有人無人協同探測技術探索與時序設計

霍恩來

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

有人預警機基于其昂貴的價值,較大的雷達反射截面積,通常情況下,有人預警機很難深入重地進行預警探測。無人預警機在我軍體系中,主要面向于海、空軍裝備的補充、升級,隨著預警機技術及無人機系統的發展,未來較長的一段時間,體系裝備中必然是有人機和無人機并存,并逐步轉為全無人化。而現階段,預警機存在反隱身、抗干擾、抗摧毀等能力不足,基于預警機和前置無人機的空基雙/多基地體制的分布式預警系統,不僅可彌補我軍無人預警的不足,還可利用無人機長航時、低成本等特點前突到敵方近區,實現防區擴大,提升我軍預警能力[1]。

1 工作場景分析

作戰樣式一:有人預警機與一架或多架無人預警機組成空中編隊,按照特定的隊形組陣拉開基線,利用不同入射角下隱身飛機RCS不同,實現超遠程反隱身探測。

作戰樣式二:無人機靜默前突,接收有人機雷達回波,提升裝備安全性特性的同時提升預警距離。

圖1 有人/無人協同探測示意圖

圖2 無人前置靜默接收

2 協同探測得益分析

雙基地收發分置雷達接收目標回波信號功率為[2]

(1)

其中:PT為發射功率;GT為發射天線增益;GR為接收機天線增益;λ為波長;σB(β)為目標雙基地RCS;RT為發射機到目標的距離;RR為接收機到目標的距離;Ls為系統損耗;(S/N)min為最小可檢測信噪比;k為玻爾茲曼常數;Ts為接收機噪聲溫度,Bn為接收機檢波前噪聲帶寬。

假設目標雙基地雷達截面積為常數,可以得到雙基地雷達最大距離kB,得到雙基地最大卡西尼卵曲線表達式為

kB=(RTRR)max

(2)

為了繪制雙基地雷達探測區域,建立如圖3所示的極坐標系[3]。

圖3 雙機位置關系示意圖

圖5 基線450km的協同威力示意圖

圖6 基線300km的協同威力示意圖

從幾何關系可得出最大探測距離用極坐標表示:

(3)

綜合式(2)和式(3),得到r的一元四次方程為

(4)

根據式(4),可以得出雙基地雷達探測區的3種形態,下面結合某預警機系統參數,其威力為300km,發射增益為25dB,前置接收無人機的增益為20dB,仿真三種形態下的覆蓋范圍。

綜上所述,采用無人機接收有人機發射的雷達信號,進行協同探測,在基線適當的情況下,可有效擴展探測威力。

3 工作模式設計

有人機雷達按照正常波束掃描,如上分析,單個無人機負責30°范圍的協同探測,在有人機雷達第M號波束掃描到無人機負責的范圍開始,無人機采用同時多波束(n個波束)追逐有人機波束,多波束覆蓋期望擴展的預警范圍,其波束掃描示意圖如圖7所示。

圖7 波束掃描示意圖

其中:r0為基線長度;R為有人機預警威力;R1為協同探測威力;θ為無人機協同負責角度范圍。從幾何關系可得出:

(5)

(6)

無人機接收波束在θ1、θ2之間排布。

時間同步是指,發射站朝著某個方向發射的時候,接收站要實時接收到發射參數并采取接收工作,需要結合通信延時以及基線長度等因素約定兩站發射時刻。

機間通信延時預估t0、t1,時序設計如圖8所示[4]。

圖8 工作時序圖

顯然,從時序分析看,只要稍作提前接收,時間誤差只要不是太大是不會影響數據的接收與解算的,但是通信延時太大會極大影響發射波束的波速掃描周期。但是,在存在距離模糊的情況下,脈沖信號折疊嚴重,如何使脈沖在時域或者頻域對齊變得尤為重要,時間同步進度不滿足要求,會使信號無法對齊,不易實現相參處理。

空間同步是指,兩站的實時位置需要相對準確,影響著接收波束指向以及三角距離解算,間接影響雷達測角和測距精度。此時,需要注意的是,時間的同步誤差以及通信時間誤差帶來的位置誤差同樣會影響雷達的測角和測距精度。

這期間惡化的定位誤差包括通信期間及等待期間位置變動補償誤差、兩站自身的絕對定位誤差。

(7)

此誤差在計算測距精度中代替載機誤差,其中有人和無人的載機誤差為確定的,而走動補償誤差依賴于速度誤差和延時誤差,而GPS或者北斗的速度誤差一般情況下很高,綜合評估σ補償誤差小于飛機自身的定位誤差σ平臺,所以總的惡化誤差可以表示為

(8)

這期間惡化的測角誤差包括通信期間及等待期間位置變動補償帶來的角度誤差、兩站自身慣導的偏航角誤差。

(9)

此誤差在計算測角精度中代替載機誤差,上述分析顯示,σ補償小于飛機自身的定位誤差σ平臺,而θ補償主要由σ補償引起,所有總的角度惡化誤差可以表示為

(10)

頻率或者相位同步是指收發單元應該具有相同的發射和接受頻率,否則在產生信號的時候,會存在無法信號失配,相參效果不好,或者在截取脈沖長度的時候存在偏差,引起距離跨越。因為線性調頻信號的多普勒容限比較大,所以基于線性調頻信號的分布式雷達對頻率同步要求不高,僅需要滿足信號本身多普勒容限即可。

4 關鍵技術梳理

1)運動平臺的“時間”同步問題

由于空空雙/多基地雷達的收發兩站不是固定不動的,而是兩站同時運動,這不同于一般的地-地雙基地雷達;這就對兩站間的信息傳遞帶來了新的技術問題,如何能夠建成一條實時的通信數據鏈,成為實現空空雙/多基地雷達合作探測的關鍵[5]。

由于收、發分置,所以必需知道發射觸發的準確時間,給接收站提供時間基準,實現接收站的空間同步。

針對時間同步,可采用的方式有微波雙向傳輸法、GPS共視法、衛星雙向傳輸法。對于機載平臺,想要實現信號級別協同,微波雙向傳輸法的同步精度微妙量級較難達到其要求,GPS共視法實時性較差同樣不可取,而衛星雙向傳輸法精度高,但是復雜性和成本都相對較高,不太容易實現。

2)運動平臺空間同步定位

空空雙/多基地雷達的發射機是位于空中平臺,其坐標瞬時變化,所以需隨時確定出其坐標。對合作式空空雙/多基地雷達,如果基線較短,兩站定位可采用RTK定位,但基線大于100km,RTK基本失效,如何實時地確定發射站坐標信息并實時地送至接收站,從而解算出兩站間的距離、方位是實現空空雙基地三角形解算的關鍵[6]。

3)運動平臺實時通信傳輸技術

對合作式空空雙/多基地雷達,發射站的實時坐標信息、發射觸發、頻率碼、工作方式等信息需傳到接收站來實現兩站同步工作,此外發射站與接收站還要進行雙向數據傳送,以便數據融合用。對于機載預警機發射站而言,由于發射站處于不停的運動狀態,與無人機的通信鏈路要實時對準,才能確保接收站在任意位置均可于發站進行雙向數據傳送。另外,延時不能太大,否則影響掃描效率。

4)運動平臺分布式雜波抑制及檢測技術

機載分布式頻譜特性不同于收發同置,其雜波分布并不相同,傳統的雜波、干擾抑制手段可能并不適用,通過雜波仿真、算法設計等研究分布式雜波抑制及檢測方法。

5 結束語

本文通過對空基分布式雷達協同探測機理進行分析,并對分布式協同雷達探測威力進行仿真,通過仿真可發現分布式探測確實可擴展預警探測威力。但是,想要實現空基協同探測,較多的問題需要解決,包括同步、通信等方面。在基線較遠的情況下,高速通信手段以及同步手段將是后續研究的關鍵。