一種基于ADS-B的雷達(dá)威脅空情模擬方法

王肖洋，劉廣建，王 昊，趙順利

(中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心，河南 洛陽(yáng) 471000)

雷達(dá)操作技能訓(xùn)練、指揮控制訓(xùn)練和復(fù)雜電磁環(huán)境下裝備效能檢驗(yàn)需要起飛空中合作目標(biāo)為雷達(dá)反復(fù)釋放威脅空情，構(gòu)建空中威脅態(tài)勢(shì)，但是受到航線(xiàn)管制、氣象條件、飛行架次等多方面因素的制約，空中合作目標(biāo)，雷達(dá)威脅空情構(gòu)建難的問(wèn)題比較突出。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，民航航線(xiàn)已覆蓋大部分國(guó)土，航班數(shù)量快速增長(zhǎng)，選用合適的民航飛機(jī)作為雷達(dá)網(wǎng)探測(cè)的空中威脅目標(biāo)成為緩解矛盾問(wèn)題的有效途徑之一。民航飛行受氣象條件影響小，航線(xiàn)分布廣，雷達(dá)目標(biāo)特性一致性好，飛行狀態(tài)參數(shù)可知，數(shù)量多有利于采集大樣本數(shù)據(jù)，這些特點(diǎn)有利于操作技能訓(xùn)練、指揮控制訓(xùn)練，有利于訓(xùn)練效果檢驗(yàn)評(píng)估，可以取得顯著的費(fèi)效比[1-5]。

1 傳統(tǒng)威脅空情模擬方法

根據(jù)升空平臺(tái)和模擬技術(shù)的不同，常用的雷達(dá)威脅空情模擬方式可分為三類(lèi)[6-8]：

1)利用真實(shí)戰(zhàn)機(jī)實(shí)飛模擬假想敵戰(zhàn)機(jī)突防，由于戰(zhàn)機(jī)之間的RCS特性、運(yùn)動(dòng)特征接近，且能夠做出一定的戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作，模擬效果逼真，但飛行保障要求高，飛行架次寶貴，模擬訓(xùn)練次數(shù)十分有限。

2)利用高速無(wú)人機(jī)、無(wú)人靶機(jī)掛載龍伯球模擬特定雷達(dá)目標(biāo)。該方法費(fèi)用較低，但同樣受航線(xiàn)管控和氣象條件的限制，且受測(cè)控距離限制，飛行距離較短，多用于模擬近距離空情。

3)基于射頻存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的威脅空情模擬方法。該方法利用雷達(dá)信號(hào)模擬器在雷達(dá)波束掃過(guò)的時(shí)刻快速產(chǎn)生雷達(dá)模擬回波，在雷達(dá)顯示器上形成航跡?；谠摲椒ǖ膯尾磕M器只能模擬單個(gè)目標(biāo)，無(wú)法同時(shí)為雷達(dá)網(wǎng)的全部雷達(dá)提供相同時(shí)空維度下的模擬威脅空情。

2 民航飛行模擬雷達(dá)空情可行性

2.1 空情基本要素

空情的基本要素含保衛(wèi)目標(biāo)坐標(biāo)、火力單元坐標(biāo)、空襲兵器進(jìn)入航路方位角、空襲兵器高度、空襲兵器速度、火力單元航路投影捷徑，其保衛(wèi)目標(biāo)坐標(biāo)與火力單元坐標(biāo)在防空兵部署后已經(jīng)確定。民航飛行本身就屬于雷達(dá)空情的范疇，具有高度、速度、方位等特征，客觀(guān)上不具有威脅屬性，但從主觀(guān)人為訓(xùn)練的角度，通過(guò)虛擬保衛(wèi)目標(biāo)，合理配置火力單元位置，在三者之間滿(mǎn)足一定條件下民航飛行可以視為威脅空情[9]。

2.2 民航飛行特點(diǎn)

民航航線(xiàn)分布廣，從縱橫交錯(cuò)的眾多航線(xiàn)中容易選擇若干條符合空襲基本態(tài)勢(shì)的航線(xiàn)作為模擬空襲來(lái)向，且航線(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定，有利于開(kāi)展重復(fù)訓(xùn)練。

民航飛機(jī)目標(biāo)一致性好，民航航線(xiàn)上的機(jī)型類(lèi)別相對(duì)統(tǒng)一，飛行高度、速度等參數(shù)相對(duì)固定。同時(shí)民航飛機(jī)的飛行狀態(tài)與目標(biāo)雷達(dá)特性一致性好，目標(biāo)重復(fù)性好，既有利于反復(fù)訓(xùn)練，又可以在一定時(shí)間內(nèi)獲取足量評(píng)估樣本。

民航航線(xiàn)參數(shù)可公開(kāi)獲知，航線(xiàn)上每一架民航飛機(jī)的飛行狀態(tài)參數(shù)容易通過(guò)民航信標(biāo)接收技術(shù)(ADS-B)解譯得知，可為訓(xùn)練效果的實(shí)時(shí)檢驗(yàn)評(píng)估提供真值支撐。

民航與戰(zhàn)機(jī)巡航速度接近，約為900 km/h，與運(yùn)輸機(jī)、轟炸機(jī)等大型軍用飛機(jī)雷達(dá)散射特性接近。

2.3 ADS-B民航信標(biāo)接收技術(shù)

民航自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(automatic dependent surveillance broadcast, ADS-B)技術(shù)是民航信標(biāo)發(fā)射接收設(shè)備的核心技術(shù)，安裝了S模式ADS-B發(fā)射設(shè)備的飛機(jī)可通過(guò)1090ES數(shù)據(jù)鏈廣播其自身的精確位置、速度、高度、瞬時(shí)姿態(tài)等數(shù)據(jù)信息，結(jié)合地面空管接收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)民航飛機(jī)的地空監(jiān)視[10]。

3 威脅空情模擬流程與方法

依托民航飛行模擬威脅空情，首先篩選過(guò)境民航航線(xiàn)，保證所選擇的民航航線(xiàn)符合基本的空襲打擊態(tài)勢(shì)，其次是設(shè)置要模擬空情的威脅等級(jí)，然后循環(huán)選定模擬目標(biāo)，最后適時(shí)釋放模擬空情，基本流程如圖1所示。

圖1 威脅空情模擬基本流程

3.1 統(tǒng)計(jì)民航飛行規(guī)律

以雷達(dá)站址為中心，借助ADS-B接收設(shè)備實(shí)時(shí)接收半徑300 km范圍內(nèi)的空中民航飛機(jī)的狀態(tài)信息，包括每一架飛機(jī)的實(shí)時(shí)經(jīng)緯度、實(shí)時(shí)速度、實(shí)時(shí)高度和航班號(hào)等信息，持續(xù)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)300 km內(nèi)民航目標(biāo)的活動(dòng)規(guī)律，建立民航活動(dòng)信息數(shù)據(jù)庫(kù)。持續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)間不少于一周，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的記錄格式應(yīng)以時(shí)間軸為主線(xiàn)，按時(shí)間順序記錄每一時(shí)刻300 km范圍內(nèi)所有民航飛機(jī)的活動(dòng)狀態(tài)信息，時(shí)間刻度間隔小于5 s。

3.2 優(yōu)選模擬空襲航線(xiàn)

優(yōu)選模擬空襲航線(xiàn)即設(shè)置威脅空情的主要來(lái)向。根據(jù)記錄的民航活動(dòng)信息，以雷達(dá)站址地域?yàn)橹行?，繪制300 km范圍內(nèi)的所有民航航線(xiàn)，選擇能夠穿過(guò)雷達(dá)站址地域的過(guò)境民航航線(xiàn)備選，從過(guò)境航線(xiàn)中篩選符合基本空襲態(tài)勢(shì)的航線(xiàn)作為“模擬空襲航線(xiàn)”。模擬空襲航線(xiàn)與其他民航航線(xiàn)交叉相對(duì)較少，通航密度滿(mǎn)足ρ≥1架次(/h)。

航線(xiàn)過(guò)境的標(biāo)準(zhǔn)是雷達(dá)站址位置距離航線(xiàn)的航路捷徑滿(mǎn)足最小距離要求，最小距離和雷達(dá)的作戰(zhàn)用途、探測(cè)距離、探測(cè)精度、探測(cè)視角緊密相關(guān)。

圖2是篩選后的模擬空襲航線(xiàn)示意圖，圖中虛線(xiàn)段表示所有民航航線(xiàn)，加粗線(xiàn)段為篩選的模擬空襲航線(xiàn)，●為雷達(dá)站址位置。

圖2 篩選后的模擬空襲航線(xiàn)示意圖

3.3 設(shè)置空情威脅等級(jí)

空情威脅等級(jí)與目標(biāo)毀傷能力、目標(biāo)企圖、類(lèi)型、數(shù)量、地面?zhèn)刹鞌r截能力等因素相關(guān)，由于民航為半合作目標(biāo)，以雷達(dá)網(wǎng)實(shí)力、目標(biāo)批數(shù)、目標(biāo)方位分布、單批目標(biāo)威脅程度為指標(biāo)設(shè)置空情威脅等級(jí)。雷達(dá)網(wǎng)實(shí)力與雷達(dá)網(wǎng)用途密切相關(guān)，偵察預(yù)警雷達(dá)網(wǎng)實(shí)力與探測(cè)范圍、探測(cè)精度有關(guān)，火力攔截雷達(dá)網(wǎng)實(shí)力與雷達(dá)數(shù)量、雷達(dá)跟蹤范圍、雷達(dá)最大目標(biāo)跟蹤數(shù)有關(guān)。單批目標(biāo)威脅程度主要決定于目標(biāo)的高度、速度、距離和航路捷徑，由于民航飛機(jī)高度、速度基本不變，航線(xiàn)確定后航路捷徑不變，選取距離作為目標(biāo)威脅程度判定的指標(biāo)[11-12]?？梢詤⒄障嚓P(guān)的目標(biāo)/空情威脅等級(jí)評(píng)估模型計(jì)算對(duì)應(yīng)指標(biāo)的具體值，也可以根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)、訓(xùn)練目的意圖主觀(guān)設(shè)置?？涨橥{等級(jí)的計(jì)算模型可參考：

T=k(α·∑Di-β·E)

(1)

Di=1-Ri/Ro

(2)

k為威脅修正系數(shù)，α和β為單批目標(biāo)威脅程度權(quán)重和雷達(dá)網(wǎng)處置能力權(quán)重，Di為單批目標(biāo)威脅程度的量化值，E為雷達(dá)網(wǎng)實(shí)力量化值，Di∈[0,1],E∈[0,1],T∈[0,1]，Di和T的值越大威脅度越高，E值越大雷達(dá)網(wǎng)實(shí)力越強(qiáng)。Ri為單批目標(biāo)與模擬打擊區(qū)域的距離，Ro為雷達(dá)網(wǎng)警戒線(xiàn)。E值選取與雷達(dá)網(wǎng)雷達(dá)數(shù)量、技術(shù)體制先進(jìn)程度、空域頻域覆蓋范圍等密切相關(guān)，可以采取專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)量化賦值。

本文將空情威脅等級(jí)設(shè)置為輕度(T∈[0,0.25])、中度(T∈[0.25,0.5])、重度(T∈[0.5,1])。對(duì)偵察預(yù)警雷達(dá)網(wǎng)，單批目標(biāo)威脅程度Di∈[0,0.25]時(shí)設(shè)為二級(jí)、Di∈[0.25,1]時(shí)設(shè)為一級(jí)。對(duì)火力攔截雷達(dá)網(wǎng)，單批目標(biāo)威脅程度Di∈[0,0.75]時(shí)設(shè)置為二級(jí)、Di∈[0.75,1]時(shí)設(shè)為一級(jí)。

表1 空情威脅等級(jí)設(shè)置示例

3.4 循環(huán)選定模擬目標(biāo)

確定模擬空情威脅等級(jí)后，持續(xù)監(jiān)視選定的若干模擬空襲航線(xiàn)，如果在二級(jí)/一級(jí)威脅距離范圍之外出現(xiàn)民航飛機(jī)飛向雷達(dá)站中心地域，且與周邊飛機(jī)的保持一定的距離間隔，確保雷達(dá)能夠區(qū)分，同時(shí)飛機(jī)的ADS-B信標(biāo)持續(xù)接收，則可將這些民航飛機(jī)確定為待選的模擬威脅目標(biāo)，循環(huán)選定模擬威脅目標(biāo)，直至滿(mǎn)足威脅空情模擬的數(shù)量、距離和方位分布要求，并對(duì)所有目標(biāo)進(jìn)行編號(hào)。具體標(biāo)準(zhǔn)如下：

設(shè)當(dāng)前時(shí)刻模擬空襲航線(xiàn)上民航樣本總數(shù)為N，每個(gè)樣本的經(jīng)緯度坐標(biāo)為(xi,yi)，如果樣本滿(mǎn)足下述條件則確定為待選的模擬威脅目標(biāo)：

1)樣本向著雷達(dá)站地域運(yùn)動(dòng)；

2)樣本與雷達(dá)站址之間的距離滿(mǎn)足‖(xi,yi)-(x0,y0)‖>R，R為預(yù)先設(shè)定的二級(jí)/一級(jí)威脅距離范圍；

3)任意兩樣本(xi,yi)和(xj,yj)之間的距離‖(xi,yi)-(xj,yj)‖>>σ，σ為雷達(dá)距離分辨單元尺寸，對(duì)于警戒雷達(dá)來(lái)說(shuō)，閾值可設(shè)定為30 km，對(duì)于制導(dǎo)火控雷達(dá)來(lái)說(shuō)，閾值設(shè)定為10 km；

4)樣本信標(biāo)信號(hào)持續(xù)時(shí)間應(yīng)超過(guò)雷達(dá)對(duì)目標(biāo)起批最短時(shí)間要求，按照3點(diǎn)起批的原則，一般設(shè)定不小于30 s；

圖3是三架被選定模擬目標(biāo)示意圖，編號(hào)①②③，分布在三條航線(xiàn)上。

圖3 選定模擬目標(biāo)示意圖

3.5 釋放模擬空情

選定一架或多架模擬目標(biāo)后，可以根據(jù)威脅空情等級(jí)對(duì)距離、方位、強(qiáng)度(數(shù)量)的需要適時(shí)釋放模擬空情。從空情類(lèi)型上分，模擬空情的釋放可以是一次少量釋放，模擬突發(fā)空情；可以一次集中釋放，模擬多方向飽和空情；也可以動(dòng)態(tài)釋放，邊篩選目標(biāo)邊釋放，模擬連續(xù)空情。

從威脅態(tài)勢(shì)構(gòu)建上可以構(gòu)建單方向單批次、單方向多批次、多方向多批次三種威脅態(tài)勢(shì)。

4 典型應(yīng)用場(chǎng)景

4.1 模擬轟炸機(jī)高空遠(yuǎn)程奔襲

民航飛機(jī)在外型尺寸、巡航高度和巡航速度上十分接近轟炸機(jī)，其RCS值與轟炸機(jī)也在一個(gè)數(shù)量級(jí)，可以模擬轟炸機(jī)高空突防、臨空轟炸，構(gòu)建單方向單批次(多批次)高空遠(yuǎn)程奔襲威脅環(huán)境。

4.2 模擬戰(zhàn)斗機(jī)編隊(duì)欺騙突防

民航飛機(jī)雖然在外形尺寸和RCS典型值上與戰(zhàn)斗機(jī)相差數(shù)量級(jí)，但是在巡航高度和巡航速度上可以接近戰(zhàn)斗機(jī)，中東地區(qū)幾次成功的空襲打擊行動(dòng)均采用了戰(zhàn)斗機(jī)密集編隊(duì)模擬民航飛行和雷達(dá)回波特征的戰(zhàn)術(shù)。因此可以一架民航飛機(jī)模擬某個(gè)方向戰(zhàn)斗機(jī)編隊(duì)中高空突防。

4.3 模擬戰(zhàn)斗機(jī)多方向多批次飽和攻擊

在檢驗(yàn)雷達(dá)網(wǎng)的指揮協(xié)同和空情處置能力時(shí)，或提升操作手多目標(biāo)跟蹤能力時(shí)，需要以多批空中目標(biāo)構(gòu)建相對(duì)復(fù)雜得多方向威脅態(tài)勢(shì)?？梢赃x擇2-3條通航密度較高，且在雷達(dá)網(wǎng)區(qū)域上空交匯的民航航線(xiàn)作為模擬空襲航線(xiàn)，形成多方向威脅態(tài)勢(shì)，同時(shí)利用民航航班密集的特點(diǎn)分批選定目標(biāo)，在一定時(shí)間內(nèi)，從多個(gè)方向持續(xù)模擬出多波次高強(qiáng)度的飽和空情或連續(xù)空情。

5 威脅空情模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于文中描述的模擬方法設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了威脅空情模擬系統(tǒng)，系統(tǒng)由分布式ADS-B信號(hào)接收解算、信息融合與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、模擬目標(biāo)自動(dòng)篩選、態(tài)勢(shì)顯示與評(píng)估四個(gè)功能部分組成，其原理結(jié)構(gòu)如圖4所示?；谠撓到y(tǒng)可以開(kāi)展雷達(dá)空中威脅目標(biāo)模擬，可以根據(jù)規(guī)則導(dǎo)入輔助構(gòu)建多種態(tài)勢(shì)下的威脅空情。圖5是基于該系統(tǒng)在工程實(shí)踐中模擬的多方向多目標(biāo)空中威脅態(tài)勢(shì)圖。

圖4 空情威脅模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

6 結(jié)束語(yǔ)

本文緊扣雷達(dá)操作技能訓(xùn)練、指揮控制訓(xùn)練應(yīng)用背景，針對(duì)雷達(dá)空情模擬問(wèn)題，借助ADS-B民航信標(biāo)接收技術(shù)，提出了一種以民航飛行模擬雷達(dá)威脅空情的實(shí)用方法，并介紹了該方法的應(yīng)用場(chǎng)景以及基于該方法設(shè)計(jì)模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該方法及系統(tǒng)相比傳統(tǒng)模擬方法具有低成本、簡(jiǎn)單易用的特色優(yōu)勢(shì)，且在實(shí)踐中取得了一定的應(yīng)用效果。但是民航飛行也存在航線(xiàn)相對(duì)固定，所模擬的空情不夠復(fù)雜多變的缺點(diǎn)，還需要與其他模擬方法結(jié)合使用。