舰艇编队协同制导防空关键技术研究*

2016-04-15成顺利,王悦

舰船电子工程 2016年3期

关键词：防空

舰艇编队协同制导防空关键技术研究*

成顺利王悦

(92941部队93分队葫芦岛125001)

摘要论文对国内外舰艇编队协同制导防空现状及具有的优势进行了描述,对协同制导防空的模式和体系做了说明,重点对舰艇编队协同制导防空需要研究的关键技术进行了阐述。

关键词协同制导; 舰艇编队; 防空; 舰空导弹

Key Technology of Cooperative Control and Guidance for Warship group in Air-Defense

CHENG ShunliWANG Yue

(Unit 93, No. 92941 Troops of PLA, Huludao125001)

AbstractThe paper describes current situation and some superiority in domestic and overseas warship group cooperative control air-defense, and explains the model and system of cooperative control air-defense, and expouds expound study key technology of warship group cooperative control air-defense warship group.

Key Wordscooperative guided control, warship group, air-defense, ship to air missile

Class NumberE273.1

1引言

舰艇编队协同制导防空是为应对日益严重的空中目标威胁而提出的一种以编队内探测、跟踪信息共享为基础的新型作战模式。随着高技术武器装备的不断涌现,以先进的机动电子战系统、四代作战飞机、超音速反舰导弹和舰载无人机等为代表的新一代空中打击武器,具有隐身性强、速度快、破坏威力大等特点,对舰艇编队构成了新的空中威胁,尤其是防区外发射、低空隐蔽突防和饱和攻击等新战术,使舰艇对空探测的纵深及作战空域极大地受到压缩。因此,研究舰艇编队协同制导防空关键技术,成为提升防空作战效能迫切需求。

2国内外研究现状

2.1美海军协同制导防空发展概况

美海军于20世纪80年代研制“协同作战能

力”(CEC)系统,该系统通过各种传感器的相互联网,利用计算机、通信和网络等技术,将编队中各舰艇的目标探测系统、指控系统、武器系统和预警机联成网络,从而实现作战信息共享,使作战部队能够共享高精度的火控级信息,改进信息态势,统一协调战斗行动。目前改进型CEC BlockⅡ系统、小型化的CEC BlockⅢ系统已经大量装备于美国海军各种作战平台[1]。

2.2我国海军协同制导防空发展现状

我国舰艇编队协同制导防空技术的研究刚刚起步。目前,舰艇编队各战术单位间通过数据链等通信设备可以初步共享传感器探测、决策和作战数据。“十一五”期间,国内在理论上开展了多平台超视距协同制导作战技术研究,后期也开展了相关系统试验,但整体上来看,我国舰艇编队协同制导防空技术目前还处在研究与试验阶段,协同制导防空能力还未真正实现。

3协同制导防空的优势

舰艇编队协同制导防空与传统单舰制导防空模式比较具有以下优势:

1) 多舰协同完成对目标探测、跟踪,扩大了探测范围,可更早地掌握敌我双方的作战态势,提高单舰探测平台对空情的感知范围,尤其是可以弥补单舰探测平台低空盲区,实现超视距拦截,同时多舰探测也有利于实现对隐身目标的可靠探测、稳定跟踪[2]。

2) 复杂战场条件下,单舰武器系统受敌方电子干扰影响,往往会丧失作战能力,通过多舰多传感器的组合可维持战场态势图,即使目标进入某一成员雷达探测盲区,形成的复合航迹也能使武器系统完成攻击的整个过程。

3) 网络无固定中心节点,体系作战生存能力强。传统单舰武器系统在遭受敌人打击后,往往一个分系统受损就将导致整个武器系统全部瘫痪,通过协同防空作战,武器系统未受损部分可与编队内其它武器系统动态重组,继续履行防空使命。

4) 有效提高对巡航段反舰导弹的打击能力。目前大多数反舰导弹都采用巡航段亚音速飞行,末端超音速机动突防的作战方式。处在巡航段的反舰导弹飞行高度一般较高,航路相对稳定,一般不采取大航路的机动,可以对其进行快速稳定跟踪,毁伤概率高。受中远程舰空导弹制导盲区的限制,多舰作战存在可以发现但不能进行拦截的问题,而采用协同制导技术可以扩大中远程舰空导弹的打击范围,对巡航段的反舰导弹进行有效拦截。

5) 增大中远程舰空导弹的发射区,提高对来袭目标的拦截次数。在现有技术条件下,对付反舰导弹攻击的有效手段就是“早发现、早发射”的快速反应原则。只要目标处于本舰的发射区或者友舰的协同发射区就可以发射舰空导弹,导弹飞行过程中,采用协同制导技术,利用编队内其它平台获取的数据,控制或引导其它制导雷达制导控制导弹拦截目标,形成接力拦截作战能力,从而突破了本舰制导雷达视距的限制,实现超视距作战,加大了作战纵深,增加了全航路的有效拦截次数[3]。

6) 有效对抗反辐射导弹的攻击。反辐射导弹利用导引头接收我方雷达辐射的电磁波进行被动寻的制导,以达到摧毁我方雷达的目的。在复杂的电子战环境下,我方的雷达制导信号容易被敌方反辐射导弹发现和跟踪锁定,如果采取无线电静默的方式进行对抗,会影响我方对舰空导弹的制导工作效果。在协同制导防空的背景下,通过制导平台的变换,敌方的反辐射导弹难以有效发现、跟踪我方制导信号,可以降低反辐射导弹的攻击成功率,而且不会影响我方对舰空导弹制导效果。

4舰艇编队武器系统协同制导防空作战模式、体系

4.1协同制导防空作战模式

1) 远程数据交战

本舰舰空导弹武器控制系统根据它舰制导雷达目标探测数据进行射击诸元解算、导弹发射等工作,导弹发射后,由本舰制导雷达根据它舰制导雷达目标精跟信息和本舰制导雷达导弹精跟信息,完成对导弹的跟踪与制导,直至弹目交会。

2) 航迹合成

目标探测跟踪信息由两部以上制导雷达共同完成。采用该种作战模式可用来提高航迹的稳定性和连续性,并适用于抗干扰作战,如制导雷达遭遇自卫干扰后,可以利用两部制导雷达的被动跟踪信息实施被动交叉定位解算、或者利用它舰未受干扰的制导雷达距离信息对本舰制导雷达进行距离信息支援,角度信息采用本舰制导雷达跟踪信息,从而恢复本舰武器系统的作战能力。

3) 接力制导

导弹发射后,由本舰制导雷达完成对导弹的初始截获、跟踪及部分中制导,当导弹飞出本舰制导雷达威力范围或由于其它原因导致本舰制导雷达无法继续对导弹跟踪制导时,由它舰制导雷达接力完成对导弹的跟踪制导,直至弹目交会[4]。

在舰艇编队舰空导弹武器系统实际作战过程中,目标支路与导弹支路独立工作,因此在实际协同作战过程中,上述三种作战模式经常是耦合铰链的。

4.2舰艇编队舰空导弹武器系统协同制导体系

舰艇编队中各成员单位(包括舰载平台、机载平台)通过专用高速数据链共享传感器原始信息(既包括目标信息,也包括导弹信息),在各舰协同制导处理设备中进行分布式处理,形成高质量统一制导信息场,满足舰艇编队舰空导弹武器系统协同作战使用需求。

以航母编队为例,舰艇编队舰空导弹武器系统协同制导体系框图如图1所示。

由图1体系框图可知,编队各成员之间通过专用高速数据链自组织成分布式的网络。各平台之间充分共享信息并进行信息的分布式处理,均配置协同制导处理设备,为保证统一制导信息场的实时性与精确性,外部传感器对目标与导弹的跟踪信息,应通过专用高速数据链直通协同制导处理设备。各成员舰艇能够动态接入及退出编队网络,实现协同制导网络的可动态重组。

图1　舰艇编队武器系统协同制导体系框图

针对协同制导功能具体实现,增设协同制导处理设备,其功能框图如图2所示。

图2　协同制导处理设备功能框图

5舰艇编队协同制导防空关键技术研究

舰艇编队协同制导防空是一项复杂的系统工程,涉及探测、通信、导弹制导、作战指挥和控制等多个领域。

5.1协同制导总体技术

协同制导总体技术是协同作战模式设计和作战效能分析的前提和基础,并决定系统设计的总体思路。协同作战需要将提供目标或者导弹跟踪信息的外部传感器均纳入武器系统的范畴。因此,为了设计协同制导总体方案,需要重点关注多平台探测、跟踪传感器信息测量、信息传输、信息转换与信息应用的相关模型,提出不同协同制导模式下对信息的相关需求。此外,由于舰艇编队协同作战涉及的因素和环节多,协同制导体系结构设计难度大。需要深入分析编队指挥、舰指挥、武器系统、战术数据链、制导平台等多方面的关系,才能处理好各环节的功能定位和任务分工。

5.2多雷达组网技术

舰艇编队中不同频段、不同体制的多雷达协同工作,提升了对小目标、隐身目标、高速高机动目标、低空目标等的探测和跟踪能力,以及整体抗干扰、抗摧毁能力。研究的关键技术包括:1)多雷达优化部署技术;2)基于信息栅格和点迹融合的雷达组网技术;3)多雷达动态组合及控制技术;4)雷达组网条件下的协同探测、远程控制、目标识别、效能评估技术。

5.3数据链延时补偿技术

舰艇编队协同制导防空系统中,将舰艇编队内各作战平台上的探测跟踪系统、指挥控制系统、武器系统整合成统一高效的网络体系,但是由于物理距离以及其他一些因素,信息通过网络传输时必然会存在延时,数据链延时使得战场场景无法实时再现,这会影响指挥员的判断与决策,同时缩短了决策时间。如果数据链延时过长,还会使导弹无法命中目标,因而完全有必要对数据链延时进行补偿。研究的关键技术包括: 1) 延时时间测定技术; 2) 目标状态预测技术; 3) 基于延时补偿的滤波模型与算法[5]。

5.4多传感器数据融合技术

舰艇编队协同制导防空系统是一个多平台、多传感器、多指控系统、多发射系统的探测、指挥、控制、制导一体化的信息融合系统。研究的关键技术包括: 1) 时空一致与误差校正技术; 2) 目标点迹压缩合并、点迹串行合并等点迹融合技术; 3) 多目标跟踪技术; 4) 多干扰源定位技术; 5) 决策层融合、特征层融合和数据层融合等信息融合技术[6]。

5.5协同制导航迹质量实时评估技术

在协同制导作战的过程中,武器系统需要了解目标航迹的跟踪质量是否达到作战的使用要求,然后根据航迹质量评估结果进行导弹发射决策和杀伤区计算。进行航迹质量评估的难点之一是影响因素多,主要影响因素有:雷达测量精度、数据率、雷达观测目标的距离、角度、信噪比等参数,雷达与我舰的相对位置关系等;难点之二是由于低空多路径误差效应,雷达实时跟踪误差难以建立数学模型定量评估。因此,需要综合考虑各个因素的影响,对各种因素进行分析,并建立评估准则,才能给出科学、合理的航迹质量评估方法。

5.6高速数据网络技术

高速数据网络是宽带、实时网络。它不仅具有很高的传输速率,而且具备很强的抗干扰能力和精准的定向性和实时性。研究的关键技术包括: 1) 相对和绝对格网锁定技术; 2) 传感器数据传输的智能接口技术; 3) 多波束天线多节点通信技术; 4) 网络中有限节点最优跟踪信息分发技术; 5) 宽带和窄带网络数据技术。

5.7数据共享技术

数据共享技术主要涵盖数据传输可靠性和时空一致性两个方面。根据协同制导防空作战流程,数据共享主要涉及来袭目标和舰空导弹的运动信息。分析可知,这两类目标的飞行速度很快,数据实时性和准确性要求很高,因此无论是对来袭目标的跟踪还是对舰空导弹的跟踪制导,都要求编队内数据传输具有很高的可靠性。若传输过程中产生数据错误,则极有可能影响舰空导弹的发射效率和制导精度。异地分布的跟踪探测平台因时间、空间的差异不可避免地会产生时空不一致问题,这对共享数据精度要求很高的导弹协同制导系统影响尤为明显。因此对相关校正方法展开研究,建立时间、空间误差的分离和真值的解算方法,是协同制导技术实现的基础。

5.8多目标威胁评估技术

威胁评估是一个连续、动态的过程,它贯穿于整个作战过程,从第一个威胁的出现到所有威胁的消失。根据编队整体防御的思想,对目标威胁程度的评判应以其对整个编队的威胁程度来分析。建立指标体系过程中,充分考虑到编队中各队列舰相对价值对于目标威胁程度的影响;同时,应充分利用编队所获取的目标信息,在信息类型上,不仅应利用目标的各种传感器信息和电子战信息,而且应综合利用对敌方空袭典型战术、典型编成、空袭作战特点分析所得到的预先知识;在信息时域上,不仅要充分利用实时的目标信息,而且还应该综合考虑目标的历史航迹和战术动作;指标量化过程中,应认真分析指标对威胁影响机理,建立合理的量化模型;威胁评估模型的建立应尽量避免引入主观性和盲目性[7]。

5.9接力制导技术

在接力制导实施过程中,需首先确定制导平台交班的时机和空域范围。由于导弹飞行时间较短,且受至少两部制导平台的跟踪空域限制,这一过程具有实时性强的特点。另一方面,对接力协同制导的信息交换关系设计面临的对象多,涉及到交班和接班武器系统的武控系统、制导平台、协同制导处理单元等多种设备,信息交互量大,控制关系复杂,只有通过优化设计,才能形成一个科学、合理的接力协同制导过程设计方案。此外,对于接力制导作战模式,导弹的远程截获问题、指令线的异地形成问题等具体问题均需要特别进行考虑与设计[8]。

5.10导弹制导技术

舰空导弹常用的制导方式有遥控制导、自动寻的制导和复合制导三种。在单舰制导模式下,各种制导方式具有一定的适用范围,比如指令制导的优点是弹上设备少、重量轻,缺点是制导精度随着飞行距离的增加而迅速降低。因此,指令制导一般用于中、近程舰空导弹的制导。而在协同制导条件下,引入了友舰协同制导的过程,使得指令制导方式在较远距离上仍然可以满足制导精度的要求。同时,不同的制导方式将会对协同制导作战流程产生不同的影响。因此需要对目前舰空导弹的制导方式进行研究,分析并验证协同制导条件下采用各种制导方式的可行性[9]。

5.11多作战节点武器目标分配技术

舰艇编队协同制导作战模式下由于武器系统的协同共用,火力单元变成了发射节点和制导节点临时构成的虚拟组织,称为“集成火控系统(IFCS)”,舰艇编队协同制导作战中,IFCS的组成不是固定不变的,它们能够根据需要解体、重组。IFCS的产生使得目标火力通道的组织突破了作战平台的限制,目标火力通道组织变得多样化、复杂化,目标分配问题变成了集成火力单元与目标的优化配对,也就是“发射节点一制导节点一目标”三者匹配优化问题。

5.12协同制导作战使用技术

协同制导作战使用研究的内容主要包括采用的舰艇编队队形优化配置技术、协同制导作战使用条件、舰空导弹协同发射区和发射时机的确定、制导交接空域和时机的确定等。对于发射区而言,单舰制导的舰空导弹发射区相对于发射舰是一个静态的区域,不需要考虑编队内其他平台的影响。而在协同制导条件下,舰空导弹的协同发射区是一个动态变化的过程。由于发射区的确定直接影响对目标的拦截决策,因此需要综合各种因素进行分析研究[10]。

6结语

舰艇编队协同制导防空是未来发展的一个主要方向,这种作战能力的提升并不需要增加新的传感器和武器系统,而是通过网络分发共享传感器的信息和武器信息,从而达到整个舰艇编队防空作战能力的提升。从本文阐述的协同制导防空所涉及的关键技术看出,协同制导防空技术面临着诸多挑战,需进一步深入研究。

参考文献

[1] 董志刚,宋福晓.美海军CEC系统研究现状探析[J].无线电技术,2005,35(11):35-37.

[2] 秦剑冬,邢昌风,等.编队舰空导弹协同制导防空作战研究[J].舰船科学技术,2011,32(5):81-83.

[3] 余亮,刑昌风.编队协同防空作战中制导交接问题分析与建模[J].舰船电子工程,2008,27(4):47-49.

[4] 肖增博,雷虎民.多导弹协同制导规律研究现状及展望[J].航空兵器,2011(6):19-21.

[5] 毛艳丽,姜长生.空战数据链通讯延时产生的影响及补偿[J].弹箭与制导学报,2005,25(4):949-952.

[6] 何佳洲.多平台协同防空作战系统数据融合技术研究[J].舰船电子工程,2009,28(3):40-43.

[7] 李相民,代进进.舰艇编队网络化反导作战系统研究[J].现代防御技术,2011,39(6):63-70.

[8] 付昭旺,于雷.导弹协同制导中末交接班目标截获概率研究[J].弹道学报,2012,24(4):32-34.

[9] 滕克难.网络化舰空导弹超视距协同反导的关键技术[J].电光与控制,2012,19(12):54-56.