舰载搜索雷达组网体系研究

顾 兵，史厚宝，张 放

（船舶重工集团公司723所，扬州225001）

0 引 言

雷达组网可以实现系统内的情报资源共享，完成对每个雷达的实时指挥控制，增加了实战的可靠性，在战场上构成了全方位、立体化和多层次的战斗体系，大大提高了防空能力，能有效对付各种平台武器的攻击，从而有效保护了被攻击的目标，提高了目标的生存能力。对于舰载搜索雷达，其主要任务是对空、对海警戒以及反导搜索，对导弹、飞机以及海面目标进行全方位搜索、录取处理，并将回波视频信号、录取的目标点迹数据或航迹信息传送给指挥系统。通过对舰载搜索雷达进行编队组网探测，能够在雷达探测距离、抗低空突防、反隐身等能力上较单舰雷达有较大的改善，提高舰载搜索雷达覆盖区的探测数据率，扩大有效搜索范围，提升近程防御能力和生存能力。另外，随着航母编队战斗群的形成，通过舰载搜索雷达组网可以形成编队探测能力，有效增大近程探测防御范围和精度，减少目标指示反应时间，提高近程武器系统反导、反低空小目标突防的能力，对整个航母战斗群的生存起着至关重要的作用。

本文对舰载搜索雷达组网体系进行了研究，对组网雷达的布站形式，以及针对不同作战任务条件下雷达组网布站的效能进行了仿真计算，从仿真结果可以看出组网使雷达探测概率和探测精度等有了极大的提高。本文研究结果对搜索雷达组网具有实际的应用价值。

1 舰载搜索雷达组网布站

1.1 布站流程

为了对雷达进行有效部署，首先要了解作战环境，确定主要的防护区域；然后对目前雷达部署情况进行效能评估，判断其是否满足作战需求。如果目前雷达部署情况能够满足作战需求，则无需对雷达进行调动；否则，进行优化布站，使雷达网满足作战要求。整个组网流程如图1所示［1］。

作战环境包括战时的地理环境（气候、地形、海况等）和战斗环境（敌我双方的位置分布、装备状况等）。确定防护的区域包括确定防护区域（高空、中空、低空、对海）和确定重点防护方向（敌方最有可能袭击的方向）等。效能评估包括探测概率、探测精度、覆盖率、重点区域的冗余度、抗干扰、抗低空突袭、反隐身、反辐射导弹等的评估。优化布站可以根据一定的任务剖面（例如基于探测概率、基于探测精度、基于反隐身等），当然也可以综合考虑所有的任务剖面，将优化布站定义为各个任务剖面的函数，建立适当的数学模型，利用一些优化算法（遗传算法、粒子群算法等）进行求解得到最优的布站模式［2］。

1.2 组网布站形式

雷达组网对网内雷达进行合理的部署，不但可抑制干扰，还能改善低空探测性能、增大对隐身目标的探测距离，对目标进行跟踪和状态的实时估计。因此，在雷达组网时，如何高效率配置雷达，尽可能使单部雷达在网内发挥最大效能，大幅度提升系统作战能力是极其重要的问题。

在敌我对抗环境中，根据是否有重点防御区域，雷达组网有均衡布站和加权布站2种布站方式，如图2所示。

图2 均衡布站与加权布站

均衡布站的特点是网内各雷达均匀分布，以面防御为主，无重点防御方向，主要用在目标来袭方向不明确的情况下。加权布站的特点是以某一方向防御为主，网内各雷达沿重点防护区域层次分布，通常用在目标来袭方向确定的情况下。

根据雷达组网形状可分为线性、三角形、方形、圆形布站等方式，如图3所示。

图3 不同网络形状布站

线性布站方式的优点是正面探测范围最大，并且由于正面探测区域重叠范围大，对目标的发现概率大，抗干扰能力强。其缺点是除正面外，其他方向的探测能力减弱，由于受通信能力和火力衔接的影响，整体探测范围较小，线阵太长会降低信息传递能力，导致系统效能降低。通常情况下，在敌来袭方向十分确定时采用此布站形式。三角形布站方式最大的优点是以少量的雷达达到最大的覆盖区域，是最经济的布站方式，并且各个雷达站之间可以自由互通，信息共享率高，但三角布站会出现探测盲区，所以雷达站之间间距不宜过大。方形布站方式（正方形部署）时，重叠系数比三角形部署的大，其雷达情报的可靠性、连续性及低空性能更好，但这也是站多的代价。环形布站方式搜索死角小，可在360°的范围内进行等概率搜索，并且其静态配置面积比较大，受通信能力和火力衔接的影响小，但是此布站方式不分主次，无法对重点区域进行加强搜索。所以该布站方式通常是在敌主攻方向不明的情况下使用。

2 雷达组网发现概率与定位精度

2.1 发现概率

在一定的虚警概率和检测概率条件下，单部雷达的发现概率可以表示为［3］：

本文取n＝1，则y≈5.891 64，式（1）可以写成：

由于雷达所处环境的不确定性，很难写出综合性的信噪比表达式，本文考虑在无源干扰状态下的雷达探测概率，由文献［4］，信噪比可以表示为：

式中：R为雷达到目标的距离；R0为信噪比为1时雷达的作用距离［5］：

式中：Pav为雷达平均发射功率；G为雷达天线的增益；λ为发射电磁波波长；σ为目标的散射截面；k＝1.38×10－23，为玻尔兹曼常数；T0＝290K，为室温下的热力学温度；Bn为系统噪声带宽；Fn为接收机噪声系数；Ls为雷达的系统损耗。

将式（3）代入式（2），得：

当有N部雷达同时探测时，假设它们相互独立，同样在无源干扰条件下，雷达组网的联合探测概率为：

式中：Pi为第i部雷达发现目标的概率；SNRi为第i部雷达在特定距离上的信噪比。

组网雷达要求组网后的发现概率PL≥0.9，可对雷达网进行适当布置，使其在此发现概率条件下覆盖面达到最大。

2.2 定位精度

为了评估雷达的定位性能，可以用几何精度因子（GDOP）作为评价指标，GDOP的表达式可以表示为［6］：

由方差的性质

由动态加权融合法［7］可以得到：

3 仿真与讨论

3.1 基于探测概率

基于探测概率的优化布站就是在防护区域内，保证一定探测概率的情况下，对雷达进行优化组合，使其覆盖范围最大。本文采用蒙特卡洛方法［3］，在一定的探测区域内随机产生n组数据并计算其探测概率，比较不同组网形式（线性、三角形和正方形）下雷达组网的覆盖范围。计算过程中采用的计算参数为：雷达发射频率9.6GHz，雷达发射功率1.4kW，雷达脉冲宽度13×10－6s，雷达增益29dB，雷达接收机带宽1MHz，雷达接收机噪声系数4dB，雷达系统损耗10.5dB，目标的雷达横截面积（RCS）＝100m2。

计算结果如图4～7所示，在防护区域（125－0）×（125－0）＝15 625，图中星号（＊）部分是雷达探测概率满足PL≥0.9的覆盖范围，加号（＋）是雷达的位置。由于组网通信条件限制，这里雷达站之间的距离采用20km，线性雷达位置分布（35，62.5）、（55，62.5）、（75，62.5）、（95，62.5），其覆盖面积为9 952；三角雷达位置分布（52.5，62.5）、（62.5，72.5）、（62.5，52.5）、（72.5，62.5），其覆盖面积为9 171；方形雷达位置分布（52.5，72.5）、（52.5，52.5）、（72.5，72.5）、（72.5，52.5），其覆盖面积为9 357。

图4 单部雷达探测概率分布

图5 直线形雷达布站探测概率分布

从计算结果可以得到，在防护区域一定、雷达间距一定、满足一定概率的情况下，线性分布的探测范围最大。因此对于舰载搜索雷达布站应根据需要选择相应的布局模式，使任务剖面或者各个任务剖面综合效率达到最高。

另外，由图4可以看出，单部雷达的探测半径达30km，因此可以在通信连接条件允许的情况下，适当扩大雷达之间的距离，使任务剖面效能达到最高。

3.2 基于探测精度

图6 三角形雷达布站探测概率分布

图7 方形雷达布站探测概率分布

雷达探测精度反映了雷达对目标的定位能力，雷达组网后可大幅度提高雷达的定位精度，对雷达适当组网可以对一些重要探测区域进行高精度定位，为作战系统提供可靠的目标位置信息。本文仿真了不同雷达布站形式下雷达探测精度情况，计算中采用的雷达距离点迹精度为40×10－3km，雷达的方位点迹精度为4mrad，雷达的位置分布与3.1节设置相同。

从仿真结果图8～11可以看出，雷达组网后对目标的探测精度比单部雷达有明显的提高，这主要是因为雷达组网充分利用了各个雷达站对目标的测量信息，实现了测量数据的冗余，雷达数量越多，探测精度越高。例如，对于海平面上的某一目标，单部雷达的探测精度为 （σx1，σy1），2部雷达同时进行探测，根 据 式 （11），其 探 测 精 度 为 （1／（σx1＋σx2），1／（σy1＋σy2）），当有N 部雷达同时探测时，其探测精度 （σx，σy）将有大幅度提高。

另外，不同布站形式下探测区域精度分布不同，从仿真结果可以看出，总体上三角形布站与正方形布站探测精度相当，且均比直线形布站探测精度高，直线形布站横向探测精度较高，因此在对雷达进行布站时，需根据任务剖面和作战环境的不同，采用相应适当的布站形式。

图8 单站雷达GDOP分布

图9 直线布站GDOP分布

图10 三角形布站GDOP分布

图11 正方形布站GDOP分布

4 结束语

本文在不同任务使命的条件下进行不同组网体系的研究，对特定组网形式下的效能进行了评估。从结果中可以看到舰载雷达的组网体系不是一成不变的，需根据不同的作战环境和作战任务实时调整布站形式以达到最佳的作战效能。另外，本文只对某一任务剖面进行了仿真计算，在实际的作战环境中需要综合考虑各个任务剖面，建立适当的数学模型，利用一些优化算法得到最优的雷达站布置。

［1］卢宣华.多平台雷达组网优化部署研究［D］.南京：南京理工大学，2012.

［2］陈永光，李修和，沈阳.组网雷达作战能力分析与评估［M］.北京：国防工业出版社，2006.

［3］蔡婧.雷达组网系统的优化组网方法研究［D］.镇江：江苏科技大学，2010.

［4］郭万海，张淑芳，邵晓方.舰载雷达对水面目标发现概率研究［J］.指挥控制与仿真，2008，30（3）：54－57.

［5］Skolnik M I.雷达手册［M］.王军，林强，米慈中，等译.北京：电子工业出版社，2010.

［6］唐小明，朱洪伟，何友，等.系统误差对GDOP的影响分析［J］.计算机与数学工程，2013，41（6）：901－903

［7］赵志超，刘义，马震.多雷达定位的动态加权融合算法及其精度分析［J］.电光与控制，2010，17（5）：35－37.