基于全流程系统设计的虚假定位抑制方法

刘周 彭笑冬 王干 黄增兴

（南京国睿防务系统有限公司 江苏省南京市 210039）

现代化信息作战已发展成为全域多兵种联合作战，炮位侦校雷达面对的不再是单一的炮弹目标场景，将包括战术飞机、无人机、多频段干扰、导弹等，同时还有强地物和强气象杂波，使得作战的电磁和目标场景异常复杂[1]。大量的虚假及非炮弹类目标易造成虚假定位，同时消耗系统时间资源，使得漏警概率变大，作战效率大打折扣。由于炮弹种类繁多且战术使用灵活多变，结构尺寸、速度范围、雷达反射截面积（RCS）等跨度大，针对现有的窄带相控阵雷达体制，难以从单一雷达探测维度，有效抑制干扰和非弹道类目标。快速实现弹道及非弹道类目标分类，抑制虚假定位是目前炮位雷达的一个重要研究方向，具有较广泛的应用前景。文献[1]中根据雷达目标参数的测量精度，利用目标的连续运动特性，对检测跟踪一体化技术中DPA算法进行改进，在信号级获得较好的虚假目标剔除效果；文献[2]中归纳了三个描述虚假航迹指标的重要参数，即正确航迹率、单位时间虚假航迹数、虚假航迹平均维持周期，针对虚假航迹的航迹拟合误差较高、航迹维持时间较短等两个主要特点，将基于杂波区域自动识别的虚假航迹抑制技术、基于残差门限的虚假航迹判别方法、基于关联概率的航迹质量优化管理方法，三种方法综合运用在实际应用中取得良好效果；文献[3]中对虚假航迹中仙波的成因及特点进行了阐述，通过点迹质量评估、仙波航迹航向分布的一致性、航迹抑制参数化设计在航管雷达仙波航迹识别的实际应用中得到验证。

炮位侦校雷达反应时间要求高，跟踪时间小于8s，相对其他类型雷达具有其特殊性，目前国内外针对炮位侦校雷达的虚警定位抑制研究较少，仍是国内外最新型装备在实战使用中亟待解决的难题。本文从雷达系统顶层设计，采用基于全流程系统设计的炮位侦校雷达虚假定位抑制技术，极大提高雷达资源利用效率，降低虚假定位概率，使得在多气候及复杂环境下虚警定位率指标均达到1/8h。

1 侦校雷达工作原理

1.1 探测目标及作战场景发展

炮位侦校雷达[4]作战使命为实施全天候、全天时的炮位侦察校射任务：

（1）跟踪敌方向我方发射的炮弹轨迹，定位发射阵地；

（2）跟踪我方炮弹落点轨迹，定位落点位置，提供我方炮弹射击修正参数。

其传统作战对象主要为不同口径的榴弹、迫弹、火箭弹等弹丸目标，随着炮弹技术[5]的不断发展，各种口径（60mm～300mm直径）、智能弹道（高精度、变轨、分离）、弹型（迫榴弹、底排弹等）层出不穷，同时同一种弹还可通过调整射击参数，如射角、射向、初速等实现不同作战用途，雷达探测时阵地部署直接影响RCS、距离、角度、径向速度等测量维参数及其变化量，导致弹丸目标点迹在探测维度上均匀分布，与气象杂波（云、雨、沙尘、水汽等）、非弹道类目标（战斗机、鸟、无人机、空飘球等）难以单独在点迹维度有效区分，如图1所示。同时各类型智能炮弹迅猛发展、弹型相互融合，榴弹、迫弹利用火箭助推实现增程，火箭弹利用榴弹特征实现弹道稳定，发射段变轨降低炮位侦校雷达定位精度，下降段变轨提高打击精度和射程，弹道轨迹不再为非机动式气动流体弹道模型，给雷达准确探测提出了极高要求。

图1：弹丸与非弹道目标RCS、径向速度维特征分布

随着国际形势的快速变化，武器装备技术应运高速发展，新型雷达、干扰机、高机动高射速火炮快速迭代，作战效能大幅提升，同时无人机[6]、高功率微波武器[7]等新型武器装备陆续装备部队使用，炮位侦校雷达面对的作战场景日益复杂[8]，包括电磁环境、目标类型、作战地形、气象条件等，对其实战效能提出了更严苛的要求，需在复杂的作战场景下精准发现弹丸目标，同时虚假定位概率降到最低。

1.2 工作原理

炮位侦校雷达通过设置与地形匹配的搜索屏[9]，快速捕获来袭敌方炮弹，炮弹目标飞行速度快，搜索数据率需满足穿屏截获；跟踪时由于弹丸目标三维坐标均发生快速变化，需快速起批，采用高数据率TAS跟踪方式，整个弹丸飞行过程不超过2分钟，对雷达反应时间提出了极高要求，需8s内完成发点坐标定位，弹丸探测时间不超过8s，同时敌方炮位为重点军事打击目标，炮位雷达发现概率一般均高于

85%。

炮位侦校雷达系统工作流程及示意如图2和图3所示。雷达就位开展阵地优化，完成探测参数（如频点、搜索区域、遮蔽角、处理方式、检测参数）设置，在敌方炮位可能区域发射搜索波束，搜索屏截获目标后，采用验证波束快速确认目标，TAS跟踪一定弧长后，利用弹道外推算法，反向推算炮位阵地坐标，并转换至大地坐标系下输出上报[10][11]。

图2：炮位侦校雷达系统简要工作流程

图3：炮位侦校雷达系统工作原理示意

1.3 虚警定位机理

根据炮位侦校雷达工作原理，其关注目标只有空中飞行的弹丸，此外均为虚警，炮位雷达属于突防设备，一般布置在前沿阵地，工作环境复杂，面临严重的杂波干扰，包括地面杂波、气象杂波（云、雨、雪、冰雹、水汽、大气湍流等）、干扰（有意无意、同频段）、起降飞机、无人机、鸟等，这些杂波除了影响弹丸目标的正确检测外，更严重的问题为造成虚警，形成机理有以下几方面：

（1）运动轨迹和弹道类似的目标：飞机、鸟、空飘球、无人机等在运动过程中可能形成一段上升轨迹，常规炮位雷达采用单点快速确认、跟踪调度逻辑[6]，跟踪时间内无法分辨弹道或非弹道目标，造成虚假定位；

（2）团杂波；地面炮位雷达探测区域为地形遮蔽角上方一定区域，积雨云、蜂群无人机、沙尘暴、陆地与河流交界处水汽等，雷达探测时多个离散点关联形成类似弹道轨迹，造成虚假定位；

（3）外部高功率或转发干扰；高功率干扰易在阵面形成爬波，通过天线单元馈入系统后，形成虚假弹道轨迹，转发干扰通过与信号匹配获得相参积累和脉压增益，低功率即可形成强杂波干扰，根据雷达探测波束位置转发大量虚假目标，形成虚假弹道轨迹，造成虚假定位。

2 多层信息融合虚假定位抑制流程

虚假定位是炮位雷达经常面对且亟需解决的问题，常规的情报雷达虚假航迹抑制方法[12]难以直接借用至炮位雷达，且无法获取弹道特征维度信息，根据炮位雷达特点，从作战使用出发，归纳总结出系统级虚警抑制技术，提高炮位雷达作战效能。

2.1 系统总体流程设计

图4：点迹团关联拟合形成虚假弹道示意

结合虚假定位产生机理，研究涵盖全系统设计流程的虚警定位抑制方法，如下图所示，主要包括频谱层抑制处理、干扰层抑制处理、探测信息层抑制处理、态势层抑制处理，涉及雷达硬件设计、信号处理算法设计、数据处理算法设计[13]、干扰抑制算法设计、目标识别算法设计[14]、情报信息处理等各技术领域。频谱层从虚假信号产生源头进行抑制；干扰层抑制已进入雷达系统处理设备的干扰信号，提高干信比；探测信息层通过信号处理、数据处理、快速目标识别算法，充分利用雷达探测维度信息，提高点迹和航迹质量；态势层通过雷达对外通信接口和态势界面设计，融入外部情报信息，结合累计探测结果，标记虚假定位结果。

2.2 频谱层抑制处理

频谱层抑制处理主要包括两个方面：

（1）电磁兼容性设计；

（2）阵地优化中电磁环境监视。

雷达系统为复杂的电子系统，包括大功率交流、直流供电，低频至高频的射频信号，数据率达4Gb/s的信号数据，同时面临复杂的电子战作战场景，电磁兼容设计的优劣直接影响雷达性能的发挥。电磁兼容性设计主要针对关键信号链路，如阵面综合网络、天线馈线、T/R组件、控制链路、数据链路等，尽量采用光纤数据传输提高抗干扰能力，增加电源滤波、射频滤波、外壳接地屏蔽、腔体接地屏蔽、外壳接触面导电能力，提高抗外部辐射电磁兼容能力，同时系统内部信号线缆与大功率供电线缆分开走线、确保关键链路屏蔽网接地良好，提高系统内自兼容能力。通过电磁兼容性设计，避免在信号产生、定时产生、供电链路、信号接收等关键链路引入外部和内部干扰。

雷达阵地优化包括阵地选取、探测性能评估、阵地条件测量、探测参数优化等内容，针对频谱层抑制主要为阵地电磁环境测量，利用雷达电磁环境宽带侦收通道，快速分析外界频谱干扰功率及方向，雷达频率参数管理利用干扰侦收信息，自动优化不同方向工作频率控制，避开干扰频点，使进入雷达接收通道的干扰功率达到最低水平。

2.3 干扰层抑制处理

针对进入雷达系统的同频段转发或压制干扰，采用空时频三维干扰层抑制处理技术，降低干扰强度提高干信比，主要包括主动和被动抗干扰技术。

主动抗干扰技术手段主要为自适应频率捷变、前后脉冲掩护、复杂信号波形、信号形式快速捷变技术，提高主动探测波形的复杂度及快速时变能力，在时域、频域维度扩散干扰能量，同时降低干扰信号相参积累得益，达到降低干扰功率密度的目的。

被动抗干扰手段主要包括自适应波束形成、盲源分离、副瓣匿影、副瓣对消、反异步、抗窄脉冲、相关聚类等技术，在空域（主瓣、副瓣）上自适应形成零点抑制干扰信号，时域上通过干扰信号识别、提取和分析，剔除干扰信号，频域（或多普勒域）上采用目标速度精确估计算法，自适应形成频域滤波器降低干扰信号增益，降低干扰检测点迹数。

2.4 探测信息层抑制处理

对于传统炮位侦校雷达可以获得的探测信息主要为点迹特征、航迹特征、弹道特征[10]等信息。炮位雷达要求快速反应且高数据率下系统资源有限，因此需尽量从点迹域[15]和初步跟踪航迹快速识别弹道和非弹道目标，减少系统资源消耗[16]，提高弹丸目标检测概率，降低虚假定位率。

点迹特征从原始回波中提取，包括RCS、微动特征、脉间幅度、回波宽度等信息，可结合时间维度采用杂波图、点迹密度、杂波区自动门限调整等点迹过滤方法，降低系统杂波点迹数，对过滤后的点迹，利用提取的点迹特征，采用智能学习方法，初步评估点迹质量，获得分类信息。

航迹特征主要从TWS维持航迹、TAS前段航迹中提取，TWS航迹为利用炮位雷达快速搜索扫描特点，建立的非弹道目标类航迹，通过TWS航迹特征与点迹信息的比对，可快速判断点迹属性，滤除非弹道类目标搜索点迹；根据TAS前2～4s跟踪测量的R、A、E、V原始信息，提取测量维滤波残差，速度、距离、高度、加速度变化，结合弹丸目标运动特征，快速剔除非弹道类目标航迹或转入低数据率维持。

对进入弹道外推的航迹，根据弹道外推结果估算初速、射角、射程、弹道高、弹形系数等弹道特征，可与弹道库数据比对或采用机器学习算法剔除非弹道定位结果，进一步降低虚假定位概率。

本方法中采用的探测信息层处理流程如图6所示。

图6：探测信息层抑制处理流程

2.5 态势层抑制处理

根据作战任务和作战使用场景，结合外部作战态势信息，包括敌方可能的阵地、武器配置、打击区域等，综合系统定位的发落点位置及其精度，剔除非敌方的弹道类目标，同时也可在态势软件上进行标记处理，结合长时间探测情况给出综合判断，进而从态势层达到虚假定位抑制处理的目的。

3 实装系统验证

为验证以上所提算法的效果，分别进行系统实测数据回溯处理和实装验证，实测数据主要证明探测信息层虚假定位抑制效果，系统实装验证考核全流程虚假定位抑制方法的实战性、可靠性。

实测数据场景：在强杂波场景下采用S波段炮位侦察校射雷达，录取实测数据，采用点迹过滤、航迹过滤等方法后，起批航迹数降低80%，同时对多条飞机、杂波、干扰等形成的虚假定位航迹数据进行回溯处理后，经过弹道特征、航迹过滤处理后均有效剔除。

系统实装验证场景：利用S波段炮位侦察校射雷达系统一套，经过电磁兼容性改造设计、抗干扰算法优化、点迹过滤、航迹过滤、弹道特征判决、作战场景判决等全流程虚假定位抑制方法后，开展了强电磁干扰环境测试，多个同频段干扰机测试，沙漠、丘陵、濒海、山地、湖泊等多种地形，全天时，不同气候条件下开展了拷机测试，累计工作时间超过1000小时，虚警次数不超过5次，相比同类型其他雷达系统的虚假定位率统计结果，虚假定位率降低近50%，充分验证了所提方法的有效性。如图5和图6所示。

图5：全流程系统设计的虚假定位抑制方法概述

4 结论

本文针对传统炮位侦察雷达装备在面对现代化作战环境时，出现虚假定位率高的问题，应对强电磁对抗、强干扰、强杂波、复杂目标等场景，提出了基于全流程系统设计的虚假定位抑制技术。该方法在传统炮位雷达设计的基础上，系统的从频谱层、干扰层、探测信息层、态势层设计改进处理方法及流程，降低干扰强度、抑制杂波点迹、控制虚假航迹、辨别上报信息，从而使炮位侦校雷达系统在复杂作战场景下的虚假定位概率降低至1/8h。实测数据及实装验证结果表明，所提方法可以在现代化复杂作战场景下，有效降低炮位侦察雷达虚假定位概率，设计方法具有较强可实施性。