指挥信息系统与技术
CommandInformationSstemandTechnoloygy
Vol.10 No.4
Au.2019g
·实践与应用·
:/doi10.15908.cnki.cist.2019.04.014j
雷达网探测能力计算方法
()中国电子科技集团公司第二十八研究所 南京210007
摘 要:雷达网是空天防御系统重要的情报来源,目前对雷达网探测能力的定量分析方法较少且侧重于二维,不适应三维指挥控制系统,故无法满足规划决策精确化要求。利用雷达在高程方向上的探测信息,定量分析了雷达网探测能力,给出了考虑地形遮蔽和目标雷达散射截面(的计算RCS)单部雷达在三维空间的探测范围和探测距离的方法,以及雷达网在不同高程上总的探测范围、面积和特定方向上探测距离的计算方法等。最后,使用“铺路爪”系列雷达对该方法进行了验证。关键词:雷达网;雷达包络体;导弹突防;雷达散射截面;高程圈
)中图分类号:E955 文献标识码:A 文章编号:1674-909X(201904-0077-06
程晓光 李 威 王政伟
CalculationMethodforRadarNetworkDetectinaabilitgCpy
:TAbstractheradarnetworkisanimortantintelliencesourceinairsacedefensesstem.Atpgpy-,resentuantitativeanalsismethodsofradarnetworkdetectinaabilitrefewandgenerallpqygcpyaythereuirementsofpreciseplanninnddecisionmakin.Thedetectioncaabilitfradarnetqgagpyo--,workisquantitativelnalzedbsintheradardetectioninformationinaltitudedirectionandyayyugtaldetectionraneandareaandthedetectiondistanceinsecificdirectionofradarnetworkatdifgp-,ferentelevationisproosed.Finallthemethodisverifiedbsinhe″PavePaws″radar.pyyugttudeloop
:;m;);Keordsradarnetwork;radarenveloeissilepenetrationradarcrosssection(RCSaltipyw-acalculationmethodforthedetectionraneanddistanceofsinleradarin3Dsaceisgivenconggp-)siderinerrainmaskinndtaretradarcrosssection(RCS.Thecalculationmethodofthetogtgag-basedon2D,whicharenotsuitableforthe3Dcommandandcontrolsstem,sotheannotmeetyyc
(,N)The28thResearchInstituteofChinaElectronicsTechnolorouororationanin10007,ChinagyGpCpjg2
CHENGXiaouan LIWei WANGZhenweiggg
0 引 言
雷达探测到的情报在指挥控制系统可用,雷达站和
7]
。情报中心之间应至少存在1条通路[
5]
,对空探测能力是雷达重要能力之一[对雷达
3]
,源[是探测敌方导弹和飞机等的主要装备。雷达
]1-2空天防御系统[中,雷达是重要的情报来
在空间上分布式部署且相互连通,雷达站、管报站、
5-8]
(),下称雷达网[其中雷达站、管报站和情报中心4]情报中心和通信链路等构成一个网络化雷达体系[
]5-6,8
)为导网探测能力进行分析[具有3方面优势:1
为网络中的节点,通信链路为网络中的边。为了使
收稿日期:2018-08-13
)有助于发现防空预警网的漏洞,辅助雷达部2
6]
;)辅助作战规划中的打击目标筛选。现代战署[3
]12
。鉴于雷争中,打击敌方雷达是作战的优先任务[
9-11]
弹和飞机突防[提供支持,辅助弹道和航线规划;
]():引用格式:程晓光,李威,王政伟.雷达网探测能力计算方法[J.指挥信息系统与技术,2019,10477-82.
,():CommandInformationSstemandTechnolo2019,10477-82.ygy
,,]CHENGXiaouanLIWeiWANGZhenwei.CalculationmethodforradarnetworkdetectinaabilitJ.ggggcpy[
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指挥信息系统与技术
2019年8月
达网可视作一个网络化目标体系[12]
体系分析方法筛选出体系中重要雷,达故可采用目标
作为打击目标,而这些需建立在分析雷达网总的探测能力和单
雷达探测能力的基础上[
5,13
]雷达网探测能力可表现。为三维空间的探测范
围、特定高程的探测面积、。特定方向的探测距离及空中目标覆盖率等[5]
网的探测范围、面积和传统指挥控制系统中距离的计算一般均,基对于雷二达
维
[6]
半径做。1通常做法是以某雷达为中心个圆或扇形,在此基础上对所有圆或扇形,以探测距离为
求空间并集。该方法存在以下问题:离依赖于目标的雷达散射截面(考虑目标R1),该雷达探测距方法却未适用于导弹作战等需要考虑高程方向的作战样式RCS的影响;2)未利用高程方向信息CS),不。
本文在分析雷达网探测能力时,仅考虑了能通过通信链路与情报中心通信且正常工作的雷达。首先,给出了考虑目标测范围和探测距离的计算方法RCS的单部雷达在三维空间探;然后,给出了判断单部雷达是否覆盖目标的方法;最后,给出了雷达网在不同高程的探测范围、面积和特定方向上探测距离的计算方法。相比传统的基于二维的分析方法,本文方法基于三维,可得到雷达在任意高程的探测范围,提供了更丰富且更量化的信息。
考虑目标RCS的单雷达探测范围计算
文献[范围,即雷达包络体方法14
]给出了计算单部雷达在三维空间探测。该方法考虑到了地形遮蔽和大气折射,不仅适用于全向探测的机械雷达,而且适用于只对有限方位范围进行探测的相控阵雷达。除雷达位置和地形数据外,该方法重要的输入是雷达威力图,即在保证一定探测概率(等)情况下,雷达在不同仰角下对具有特定80%RC、S90(
%如的威力图较可靠.1、1m2)
目标的最大探测距离,如果没有检飞得到的威力图。由检飞途径获得,则可采用公开数据(如对具有特定距离[15])加理论模型[16
]的方R法CS目标的最大探测
生成雷达威力图。
根据雷达方程,有[
14]
R:max_T=Rmax_S4σT/σS
其中,σ()S为雷达威力图的标准_;σS为σ1T为目标的RCS应的最大探测距离。理论上,已RCS;R;RmaxS对应的最大探测距离max_T为σT对
知σSRma_S和σ即可由式(参数往往未知1)得,且大气环境对微波传输存在影响到R、xT,max_T。但由于雷达的一些重,要式(1
)故难以成立。例如,萨德反导系统的X波段的AN/TPY-2雷达对RCS为1m2目标的最大探测距
离为测距离为1700km,而对RCS为100式(1):
,得到不同2300k[5]
Rm1CS,下雷达的最大探测并不满足式m2(目标的最大探
1
)。为此距离,借鉴公式如下Rmax_T=Rmax_SδσδT为待确定系数,
/σS
其中,经变换有:(2
)δ=lnσ σTRmax
_TSlnRma_S(3
)将2AN/TPY-2x
雷达的数据代入式(=15.需注意的是347的δ。,
其他雷达数据也可用该式计算出相应3),得,目标的RCS受雷达波长、
天线极化方式及相对于雷达的姿态角等多种因素影响。了方便计算,式(需确保雷达波长及天线极化方式等与给定参考探测
2)为是一个简化的经验模型,使用时距离的数据相同。实际工作中,可选择更精确的算法,但需要更多雷达参数,且需考虑环境因素。
由此,可得到单部雷达考虑了地形遮蔽、大气折射及目标RCS的包络体。对于包络体上的点,计算其相对于雷达的仰角、方位角(方法见文献[距离,可得特定仰角和方位角上雷达的最1大4]探)和测距离。
不同高程的雷达探测范围计算
通常情况下,采用雷达在某高程的探测范围及在某方位的探测距离对雷达探测能力进行描述,而信息可通过内插雷达包络体获得。
.1 高程点内插
由于三维体可采用三角形进行任意高精度的三角剖分,本文假设雷达包络体的边界由不重叠的三角形集合S无缝覆盖,定义雷达在特定高程的探测范围的闭合边界为高程圈。设高程圈的高程为
H在S中遍历,寻找满足下式的三角形。HT,
m≥HmT且Hn≤HT
、∈其中,HH{0,1和1H,2},n∈{0,}且m≠n(02分别为V31个,2
顶点的高程。设4
三)角形ΔVaVbVc(Va、b和Vc分别为三角形的点,对应的高程为HH3a{H、b和HcH)
,个顶如果TaVb∈[跨越的高程范围包括了mina,Hb},max{HHa,Hb}]即边VT内插出一个高程为H,可在V(5)aVb上T的点。类似地,可知边VbVc和VcVa在何种条件下可内插出高程为HT的点。在获得1条线段的2个端点VS和VE的地心坐标后,可在线段上线性内插出高程为HT的点PT,由三角
δ1022第10卷 第4期
程晓光,等:雷达网探测能力计算方法
79
形内插高程点流程如图别为1所示。设PPS和PE程为H,对1条线段的应的椭球2个端点的地心坐标分体高S和HES的点P,可在TPE上线性内插出高程为HT
逼近H。该方法可确保PT的高程能以任意高精度T。
图1 由三角形内插高程点流程
.2 高程圈连接
容易证明,如果一个三角形有边的高程范围包括HT如图,则符合条件的边数为12所示,2。高程圈连接示意图)具体步骤如下:
将ΔVaVbVc内插出的2个点加入高程圈的结点序列2)查找通过L,并将LΔVaVbVc标记为已使用;内第1个点,加入L,标记,内插出除2个点所在边和ΔVaVbVc相邻的三角形ΔLΔL内第1为已使用;
2个点外的另一)查找通过内第三角形3)Δ3个点所在边与Δ1相邻的继续内插2;由于内插法精度限制,直至内插出的点与L内的第点重合4(,这1个非常接近但不完全重合)
最后可得到一个闭合的2个点的位置可能。高程圈(将末点坐标替换为首点坐标)
。图中边的高程范围包含2给出了一个实例。首先,查找到HT,进而将在边V2ΔV0V1V2
和P1先后加入L,并将内插。由于VV111VV3V3的V32V2通过边V1的V1高程范V3和VV2与ΔV0和V1内插出的点P0V23围包含VH2T2ΔV0V1V2标记为已使用。ΔV,条边上进行V0V1V2相邻,因此在Δ上内插出点P因此在V12加入L,并将ΔV1V3V2标记为已V3
使用。对得到位于ΔV1VV4V3除V14V3上的VP3以外的另外3,并将ΔΔVV10VV2条边进行内插,42VV3标记为已使用。如此内插,直至查找到m,
内插出的图2 高程圈连接示意图
位于V0V2上的点PW与L上的第1个点P0重叠,
将W加入L,并将ΔV0V2Vm标记为已使用。至此,L内的点即高程圈上的点序列。
继续在S中搜索高程圈,直至S中不再含有未使用的高程跨越HT的三角形。如果考虑雷达内盲
区,则在同一个高程上,雷达可能会得到2个高程圈,分别表明探测范围外边界和内边界。借助该方法,可得任意高程的雷达探测范围。
雷达覆盖计算
防空雷达和预警雷达的主要作用是探测发现空中的飞机和导弹等目标。一般而言,覆盖空中目标的防空预警雷达越多,对空中目标的探测概率越高。为此,需了解雷达网对空中目标存在几重覆盖,其核心是判断单部雷达的探测范围是否覆盖空中目标。鉴于空中目标往往远小于防空雷达或预警雷达的最大探测距离,此处将这类目标抽象为点。通过以下步骤判断雷达1
)R是否覆盖高程为H的目标T)计算对所有在T相对于高程R为的方位角αH的高程圈;:
上的点,计算其相对于2
)查找高程圈上的点中与R的方位角;
α最接近的方位角对应的点3
4Q;覆盖5)T)计算如果∠∠RROOT和T≤∠∠RROOQQ,
,
则在该高程雷达可以其中O为地心;,反之亦然。
雷达网探测面积和探测距离计算
计算雷达网总的探测面积和探测距离可通过对雷达网内所有雷达的探测范围进行融合得到。.1 基于高程圈的雷达探测范围融合
鉴于基于高程圈的雷达探测范围融合的计算效率及三维显示效果均优于基于三维体的方法,本文
采用基于高程圈的雷达探测范围融合[17
]骤如下:
,其核心步
P324480
指挥信息系统与技术
2019年8月
小于给定阈值1
)对高程圈进行加密;
,确保相邻点之间的距离它们之间的最近距离小于给定阈值2
)对不属于同一雷达的高程圈进行求交,则判定它们相,如果交,记录交点信息;并生成逆序高程段3
)利用交点信息将高程圈分割为正序高程段;,段连接为子高程圈4
)采用最小角;
原则或最大角原则将所有高程求并结果即最终融合结果5
)判断剩余的子高程,表明不同雷达在同一高圈中哪些为求并结果。程上总的探测范围。
为了说明雷达探测范围融合效果,本文选取了
美国和英国部分P波段“铺路爪”系列预警雷达[
18]进行试验。试验采用的“铺路爪”系列雷达参数如表所示,
其中经度取西经为负,纬度取北纬为正。表1 试验采用的“铺路爪”系列预警雷达参数
所属基地型号
经度(/
纬度(美国°)/阵面中心方位数角/(°
)空军基地Otis
°
)AN/FPS-123-70.53841.752275美国空军基地BealeAN/FPS-132-121.35139.1362250美国空军站
ClearAN/FPS-123-149.18764.291
20美国空军基地
ThuleSiteJ
AN/FPS-132-68.29976.570
2350英国皇家空军站
FylingdalesAN/FPS-126-0.67054.359
3
330
设所有型号的“铺路爪”雷达对0.1m2RCS目标的最大探测距离为的最大探测距离为3300km,对10m2RCS目标仰角范围),设雷达在各个可探测方位向上最大探测距离相同23~90°,50单0阵0k面m在(方对位应向δ=上1覆1.盖0830120°。,雷达在仰角φ下的探测距离L为:
L=Lmax
cos(2π(φ-φφmax)/3φ3dB)(Lmax6
)其中,max为雷达的最大探测距离,
由式(2)求得;max为Lmax对应的仰角,取,取25°;φ3dB为波瓣宽度图3给出了由美国117.833°。3dB对应的“铺路爪”系列预警雷达构成
的雷达网在1200km高程(洲际弹道导弹中段的典型高程)对RCS为1m2目标的探测范围。对比融合前后的高程圈可见,融合结果准确,部署在空军基地的雷达的探测范围未与其他雷达的探测范
Otis
围相连。“铺路爪”雷达网对从太平洋、阿拉斯加、北极、欧洲和大西洋方向攻击美国本土的洲际弹道导弹的预警探测效果较好。但是,对从北大西洋方向经加拿大上空攻击美国本土西部和中部的导弹,其探测范围存在不足。对于该方向,部署在北达科塔州大福克斯的外围搜索定性雷达系统(起预警作用。
PARCS)可图3 “铺路爪”系列预警雷达网总探测范围
.2 雷达网探测面积计算
显然,对于融合后的高程圈,无法用数学公式进行描述并计算面积,因此采用积分思路计算高程圈的面积。将高程圈在纬度方向上以为N个小条,高程圈面积计算示意Δ图B为间隔分割如图和即高程圈覆盖4所示。计算每个小条的面积,求的面积。
因高程圈可能存在凹部,故个子条,如ab和cd1个小条可能被凹部分为M高程圈面积W为:
。
W=Ni=1j其中,mij为第
i个小条的第∑
j∑M=1
mij(7
)个子条的面积。14φ第10卷 第4期
程晓光,等:雷达网探测能力计算方法
81
图4 高程圈面积计算示意图
计算高程圈的最小纬度Bmin个小条,则中心纬度B,
设当前处理第kk为:
Bk=Bmin在构成高程圈的点序列+(
k-L0中进行搜索.5)ΔB,如果前(8)后2个点的纬度满足:
Bp M2M--1 1},。则点子条面积P2n和P2mn+1构成n∈计算公式如下1个子条, :{0,1,…,m=a2 kcosBkΔBΔL其中,ΔL为子条2个端点沿高程圈方向的经(度10差)的绝对值;ak为纬度 Bk处的地球半径。如果对计算精度要求不高,ak= 6371km通过上述方法,可得高程圈覆盖的面(地球平均半径积)。。该方 法同样适用于高程圈内部有空洞(如内盲区)的情况。理论上,为此,获得精度Δ和BΔB越小,计算精度越高,但计算量越大。可以取一个适中的值,如计算量间的平衡。图3中0雷.1° 达,从网而在 为北美大陆面积的00km高程的探测面积为4.83463×107 约.3 雷达网探测距离计算 2倍,基本符合预期。 km2, 计算雷达网在某方向上的探测距离需指定参考点和方位角。在给定的高程圈、参考点和方位角情况下,可直接计算出以参考点为起点、方位角给定方向的曲线与高程圈的交点,从而计算出探测距离。但在三维空间,由方位角计算曲线的方向较困难,故采用遍历高程圈寻找交点的方法。雷达网探测距离计算示意图如图5所示。 设参考点为P所有点相对于P的方位角,指定方位角为α。如高程圈上前后,计算高程圈上 方位角范围包含α,则在前后2点构成的线段2点的上内插出方位角为α的1个点(可采用与图1类似的方 图5 雷达网探测距离计算示意图 法) 。方位角为α的点数U既可能像图中方位角为1时为1,也可能像方位角为α2时大于点,计算它们与P的大圆距离,并按照1 距。离对这些交从大到小排序。设点排序结果为I0下一步需判断I,I1,…,IU-1,IU=P,则nIn+1n∈{0达可探测的部分。 (,1,…,U-1})是否为雷较通用的判断方法为:计算InIn+1的中点I′n如果I′。 n可被雷达网中雷达探测到,则InIn+1属于雷达可探测部分。如果能确保以P为起点、方位角给定方向的曲线不与高程圈相切,则判断为:如果n为偶数,则InIn+1属于雷达可探测部分; 反之亦然。雷达网在以P为基准点、方位角为α方向上的探测距离DPα为: DPα=j1(其中,J11 )jJj+1为雷达可∑JJj+探测部分;JjJj+1为Jj到j+1的大圆距离。 结束语 本文方法可用于雷达部署、导弹弹道规划、导弹战机突防规划和预警探测体系分析等,并可推广到反导拦截体系的拦截能力分析。鉴于雷达的探测能力依赖于目标速度,因此后续需考虑预警雷达对不同速度目标的探测性能。此外,在同一时刻,相对于不同位置的雷达,同一目标的姿态不同,在差异,对此需在计算多雷达包络体和探测概率的RCS会存时候加以考虑。参考文献([1]References 屈长虹,邱勇,黄维)国:展特点及趋势[.美国导弹防御系统近期技术发[2] 王晖,熊瑛.美J国].四川兵工学报,导弹防御系统最20新11发,3展2(及1)趋:2势8-3分1析. [3] 梁剑[J].国际太空,2018(4):49-53. 雷达.预警探测系统及其雷达技术研究综述[,,31511-14.J].现代[4] 朱承,20江小平09, (肖开明):,等.基于动态多重网络的目标PαJ125482 指挥信息系统与技术 ]:体系建模与分析[J.指挥与控制学报,2016,2(4) 2019年8月 []李桂祥,左治方,等.一种防空预警雷达网的综合5 甘刚,[]蔡凌峰,何栿,等.大区域组网雷达优化部署6 梅发国, ]():技术[J.指挥信息系统与技术,2016,7358-63.():现代雷达,2003,2591-4.成都:电子科技大学,2016. 296-301. []程晓光,刘唐兴,杨新民.基于检飞威力图的防空雷达14 []薛慧,:/陈志宏.千里眼”15THAAD反导系统中的“AN[]丁鹭飞,耿富录,陈建春.雷达原理[16M].4版.北京:[]程晓光,曹罡.基于高程圈的雷达包络体求并方法:17 []文树梁.反导预警“]铺路爪”雷达与对抗[18J.航天电子 ():对抗,2005,2144-6. CN107861103A[P].2018-03-30.电子工业出版社,2009. ]():TPY-2雷达[J.军事文摘,2016736-40.]():三维威力区计算[J.现代雷达,2017,3958-12. ],():评估理论方法[J.现代防御技术,201543627-31. []]周琳.预警探测系统雷达组网技术研究[7 邵锡军,J.[]8 宋佳庆.雷达组网效能评估与部署优化算法研究[D].[]]汪民乐.弹道导弹突防中伪装效能评估[9 李勇,J.弹[]齐长兴,毕义明,李勇.弹道导弹突防效能评估的马尔10 []颜如祥,宦国杨,刘赟,等.弹道导弹突防筹划理论与11 []朱承,雷霆,张维明,等.网络化目标体系建模与分析12 []范云龙,俞志强,蒋伟,等.防空预警体系雷达装备能13 ():2017,316436-441.(上接第46页) [电子工业出版社,M].北京:2017.方法[国防工业出版社,M].北京:2015. ]():科夫模型[J.火力与指挥控制,2019,44273-77.():道学报,2014,26344-49. 作者简介: ,程晓光,男(工程师,研究方向为三维G1985—)IS和遥感研发。 ,李 威,男(助理工程师,研究方向为G1985—)IS和软件平台研发。研发。 ,王政伟,男(工程师,研究方向为作战规划1987—) (本文编辑:马 岚) 力提升贡献度评估研究[J].空军预警学院学报, 췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍 ]户使用手册[S.北京:民航数据通信公司,2017.():科技视界,20181451-52. []毕心安.论两种地空数据链的差别和系统过渡[]11J.民[]郭旭周,黄圣国,孙健.VHF地空数据链系统调制解12 []郭静.中国民航地空数据链的建设,]发展与应用[13J.[]周健星.地空数据链实时信息处理和监控仿真系统14 []张玲,徐妮妮.浅谈民航VH甚高频)地空数据链系15F([]耿宏,]揭俊,徐文艳.A16CARS报文参数的辨识[J.航[]樊昌信,曹丽娜.通信原理[国防工业17M].6版.北京:[]冯玉珉.通信系统原理[清华大学出版社,18M].北京: 2003.出版社,2008. ():空电子技术,2006,3746-11.]():统[J.电子制作,20121128.[南京航空航天大学,D].南京:2007.():中国民用航空,2006364-66. ]():调器的设计与实现[J.江苏航空,200747-8.():航经济与技术,1999657-59.京:中国民用航空局,2008. []系统用3 民航数据通信公司.数据链起飞前放行(DCL)[]]数据链起飞前放行(系统技术应用[4 牛欣妙.DCL)J.[]5 民航数据通信公司.DATIS多频系统用户使用手册[]]():民航D6 赫晋齐.ATIS系统解析[J.硅谷,2012542-43. ([]通用机场)民航数据通信公司,S.北京:2016. []7 AirlinesElectronicEnineerinommittee.Mark33ggC ,e,lfunctionaldescritionlectricalinterfaceabelasp-[]:1995S.AnnaolisARINC,1995.p :pdiitalinformationtransfersstem(DITS)art1:gy sinmentsandWordformats1977:ARINC429P1-15-g []8 AirlinesElectronicEnineerinommittee.DatalinkggC roundsstemstandardandinterfacesecificationgypARINC,1997. (/:A:DGSSIS)RINC620-3-1997[S].Annaolisp []/9 AirlinesElectronicEnineerinommittee.AirggC []:ARINCA618-5S.AnnaolisARINC,2000.p :roundcharacterorientedprotocolsecificationgp- 作者简介: ,马 凯,男(高级工程师,研究方向为民航1973—)空管通信和监视技术。 (本文编辑:马 岚) []中国民航局飞行标准司.航空运营人使用地空数据通10 信系统的标准与指南:AC-121-FS-2008-16R1[S].北 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容