氣球載雷達系統(tǒng)發(fā)展研究

文/趙和鵬

1 引言

低空、超低空是目前大多數(shù)預(yù)警探測雷達的盲區(qū)，也是現(xiàn)代防空火力最薄弱的區(qū)域。現(xiàn)役地面低空預(yù)警探測雷達由于受地球曲率的影響，對低空、超低空飛行的目標探測距離較近，不能提供較長的預(yù)警時間；在山區(qū)、丘陵等起伏地區(qū)，遮蔽效應(yīng)嚴重削弱雷達的遠程預(yù)警能力；基于預(yù)警機平臺的雷達系統(tǒng)對地面維護保障需求較高，載機平臺油耗大，持續(xù)工作時間短，且實際工作效能受云雨、雷達等氣象條件制約；低軌預(yù)警衛(wèi)星在一定程度上能夠解決遠程預(yù)警的能力，但在軌衛(wèi)星數(shù)量和分辨率有限，系統(tǒng)研制與發(fā)射費用昂貴，通常需要多顆衛(wèi)星組網(wǎng)才能實現(xiàn)預(yù)警探測的空間連續(xù)覆蓋。氣球載雷達系統(tǒng)是利用氣球把雷達升空到中高空，在一定程度上克服地球曲率及地形的影響，低空探測能力大大提高；相對于預(yù)警機氣球載雷達留空時間長，可持續(xù)監(jiān)視，效費比高，氣球載雷達相當于固定“哨兵”的作用，而預(yù)警機相當于“巡邏兵”的作用，可與預(yù)警機相互補充使用。由于氣球載雷達具有獨特優(yōu)點，因此受到世界各國的青睞，并在各國的軍事、民用領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

2 氣球載雷達系統(tǒng)優(yōu)勢分析

地面防空雷達由于受地理環(huán)境、陣地部署條件和地球曲率的影響，對低空、超低空目標難以獲得期望的預(yù)警探測性能。要從根本上解決這一問題，需要從雷達體制上切入，尋求突破。相比于前文提到的多種雷達系統(tǒng)，氣球載雷達在探測這類目標時更具有優(yōu)勢。

2.1 低空、超低空小目標探測能力強

針對低空、超低空飛行目標，傳統(tǒng)的探測方法是依靠岸基警戒雷達。受地球曲率和地理環(huán)境遮蔽效應(yīng)的影響，這類雷達發(fā)現(xiàn)目標的距離近，導(dǎo)致預(yù)警時間很短，難以組織實施有效的對抗與攔截。氣球載雷達通過將雷達系統(tǒng)升到空中，有效削弱地球曲率的影響，增大雷達的視距范圍，實現(xiàn)對低空目標的遠距離探測。位于氣球上的雷達具有抗強地、海雜波的能力，對巡航導(dǎo)彈等威脅性較大的目標具備良好的遠程預(yù)警能力。

2.2 連續(xù)工作時間長

氣球載平臺與軍用飛機相比，其最大的優(yōu)勢是留空時間長，具備長時間連續(xù)工作的能力。由于氣球載雷達的氣球平臺是靠空氣靜力升空的，理論上只需要氣球本身材質(zhì)允許，它可以長期地在高空懸停，承擔各類預(yù)警探測和戰(zhàn)備任務(wù)。其實際工作時間一般只受天氣、故障和例行維修的限制。

2.3 效費比低

預(yù)警機是以高速和空氣動力學(xué)為基礎(chǔ)進行研發(fā)設(shè)計，而氣球載雷達則是建立在空氣動力學(xué)基礎(chǔ)上，研發(fā)成本要低得多；且氣球載雷達系統(tǒng)可降低大量能耗和飛行費用，只需要少量的維護工作就可以連續(xù)使用。

2.4 生存能力強

根據(jù)需要，軍用系留氣球的氣囊通常由若干個氦氣填充的獨立的小氣室組成，而且填充壓力較小，不易燃不易爆，一旦受到炮火攻擊，泄漏速度較小；即使是破洞很大，系留氣球也有充裕的時間返回地面。同時，氣球載雷達采用的囊體材料是無金屬骨架的軟體結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，透波率可達99%，而且任務(wù)系統(tǒng)掛架以及雷達天線外層可用防電磁波探測的復(fù)合材料和玻璃纖維制造，RCS和紅外輻射強度較小，難以被探測到。

2.5 機動性高，可維護性強

氣球載雷達系統(tǒng)具有較高的機動性，可以迅速地到達指定地點，快速完成氣球的充氣、組裝、升空及進入雷達的正常工作狀態(tài)，對重點關(guān)注區(qū)域進行預(yù)警監(jiān)視，大幅提高重點區(qū)域的防御能力。同時，氣球載雷達系統(tǒng)的放飛、回收及維修、維護操作較預(yù)警飛機簡單得多，對操作與維護人員的技術(shù)水平和人員數(shù)量要求相對較低。在任務(wù)執(zhí)行完畢后，可在數(shù)小時內(nèi)完成撤收，具備靈活便捷的部署撤收能力。

3 國外氣球載雷達系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 71M型系留氣球載雷達系統(tǒng)

71M 型系留氣球是美國TCOM 公司開發(fā)的最大的氣球，主要用作遠程雷達、無源監(jiān)視設(shè)備和通信中繼設(shè)備的承載平臺。美國在其巡航導(dǎo)彈防御計劃中已選用該項型氣球作為探測平臺。該氣球體積16000m3，氣球載荷1600kg，工作高度4600m，浮空時間為30 天。

3.2 420K型系留氣球載雷達系統(tǒng)

由美國洛克希德·馬丁公司開發(fā)的420K型系留氣球裝備有L-88 雷達，是美國南部沿海高空系留氣球雷達系統(tǒng)的基本系統(tǒng)。420K型系留氣球系統(tǒng)能夠在4572m 和3048m 的高空中分別搭載953kg 和1814kg 的有效載荷，氣囊容積為11893m3，可裝載雷達、信號情報設(shè)備或電光設(shè)備等有效載荷，載荷艙的寬度和高度分別可達8.8m 和5m，留空時間為5-7 天。

3.3 LASS大型系留氣球載雷達系統(tǒng)

美國的LASS 大型系留氣球雷達系統(tǒng)選用TCOM 公司的MARK/7S 大型系留氣球，裝載改裝后的AN/TPS63 雷達。系統(tǒng)懸浮于3000米空中時，對飛行高度為60 米的低空殲擊機的探測距離可達260 公里。

3.4 32M系留氣球載雷達系統(tǒng)

32M 型系留氣球是美國TCOM 公司開發(fā)的一種中型氣球，可搭載雷達、無源電子設(shè)備/通信監(jiān)視設(shè)備、光電/紅外攝影監(jiān)視設(shè)備、通信中繼/網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。可方便安裝在陸基車輛或海基平臺上。32M 型系留氣球的覆蓋面積為75000km2，能抗50 節(jié)的風(fēng)力，載荷350kg，高度900m，浮空時間14 天。

4 氣球載雷達系統(tǒng)發(fā)展趨勢

4.1 采用二維有源相控陣體制

浮空系留氣球是一種留空時間長的空中平臺，受升空高度、自然環(huán)境條件等各種因素的限制，能夠提供給裝載的探測設(shè)備資源有限，對裝載設(shè)備的體積、重量、功耗等方面要求很高。而雷達體制的選擇涉及雷達的硬件構(gòu)架、工作方式、系統(tǒng)性能、可靠性等因素，因此體制的選擇尤為重要。有源相控陣雷達是現(xiàn)代雷達的發(fā)展趨勢，氣球載雷達選擇數(shù)字陣列體制（二維有源相控陣體制）與其它體制雷達相比具有如下優(yōu)勢：

4.1.1 輻射效率高、損耗低，作用距離遠

數(shù)字T/R 組件分布在天線陣面上并對應(yīng)于每個天線單元，大大降低了功率合成、發(fā)射饋線等系統(tǒng)損耗，同等輻射功率情況下，系統(tǒng)對電源的需求較低，整機重量相對較輕；而發(fā)射、接收饋線損耗的降低，在功耗相同的情況下，提高了雷達的探測距離。因而數(shù)字陣列體制雷達整體效率最高，可有效利用氣球平臺提供的資源。

4.1.2 空間自由度高、波束形成靈活、抗空間干擾能力強

數(shù)字陣列雷達每個天線單元都對應(yīng)一個數(shù)字接收機，它提供了系統(tǒng)最大的空間自由度。且收發(fā)均采用數(shù)字波束形成，波束形成方式非常靈活，系統(tǒng)可充分利用自由度并結(jié)合先進的信號處理方式對空間多個干擾進行空域濾波，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，滿足未來戰(zhàn)爭場景對抗設(shè)計，抗干擾能力的需求。

4.1.3 任務(wù)可靠性高

每個天線單元對應(yīng)一個收發(fā)通道，每個天線單元的收發(fā)通道采用固態(tài)器件，具有工作電壓低、寬溫性能好、峰值功率低、占空比大、開機時間短等特點，本身具有較高的可靠性和安全性，同時全陣面多路系統(tǒng)具有較好的故障弱化功能，可以大大提高系統(tǒng)的任務(wù)可靠性。

4.2 一體化系統(tǒng)設(shè)計理念

4.2.1 平臺載荷結(jié)構(gòu)一體化系統(tǒng)設(shè)計

平臺載荷結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計理念要求突破傳統(tǒng)飛行器設(shè)計中傳感器等載荷的附屬地位，將傳感器性能發(fā)揮作為一種總體設(shè)計約束，增加到系統(tǒng)的方案設(shè)計過程中。與傳統(tǒng)裝載傳感器的飛行器相比，平臺載荷結(jié)構(gòu)一體化系統(tǒng)設(shè)計是從最優(yōu)化系統(tǒng)能力的出發(fā)，平衡載荷與平臺之間的相互影響，一體化結(jié)構(gòu)布局既應(yīng)該滿足傳感器等設(shè)備能力發(fā)揮的需要，又以滿足總體結(jié)構(gòu)布局為基礎(chǔ)，是一項復(fù)雜的系統(tǒng)化技術(shù)。在設(shè)計的各個階段力求各學(xué)科的平衡、充分考慮各門學(xué)科之間的互相影響和耦合作用、應(yīng)用有效的設(shè)計優(yōu)化方法和分布式計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來組織和管理整個系統(tǒng)的設(shè)計過程、通過充分利用各個學(xué)科之間的相互作用所產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)等，以獲得系統(tǒng)的整體最優(yōu)性能。通過將平臺和載荷的綜合一體化設(shè)計貫穿系統(tǒng)頂層規(guī)劃、方案設(shè)計、產(chǎn)品研制的各個階段，通過兩者相互迭代和折衷優(yōu)化設(shè)計，使設(shè)計出來的氣球載雷達系統(tǒng)性能達到最優(yōu)，實現(xiàn)傳感器飛艇對海面艦船目標、中低空的遠距離預(yù)警監(jiān)視、跟蹤能力。

4.2.2 空地探測一體化系統(tǒng)設(shè)計

現(xiàn)代戰(zhàn)場上巡航導(dǎo)彈、武裝直升機等低空目標飛行高度低、航線隱蔽，陸基機動平臺、單兵等地面目標運動速度低，在地球曲率和地形起伏的遮擋，以及強地雜波的掩蓋下非常難以被發(fā)現(xiàn)。空地探測一體化可以實現(xiàn)氣球載雷達系統(tǒng)對低空、超低空和地面目標預(yù)警探測的統(tǒng)籌兼顧，針對不同目標和戰(zhàn)場環(huán)境采用不同的工作模式，結(jié)合先進信號處理與目標檢測技術(shù)，實現(xiàn)對強雜波背景下小目標的探測。

4.2.3 偵干探通一體化系統(tǒng)設(shè)計

偵干探通一體化可有效解決平臺受限和多種功能需求之間的矛盾，大力提升作戰(zhàn)裝備的作戰(zhàn)效能，適應(yīng)未來復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境，必將成為未來的研究重點。偵干探通一體化并不是多種功能設(shè)備的簡單堆疊，而應(yīng)是采用開放式的體系架構(gòu)和模塊化的設(shè)計通過共用硬件、動態(tài)重構(gòu)來實現(xiàn)，甚至將干擾、雷達、通信信號共用，進一步提升系統(tǒng)的工作效率。根據(jù)不同的任務(wù)需求，選擇合適浮空氣球平臺和雷達裝備，有針對性的對各類目標進行探測與預(yù)警。基于氣球載雷達系統(tǒng)平臺與數(shù)字陣列雷達技術(shù)，通過雷達/通信/電子戰(zhàn)一體化設(shè)計，利用浮空氣球平臺的特點與優(yōu)勢，使雷達完成對低空、超低空小目標搜索、探測、跟蹤的同時，實現(xiàn)遠距離、大容量、高速度的雙向數(shù)據(jù)通信，并且完成電子偵察與干擾，減少分立裝備的數(shù)量，提高電子系統(tǒng)裝備的一體化水平、平臺適裝性和綜合作戰(zhàn)效能。

5 結(jié)束語

隨著國際局勢的變化，未來的信息化作戰(zhàn)背景面臨著新型目標威脅、復(fù)雜電磁環(huán)境的挑戰(zhàn)，同時面臨未來戰(zhàn)場復(fù)雜的環(huán)境，這對雷達系統(tǒng)的遠程預(yù)警探測能力提出了更高的要求。氣球載雷達系統(tǒng)具有作用距離遠、低空性能好、平臺適應(yīng)性強、留空時間長、持續(xù)監(jiān)視、效費比高等特點，能適應(yīng)未來復(fù)雜戰(zhàn)爭環(huán)境下對遠程預(yù)警探測系統(tǒng)的要求，也能兼顧在低海拔地區(qū)使用，具有廣泛的應(yīng)用前景。

更正

茲有張剛、陳啟均同志發(fā)表在《電子技術(shù)與軟件工程》雜志2019年5月上半月刊第112 頁中《玩轉(zhuǎn)機頂盒之低成本廣告系統(tǒng)實現(xiàn)》一文，原文第一作者張剛簡介中性別“女”更正為性別“男”。

《電子技術(shù)與軟件工程》編輯部

2019年11月