組網(wǎng)雷達(dá)分布式協(xié)同干擾仿真研究

楊會(huì)軍，李 強(qiáng)

(中國(guó)航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京 210007)

0 引言

雷達(dá)網(wǎng)[1]把多部不同工作模式、不同頻段、不同極化方式、不同體制的雷達(dá)適當(dāng)布站，利用通信手段鏈接成網(wǎng)，由中心站統(tǒng)一調(diào)配而形成一個(gè)有機(jī)的整體，在戰(zhàn)場(chǎng)上構(gòu)成全方位、立體化、多層次的戰(zhàn)斗體系，具有很強(qiáng)的生存能力和抗干擾能力。

本文針對(duì)組網(wǎng)雷達(dá)工作特點(diǎn)研究分布式協(xié)同干擾技術(shù)，基于分布式協(xié)同干擾仿真評(píng)估軟件開(kāi)展仿真研究，建立了組網(wǎng)雷達(dá)對(duì)抗數(shù)字仿真系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)雷達(dá)功能級(jí)干擾仿真研究。

1 雷達(dá)組網(wǎng)方式

1.1 數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)

組網(wǎng)雷達(dá)數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)包括集中式融合、分布式融合和混合式融合三種。

1)集中式融合結(jié)構(gòu)

集中式數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)將各節(jié)點(diǎn)雷達(dá)檢測(cè)到的目標(biāo)量測(cè)值傳遞到融合中心，在融合中心進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)準(zhǔn)、點(diǎn)跡相關(guān)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、航跡濾波、預(yù)測(cè)與綜合跟蹤。

2)分布式融合結(jié)構(gòu)

分布式數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)雷達(dá)對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，產(chǎn)生局部多目標(biāo)跟蹤航跡，然后把跟蹤結(jié)果及估計(jì)數(shù)據(jù)送至融合中心，中心根據(jù)各節(jié)點(diǎn)雷達(dá)的航跡數(shù)據(jù)完成航跡關(guān)聯(lián)和航跡融合，形成全局估計(jì)。

3)混合式融合結(jié)構(gòu)

混合式融合結(jié)構(gòu)同時(shí)傳輸探測(cè)到的點(diǎn)跡信息和經(jīng)過(guò)局部節(jié)點(diǎn)處理過(guò)的航跡信息，一般在大型融合系統(tǒng)中運(yùn)用。

組網(wǎng)雷達(dá)融合結(jié)構(gòu)性能比較見(jiàn)表1。其中，集中式融合結(jié)構(gòu)估計(jì)精度高，但需要較大的通信帶寬，同時(shí)計(jì)算量大，可靠性低；分布式融合結(jié)構(gòu)對(duì)通信帶寬要求不高、計(jì)算速度快、可靠性高，但聯(lián)合估計(jì)和跟蹤精度低于集中式融合結(jié)構(gòu)；混合式是集中式和分布式的組合。

表1 組網(wǎng)雷達(dá)融合結(jié)構(gòu)性能比較

圖1 組網(wǎng)雷達(dá)仿真系統(tǒng)構(gòu)成

圖2 單部雷達(dá)功能級(jí)仿真系統(tǒng)組成框圖

1.2 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法

組網(wǎng)雷達(dá)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)是確定雷達(dá)接收到的量測(cè)信息和目標(biāo)源對(duì)應(yīng)關(guān)系的過(guò)程，涉及到三類關(guān)聯(lián)問(wèn)題：點(diǎn)跡-點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)、點(diǎn)跡-航跡關(guān)聯(lián)和航跡-航跡關(guān)聯(lián)。

1)點(diǎn)跡-點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)

通過(guò)在多個(gè)采樣周期之間進(jìn)行點(diǎn)跡-點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)，可以為新目標(biāo)建立起始航跡提供初始化信息。新目標(biāo)航跡起始應(yīng)用于集中式融合結(jié)構(gòu)的融合中心、分布式融合結(jié)構(gòu)中的各節(jié)點(diǎn)雷達(dá)。在集中式融合結(jié)構(gòu)中，在對(duì)點(diǎn)跡融合之前也需要進(jìn)行“點(diǎn)跡-點(diǎn)跡”關(guān)聯(lián)，以確定哪些點(diǎn)跡源于同一個(gè)探測(cè)目標(biāo)。

2)點(diǎn)跡-航跡關(guān)聯(lián)

為了更新航跡，維持跟蹤的連續(xù)性，需要進(jìn)行點(diǎn)跡-航跡關(guān)聯(lián)以確定用于航跡修正的新觀測(cè)數(shù)據(jù)。持續(xù)跟蹤的過(guò)程同時(shí)存在于集中式融合結(jié)構(gòu)的融合中心和分布式融合結(jié)構(gòu)中的各節(jié)點(diǎn)雷達(dá)中。

3)航跡-航跡關(guān)聯(lián)

在分布式融合結(jié)構(gòu)中，為了對(duì)由多部節(jié)點(diǎn)雷達(dá)輸出的多目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，首先需要進(jìn)行航跡-航跡數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，以確定哪些局部航跡源于同一個(gè)被跟蹤的目標(biāo)。

2 組網(wǎng)雷達(dá)數(shù)字仿真系統(tǒng)

2.1 組網(wǎng)雷達(dá)仿真系統(tǒng)組成

組網(wǎng)雷達(dá)仿真系統(tǒng)包括系統(tǒng)仿真模型庫(kù)、仿真場(chǎng)景生成、顯示控制三個(gè)部分，如圖1所示。

2.2 單部雷達(dá)仿真系統(tǒng)模型

網(wǎng)內(nèi)單部雷達(dá)功能級(jí)仿真系統(tǒng)的組成框圖如圖2所示。其完成的主要功能是接收外部系統(tǒng)傳入的雷達(dá)初始化參數(shù)，以及外部其它系統(tǒng)導(dǎo)入的實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)，還有目標(biāo)的先驗(yàn)信息、干擾信息數(shù)據(jù)，進(jìn)而仿真功能級(jí)的目標(biāo)檢測(cè)、搜索、多目標(biāo)跟蹤以及波束調(diào)度等功能。

2.3 組網(wǎng)雷達(dá)融合中心仿真系統(tǒng)模型

2.3.1數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

在組網(wǎng)雷達(dá)信息融合系統(tǒng)中，各站雷達(dá)數(shù)據(jù)由各站分別獲得。因而指揮中心所接收的遠(yuǎn)方目標(biāo)情報(bào)受到指揮中心地理位置、工作時(shí)空的影響，具有時(shí)空相對(duì)性。對(duì)于一個(gè)雷達(dá)網(wǎng)系統(tǒng)而言，首先是單個(gè)雷達(dá)在各自的時(shí)間和空間系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行測(cè)量然后對(duì)各自的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行時(shí)間配準(zhǔn)和空間配準(zhǔn)，只有在統(tǒng)一的時(shí)間和坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)才能進(jìn)行多傳感器的融合。

2.3.2數(shù)據(jù)融合模型

根據(jù)需求采用合適的融合結(jié)構(gòu)：若各節(jié)點(diǎn)雷達(dá)工作在遠(yuǎn)程搜索模式，只能采用集中式融合結(jié)構(gòu)；若雷達(dá)工作在中遠(yuǎn)程跟蹤模式或中近程搜索跟蹤模式，可工作在任意一種融合結(jié)構(gòu)下；若組網(wǎng)雷達(dá)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)雷達(dá)工作在不同工作方式下，融合中心采用混合式融合結(jié)構(gòu)，滿足各雷達(dá)不同的融合需求。

2.4 組網(wǎng)雷達(dá)干擾模型

組網(wǎng)雷達(dá)干擾方式包括分布式噪聲壓制干擾、 密集假目標(biāo)干擾、多假目標(biāo)航跡擾亂干擾、分布式協(xié)同虛假航跡欺騙干擾、多點(diǎn)源相參干擾等。

1)分布式噪聲壓制干擾[1]

為了掩護(hù)某特定區(qū)域的目標(biāo)或在某一地區(qū)內(nèi)制造假的進(jìn)攻態(tài)勢(shì)，將眾多體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜的小型電子干擾機(jī)散布在接近被干擾目標(biāo)的空域上，自動(dòng)或受控地對(duì)選定的軍事電子設(shè)備進(jìn)行干擾。

2)密集假目標(biāo)干擾

密集假目標(biāo)干擾是指干擾機(jī)產(chǎn)生數(shù)量眾多的與雷達(dá)發(fā)射信號(hào)相同(或相似)的干擾信號(hào)，使得組網(wǎng)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)運(yùn)算量加劇甚至過(guò)載，以期達(dá)到延緩數(shù)據(jù)處理速度、飽和跟蹤能力和多航跡起始的目的。當(dāng)組網(wǎng)雷達(dá)處在對(duì)目標(biāo)跟蹤起始階段，可以使用密集假目標(biāo)干擾。

3)多假目標(biāo)航跡擾亂干擾

多假目標(biāo)航跡擾亂干擾是指在雷達(dá)跟蹤波門內(nèi)產(chǎn)生一定數(shù)量的高逼真度假目標(biāo)，使得雷達(dá)在進(jìn)行點(diǎn)跡-航跡關(guān)聯(lián)時(shí)出現(xiàn)關(guān)聯(lián)錯(cuò)誤，從而破壞雷達(dá)對(duì)真實(shí)目標(biāo)的跟蹤。當(dāng)組網(wǎng)雷達(dá)已經(jīng)對(duì)目標(biāo)形成穩(wěn)定跟蹤，推薦使用航跡擾亂干擾，這樣可以使航跡關(guān)聯(lián)假目標(biāo)點(diǎn)跡混批，使跟蹤航跡變得不穩(wěn)定。

4)分布式協(xié)同虛假航跡欺騙干擾[2-4]

組網(wǎng)雷達(dá)位置已知，多部機(jī)載干擾機(jī)在系統(tǒng)控制下協(xié)同飛行，每部干擾機(jī)干擾一部雷達(dá)，預(yù)先設(shè)置每部干擾機(jī)形成的虛假目標(biāo)位置，使得網(wǎng)中各部雷達(dá)探測(cè)到同一虛假目標(biāo)，從而對(duì)組網(wǎng)雷達(dá)產(chǎn)生有效的航跡欺騙。

2.5 干擾評(píng)估模型

研究組網(wǎng)雷達(dá)干擾效果評(píng)估方法，建立組網(wǎng)雷達(dá)干擾效果評(píng)估指標(biāo)體系、評(píng)估準(zhǔn)則，組網(wǎng)雷達(dá)干擾效果評(píng)估指標(biāo)包括威力范圍、檢測(cè)概率、自衛(wèi)距離、欺騙概率等，建立干擾效果評(píng)估系統(tǒng)模型。基于評(píng)估結(jié)果對(duì)干擾樣式、干擾參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 組網(wǎng)雷達(dá)干擾仿真

3.1 對(duì)抗場(chǎng)景

以分布式協(xié)同虛假航跡欺騙干擾為例進(jìn)行組網(wǎng)雷達(dá)干擾仿真研究。首先預(yù)設(shè)假目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡，由于各個(gè)時(shí)刻干擾機(jī)必在雷達(dá)和假目標(biāo)位置的連線上，結(jié)合假目標(biāo)和干擾機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，設(shè)計(jì)出每部干擾機(jī)可行的運(yùn)動(dòng)軌跡。只要設(shè)計(jì)使假目標(biāo)航跡和干擾機(jī)航跡滿足各自的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，這樣就可以對(duì)組網(wǎng)雷達(dá)形成一條相關(guān)的虛假航跡。對(duì)抗場(chǎng)景如圖3所示，雷達(dá)1、雷達(dá)2以集中式方式組網(wǎng)工作，戰(zhàn)機(jī)1、戰(zhàn)機(jī)2攜帶自衛(wèi)式干擾機(jī)，兩部干擾機(jī)協(xié)同工作，在組網(wǎng)雷達(dá)融合中心形成穩(wěn)定逼真的假目標(biāo)航跡。

圖3 分布式協(xié)同虛假航跡欺騙干擾示意圖

3.2 參數(shù)設(shè)置

雷達(dá)1位置為(0 km,0 km,0 km)，換算到經(jīng)緯高坐標(biāo)系下為(123°,30°,0 m)。雷達(dá)2位置為(0 km,100 km,0 km)，換算到經(jīng)緯高坐標(biāo)系下為(123°,30.90°,787.15 m)。2部雷達(dá)同構(gòu)，信號(hào)帶寬20 MHz，波束寬度1.25°。

2架目標(biāo)飛機(jī)攜帶自衛(wèi)式干擾機(jī)勻速飛行，對(duì)組網(wǎng)雷達(dá)實(shí)施虛假航跡干擾，產(chǎn)生一條初始位置為(123.7118°,30.2374°,5 km)、速度矢量為(200 m/s,100 m/s,4 m/s)的虛假航跡。

3.3 仿真結(jié)果

設(shè)干擾機(jī)1、干擾雷達(dá)1，干擾機(jī)2、干擾雷達(dá)2，2部干擾機(jī)協(xié)同工作產(chǎn)生航跡欺騙干擾。初始時(shí)延60 ms，仿真步長(zhǎng)1 s，仿真時(shí)間為1～100 s。圖4、圖5分別給出了2部雷達(dá)的探測(cè)結(jié)果。

圖4 雷達(dá)1探測(cè)結(jié)果

雷達(dá)1和雷達(dá)2分別對(duì)虛假目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，得到虛假目標(biāo)航跡。將2部雷達(dá)得到的虛假航跡傳輸?shù)綌?shù)據(jù)融合中心進(jìn)行航跡關(guān)聯(lián)檢驗(yàn)，采用序貫航跡關(guān)聯(lián)算法，數(shù)據(jù)融合中心航跡關(guān)聯(lián)結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，產(chǎn)生的虛假航跡可以通過(guò)數(shù)據(jù)融合中的航跡關(guān)聯(lián)檢驗(yàn)，被誤判為真實(shí)航跡。

圖5 雷達(dá)2探測(cè)結(jié)果

圖6 融合中心航跡關(guān)聯(lián)結(jié)果

如果干擾機(jī)獲取的雷達(dá)位置不精確，設(shè)定位誤差為500 m和700 m，干擾機(jī)對(duì)2部雷達(dá)產(chǎn)生的虛假航跡在數(shù)據(jù)融合中心進(jìn)行雙門限航跡關(guān)聯(lián)檢驗(yàn)，進(jìn)行100次蒙特卡洛實(shí)驗(yàn)，在500 m的定位誤差下，虛假航跡仍被誤判為真實(shí)航跡，但關(guān)聯(lián)距離進(jìn)一步變大；在700 m的定位誤差下，虛假航跡有一定的概率判斷為假航跡，被成功剔除。

因此，分布式協(xié)同虛假航跡欺騙干擾要求干擾機(jī)具有更強(qiáng)的信號(hào)分選識(shí)別、 定位以及計(jì)算處理能力，在有些情況下需要外在的信息支持，才能通過(guò)組網(wǎng)雷達(dá)融合中心的航跡關(guān)聯(lián)檢驗(yàn)，產(chǎn)生欺騙干擾效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

雷達(dá)網(wǎng)利用數(shù)據(jù)鏈或者通信網(wǎng)絡(luò)，把特定區(qū)域內(nèi)的雷達(dá)鏈接成網(wǎng)，具有很強(qiáng)的生存能力和抗干擾能力。本文以組網(wǎng)雷達(dá)為對(duì)抗目標(biāo)，研究組網(wǎng)雷達(dá)干擾仿真技術(shù)。分析了組網(wǎng)雷達(dá)的工作方式及特點(diǎn)，給出了組網(wǎng)雷達(dá)仿真系統(tǒng)的組成及模型，建立了組網(wǎng)雷達(dá)對(duì)抗數(shù)字仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)雷達(dá)功能級(jí)干擾仿真研究。■