气球载雷达使用效能分析

刘育才 马晓静

(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所 合肥 230088;2.国防科技大学电子对抗学院 合肥 230031)

0 引言

在现代战争中,飞机、巡航导弹从低空、超低空突防是惯用的进攻手段,一方面是因为低空飞行的目标受到地球曲率和地物遮蔽的影响,地面雷达的视距和低空探测范围受到限制,使预警时间大为减少;另一方面是由于目标在强地杂波或海杂波背景中飞行,增加雷达检测这些目标的难度。为了能有效地监视和拦截低空目标,各国都在积极发展低空探测装备,其主要措施是在提高雷达反杂波性能的同时把雷达架设平台升高,如高山俯视雷达、空中预警机、气球载雷达等[2]。

气球载雷达系统利用系留气球把雷达升到空中,相对于地面雷达,可在一定程度上克服地球曲率及地形遮蔽的影响,使低空探测能力大大提高;相对于预警机载雷达,气球载雷达留空时间长,可持续监视,使用效费比高。由于气球载雷达具有独特优点,因此受到世界各国的青睐,并在军事、民用领域发挥着重要作用。

本文首先介绍国内外系留气球载雷达主要性能及其应用情况,然后从持续留空时间、带载能力、低空覆盖范围、低空反隐身以及相对预警机载雷达具有的慢速目标探测、功率孔径资源使用效率优势等方面对气球载雷达系统使用效能进行综合分析,并对未来发展趋势进行展望。

1 发展现状

美国是最早发展系留气球雷达系统的国家,部署于沿海及美墨边境地区,用于实现沿海及边境监视,其气球载雷达主要有3种型号,改进型全固态AN/TPS-63(V)雷达、L-88A雷达和改进型AN/APG-66雷达,其中数量最多的是AN/TPS-63(V)雷达,三个型号的主要性能如表1所示[7][13]。

表1 主要性能表

由表1可见,气球载雷达一般工作在L或X频段,其中工作在L频段的AN/TPS-63(V)、L-88A雷达发射功率及天线口径较大,搭载于大型系留气球平台,探测距离远,实现大范围监视;工作在X频段的改进型AN/APG-66雷达发射功率及天线口径较小,搭载于小型系留气球平台,探测距离较近,但是具有一定的机动能力。三型气球载雷达均采用全固态发射机,具有较高的可靠性。地杂波改善因子可达60dB左右,以实现在强地杂波环境中有效探测低空目标。工作波形采用低重频或者中重频,以适应海上、陆地等不同杂波、目标环境。

美国后来还发展了联合对地攻击巡航导弹防御空中组网探测器系统(JLENS),对巡航导弹进行超视距探测与跟踪,用于保护在海外地区执行任务的美陆军部队免遭巡航导弹的攻击,利用TCOM公司的71M型气球,升空高度可达3000～4600m,连续执行任务时间达720h,系统包含两个气球及两个雷达载荷,其中一套携带预警监视雷达,探测距离320km,另一套携带火控雷达,用于引导地面防空导弹实施拦截,火控距离达250km。

除美国外,目前装备系留气球系统的还有俄罗斯、以色列、印度等国。我国也在航展上展出了JY-400系留气球侦察监视系统,体积较大,可以携带大型预警雷达、通信中继、综合光电等任务载荷执行大范围、长时间的空中滞留侦察和警戒任务,可广泛用于要地防御预警、边防海防实时监控、通信中继等多种任务。

图1 美国在海外部署的小型系留气球雷达系统

图2 我国在航展上展示的机动式系留气球系统

2 使用效能分析

气球载雷达系统得益于气球平台升空高度高、安装空间大、地面系留供电、不需额外动力、运动速度慢等特点,在使用效能方面具有独特的优势,下面重点从全天时能力、低空目标监视能力、反隐身能力以及相对预警机载雷达的优势等几个方面分析系留气球载雷达的使用效能。

2.1 全天时工作能力

与预警机等机载平台不同,系留气球平台依靠空气净浮力升空,还可通过系留缆绳从地面直接对球上雷达持续稳定供电,因此留空时间一般只受天气和气球材料本身限制[1]。

从续航时间上来看,一般预警机最长连续工作时间在10h左右,预警直升机的连续工作时间在2.5～3h左右,大型无人机的连续工作时间一般约30h左右,而气球载雷达系统最长连续留空时间可达30天,单部气球载雷达即可实现重点区域的全天时值班,而预警机等机载平台需要通过多部雷达接力工作才能实现全天时值班。

从带载能力来看,预警机的雷达载荷重量约1t或更重,大型系留气球系统载重能力可达1～3t,小型系留气球系统载重能力可达几百千克。目前国际上已研制出可实现媲美预警机的载重能力的大型系留气球系统,系留气球系统也可作为通用型平台,可以同时或者轮换搭载其他种类载荷执行不同的任务,具有灵活的载荷适应性。

从费效比来看,各种升空预警系统中最先发展起来的是预警机,由于预警机巡航时间短,长期值守不但运行费用很高,要保持空中始终有一架预警机长期值守,还需要考虑换防、维护等问题,要有2～3架作为后备。预警机的特长和军事上的重要作用是在进攻时短时间的前置引导、指挥。而与预警飞机相比,系留气球载雷达预警系统可降低大量能耗和飞行费用,只需要少量的维护工作就可以连续使用。1993年,美国海关总署(USCS,目前隶属于美国国土安全部)呈送参议院一份报告,较为详细地介绍了采购和使用以系留气球为平台的雷达监视系统的费用。根据该报告,对于一套能在方圆278km内探测雷达截面为2m2的空中目标的系统,其采购费用在1800万～2200万美元之间,每小时使用费用估计在300～400美元之间。假定一套系统的使用率为60%,即每年可工作时间为5256h,则总的使用费在300万美元左右。相比之下,采购一架P-3“猎户座”空中预警与控制飞机的费用约为3700万美元,每小时使用费用为3500美元。假定每架“猎户座”飞机的使用率为60%,则每年维持一支由4架“猎户座”飞机组成的机队的费用为1800万美元。因此,从经济、军力等方面考虑,执行经常性的预警监视,预警机不如系留气球载雷达系统经济实用。

2.2 低空目标监视能力

岸基地面雷达受架高限制,对低空、海面目标探测距离非常有限,远不能满足预警、监视需求。美国、俄罗斯等国为了解决该问题,先后发展了岸基系留气球载雷达系统,部署于边境、沿海地区,拓展预警监视范围。该范围受制于系留气球载重能力及升空高度,一般升空高度3000m左右,对超低空、海面目标探测距离可达220km左右。发展气球载雷达系统,可通过在沿海批量部署,拓展常规地面雷达预警监视范围,在所关注的空域、海域形成大范围、长时间持续感知能力,为维护海洋权益,保卫国家安全提供信息支撑。视距随雷达架设高度变化曲线如图3所示。以青岛某地为例,地面雷达、气球载雷达覆盖范围对比情况如图4所示。

图3 视距随架设高度变化曲线

图4 气球载雷达相对地面雷达低空覆盖范围对比

2.3 反隐身能力

隐身目标的典型特征为在微波频段RCS小,相对常规飞机,其RCS在微波频段缩小2个数量级以上。目前反隐身的途径主要有大功率孔径积反隐身、频段反隐身两种方式,大功率孔径积反隐身要求雷达具备较大的天线口径以及发射功率,弥补RCS的缩小,以实现对隐身目标的远距离探测;频段反隐身主要是利用隐身飞机在低频段隐身性能差、RCS较大的特点,使雷达工作在VHF、UHF等较低频段,实现对隐身目标的远距离探测。地面雷达受尺寸、重量、功耗等因素影响较小,可根据作战需要灵活选择上述两种方式实现对隐身目标的有效探测,解决中高空隐身目标探测问题,但是难以解决低空隐身目标探测问题。机载雷达受安装空间、重量、功耗等因素限制,一般工作于L、S等较高的频段,难以通过上述两种方式实现远距离探测隐身目标。系留气球平台具备使用低频段雷达实现低空隐身目标远距离探测的安装空间、系统功耗等条件,通过沿海批量部署,同地面反隐身雷达一起,可以补齐低空反隐身短板,形成远距离、全高度域的探测隐身目标的能力。

2.4 相对于机载雷达优势

在功率孔径资源使用效率方面,气球载平台对天线垂直口径限制小,有利于实现天线系统的优化设计,提高功率孔径资源使用效率。预警机载雷达受限于气动布局影响,垂直口径一般较小,因此其俯仰维波束宽度较宽,无法实现将有限的能量集中于重点关注的空域,不利于实现匹配探测空域的雷达系统资源的优化设计。系留气球平台在垂直方向的限制较小,可以实现更大的天线垂直口径,压窄俯仰波束宽度,在所关注的重点空域内,实现更远的探测距离。以覆盖10000m高度为例,同样的功率孔径积,波束宽度不同时,窄波束有利于实现能量在10000m高度以下空域的聚焦,实现更远的探测距离。

图5 俄罗斯A50、美国E2C预警机图片

图6 宽、窄波束威力覆盖示意图对比

在研制及使用成本方面,系留气球平台载荷装载空间更大,有利于搭载低频段雷达,降低研制成本。一般用于低空、海面远程预警,其探测距离和功率孔径积成正比,在一定条件下,对于给定探测距离,天线接收孔径越大,则所需要的平均发射功率越小。对于相控阵雷达,采用低频段工作,可以用较少的有源通道实现较大的天线孔径,从而以较低的成本、较小的功耗实现远距离探测,提高系统的经济性。

表2 三种雷达指标对比

在慢速小目标的检测能力方面,系留气球平台由于运动速度很慢,有利于提高对慢速小目标的检测能力[11]。机载雷达工作时,平台处于运动状态,对低空动目标检测的主要困难在于滤除地面强杂波的影响,由于波束主瓣有一定宽度,并且处于下视状态,主瓣杂波、副瓣杂波地杂波谱均有严重的展宽。主瓣杂波可以通过多普勒滤波的方式滤除,而副瓣杂波则难以通过多普勒滤波的方式滤除,天线副瓣水平是限制机载预警雷达性能的关键,机载预警雷达天线一般具备低副瓣特征,以降低副瓣杂波强度,其低副瓣能力限制了雷达在强杂波背景下检测慢速小目标的能力。相对于机载雷达,系留气球载雷达工作时处于准静止状态,地杂波谱中心频率基本为0,杂波谱宽度较窄,和地面雷达接近,可以通过多普勒滤波的方式得到理想地改善因子,实现强杂波环境下对慢速小目标的可靠检测。

根据上述分析,对地面雷达、预警机雷达以及系留气球载雷达系统主要技术指标、战术指标对比情况进行综合分析,如表2所示,系留气球载雷达系统在执行长时间低空、海面目标监视任务时,在探测距离、持续工作时间、效费比等方面具有明显的效能优势,主要弱点为机动能力较差,抗摧毁能力弱。

3 结束语

综上分析,气球载雷达系统具有全天时工作能力强、功率孔径资源使用效率高、低空覆盖范围大等突出优点,但是在机动性方面,相对预警机载雷达的高机动能力,存在机动能力差的问题;在雷达体制方面,采用反射面天线(改进型全固态AN/TPS-63(V)雷达、L-88A雷达)或无源相控阵体制(改进型AN/APG-66雷达),天线效率低,反干扰能力弱;在主要功能方面,主要承担低空预警功能,搜索、跟踪、制导等多功能潜力尚未发挥。

因此,未来气球载雷达系统需要从技术体制、装备形态等方面进一步优化设计,提高天线效率,减小雷达系统规模,从而缩减系留气球平台规模,提高快速机动能力,同时具备搜索、跟踪、制导等多功能一体化能力。

在技术体制方面,有源相控阵雷达是现代雷达的发展趋势,气球载雷达选择有源相控阵体制与其它体制雷达相比具有辐射效率高、损耗低、作用距离远以及空间自由度高、波束形成灵活、抗干扰能力强、任务可靠性高等优势,可以大幅提升天线效率,减小雷达系统规模,提升雷达性能,为系留气球平台的小型化打好基础。

在装备形态方面,可以考虑基于气球载雷达系统平台与综合射频技术,通过将雷达、通信、电子战一体化设计,利用浮空气球平台的特点与优势,使系统能够完成对低空目标探测、跟踪的同时,实现远距离、大容量的双向数据通信,并且完成电子侦察与干扰,减少分立装备的数量,提高电子系统装备的一体化水平、平台适装性和综合作战效能。