郭万海 邵晓方 滕 俊

(1.海军大连舰艇学院信息作战系 大连 116018)(2.海司军训部 北京 100036)

舰载相控阵雷达对空搜索方位上的资源分配研究*

郭万海1邵晓方1滕 俊2

(1.海军大连舰艇学院信息作战系 大连 116018)(2.海司军训部 北京 100036)

针对舰载相控阵雷达对空搜索的特点和规律,分析了影响舰载相控阵雷达对空搜索方位上资源分配的因素,建立了对空搜索时方位上资源分配的数学模型,给出了舰载相控阵雷达在防空作战中方位上搜索时的资源分配方法,对舰载相控阵雷达的作战使用具有一定的指导意义。

舰载相控阵雷达; 对空搜索; 方位; 资源分配

Class Number TN95

1 引言

舰载相控阵雷达具有天线波束快速扫描、波束形状可变、空间功率合成等技术特点,因而可实现多种功能。除可完成搜索、目标截获和多目标跟踪外,还可在某些重点方向上增加信号能量,实现某一方位上的重点搜索[1]。因此,为了合理运用舰载相控阵雷达的对空搜索资源,实现对目标的及时发现、准确发现和最远发现,就必须使舰载相控阵雷达对空搜索时方位上的资源进行分配。

本文通过对方位搜索扇面的战术分析,提出一种最优化的分区搜索算法。把整个警戒空域分为较小的区域,分析各区域平均发现一个目标消耗的雷达资源和目标被发现的平均时间同搜索帧周期以及目标强度的内在关系;并研究在雷达时间资源有限和区域重要性加权的约束条件下,使目标被发现的平均时间最小的区域最优帧周期。从而实现了在使目标被发现的平均最小的准则下的相控阵雷达对空搜索方位上的最优资源分配。

2 方位搜索扇面的战术分析

2.1 传统导弹多方向攻击

在传统的导弹战法中,大多强调导弹舰艇实施多方向攻击,也就是说利用舰艇机动形成对敌攻击的多方向,使导弹从不同方向飞临目标,造成目标抗击的困难。而在当今高透明度的海上战场和中远程反舰导弹严重威胁的情况下,依靠舰艇机动来实现多方向攻击已十分困难。即使是采用飞机进行多方向攻击,为了保证攻击的突然性以及攻击兵力的安全,多方向攻击也难以做到全方位,多方向的攻击的扇面通常限制在120°的范围内。

2.2 机动弹道导弹的多方向攻击

机动弹道导弹实现了导弹火力机动代替了舰艇兵力机动。其工作过程如下:根据预定的攻击方案,发射前给每枚导弹装订飞行转向点和转角。发射后,导弹按第一个航向飞行。到达第一个转向点后,按预定转角转向第二个航向。如果设定了多个转向点,则可以依次转向。这样,利用导弹飞行中的转向功能,实现真正意义上的导弹火力机动,形成多方向攻击。同时,可以实现导弹舰艇依托岛礁隐蔽攻击,利用导弹的航向控制功能,绕过岛礁等障碍物。由此,反舰导弹攻击样式的定义,不再是导弹攻击时的导弹舰艇兵力的配置,而是导弹飞临目标时的方向数的多少。从一个方向飞临目标,则称单方向攻击;从两个以上方向飞临目标,则称多方向攻击。如果飞临目标的导弹的方向间的总夹角超过180°,可称之为全向攻击,或全方位攻击。根据水面舰艇对空防御能力分析,若能实现反舰导弹的全方位攻击,就可以使用较少的导弹来达到饱和攻击的目的,大大增强导弹的突防能力。俄罗斯的“马斯基特”、美国的“战斧”与“捕鲸叉”、瑞典的RBS-15导弹等,都采用了机动弹道控制技术[2]。

从上述分析可以看出,随着海战场的透明度的增加,来袭导弹通过舰艇机动实现多方向攻击时,其攻击的扇面将会受到很大的限制;当采用火力机动来实现多方向攻击时,其对舰艇的威胁比较大,对雷达的扇面搜索也提出了更高的要求。

3 方位上资源的战术优化

3.1 方位最优搜索算法的确定

对于各区域,目标被发现的时间包括两部分:目标出现时刻到下一帧搜索时刻的时间和没有被发现而需要等待n个帧周期(n为非负整数)的时间。由泊松流的假设知,如果已知在(0,Tsi)内有新目标出现,则新目标出现的时间均匀分布于(0,Tsi)内。那么，目标出现时刻到紧接一帧搜索时刻的平均时间为

(1)

则目标被发现的平均时间[4]为

=(1/pdi-1/2)·Tsi

(2)

(3)

Ei/(λiTsi)=Ei/λi(1/pdi-1/2)

(4)

图与pdi关系图

由以上的分析和图1可得到结论:

综上所述,各区域平均发现一个目标所消耗的雷达资源与搜索一帧消耗的雷达资源、搜索帧周期和目标强度有关,搜索帧周期是决定平均发现一个目标消耗的雷达资源的重要因素,并决定着目标被发现的平均时间。可见在优化雷达搜索算法时,首先,必须采用最优的方法使各区域搜索一帧消耗的雷达资源最少,然后,采用最佳的搜索帧周期,即在目标强度大的区域采用较小的帧周期,在目标强度小的区域采用较大的帧周期,实现雷达资源在各区域的最优分配,从而达到使目标被发现的平均时间最小的目的。

3.2 方位最优搜索帧周期的确定

当整个警戒空域目标环境、目标强度、警戒空域的重要性等条件不均匀时,在雷达资源有限的条件下,为了合理利用雷达资源,使目标被发现的平均时间最小,应该对目标强度和重要性大的区域采用较小的搜索帧周期,即分配较多的雷达资源,而对目标强度和重要性小的区域采用较大的搜索帧周期[5]。因此,本节将研究使目标被发现的平均时间最小时,在区域重要性加权条件下受雷达时间资源约束的区域最优帧周期。

根据上述假设,为了表示各个空域的不同重要性,我们给各区域的目标设置不同的加权系数ωi,加权系数以最小值1为基准,一般空域为1,重要的空域视其相对一般空域的重要性赋予大于1的加权系数,可知新目标被发现的平均时间[4]为

(5)

则“加权平均时间”为

(6)

(7)

(8)

根据上文提出的最优帧周期进行搜索时,把最优帧周期代入式(5),可得最优搜索性能,即目标被发现的最小平均时间为

(9)

根据柯西-许瓦兹不等式可得:

(10)

可见各区域的最优搜索帧周期与各区域的目标强度、各区域搜索一帧所消耗的雷达时间、各区域的加权系数有关。在式(7)中,当各区域检测概率相同时,加权系数和目标强度越大、搜索一帧所消耗的雷达时间越小的空域帧周期越短;当各区域检测概率不相同时,检测概率越小的区域帧周期越小。

由目标被发现的平均时间与搜索周期关系可知:目标被发现的平均时间同各区域的检测概率、目标强度、搜索一帧消耗的雷达时间以及个空域的加权系数有关,这些参数的不同分布决定着目标被发现的平均时间也不同。

4 结语

当舰载相控阵雷达进行对空搜索时,除了要灵活控制脉冲重复周期、总脉冲积累数、能量和脉冲宽度等参数外,还必须注意将具体的战术与雷达的技术特点相结合,只有这样才能得到最优的搜索结果。本文提出在方位上搜索时的资源分配方法可以使相控阵雷达丰富的资源得到有效的利用,从而提高舰载相控阵雷达在防空作战中的作战效能。

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Resource Management in Different Direction of Shipborne Phased Array Radar

GUO Wanhai1SHAO Xiaofang1TENG Jun1

(1. Department of Information Operation, Dalian Naval Academy, Dalian 116018) (2. Department of Operation and Training, Navy Command, Beijing 100036)

According to the traits and regulations of ship borne phased array radar in air defense, the main factors influencing the resource management are analyzed, the mathematic model of resource management in different direction is established, the shipborne phased arry radar in air defense combat direction search method for resource management is given, which has certain guiding significance in the shipborne phased arry radar combat.

ship borne phased array radar, air defense, direction, resource management

2014年4月13日,

2014年5月31日

郭万海,男,博士,教授,博士生导师,研究方向:水面舰艇作战指挥系统与指挥自动化。

TN95

10.3969/j.issn1672-9730.2014.10.021