机载预警雷达电磁频谱的特点分析

机载预警雷达电磁频谱的特点分析

预警机在现代战争中的重要地位美国海军总司令尼古拉斯穆尔预测，当第三次第二次世界大战发生时，获胜者应该是使用最巧妙的一方。由此可见,迅速掌控未来战争电磁领域的主导权,是关系到国防和军队建设长远发展的重要环节之一,已经成为信息时代各国维护自身安全的战略性任务。预警机作为信息化战争的主战装备,集预警和指挥、控制、通信功能于一体,起到活动雷达站和空中指挥中心的作用,其在现代战争中的重要地位不言而喻。预警雷达是预警机的主要探测装备和主要用频设备,加强机载预警雷达的频谱管理,对电磁频谱资源实施科学的划分、规划、分配和指配,使其能够得到合理、有效的利用,减少各用频装备用频冲突,是取得战争胜利的关键。1电磁频谱使用的时效性特点机载预警雷达由于其使用的时机和空间区域有明显的时间连续性、周期长以及空间位置和方向不确定的特点,因此,其电磁频谱的使用具有如下特点。1)时间性机载预警雷达进行探测和跟踪时具有一定的时效性,作战飞机、目标、武器均满足位置和距离关系条件,而三者之间的稳定攻击条件不具备长时间的稳定性,需要在较短时间完成搜索、小搜、跟踪、验证、发射、制导和引爆等过程,为获得目标精确地理位置信息,需要雷达波束对目标进行持续的照射直到目标被摧毁。因此,配合各个阶段的电磁频谱使用也具备相应的时效性特点。2)空间性一般的空空对抗或空地攻击过程所存在的空间受机载雷达探测距离、武器攻击距离和指令传输距离限制,而这些限制条件的根本原因是由电磁频谱的空间特性决定。电磁频谱的功率密度决定探测距离的大小,指令的传输距离又与电磁频谱的传输环境有关。3)捷变性电磁频谱信号需要应对对方电磁信号截获、干扰、抢断控制权等事件的发生,需要机载预警雷达所使用的电磁频谱信息具有一定的捷变性,以保证探测的可靠性、跟踪的准确性、引导的精确性。4)可控性机载预警雷达的频谱具有功率可控、方向可控、频率可控的特点,是满足预警机探测距离、制导过程中的有效性、机动性等多个条件的基础。2需要对冗余雷达雷达光谱进行分析和建模通过以上机载预警雷达电磁频谱的特点分析,为满足未来预警雷达的电磁频谱需求,需要从以下几个方面进行分析和建模。2.1段范围和配合频次电磁频谱的需求会根据预警雷达类型不同而有所不同,但总体来说,能够有效满足预警机的探测需求、跟踪需求、引战需求、制导需求、截获需求是其最低需求。发射频段范围要尽可能的广,减少敌方阻塞式电磁干扰的干扰概率;跟踪频段范围要尽可能具有较强的捷变性和排异性,使其面对对方强电磁干扰时具备应对能力;指令传送频段需要尽可能高的定向性,以确保信息传输的保密性、可靠性和距离要求;引战配合频段要具有极好的敏捷性,以便引导导弹快速近距离交会时,能够快速起爆战斗部,完成对目标的毁伤。因此,不同状态、不同阶段机载预警雷达使用阶段可根据需要进行频谱设计,既能够确保频段分配的合理性,又能保证频谱资源使用的有效性。2.2精密度和辐射功率能够根据机载预警雷达探测距离、跟踪精度、引导控制距离需求来确定电磁频谱的功率强度,是机载雷达设计的主要需求条件。精确控制辐射功率强度可进一步降低机载预警雷达的体积和质量,又能为探测过程的保密需求提供支持。电磁频谱的方向、时间和频率控制是强化机载预警雷达抗干扰能力的主要手段,也是完成信息传输保密性的关键因素之一。2.3任务分类与结果为了实现大空域的扫描搜索和对多个目标的精确跟踪,机载预警雷达发展了搜索加跟踪的工作模式(TAS)。雷达的每一种任务都是相对于特定的目标(空域)而采取的,所以其相对优先级主要取决于相应目标(空域)的相对重要性和时间紧迫性。在TAS方式下,雷达的任务可以分为以下4种,按递增顺序为:搜索→小搜→跟踪→验证。1)搜索。对指定空域按照规定的波位编排进行照射以检测目标。2)小搜。由于目标机动、干扰影响和雷达资源有限等原因,目标在跟踪过程中可能会出现失跟的目标,对失跟目标进行再次搜索和截获,尽快建立此目标的跟踪航迹。3)跟踪。对已经建立跟踪的目标维持稳定的跟踪。雷达按照任务需要进行时空分配,根据目标威胁程度的大小和机动的情况改变数据更新率;4)验证。在搜索检测到目标后,采用搜索加确认模式,发射验证波束,确认搜索发现的目标,确认回波是来自有效目标,还是虚警,以减少虚警概率。在不同的工作阶段,用频的需求不同,用频的时间不同,只有协调每种工作模式的用频才能保证预警雷达的效能发挥。3与其它频谱的衔接机载预警雷达频谱管控体系结构的合理性一方面关系到机载预警雷达系统自身的性能,例如探测距离的远近,跟踪精度的高低,搜索时间的长短等;另一方面也要考虑与其它频谱管控系统之间的交联,例如不能影响通信系统的工作效率,不能影响战场整体电磁频谱的管控,考虑减轻操作员负担等。因此,对机载预警雷达频谱管控系统结构的研究必须充分考虑其自身特点、关键技术及军事应用。3.1规划应用平台机载预警雷达频谱管控系统由应用平台和支撑平台两部分组成,如图1所示。其中应用平台包括五个子系统:频率规划、监测数据处理及控制、频率预报处理、频谱管控和规划状态采集与效能评估;支撑平台包括:战场用频监测系统、信息传输网络、硬件平台、通用软件以及相关应用软件和数据库。3.1.1频谱管控子系统应用平台是电磁频谱管控系统的主要组成部分,集成频率规划子系统、频谱管控子系统、监测数据处理与控制子系统、频率预报处理子系统、规划状态采集及效能评估子系统。1)频率规划子系统该子系统在装备用频数据库、规划专家库的支持下,对输入的技侦电磁情报、频谱监测及电磁预报等信息进行融合处理,生成机载预警雷达频率使用规划,传送给频谱管控子系统进行分发。2)频谱管控子系统该子系统在战前可以对生成的用频规划进行推演验证,以获得满足作战需求的频率使用规划。作战过程中,综合利用频谱监测、雷达用频、电子对抗技术侦察以及总部和友邻部队电磁信息,在雷达用频规划的基础上,结合战场地理信息系统,实现战场电磁态势的实时生成、显示,用频的动态调整,违规用频报警和威胁预警等功能。3)监测数据处理与控制子系统该子系统可控制用频监测系统上报相关频谱监测数据,通过对监测数据进行融合处理,实现对战场区域整体电磁环境的有效掌握,并为频率规划子系统和频谱管控子系统提供数据支持。4)频率预报处理子系统通过接收处理本作战地域内国家提供的民用电磁信息及短波频率预报信息,生成本作战区域内机载预警雷达规避民用辐射源干扰的用频预案和短波可用频段“窗口”,提供给频率规划子系统和频谱管控子系统。5)规划状态采集及效能评估子系统该子系统在作战过程中对频谱规划实施状态进行采集、存储。战后进行用频规划效果评估,根据评估效果等级,设置优化调整方案,并对方案进行仿真验证,以获得本次作战运用的最佳用频规划案例,为后续作战频率规划提供借鉴。3.1.2体系化作战频谱管理系统数据库设计机载预警雷达频谱管控涉及多个作战系统,包括装备用频干扰预测系统、电磁频谱感知系统、动态频率分配系统等,由于预警机自身空间的限制,无法全面地综合获取战场电磁信息,因此需要其它系统的支持。1)战场用频监测系统监测单元须根据作战空域内用频装备分布情况进行部署,可分为固定、车载、便携和升空平台等类型。作战区域类部署的监测单元通过传输网络将监测信息汇总至用频监测系统,进行预处理、融合及分类,提供给监测数据处理与控制子系统。监测数据处理与控制子系统通过用频监测系统,能够对作战空域内任意监测单元的监测方式、监测频段、监测分辨率等进行控制。2)应用软件系统应用软件由电磁频谱管理规划生成、频谱资源管理、电磁态势生成显示、频谱管控、接口控制、传输控制等软件组成,是体系化作战频谱管理的专用软件支持系统。3)数据库系统电磁频谱管理数据库主要包括电磁频谱管理指挥控制数据库、电磁频谱监测数据库、电磁频谱探测数据库、用频装备设备检测数据库等,见图2。4)通用软件系统通用软件系统包括操作系统、数据库管理系统、军用地理信息系统、军用文电处理系统等。与应用软件、数据库共同构成区域体系化作战频谱管理支持系统的软件库。5)硬件平台系统硬件平台系统包括服务器、计算机终端、安全保密设备、数据通信设备、接口、电源、系统外设等。6)传输网络系统支撑系统信息交互的各种无线传输网络,将预警雷达用频需求、用频信息等信息传输给指控系统。3.1.3信息指标信息源信息化战争中任何装备都不能脱离体系化作战而单独存在,电磁频谱信息是连接各个作战装备的重要纽带。机载预警雷达频谱管控系统作为战区电磁频谱管控的重要组成部分,与其它频谱管控子系统、频谱管控支撑系统以及用频装备存在大量的信息交互。1)输入支持信息装备部署信息:指按照作战计划实施的用频装备型号及部署信息。技侦情报信息:指来自技侦分队获取的战场敌方电磁用频信息。国家电磁预报信息:指作战地域内民用电磁分布信息及短波探测预报信息。电磁交互信息:来自总部、军种和相邻指挥机构的电磁态势信息。装备用频信息:指作战过程中各兵种上报的武器装备实时用频信息及用频状态信息。2)输出业务信息频率指配信息:指系统根据作战空域的电磁频谱态势和预警雷达的需求,生成主用频点(段)、备用频点(段)、保护频点(段),送各兵种对应的分队。冲突告警信息:当武器装备发生用频冲突时,能够向冲突方提供相应告警,并提供冲突解决预案,协调冲突方进行用频重新规划。威胁预警信息:当系统通过电磁频谱态势发现具有威胁性的异常电磁信号时,向作战部门提供威胁预警信息。电磁交互信息:提供给总部及协同作战指挥机构的本作战区域电磁分布态势信息。3.2设备环境报警雷达谱控制系统的信息流程系统信息流程按作战全过程可分为战前规划、作战应用和效能评估三个阶段,其信息流程及功能如图3所示。3.2.1预警机在机动预警雷达用频规划频谱规划是指按照国家和军队的有关法令、法规要求并结合具体的作战需求,为某一频段内的无线电业务制定频率使用计划的活动,是无线电频率分配和无线电频率指配的依据,其目的是科学利用频率资源,规范频率使用,提高频谱利用率,频谱规划是电磁频谱管控中一个不可缺少的重要环节。为更好地协调装备的用频,提高预警机的作战效能,预警机在升空作战之前都要通过任务规划系统对机载预警雷达的用频进行规划,具体内容包括:1)制定并分发频率使用计划,包括对特定频段的频率复用和共用计划;2)与情报、作战和C4系统部门一起拟制联合保护频率表;3)根据作战任务等具体情况定期修改和分发联合保护频率表;4)对替换备用装备频谱使用提供技术支援;5)行使频率支配权。经过战前规划形成初步的电磁频谱分配和使用方案,结合作战任务和作战样式,对规划结果进行作战推演验证,验证是否满足预警雷达的此次作战任务需求,通过优化设计形成初步的用频计划。3.2.2系统动态频谱管控1)战场电磁态势评估战场电磁态势评估是制定频谱管理计划的前提,评估的准确与否直接影响频谱管理计划制定的合理程度。预警雷达以无源工作方式,快速扫描作战空域,将截获的电磁信号信息传输给频谱分析处理端进行检测(当预警雷达进行探测时,由其它传感器获得电磁信息);频谱管控系统将实时监测的电磁频谱信息和规划信息进行融合,形成战场电磁频谱态势图。实时的电磁态势图能够提高频谱管控的科学性、准确性和实效性,是实现电磁频谱动态管理的前提。2)电磁兼容分析与查找异常辐射源对机载预警雷达进行电磁兼容分析是电磁频谱管控的基础,它能够保证预警雷达在复杂电磁环境中正常工作而避免构成有害干扰,为保证良好的电磁环境和形成有利的战场电磁态势提供重要保证。异常辐射源威胁属性判别主要分析异常的电磁信号,通过与数据库内的频谱信息进行比对,辐射源进行威胁评估,产生预警信息并传送至频谱管控系统控制端。3)用频冲突检测与动态调整通过冲突检测,分析机载预警雷达用频信息与其它用频装备频段是否存在重叠,定量地分析其它用频装备和敌方电磁干扰对雷达探测威力、跟踪精度的影响,并预测下一阶段是否用频冲突;动态频谱分配是频谱管控的关键技术,也是解决频谱冲突最有效的方法,通过改变预警雷达的用频频点、极化方式、发射功率,在频域、时域、空域三个方面协调装备的用频。通过频率分割,使工作于同一时问、同一区域的众多用频装备“各用其频”而互不干扰;通过时间分割,使同一地域内的不同用频装备能够按照分配的时间使用相同的工作频率;通过空间分割,使间隔一定距离的无线电信号覆盖区,能够使用相同的频率而互不干扰,实现工作频率复用。3.2.3规划方案效能评估效能评估阶段是电磁频谱管控系统的负反馈阶段,它将作战应用阶段的生成用频方案进行效能评级和优化调整,通过一