基于STK的台湾铺路爪雷达系统性能分析

汪敬东 王乾威 蔡献祥 郭朝鹏

（1. 南京电子技术研究所 江苏省南京市 210039 2. 32011部队 北京市 100080）

（3. 95928部队 山东省临沂市 256100）

弹道导弹具有杀伤威力大、飞行速度快、有效射程远和打击精度高的特点，是实现战略威慑和突防攻坚的重要方式；空间目标具有在轨数量多、距地高度高、特征识别难的特点，在军事领域和商业领域均具有重大战略意义。我国台湾新竹部署的型号为AN/FPS-115的三面阵铺路爪雷达（以下简称台湾铺路爪雷达），作为P波段远程预警相控阵雷达铺路爪系列之一，是美军陆基中段反导系统（GMD）的重要组成部分。台湾铺路爪雷达的成功部署一方面弥补了台湾远程预警能力的不足、增强了其太空态势感知能力，另一方面为美国及其战略伙伴提供了针对性较高的预警探测信息，值得关注和研究。

1 概述

远程预警相控阵雷达的作用主要包括对弹道导弹和隐身飞机等目标进行预警探测和分类识别，以及对轨道卫星等空间目标进行跟踪监视。美军陆基远程预警相控阵雷达包括P波段铺路爪系列雷达、L波段丹麦眼镜蛇雷达和S波段远程识别雷达等，在战略预警和空间监视方面为美军的拦截和指控系统提供了强大而可靠的情报支撑作用。

台湾铺路爪雷达由美国雷声公司负责研发和制造，体制为两维相扫固态有源相控阵雷达，该雷达主要用于探测和跟踪弹道导弹和地球轨道卫星等目标。由于较近的部署位置和较强的雷达探测性能，台湾铺路爪雷达的预警探测范围对我国内陆地区覆盖面积较大，一定程度上影响了我国导弹发射任务的开展和实施，对我国常规威慑、太空威慑和突防作战形成较大威胁。

卫星工具包（STK）是一款广泛应用于军事领域的仿真分析软件，可对导弹、卫星、轮船、飞机和雷达站等设备设施进行模拟仿真，内嵌的分析工具可提供图表分析结果，具有较高的实用性。

2 台湾铺路爪雷达工作机理

2.1 组成与功能

台湾铺路爪雷达主要由天线阵面系统、波束控制系统、发射系统、接收系统、信号处理系统和显示与控制系统等部分组成。

2.1.1 天线阵面系统

天线阵面系统由三个天线阵面组成，单个阵面方位覆盖120度，三个阵面实现方位360度全覆盖。阵面倾角20度，仰角覆盖范围为3度～85度。阵面直径22.1m，总单元数2677，其中有源单元数1792，天线法向增益为38dB。

2.1.2 波束控制系统

波束控制系统主要由计算模块、控制模块、接口模块和监测模块等部分组成。主要功能为根据控制指令要求，针对不同工作方式、工作频点和波束指向，计算每个通道的幅相权值，实现雷达数字波束的指向捷变和形状捷变。雷达全阵面工作状态下，发射波束宽度为2度，接收波束宽度为2.2度。

2.1.3 发射系统

发射系统主要由信号发生器、馈电网络、电源和冷却等部分组成。主要功能为提供大功率射频发射信号，通过馈线送至天线阵面，并利用开关网络控制发射通断。

2.1.4 接收系统

接收系统主要由接收机、反干扰组件和数字波束形成网络等部分组成。主要功能包括对雷达天线接收的回波信号进行反干扰滤波、信号放大、变频和数字化处理等。

2.1.5 信号处理系统

信号处理系统包括计算单元、存储单元和控制单元等部分组成。主要功能为对雷达回波信号进行处理，根据计算得到的目标距离、角度和速度等信息形成点迹和航迹，并进行轨道计算、发点推算和落点预报等。

2.1.6 显示与控制系统

包括显示器、计算机和数据库等部分组成。主要功能为实现雷达系统与操作人员的人机交互，并进行系统状态显示、雷达数据分析和目标信息存储等。

2.2 工作原理

预警值班模式下，雷达用一定能量在3°仰角上形成一道预警探测屏以应对弹道导弹等威胁目标，其余能量主要执行空间目标探测任务，对探测范围内的空间目标进行搜索、跟踪、识别和编目，并根据探测结果更新数据库，完善空间态势感知能力。

执行特定作战任务时，雷达根据指挥控制中心下发的指令，设置特定的搜索空域，对该范围进行预警探测，具体流程如下：

（1）显示与控制系统根据任务需求给各系统下发控制指令；

（2）波束控制系统根据参数指令确定数字波束的指向和形状，计算出每个天线单元的频率、幅度和相位的加权值，将其转换为控制字后发送到发射系统；

（3）发射系统产生相应的激励信号，经过发射通道的放大、滤波后将其送至天线阵面，由天线单元向外部空间辐射电磁信号，雷达能量在空间进行合成；

（4）天线阵面接收来自目标的回波信号后，接收系统进行滤波和抗干扰处理，信号处理系统进行脉冲压缩等信号处理和数据处理，最后将形成的点迹和航迹等信息送给显示与控制系统。

2.3 工作方式

2.3.1 功能实现

台湾铺路爪雷达根据探测目标类型切换相应的工作模式。

（1）当搜索远距离目标时，例如弹道导弹探测模式和空间目标探测模式，雷达系统采用全阵面工作方式，波束控制系统设置各通道移相器参数，控制电磁能量向同一方向集中，提高雷达探测距离；

（2）当搜索近距离目标时，例如对空探测模式和对海探测模式，雷达系统通过数字多波束形成方法，实现搜索、跟踪和引导的同步工作，并通过减小发射脉宽或减少发射单元的方式，降低雷达功耗和热耗，提高雷达使用寿命。

2.3.2 资源调度

台湾铺路爪雷达三个阵面可实现同步工作，即同时搜索、同时跟踪。系统按资源块进行调度，可在远距离探测模式（弹道导弹、空间目标）中周期性插入近距离探测模式（空中目标、海上目标），提高了探测方式的灵活性，节约了搜索占用的时间。

2.4 探测距离

典型的雷达方程可表示为：

雷达峰值功率P=582.4kW，天线增益G=G=38dB，工作波长λ=69cm，玻尔兹曼常数k=1.38×10J/K，噪声温度T=306.1K。

空间目标探测模式，脉冲宽度τ=16ms，目标RCS为σ=1m，检测因子D=(S/N)=13.2dB，系统损耗L=3.97dB。将上述参数代入后，得到该模式下雷达最大作用距离为4500km。

弹道导弹探测模式，脉冲宽度τ=16ms，目标RCS为σ=1m，检测因子D=(S/N)=17.3dB，系统损耗L=6.57dB，天线增益损失0.62dB。将上述参数代入后，得到该模式下雷达最大作用距离为2900km。

对空探测模式，脉冲宽度τ=600ms，目标RCS为σ=0.2m，检测因子D=(S/N)=17.8dB，系统损耗L=6.57dB，天线增益损失4.5dB。将上述参数代入后，得到该模式下雷达最大作用距离为670km。

对海探测模式，考虑到地球曲率的影响，雷达探测距离可表示为：

式中：雷达天线高度h=2610m+20m=2630m，目标飞行h=30m高度 。将上述参数代入后，得到该模式下雷达最大作用距离为230km。

3 基于STK的系统仿真与分析

本章通过对台湾铺路爪雷达进行布站，并设置典型弹道和空间卫星，使用STK强大的数学建模和数据分析能力，仿真分析雷达的弹道导弹探测能力及空间目标编目能力。

3.1 弹道导弹探测

在对台湾铺路爪雷达进行弹道导弹探测性能研究时，设计四条方位和距离各不相同的弹道，发点分别位于福建、浙江、海南、新疆，如表1所示。

表1：弹道发点及射程

利用STK仿真结果对雷达探测情况进行分析，如表2所示。

表2：弹道发点及射程

根据仿真结果可以看出，当台湾铺路爪雷达默认设置搜索截获屏为俯仰3度且方位全向屏时，雷达可以探测到来自福建、浙江、海南的弹道导弹，来自新疆的弹道导弹由于进入仰角为6.5度，雷达难以实现探测截获。

因此，台湾铺路爪雷达依靠其中两个阵面协同探测，即可对我国内陆地区导弹发射活动进行探测和跟踪，但受限于威力，尚不能实现我国领土区域导弹发射活动全覆盖，在台湾铺路爪雷达无引导信息的情况下，我国大陆西部发射的具有一定弹道高度的导弹即可实现突防任务。

3.2 空间目标编目

根据2022年3月美国NASA “卫星空间位置报告（SSR）”给出的空间目标数据库，轨道高度2000公里以下的空间目标数目达19738个，占空间目标总数的比例为78.97%；轨道高度2000～20000公里的空间目标数目达2569个，占空间目标总数的比例为10.28%；轨道高度20000公里以上的空间目标数目约2687个，占空间目标总数的比例为10.75%，如图1所示。

图1：低、中、高轨道空间目标分布比例

根据NASS网站公开的RCS数据，设置仿真参数为：

（1） 观测时间：10天；

（2） 编目入库所需观测圈次：3圈次；

（3） 目标RCS：0.01m（小）、0.1m（中）、1m（大）。

STK仿真结果如表3、表4、表5所示。

表3：单阵面STK仿真结果

表4：双阵面STK仿真结果

表5：三阵面STK仿真结果

仿真结果表明，台湾铺路爪雷达选择单阵面工作模式时，以1号阵面为例，对于低轨空间目标，平均3.5天即可完成编目入库，若以时效性3天作为标准，则3天内可编目空间目标数量为9798个；对于中轨目标，平均需要5.2天，3天内可编目空间目标数量为228个；对于高轨目标，平均需要5.9天，3天内可编目空间目标数量为15个。

台湾铺路爪雷达通过双阵面协同探测的工作模式，相比于两个单阵面探测，在观测圈次、编目数量、观测弧长等方面均有较大提升。以1号阵面和2号阵面协同探测为例，1号阵面3天内可编目10041个，2号阵面3天内可编目10011个，去除重复目标后，1、2号阵面单独探测可编目数量为12644个，协同探测后3天内可编目数量为15908个，性能提升25.8%。

台湾铺路爪雷达利用全部三个阵面协同工作后，空间目标编目能力达到最大值，三面阵协同探测后，3天内可编目数量可达17140个，相比于三个单面阵单独探测编目总数12773个，性能提升34.2%。

4 结束语

台湾铺路爪雷达具有探测距离远、覆盖范围广的特点，在防空反导领域及空间监视领域具有较高研究价值。本文利用STK仿真分析工具，对其弹道导弹探测能力以及空间目标编目能力进行了仿真分析，结果表明台湾铺路爪雷达利用多阵面协同的工作方式，弹道导弹探测范围约2900公里，可编目空间卫星数量约17000个，显著提升了台湾远程预警能力及太空态势感知能力。