航空集群協(xié)同反隱身構型與機動策略

張佳強,梁曉龍,尹忠海,孫　強

(1.空軍工程大學空管領航學院,陜西 西安 710051;2.空軍工程大學理學院,陜西 西安 710051)

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航空集群協(xié)同反隱身構型與機動策略

張佳強1,梁曉龍1,尹忠海2,孫強2

(1.空軍工程大學空管領航學院,陜西 西安 710051;2.空軍工程大學理學院,陜西 西安 710051)

針對航空集群獨立反隱身的任務需求,提出使用集群任一成員機載雷達作為發(fā)射陣元,群內其他成員機載雷達作為接收陣元,構建多部雙基雷達,利用雷達收、發(fā)分置帶來的空間分集優(yōu)勢,在隱身目標不同方位探測其散射的電磁波,形成反隱身能力。研究了接收節(jié)點在不同距離和方位配置時形成的反隱身探測空域;針對機載雷達掃描角限制造成的前向空間探測盲區(qū),提出了3種集群飛行器機動策略。仿真結果表明,航空集群各節(jié)點均能夠形成一定的反隱身探測能力,不同集群構型能夠適應不同威脅等級的反隱身任務需求;發(fā)射節(jié)點通過S形機動能夠達成良好的雷達補盲效果。

航空集群; 反隱身; 機載雙基雷達; 空間分集

0　引　言

具有集群智能的多類飛行器組成的任務集群是未來空中戰(zhàn)場的主導力量[1-3],在可能面臨的缺乏信息支援的孤立環(huán)境中獨立作戰(zhàn)的能力是航空集群要解決的重要問題[4],其中隱身與反隱身的對抗將貫穿作戰(zhàn)行動的始終。研究表明,反隱身可采用空間、頻率、極化、波形等多種技術途徑[5-8],本文從隱身飛機雷達波側向、前向散射大的空間分布特點出發(fā),基于雙基雷達空間分集思想,研究以有人/無人隱身飛機為節(jié)點的航空集群利用自身機載雷達協(xié)同反隱身的實現(xiàn)方法,提出使用航空集群任一成員作為發(fā)射陣元,群內其他成員作為接收陣元,通過優(yōu)化布陣,形成對隱身飛機的有效探測。

目前,雙基/多基雷達反隱身研究多集中在地基、海基等雷達平臺之上[9-10],平臺位置相對固定,而機載雙基雷達則擁有更加機動、敏捷的構型產(chǎn)生與變換能力,能夠針對隱身目標的動態(tài)適應性的改變雙基雷達的空間部署,從而更加有利于雙基雷達性能的發(fā)揮。此外,前向配置并采用無源方式探測目標的航空集群成員,能夠避免自身雷達開機帶來的暴露危險,實現(xiàn)先敵發(fā)現(xiàn)、隱蔽接敵,具有重要的戰(zhàn)術意義。

1　協(xié)同反隱身空域覆蓋模型

雙基雷達方程[11]為

(1)

記

則

(2)

式中,Rt為雷達發(fā)射機至目標距離；Rr為雷達接收機至目標距離；Bbistatic為雙基地雷達性能參數(shù)；σb為目標的雙基雷達散射截面積。

Rt、Rr受到兩個幾何約束:

式中,Rb為雷達發(fā)射機與接收機之間的距離。

不考慮大氣對雷達波的衰減,當雙基地雷達性能參數(shù)Bbistatic確定后,只要確定了Rb、σb,就能計算出雷達的探測空域,并在此基礎上進行多部機載雙基雷達的空間部署構型設計。

1.1σb的影響

雙基雷達散射截面積σb是收、發(fā)兩地姿態(tài)角的函數(shù)[12]:

(3)

當σb為定值時,具有全向收、發(fā)能力的雙基雷達探測邊界的幾何輪廓在任何含有發(fā)射-接收軸線的平面內都是Cassini卵形線[13],如圖1所示。

圖1　雙基雷達(全向)對RCS為定值目標的探測空間Fig.1　Detection space of bistatic radar (omni-directional)to the target with constant RCS

對于隱身目標,σb值在空間上的變化超過±20 dB[14],圖2(a)給出了一種隱身飛機模型在水平面內的RCS仿真結果[15],圖2(b)為其4階多項式擬合曲線?？梢?RCS在鼻錐方向有顯著縮減,對雙基雷達探測空間形狀有極大影響。

圖2　隱身飛機模型在機體水平面內的RCS分布Fig.2　RCS distribution of stealth aircraft model in its horizontal plane

對抗條件下,作為雷達發(fā)射節(jié)點的隱身飛機自身會暴露于敵方的無源探測系統(tǒng)之下,通常敵隱身飛機會采取能最大限度發(fā)揮自身隱身性能的方式,即指向我集群中雷達處于開機狀態(tài)的飛機方向飛行以達成導彈發(fā)射條件。該假設條件下,我方航空集群中處于開機搜索狀態(tài)雷達的照射波可以近似為從目標鼻錐方向入射,因而目標的雙基雷達散射截面積σb的影響因子可以假設為αt=βt=0,僅需要知道目標在0°入射波照射下的雙站RCS空間分布,就能夠計算出機載雙基雷達對隱身目標的探測空間。

1.2Rb的影響

以機載雷達對隱身目標迎頭探測距離rT作為距離基準,研究雷達收、發(fā)機之間距離變化對雙基雷達探測空域的影響。引用文獻[15]中給出的隱身目標RCS空間分布,并考慮有人/無人戰(zhàn)斗機機載雷達通常存在的最大掃描角限制ν≤νmax,仿真得到的機載雙基雷達探測空域分布如圖3所示。圖中給出了“1發(fā)5收”6個節(jié)點組成的航空集群在收發(fā)分置模式下的機載雷達作用范圍,其中,發(fā)射節(jié)點為兼用收、發(fā)模式的全功能雷達,位于坐標原點,5個處于接收狀態(tài)的節(jié)點在發(fā)射節(jié)點前向[0,π]空間逆時針等距離、等角間距分布,且假設隱身目標在發(fā)射節(jié)點前向[0,π]空間指向發(fā)射節(jié)點飛行。

仿真結果顯示,航空集群中位于不同方位的接收節(jié)點反隱身探測空間的大小和形狀顯著不同,主要源于隱身目標雙站RCS在空間的分布極不均勻和存在雷達最大掃描角所致。越鄰近發(fā)射節(jié)點兩翼配置的接收節(jié)點探測空域越大,反之越接近發(fā)射節(jié)點正前方配置的接收節(jié)點探測距離越小,最小值位于發(fā)射節(jié)點正前方向,如圖3中3號節(jié)點(接收機3),且3號探測空域被2號和4號節(jié)點探測空域完全覆蓋,因此在集群反隱身構型設計時,發(fā)射節(jié)點正前方向通常不配置接收節(jié)點。此外,受發(fā)射節(jié)點雷達最大掃描角νmax約束,位于左右正側方的1號、5號節(jié)點損失了部分探測能力,即便如此,圖3(a)、圖3(b)表明,與其他節(jié)點相比,1號、5號節(jié)點仍然獲得了最大的探測空間。

圖3　集群機載雷達收發(fā)分置模式下對隱身目標的探測空間Fig.3　Detection space of swarm bistatic airborne radars to stealth aircraft

比較圖3(a)～圖3(d),可以發(fā)現(xiàn):當Rb=1.0rT時,發(fā)射節(jié)點與接收節(jié)點形成的探測空域有較多的重疊,該集群構型適宜于高威脅空域情形;當Rb增大到2.0rT時,各節(jié)點形成的探測空域向外充分擴展并緊密銜接,有利于遠距離發(fā)現(xiàn)隱身目標并防止其從各節(jié)點探測空域結合部進入;而當Rb向外進一步擴大到3.0rT時,雖然各節(jié)點形成的探測空域明顯向外擴展,但空域塊之間的結合部已出現(xiàn)明顯間隙,各節(jié)點之間缺乏交叉保護的能力,這種構型僅可運用于潛在威脅較小的情形;隨著Rb繼續(xù)擴大,各節(jié)點探測空域開始萎縮,甚至失去雙基雷達探測能力(見圖3(d))。

1.3αbist的影響

除了收、發(fā)機之間距離外,直接決定雙基雷達探測范圍的是接收節(jié)點相對發(fā)射節(jié)點的方位角αbist,圖4給出了Rb=2.0rT時位于發(fā)射節(jié)點不同方位8個接收節(jié)點的探測空域分布,可見當接收雷達節(jié)點配置在發(fā)射節(jié)點左右兩翼[0,(π-νmax)/2]、[(π+νmax)/2,π]時,會在發(fā)射節(jié)點正面[(π-νmax)/2,(π+νmax)/2]空間形成較大的反隱身探測空域。而最優(yōu)方位的選擇,還需考慮機載導彈的性能和戰(zhàn)術運用層面的因素。

圖4　不同方位分布的接收節(jié)點探測空域Fig.4　Detection space of bistatic radar receivers in different direction

2　協(xié)同反隱身機動策略

如圖3、圖4所示,基于機載雷達組成的雙基雷達系統(tǒng)對隱身目標在前向[0,π]空間內存在兩個扇面角大小(π-νmax)/2的探測盲區(qū)。對此,航空集群內各戰(zhàn)斗機可以通過自身機動,提高空域覆蓋度。以圖3(b)構型(去除3號節(jié)點)為對象,分析收、發(fā)節(jié)點的機動策略。

2.1作為發(fā)射節(jié)點的飛機做S形機動

當發(fā)射節(jié)點(位于坐標原點)在集群基準航向上做S形機動時,在最大偏航角(π-νmax)/2時形成的反隱身探測空域如圖5所示,可見,集群兩側的反隱身盲區(qū)可被有效覆蓋。

圖5　發(fā)射節(jié)點做S形機動時的集群探測空域Fig.5　Detection space of bistatic airborne radar swarm when transmitter maneuvers along S type path

2.2作為接收節(jié)點的飛機做S形機動

當所有接收節(jié)點在集群基準航向上同步做S形機動時,在各節(jié)點達到最大偏航角(π-νmax)/2時形成的反隱身探測空域如圖6所示。

圖6　接收節(jié)點做S形機動時的集群探測空域Fig.6　Detection space of bistatic airborne radar swarm when all the receivers maneuver along S type path

2.3收、發(fā)節(jié)點飛機同步做S形機動

當航空集群內所有節(jié)點在集群基準航向上同步做S形機動時,在最大偏航角(π-νmax)/2時形成的反隱身探測空域如圖7所示。

圖7　收、發(fā)節(jié)點飛機同步做S形機動時的集群探測空域Fig.7　Detection space of bistatic airborne radar swarm when the transmitter and receivers maneuver together along the S type path

對比圖5～圖7可以看出,發(fā)射節(jié)點不做機動而僅依靠接收節(jié)點機動時,探測空域的盲區(qū)問題無法得到解決;收、發(fā)節(jié)點飛機同時做S形機動時的探測空域略小于僅有發(fā)射節(jié)點機動時的探測空域,且各節(jié)點探測空域結合部未形成閉合,增大了漏警風險。因此,作為發(fā)射節(jié)點的飛機做S形機動,其他作為接收節(jié)點的飛機按既定航線飛行,是3種機動反隱身策略中的最佳策略。

3　結　論

本文從隱身目標RCS的空間差異分布入手,研究了利用集群內多節(jié)點機載雷達收、發(fā)分置所形成的空間探測優(yōu)勢,在保證群內多數(shù)節(jié)點保持雷達靜默的條件下,擴大了單機對隱身目標的探測空域,實現(xiàn)整個集群在前向空間對隱身目標的探測覆蓋,主要結論包括:

(1)機載雷達構成的雙基雷達系統(tǒng),處于“只收不發(fā)”模式的各接收節(jié)點均能夠形成一定的反隱身探測能力,接收節(jié)點方位越靠近發(fā)射節(jié)點正側方,探測空域越大,反之越靠近發(fā)射節(jié)點正前方,探測空域越小;

(2)收、發(fā)節(jié)點之間的基線距離為2倍單基雷達對隱身目標的迎頭探測距離時,集群形成較好的反隱身空域覆蓋能力。基線距離越小,空域的覆蓋重疊度越高;基線距離越大,空域覆蓋重疊度越低,連續(xù)性越差;

(3)為彌補機載雷達掃描角限制所造成的前向探測盲區(qū),提出了3種S形機動策略,其中發(fā)射節(jié)點機動策略具有更好的補盲效果。

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梁曉龍(1981-),通信作者,男,副教授,博士,主要研究方向為航空集群指揮與控制、智能系統(tǒng)、空管自動化。

E-mail:xiaolong.liang@hotmail.com

尹忠海(1964-),男,教授,博士,主要研究方向為集群通訊、網(wǎng)絡通訊。

E-mail:zhonghai2005@163.com

孫強(1970-),男,副教授,博士,主要研究方向為集群智能與智能計算。

E-mail:s126email@126.com

Design of aircraft swarm cooperating anti-stealth configuration and maneuver strategy

ZHANG Jia-qiang1,LIANG Xiao-long1,YIN Zhong-hai2,Sun Qiang2

(1.Air Traffic Control and Navigation College,Air Force Engineering University,Xi’an 710051,China; 2.Science College,Air Force Engineering University,Xi’an 710051,China)

To meet the demand of aircraft swarm autonomously anti-stealth,a bistatic airborne radar system concept is proposed,where the airborne radar of any member in the aircraft swarm can be designed as bistatic radar transmitter while the others are designed as the radar receivers.Benefiting from the space diversity design,the swarm members can detect the scattered radar electromagnetic energy from different directions of the stealth target and find out the stealth aircraft.Based on this concept,this paper calculates the anti-stealth airspace range of the bistatic airborne radar system when the radar receivers are placed at different distance and different direction.To eliminate the blind area caused by the radar scanning angle in the swarm forward detecting airspace,three basic types of maneuver strategies of the swarm aircrafts are put forward.The simulation results indicate that,all the radar nodes in aircraft swarm can possess the anti-stealth ability but of various detecting area size and shapes,and different swarm configuration suits different anti-stealth needs in different threat level airspace.The strategy that keeps the radar transmitter node flying in S-type way can fill the swarm detecting gaps.

aircraft swarm; anti-stealth; bistatic airborne radar; space diversity

2015-08-31；

2016-06-03；網(wǎng)絡優(yōu)先出版日期：2016-07-14。

國家自然科學基金(61472442，61472443)；陜西省自然科學技術研究發(fā)展計劃(2013JQ8042)資助課題

V 488.2

ADOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2016.11.11

張佳強(1984-),男,講師,博士,主要研究方向為航空集群理論與技術、智能空中交通管理。

E-mail:jiaqiang-z@163.com

網(wǎng)絡優(yōu)先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20160714.1253.006.html