及其他一些因素,信息通過網絡傳輸時必然會存在延時,數據鏈延時使得戰場場景無法實時再現,這會影響指揮員的判斷與決策,同時縮短了決策時間。如果數據鏈延時過長,還會使導彈無法命中目標,因而完全有必要對數據鏈延時進行補償。研究的關鍵技術包括: 1) 延時時間測定技術; 2) 目標狀態預測技術; 3) 基于延時補償的濾波模型與算法[5]。

5.4多傳感器數據融合技術

艦艇編隊協同制導防空系統是一個多平臺、多傳感器、多指控系統、多發射系統的探測、指揮、控制、制導一體化的信息融合系統。研究的關鍵技術包括: 1) 時空一致與誤差校正技術; 2) 目標點跡壓縮合并、點跡串行合并等點跡融合技術; 3) 多目標跟蹤技術; 4) 多干擾源定位技術; 5) 決策層融合、特征層融合和數據層融合等信息融合技術[6]。

5.5協同制導航跡質量實時評估技術

在協同制導作戰的過程中,武器系統需要了解目標航跡的跟蹤質量是否達到作戰的使用要求,然后根據航跡質量評估結果進行導彈發射決策和殺傷區計算。進行航跡質量評估的難點之一是影響因素多,主要影響因素有:雷達測量精度、數據率、雷達觀測目標的距離、角度、信噪比等參數,雷達與我艦的相對位置關系等;難點之二是由于低空多路徑誤差效應,雷達實時跟蹤誤差難以建立數學模型定量評估。因此,需要綜合考慮各個因素的影響,對各種因素進行分析,并建立評估準則,才能給出科學、合理的航跡質量評估方法。

5.6高速數據網絡技術

高速數據網絡是寬帶、實時網絡。它不僅具有很高的傳輸速率,而且具備很強的抗干擾能力和精準的定向性和實時性。研究的關鍵技術包括: 1) 相對和絕對格網鎖定技術; 2) 傳感器數據傳輸的智能接口技術; 3) 多波束天線多節點通信技術; 4) 網絡中有限節點最優跟蹤信息分發技術; 5) 寬帶和窄帶網絡數據技術。

5.7數據共享技術

數據共享技術主要涵蓋數據傳輸可靠性和時空一致性兩個方面。根據協同制導防空作戰流程,數據共享主要涉及來襲目標和艦空導彈的運動信息。分析可知,這兩類目標的飛行速度很快,數據實時性和準確性要求很高,因此無論是對來襲目標的跟蹤還是對艦空導彈的跟蹤制導,都要求編隊內數據傳輸具有很高的可靠性。若傳輸過程中產生數據錯誤,則極有可能影響艦空導彈的發射效率和制導精度。異地分布的跟蹤探測平臺因時間、空間的差異不可避免地會產生時空不一致問題,這對共享數據精度要求很高的導彈協同制導系統影響尤為明顯。因此對相關校正方法展開研究,建立時間、空間誤差的分離和真值的解算方法,是協同制導技術實現的基礎。

5.8多目標威脅評估技術

威脅評估是一個連續、動態的過程,它貫穿于整個作戰過程,從第一個威脅的出現到所有威脅的消失。根據編隊整體防御的思想,對目標威脅程度的評判應以其對整個編隊的威脅程度來分析。建立指標體系過程中,充分考慮到編隊中各隊列艦相對價值對于目標威脅程度的影響;同時,應充分利用編隊所獲取的目標信息,在信息類型上,不僅應利用目標的各種傳感器信息和電子戰信息,而且應綜合利用對敵方空襲典型戰術、典型編成、空襲作戰特點分析所得到的預先知識;在信息時域上,不僅要充分利用實時的目標信息,而且還應該綜合考慮目標的歷史航跡和戰術動作;指標量化過程中,應認真分析指標對威脅影響機理,建立合理的量化模型;威脅評估模型的建立應盡量避免引入主觀性和盲目性[7]。

5.9接力制導技術

在接力制導實施過程中,需首先確定制導平臺交班的時機和空域范圍。由于導彈飛行時間較短,且受至少兩部制導平臺的跟蹤空域限制,這一過程具有實時性強的特點。另一方面,對接力協同制導的信息交換關系設計面臨的對象多,涉及到交班和接班武器系統的武控系統、制導平臺、協同制導處理單元等多種設備,信息交互量大,控制關系復雜,只有通過優化設計,才能形成一個科學、合理的接力協同制導過程設計方案。此外,對于接力制導作戰模式,導彈的遠程截獲問題、指令線的異地形成問題等具體問題均需要特別進行考慮與設計[8]。

5.10導彈制導技術

艦空導彈常用的制導方式有遙控制導、自動尋的制導和復合制導三種。在單艦制導模式下,各種制導方式具有一定的適用范圍,比如指令制導的優點是彈上設備少、重量輕,缺點是制導精度隨著飛行距離的增加而迅速降低。因此,指令制導一般用于中、近程艦空導彈的制導。而在協同制導條件下,引入了友艦協同制導的過程,使得指令制導方式在較遠距離上仍然可以滿足制導精度的要求。同時,不同的制導方式將會對協同制導作戰流程產生不同的影響。因此需要對目前艦空導彈的制導方式進行研究,分析并驗證協同制導條件下采用各種制導方式的可行性[9]。

5.11多作戰節點武器目標分配技術

艦艇編隊協同制導作戰模式下由于武器系統的協同共用,火力單元變成了發射節點和制導節點臨時構成的虛擬組織,稱為“集成火控系統(IFCS)”,艦艇編隊協同制導作戰中,IFCS的組成不是固定不變的,它們能夠根據需要解體、重組。IFCS的產生使得目標火力通道的組織突破了作戰平臺的限制,目標火力通道組織變得多樣化、復雜化,目標分配問題變成了集成火力單元與目標的優化配對,也就是“發射節點一制導節點一目標”三者匹配優化問題。

5.12協同制導作戰使用技術

協同制導作戰使用研究的內容主要包括采用的艦艇編隊隊形優化配置技術、協同制導作戰使用條件、艦空導彈協同發射區和發射時機的確定、制導交接空域和時機的確定等。對于發射區而言,單艦制導的艦空導彈發射區相對于發射艦是一個靜態的區域,不需要考慮編隊內其他平臺的影響。而在協同制導條件下,艦空導彈的協同發射區是一個動態變化的過程。由于發射區的確定直接影響對目標的攔截決策,因此需要綜合各種因素進行分析研究[10]。

6結語

艦艇編隊協同制導防空是未來發展的一個主要方向,這種作戰能力的提升并不需要增加新的傳感器和武器系統,而是通過網絡分發共享傳感器的信息和武器信息,從而達到整個艦艇編隊防空作戰能力的提升。從本文闡述的協同制導防空所涉及的關鍵技術看出,協同制導防空技術面臨著諸多挑戰,需進一步深入研究。

參考文獻

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