高精度測量雷達(dá)發(fā)展趨勢

黨 弦，江 天，成 浩

(海軍標(biāo)準(zhǔn)化研究中心,上海 200235)

0 引 言

高精度測量雷達(dá)主要用于試驗評估及靶場測量,包括航天器的發(fā)射、運行、回收的跟蹤測量，武器系統(tǒng)飛行和對抗試驗、鑒定以及評估的跟蹤測量，飛行目標(biāo)特性的跟蹤測量等，其跟蹤測量精度比武器系統(tǒng)跟蹤雷達(dá)高出3～10倍左右[1]。

高精度測量雷達(dá)具備全天候、全天時、高可靠性、高精度等特點[2]。高精度測量雷達(dá)從武器系統(tǒng)跟蹤雷達(dá)演變而來，因而早期主要為常規(guī)反射面體制，具備單目標(biāo)高精度跟蹤以及靶場監(jiān)視控制能力，后續(xù)隨著試驗要求的提高，提出了多目標(biāo)跟蹤測量需求，高精度測量雷達(dá)由常規(guī)反射面體制逐步向相控陣體制發(fā)展。

隨著多彈頭、子母彈、高超音速導(dǎo)彈以及以電磁軌道炮為代表的新質(zhì)武器等新型武器的發(fā)展，對高精度測量雷達(dá)提出了更高要求，并作為技術(shù)發(fā)展動力引導(dǎo)高精度測量雷達(dá)發(fā)展。

1 常規(guī)體制測量雷達(dá)

在測量雷達(dá)發(fā)展初期，高精度測量雷達(dá)主要由武器系統(tǒng)跟蹤雷達(dá)演變而來，主要采用常規(guī)反射面單脈沖體制，以美國為代表的主要有以下幾種[3]。

1.1 AN/FPS-16單脈沖跟蹤雷達(dá)

世界第1部用于導(dǎo)彈和衛(wèi)星精密跟蹤測量的單脈沖雷達(dá)由美國無線電公司于1956年研制成功，如圖1所示，1957年美國各導(dǎo)彈靶場正式使用。該雷達(dá)采用直徑為3.6 m的圓拋物面天線，四喇叭單脈沖，工作于C波段，作用距離235 km，距離跟蹤精度3.6 m，角精度0.2 mrad，有5個型號，其中XN-5型為艦載型，安裝在“范戈特”號、“紅石”號等測量船上，目前該系列雷達(dá)已裝備近百套。

圖1 AN/FPS-16單脈沖跟蹤雷達(dá)

1.2 AN/MPS-36機(jī)動靶場測量雷達(dá)

1968年5月，美國RCA公司根據(jù)美國陸軍提出的“機(jī)動式靶場安全系統(tǒng)”需求設(shè)計研制出AN/MPS-36機(jī)動式靶場測量雷達(dá)。該雷達(dá)具備高可靠性、高維護(hù)性以及高機(jī)動性等特點，能夠滿足靶場測量各項任務(wù)。該測量雷達(dá)天線直徑3.66 m，采用5喇叭饋源單脈沖形式，角跟蹤精度0.2 mrad，距離跟蹤精度2.7 m，能夠跟蹤2 000 nmile以外的目標(biāo)，美國和德國靶場均已裝備該雷達(dá)。

1.3 AN/FPQ-10靶場通用測量雷達(dá)

AN/FPQ-10是基于AN/FPS-16和AN/FPQ-6進(jìn)行研制的，該雷達(dá)接收機(jī)采用雙通道單脈沖系統(tǒng)，波寬為1°～1.1°，采用圓拋物面天線，具備垂直極化、水平極化、右旋極化和左旋極化，角跟蹤精度0.3 mrad(最大值)，距離跟蹤精度達(dá)1.8 m，于1966年開始裝備美國各靶場。

1.4 固定式單脈沖精密測量雷達(dá)

上世紀(jì)60年代國內(nèi)成功研制出第1臺精密測量雷達(dá)，該雷達(dá)采用單脈沖非相參磁控管發(fā)射機(jī)體制，天線直徑4.2 m，發(fā)射峰值功率800 kW，測角精度0.2 mrad，距離測量精度5 m，與美國AN/FPS-16(XN-1)測量雷達(dá)水平相當(dāng)。70年代又基于該雷達(dá)研制出單脈沖相參精密測量雷達(dá)。

1.5 移動式車載非相參精密測量雷達(dá)

國內(nèi)從第1部精密測量雷達(dá)開始，經(jīng)過20多年發(fā)展，20世紀(jì)80年代中期，成功研制出移動式車載非相參精密測量雷達(dá)，該雷達(dá)搭載在移動拖車上，可拆裝，機(jī)動性強(qiáng)，如圖2所示，填補(bǔ)了車載移動式精密測量雷達(dá)空白，隨后又研制出機(jī)動型相參精密測量雷達(dá)。常規(guī)體制測量雷達(dá)主要采用機(jī)械掃描反射面體制，相對于相控陣體制，其成本較低，具備一定的機(jī)動性能，但是僅能完成單目標(biāo)跟蹤測量，功能相對較少，難以滿足試驗跟蹤測量提出的多目標(biāo)以及多功能需求。

圖2 移動式車載非相參精密測量雷達(dá)

2 相控陣多目標(biāo)測量雷達(dá)

隨著武器系統(tǒng)的發(fā)展，對測量雷達(dá)提出了多目標(biāo)探測需求，由此多目標(biāo)測量技術(shù)得到了迅速發(fā)展與應(yīng)用。

為滿足多目標(biāo)測量跟蹤需求，高精度測量雷達(dá)由常規(guī)反射面體制逐步向相控陣體制發(fā)展，但是采用相控陣體制會大大增加雷達(dá)成本。為實現(xiàn)較高性價比的高精度測量雷達(dá)，通常采用空饋相控陣或無源相控陣以及機(jī)相掃結(jié)合形式，以降低成本。隨著相控陣技術(shù)的應(yīng)用，高精度測量雷達(dá)不僅實現(xiàn)了多目標(biāo)測量跟蹤，而且還具備邊跟邊監(jiān)視、靶場控制、靶場安全等功能同時進(jìn)行，極大地提高了高精度性能。相控陣體制高精度測量雷達(dá)主要有以下幾種。

2.1 MOTR多目標(biāo)精密測量雷達(dá)

MOTR雷達(dá)為1985年由美國RCA公司開始研制的一款相控陣體制的多目標(biāo)測量雷達(dá)。該雷達(dá)的脈沖重頻、脈寬、工作頻率、編碼形式、時統(tǒng)以及發(fā)射功率可根據(jù)靶場試驗需要進(jìn)行靈活設(shè)置，具備對空、靶場安全、靶場控制以及監(jiān)視等多種功能，能夠同時跟蹤10批目標(biāo)，并且絕對精度比單目標(biāo)測量雷達(dá)高1～2倍。該雷達(dá)可以對目標(biāo)進(jìn)行自動捕獲并轉(zhuǎn)跟蹤，且捕獲時間小于1 s，具備良好的低角跟蹤性能，低角跟蹤精度比AN/MPS-36和 AN/FPS-16測量雷達(dá)高3倍。

2.2 MIR多目標(biāo)測量雷達(dá)

根據(jù)美海軍航空系統(tǒng)司令部提出的多目標(biāo)靶場測量要求，由美國雷聲公司研制出了MIR。該雷達(dá)是一部機(jī)相掃結(jié)合的測量雷達(dá)，采用空饋透鏡相控陣列，天線直徑3.6 m，由8 973個天線單元組成，電掃范圍：方位±35°，俯仰±30°，兩軸機(jī)掃方位470°，能夠同時跟蹤16批高機(jī)動目標(biāo)，特別適用于飛機(jī)和導(dǎo)彈靶場，并且其多目標(biāo)跟蹤精度不亞于單目標(biāo)測量雷達(dá)跟蹤精度。MIR多目標(biāo)測量雷達(dá)對雷達(dá)截面積(RCS)為1 m2目標(biāo)的作用距離為342.8 km，方位絕對跟蹤精度為0.1 mrad，俯仰相對跟蹤精度為0.05 mrad，距離跟蹤精度為1.8 m。

2.3 REST電掃描靶場測量實驗雷達(dá)

REST雷達(dá)是一部有限相掃范圍的機(jī)相掃結(jié)合雷達(dá)，在20世紀(jì)70年代，為了使測量雷達(dá)滿足高動態(tài)性能、多目標(biāo)的要求，美國無線電公司將REST天線前端部分安裝在AN/FPS-16雷達(dá)天線座上，由于AN/FPS-16雷達(dá)原有天線基座、發(fā)射機(jī)、定時系統(tǒng)以及對外接口等部分都保持不變，所以大大降低了REST雷達(dá)的研制和生產(chǎn)成本。REST雷達(dá)工作在C波段，天線直徑3 m，天線單元112×64個，相掃方位10°×10°，相掃范圍內(nèi)可跟蹤20個目標(biāo)，對RCS為1 m2目標(biāo)的作用距離110 km，系統(tǒng)指向精度≤0.312 mrad(均方根值)。這種機(jī)相掃結(jié)合雷達(dá)不僅加快了目標(biāo)捕獲過程，而且特別適用于跟蹤多目標(biāo)群。

2.4 TWS-QR邊掃描邊跟蹤寂靜雷達(dá)

TWS-QR作為一款美國休斯飛機(jī)公司于1982年初研制出的跟蹤雷達(dá)，主要用于各種地空導(dǎo)彈系統(tǒng)，還作為SHORAD/LOMAS武器系統(tǒng)和AMRAAM空空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的監(jiān)視和控制雷達(dá)，該雷達(dá)具備較強(qiáng)的復(fù)雜電磁環(huán)境抗干擾能力。TWS-QR工作在I/J波段，方位旋轉(zhuǎn)，俯仰電掃多波束，可以通過方位50轉(zhuǎn)/min搜索監(jiān)視360°方位空域。該雷達(dá)具備超低副瓣、低功率波形、高跟蹤精度等特點，另外還具備高機(jī)動，整部雷達(dá)可通過2輛車完成裝載，隨時機(jī)動。

2.5 車載相控陣多目標(biāo)單脈沖精密跟蹤雷達(dá)

為滿足多目標(biāo)測量需求，國內(nèi)在20世紀(jì)90年代成功研制出第1部相控陣多目標(biāo)測量雷達(dá)，如圖3所示。該雷達(dá)采用機(jī)相掃結(jié)合形式，搭載在移動拖車上，具備較強(qiáng)的機(jī)動性能。該雷達(dá)陣面采用空饋透鏡式稀布陣，陣面天線口徑3.7 m，可同時進(jìn)行10批目標(biāo)跟蹤測量，性能相當(dāng)于美國MOTR多目標(biāo)精密測量雷達(dá)的水平。

圖3 車載相控陣多目標(biāo)單脈沖精密跟蹤雷達(dá)

3 后續(xù)發(fā)展趨勢分析

作為新型武器發(fā)展方向，多彈頭、子母彈、高超聲速導(dǎo)彈以及以電磁軌道炮為代表的新質(zhì)武器等正逐步走向應(yīng)用，如圖4、圖5所示。

圖4 美國海軍電磁軌道炮

圖5 美國X-51高超音速飛行器

新型武器主要特點包括：

(1) 新型武器具備高超音速飛行能力，如美軍電磁軌道炮彈丸初速度可達(dá)2～2.5 km/s，X-51A高超音速巡航導(dǎo)彈速度可達(dá)6 Ma，X-37B空天飛機(jī)速度可達(dá)25 Ma等；

(2) 新型武器具備超遠(yuǎn)距離打擊能力，如美國電磁軌道炮極速射擊200 km外目標(biāo)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出常規(guī)火炮打擊距離，超音速導(dǎo)彈打擊距離可從幾百公里延伸至幾千公里；

(3) 新型武器具備多彈丸、多彈頭、子母彈飽和攻擊能力。為了突破對方防御體系，新型武器一次發(fā)射通常攜帶多枚彈頭或者連續(xù)飽和攻擊，提升打擊效果；

(4) 具備高機(jī)動、超低突防、末段高角俯沖攻擊等特點，如俄羅斯和印度的布拉莫斯等；

(5) 為躲避雷達(dá)探測，提升突防能力，新型武器提升雷達(dá)隱身性能，盡量降低目標(biāo)特征，使對方雷達(dá)難以探測。

以上特點對高精度測量雷達(dá)在原相控陣多目標(biāo)測量雷達(dá)的基礎(chǔ)上，提出了更高、更多的要求，包括：

(1) 超高音速目標(biāo)的多目標(biāo)、遠(yuǎn)距離、高精度跟蹤能力；

(2) 針對超高倍音速目標(biāo)的快速反應(yīng)與處理能力；

(3) 適應(yīng)試驗測量需求的輕量化高機(jī)動能力；

(4) 強(qiáng)抗干擾(抗雜波、電磁干擾)能力；

(5) 提升經(jīng)濟(jì)性，發(fā)揮最大費效比。

為滿足這些需求，國外進(jìn)行了一些新體制測量雷達(dá)研究。

3.1 新型iMOTR移動多目標(biāo)跟蹤雷達(dá)

英國BAE系統(tǒng)公司2017年在美國的亨茨維爾太空和導(dǎo)彈防御研討會上推出了一款新型iMOTR移動多目標(biāo)跟蹤雷達(dá)，如圖6、圖7所示。該雷達(dá)采用干涉-相控陣體制，工作在C或X波段，能對低空、掠海以及水面各種多目標(biāo)進(jìn)行高精度實時跟蹤，具備較強(qiáng)的海雜波、地雜波抑制能力，目前主要用于對飛機(jī)和無人機(jī)的測評和評估。該雷達(dá)與目前在役的靶場雷達(dá)相比，能在更寬的視場范圍內(nèi)提供更精確的多目標(biāo)位置信息數(shù)據(jù)。

圖6 新型iMOTR移動多目標(biāo)跟蹤雷達(dá)

圖7 iMOTR雷達(dá)折疊狀態(tài)

iMOTR雷達(dá)優(yōu)先選用現(xiàn)有貨架產(chǎn)品(包括增強(qiáng)型氮化鎵、射頻和模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù))相匹配的設(shè)計思路進(jìn)行設(shè)計，以獲得一種高性價比的多目標(biāo)跟蹤雷達(dá)。iMOTR雷達(dá)與目前傳統(tǒng)多目標(biāo)相控陣跟蹤雷達(dá)系統(tǒng)相比，具備較高的性價比和高機(jī)動性，其突出的低空和超低空探測能力，可與遠(yuǎn)程預(yù)警探測雷達(dá)實現(xiàn)盲區(qū)補(bǔ)充探測，具備高費效比，可有效對末端導(dǎo)彈等目標(biāo)進(jìn)行穩(wěn)定探測跟蹤。

表1 新型iMOTR移動多目標(biāo)跟蹤雷達(dá)主要參數(shù)

3.2 iMOTR移動多目標(biāo)跟蹤雷達(dá)的改進(jìn)型

2018年4月，弗吉尼亞州貝爾沃堡的美國陸軍采購中心公布了一種全新的炮瞄雷達(dá)，如圖8所示。這種雷達(dá)裝在一個小拖車上，天線陣面傾斜，由4塊平板組成，由于還處在研發(fā)階段，并未公布其型號和性能。根據(jù)外形與iMOTR移動多目標(biāo)跟蹤雷達(dá)相近，可判斷該雷達(dá)可能為BAE系統(tǒng)為美國陸軍的研制的iMOTR移動多目標(biāo)跟蹤雷達(dá)的改進(jìn)型，從公布的圖片分析，該雷達(dá)體制應(yīng)該與iMOTR雷達(dá)體制一樣，不過與其不同的可能是收發(fā)分置，中間平板天線發(fā)射，外圍3個平板天線接收。另外，根據(jù)美軍電磁軌道炮相關(guān)信息判斷，該雷達(dá)可能主要為美軍電磁軌道炮提供測試保障，能夠快速發(fā)現(xiàn)、捕獲超高音速的電磁軌道炮彈丸，并對其進(jìn)行精確跟蹤測量。

圖8 iMOTR移動多目標(biāo)跟蹤雷達(dá)的改進(jìn)型

為適應(yīng)新型武器發(fā)展，國內(nèi)外均對新體制高精度測量雷達(dá)進(jìn)行了探索和研究。雖然國內(nèi)外研究的新體制具體形式不同，但是為滿足新型武器發(fā)展對高精度測量雷達(dá)提出的超高音速目標(biāo)的高精度跟蹤、多目標(biāo)、遠(yuǎn)距離、輕量化高機(jī)動、強(qiáng)抗干擾能力(抗雜波、電磁干擾)、高性價比等新的跟蹤測量要求，發(fā)展新體制高精度雷達(dá)測量將成為一種趨勢。

4 結(jié)束語

測量雷達(dá)由最初的常規(guī)體制單脈沖跟蹤雷達(dá)開始，隨著武器系統(tǒng)和測量對象的多目標(biāo)需求，出現(xiàn)了多目標(biāo)相控陣測量雷達(dá)。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著現(xiàn)代化高超音速武器以及新質(zhì)武器的發(fā)展，對高精度測量雷達(dá)提出了更高要求，新體制測量雷達(dá)應(yīng)運而生，后續(xù)高精度測量雷達(dá)還會隨著武器以及測量對象的需求而進(jìn)一步發(fā)展提高。