李涛涛,高伟亮,王永坤,沈君宝,程 焕

(1. 中国人民解放军91967部队,河北 邢台 054100;2. 海军航空大学青岛校区,山东 青岛 266041;3. 中国航空工业集团公司雷华电子技术研究所,江苏 无锡 214000)

在航母编队中,舰载战斗机担负着夺取海上制空权,打击敌方海上和海面目标,护卫母舰等重要任务,需要舰载战斗机具备更宽广、更灵活的态势感知能力。我国舰载战斗机已经装备红外探测系统、有源相控阵雷达等多型传感器系统,相继开展了协同作战关键技术研究[1-3],但对于多传感器协同探测作战模式的研究不多。舰载机平台内部的异类传感器之间可获取不同特性的信息,具有很好的互补性,编队协同探测能够有效改变目标识别效果[4],但目前还没有很好的互相利用、互相支持来获取更精准的目标信息。各类传感器各自为战,导致整体探测效能在较低的水平上,还有较大的潜力可供挖掘。

1 舰载战斗机协同探测典型作战场景建模

1.1 典型作战任务及环境

舰载战斗机主要担负空中截击、巡逻、打击敌空中高价值目标、攻击敌水面舰艇[5]、远程打击,以及对敌防空系统进行防空压制和对陆空中遮断等任务[6]。

舰载战斗机在执行任务时面临着严峻的作战环境[7],而舰载战斗机雷达、红外等传感器作为海面目标搜索及态势感知的载体,面临着恶劣的海上环境,需要面对潮湿高腐蚀环境、复杂多变海上气候带来的挑战。舰载战斗机以舰船编队为中心进行对海作战时,将面临来自海面、陆地、空中等多方位电磁干扰、民用目标及虚假目标欺骗等复杂电磁干扰环境,尤其是舰载战斗机在进行海上舰艇目标搜索时极易遭遇敌方舰载干扰,造成误判,给目标探测、跟踪与识别带来较大的挑战。

1.2 典型作战场景建模

制空打击过程中,根据作战对象和敌我态势不同,舰载机编队作战样式包括空中截击、空中巡逻、空中护航三类。从作战使用过程来看,本文以空中截击作为典型制空场景分析,在航母编队作战系统的引导下,舰载机编队对来袭的敌方空中隐身机动目标实施拦截和攻击。接到空中截击作战任务后,母舰作战指挥中心派遣舰载战斗机群编队携带中距拦截空空导弹,从母舰起飞。舰载战斗机起飞10 min内可到距离母舰200 km处拦截线,对敌实施拦截。

按照空战区域从远到近,雷达红外协同使用[8-9]的流程分为超视距、中距和近距3个阶段。

1)超视距阶段:编队在超视距阶段时,采用空域增程搜索模式,即舰载机群编队协同对相同空域进行搜索,编队雷达红外再进行融合探测,从而增加编队的探测优势,空域增程搜索场景如图1所示。

图1 空域增程搜索场景Fig.1 The scene of airspace extended range search

2)中距阶段:当两者距离进一步接近时,舰载机群编队协同探测时可采用雷达一发多收、雷达红外融合探测模式,即载机B突前进行自发自收,载机A进行被动侦收,舰载机群编队一发多收,雷达红外融合探测场景如图2所示。

图2 编队雷达一发多收,雷达红外融合探测场景Fig.2 The detection scene of multiple receipts for one launch of formation radar, and radar infrared fusion

随着双方距离逐渐缩小,载机B和目标双方均进入彼此的火控打击范围,载机B发射空空导弹攻击,舰载机群编队协同制导时采用轮流接力制导模式,载机B实施攻击后立即脱离战场,由处于安全位置的载机A进行制导交接,直到顺利完成空空导弹末制导。编队协同制导场景如图3所示。

图3 舰载战斗机编队协同制导场景Fig.3 The cooperative guidance scene of carrier-borne fighter formation

3)近距阶段:当载机在近距阶段面临三个目标时,载机可选择多波束探测模式,雷达多波束探测场景如图4所示。

图4 雷达多波束探测场景Fig.4 The detection scene of radar multi-beam

2 多传感器协同探测模式仿真

根据舰载战斗机典型作战场景模型,依次在超视距、中距和近距阶段对舰载战斗机多传感器探测模式进行仿真。首先假设我方和敌方舰载战斗机编队雷达探测威力均为80 km,空空导弹距离目标小于20 km时,就能自主探测到目标,即进入导弹末制导阶段。

2.1 超视距搜索典型应用模式仿真

超视距搜索阶段,射频探测协同工作模式主要使用无源定位、主被动探测、被动定位、增程探测和多发多收探测5类工作模式,接下来重点分析增程探测模式的使用情况。

假设以双方相距100 km时,舰载战斗机编队探测到目标信息,此时,载机A速度为1Ma,载机B速度为1Ma,目标速度为1Ma,增程探测模式下应用场景仿真结果如图5所示。仿真图中,以载机A的初始位置为坐标原点,X轴代表相对于载机A初始位置的东向距离,Y轴代表相对于载机A初始位置的北向距离。载机A和载机B的初始坐标分别为(0 km,0 km)、(0 km,100 km),飞行方向均为0°方向,即正东方向,目标初始坐标为(100 km,60 km),飞行方向为180°方向,即正西方向。

图5 增程探测模式下应用场景仿真Fig.5 The application scene simulation in extended range detection mode

当T=0～20 s时,双方以迎头态势进入,载机A和载机B进行自主探测,假设载机A和载机B不增程探测时的雷达探测威力为80 km,增程探测后的雷达探测威力为100 km。当T=20 s时,载机B发射空空导弹,之后T=20～50 s时,目标以偏置角度180°减小到120°进行转向。T=50～83 s时,目标以1.5Ma速度、0°偏置角度进行加速撤离。到T=83 s时,载机B的空空导弹已进入末制导。之后,由于目标的快速机动,导弹未能命中目标。

态势距离随时间变化关系如图6所示,X轴代表仿真时刻,Y轴代表双方之间的距离。从图中可以看出,随着时间的变化,在增程探测模式引导下,在T=20～83 s时,载机B发射的空空导弹距离目标越来越近。当T=83 s时,载机B的空空导弹已进入末制导阶段,载机A和载机B顺利完成了火控制导任务。由于目标大机动快速撤离,在导弹的末制导阶段,T=100 s后,导弹与目标的距离逐渐增大,未能击中目标。

图6 态势距离随时间变化关系Fig.6 The relationship between situational distance and time

通过仿真结果可知,如果在超视距阶段,舰载战斗机编队能够探测到敌方目标,若要对敌实施火力攻击,我方发射空空导弹后,在目标加速逃离期间,需要编队内舰载战斗机协同增程探测,才能保证火控制导的连续性。

2.2 中距搜索典型应用模式仿真

在中距搜索时,射频系统主要使用多波束侦收、闪烁探测、LPI探测、掩护探测、协同搜索、融合跟踪、探测及干扰和猝发探测8类工作模式,接下来重点分析中距阶段探测及干扰模式的使用情况。

当舰载机编队在中距阶段探测到目标时,载机A和载机B采取的协同战术为载机B前置发射空空导弹攻击后撤离、载机A对目标进行边探测边干扰,在制导它机导弹的同时破坏目标对载机B的火控攻击。探测及干扰模式下应用场景仿真结果如图7所示。图7中,以载机A的初始位置为坐标原点,X轴代表相对于载机A初始位置的东向距离,Y轴代表相对于载机A初始位置的北向距离。假设载机A和载机B初始坐标分别为载机A(0 km,0 km),速度为1.5Ma,载机B(20 km,20 km),目标和载机速度为1Ma,飞行方向均为0°方向,即正东方向。目标以初始坐标为(80 km,20 km),速度1Ma、飞行方向为180°进入,即自东向西方向进入。由此,起始时刻双方以迎头态势进入。

图7 探测+干扰模式下应用场景仿真Fig.7 The application scene simulation in detection and interference mode

随着双方距离逐渐减小,载机B和目标双方均进入彼此的火控打击范围内,在T=15 s时,由载机B发射空空导弹攻击,此时载机B距离目标为49.8 km,之后载机B以90°偏置角度进行脱离。在T=30 s时切换成180°反向脱离,载机A在此过程中持续使用边探测边干扰模式。

考虑到载机B在完成火控攻击后与目标处于较近距离,为提升自身平台生存能力,需要以大机动方式脱离目标,而在此作战态势下,目标有可能重点攻击载机B,目标快速追击载机B。因此,在T=15～30 s时,载机B与目标的距离仍在逐渐缩小,但载机B与目标的距离始终大于40 km。在T=30 s后,载机B采取180°反向脱离,同时目标仍在向载机B方向靠近,所以双方距离基本保持不变。在载机B脱离战场过程中,需要载机A在50～70 km距离段提供对目标的边探测边干扰。在T=37 s时,我方的空空导弹已进入末制导,此时载机A和载机B与目标的距离均超过40 km,在T=50 s时,载机B发射的空空导弹成功命中目标,距离随时间变化关系如图8所示,X轴代表仿真时刻,Y轴代表双方之间的距离。

图8 距离随时间变化关系Fig.8 The relationship between distance and time

从图8中可以看出,在载机B发射空空导弹攻击时,此时载机B距离目标为49.8 km,载机B处在目标的雷达探测范围之内,随着载机B以大机动方式快速脱离目标,由于距离目标较近,目标可能攻击载机B,但是在载机A边探测边干扰的工作模式下,目标未能顺利实施攻击。随着时间的变化,在T=37 s时,载机B的空空导弹已进入末制导,而我方舰载战斗机编队均处在较为安全的距离范围内,能够有效保证自身安全。在T=50 s时,导弹成功命中目标。

根据仿真结果,舰载战斗机编队与敌方在中距阶段遭遇时,当敌方目标攻击编队其他平台时,可选用编队内处于非威胁状态的平台采用探测及干扰模式,在保持己方编队态势感知和火控制导的前提下,利用电子干扰阻断敌方目标的火控攻击,从而增加己方编队的生存能力。

2.3 近距搜索典型应用模式仿真

在近距搜索时,射频系统主要使用多波束探测、多波束干扰、DAS引导跟踪、探测及干扰和猝发探测5类工作模式,接下来重点分析近距阶段多波束探测的模式使用情况。

假设载机面临3个目标,当载机在中近距离段面临3个威胁目标时,载机可选择多波束探测模式,针对3个分布空间位置不同的目标进行自适应波束形成,完成对3个方向的同时多波束发射和同时多波束接收。为保证同时探测的目标之间不出现串扰,设定多波束探测的主波束夹角不小于10°。

多波束探测模式下应用场景仿真结果如图9所示,以载机A的初始位置为坐标原点,X轴代表相对于载机A初始位置的东向距离,Y轴代表相对于载机A初始位置的北向距离。目标初始位置分别为(40 km,30 km)、(40 km,20 km)、(40 km,10 km),载机初始位置为(0 km,0 km),目标和载机速度为1Ma,双方以迎头态势进入。

图9 多波束探测模式下应用场景仿真Fig.9 The application scene simulation in multi-beam detection mode

随着仿真时刻的推进,在T=20 s时三个目标在沿着飞行方向分别做左右摇摆机动,摇摆角度分别为10°和20°,载机沿着3个目标行进方向进行偏置接近,偏置角度分别为5°和15°,由此观察以上场景过程中载机多波束探测的视角变化范围。

从T=0～48 s的仿真时间段内,载机对3个方向的目标进行同时3波束探测,目标之间夹角关系如图10所示。在T=48 s时,目标1和目标2相对于载机的夹角为10.16°,此后载机进行同时2波束探测;在T=55 s时,目标2和目标3相对于载机的夹角为10.59°,此后载机只需在10°范围内进行同时多目标跟踪即可,角度随时间变化关系如图11所示,X轴代表仿真时刻,Y轴代表角度。

图10 目标之间夹角关系Fig.10 The angular relationship between targets

图11 角度随时间变化关系Fig.11 The relationship between angle and time

从图11中可知,双方刚开始接近时,由于目标1、目标2与载机的夹角和目标2、目标3与载机的夹角均大于10°,载机采用3波束同时探测,实时探测目标信息,随着载机偏置接近目标,在T=48 s时,目标1和目标2与载机的夹角为10.16°,载机进行2波束探测即可。在T=55 s时,目标2和目标3相对于载机的夹角为10.59°,载机只需进行多目标跟踪,就能实现探测多目标的目的。

根据仿真结果,当多个目标出现在多个不同方向,且威胁等级较高需要同时关注时,可在中近距离段采用多波束探测方式,针对多个目标进行自适应波束形成,完成对不同方向的多波束发射和接收,从而获取最高效的探测效果。

3 作战流程下多传感器协同探测模式设计

舰载战斗机制空作战使用流程分析,一般包括9个状态,即任务前准备、出行滑行、起飞爬升、集结编组、目标搜索、协同攻击、返航下滑、着陆下滑和任务讲评[10]。射频系统的使用主要集中在目标搜索和协同攻击两个状态,接下来重点对目标搜索阶段和协同攻击阶段多传感器协同探测模式进行设计。

3.1 超视距阶段协同探测模式设计

在超视距搜索阶段,战斗机编队为实现完全射频隐身、目标精测向和粗定位效果,可采用HGESM远距无源侦收。当战斗机编队侦测到目标信号时,采用多机HGESM快速收敛定位,从而快速获取目标信息。当战斗机编队获取到目标部分信息后,编队可采用主被动探测模式,即多机有源探测与HGESM远距无源侦收同时工作,使得单机探测性能不损失的同时,增强编队电子侦收能力。假设在双方接近过程中,我方收到敌方电子干扰,编队采用被动定位模式,实现干扰源定位。当敌我双方距离较远,目标超出雷达常规探测威力时,可使用多机增程探测模式。多机增程探测对于作战能力的提升主要表现在探测距离的增加。利用多平台雷达进行协同探测,获取的多源目标信息将能更准确地进行目标识别和定位。采用分布式协同探测技术、多平台组网探测技术[11]可有效增强对低可观测目标的探测能力。

编队数量不同时在相同检测概率下获得的检测信噪比不同,从而影响着协同探测的距离提升。例如,当载机与目标采用迎头进入态势时,双方均为1Ma速度。当1个平台对目标的探测距离为100 km时,通过增加编队数量,获得的协同探测距离提升及提前发现目标时间如表1所示。

表1 增程探测距离提升及提前发现目标时间Tab.1 Extended range detection distance enhancement and target detection time in advance

经过统计,作者发现增加第2个平台可以提高20%的探测距离,但是从四机编队协同探测到五机编队协同探测,探测距离从41%增加到47%,即多增加一个平台,带来系统资源增加的条件下只提升了6%的距离。因此,在完成作战任务的前提下,舰载战斗机编队数量一般为2至4架,才能最大化地实现增程探测效能。

3.2 中距阶段协同探测模式设计

随着敌我双方距离进一步缩小,进入中距搜索阶段。假设我方是单平台作战,可采用多波束侦收模式,使得我方在中近距离段快速无源搜索与多辐射源定位。若我方战机配备ESM对抗设备,应采用探测及干扰模式,能够在电子压制下实现目标探测。当存在敌方引导信息时,采用猝发探测模式,对小区域进行有源探测,从而达到在减少辐射暴露时间的前提下快速搜索目标。

假设我方出动的是多机编队,在中距搜索阶段可首先使用协同搜索模式,即多机自发自收同时搜索,然后融合点迹/航迹信息生成统一态势。当发现敌方雷达开机搜索时,使用掩护探测模式,用于欺骗敌方ESM,实现射频伪装,降低被截获概率。若目标高速机动,使用融合跟踪模式,实现对机动目标稳定跟踪。当我方编队存在ESM对抗设备时,优先使用多机LPI探测模式[12],即编队利用功率管理、低副瓣天线设计、复杂波形等实现低截获探测。编队采用合理的空间位置布局及雷达资源管理,可有效提高协同空战的抗干扰能力。

另外,通过多机协同LPI探测,可根据目标的不同态势距离自适应调整雷达的辐射功率,从而实现多机间的隐蔽探测。采用低截获概率波形设计,采用有源与无源诱饵,降低编队雷达被侦察、定位的概率,从而提升编队的战场生存能力。

3.3 近距阶段协同探测模式设计

敌我双方在近距阶段相遇时,当多个敌方目标出现在多个不同方向时,我方一般使用同时多波束探测模式,获得最高效的探测效果。采用多波束同时探测方式能够显著降低雷达空域扫描时间,从而获得快速扫描和快速发现目标的探测优势。

在近距搜索时,当存在多个目标时,我方可采用同时多波束探测模式,实现近距分区多波束雷达同时搜索与跟踪,并且同时攻击多个目标。当发现近距存在多个干扰机时,我方可采用多波束干扰模式,达到快速搜索目标,减少辐射暴露时间的目的。若跟踪过程中,雷达丢失目标,我方使用DAS引导跟踪模式,即利用DAS提供的测角信息引导雷达快速跟踪目标,能够快速跟踪大机动下的目标,增强航迹的连续性。

4 结束语

随着体系化协同作战概念的发展,舰载机多传感器协同的作战模式成为未来作战方向。本文在对舰载战斗机协同探测典型作战场景建模和仿真的基础上,针对舰载战斗机空中截击的作战需求,开展了作战流程下的多传感器协同模式设计。在超视距时,编队采用多机增程探测等方式进行隐蔽探测,同时多传感器进行航迹融合[13]。作战对象到达中距后,编队采用多机协同LPI探测方式快速完成空域搜索及跟踪,保持对指定区域的态势感知。然后我方根据编队多传感器获取的敌方目标态势信息进行分析和融合,得到当前敌方的整体态势结果,建立直观、完整的战场全局态势图,从而辅助完成交战/回避抉择。随着敌我双方距离进一步缩小,到近距后,由编队内构成攻击条件的平台发射导弹,编队其余平台雷达红外进行联合目标跟踪,支持导弹制导,最终完成作战任务。