地面防空混編群電磁協(xié)同控制系統(tǒng)研究

地面防空混編群電磁協(xié)同控制系統(tǒng)研究

0地面高空混編群電磁協(xié)同在信息國(guó)防領(lǐng)域，電氣源是一個(gè)重要的環(huán)境因素，與傳統(tǒng)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境類似。己方電磁不兼容和敵方電子干擾是造成復(fù)雜電磁環(huán)境不利影響的主要原因。地面防空混編群電磁協(xié)同,就是為克服群內(nèi)己方電磁互擾和敵方電子干擾而采取的一系列與電磁活動(dòng)有關(guān)的協(xié)調(diào)配合行動(dòng)。它是信息化條件下防空作戰(zhàn)協(xié)同的重要方面和顯著標(biāo)志,是防空作戰(zhàn)協(xié)同層面上解決戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容的基本措施,是應(yīng)對(duì)敵方干擾的有效手段。電磁協(xié)同的概念,是基于復(fù)雜電磁環(huán)境對(duì)防空作戰(zhàn)影響的綜合考慮提出的,將豐富傳統(tǒng)防空作戰(zhàn)協(xié)同的內(nèi)容和方法。1干擾地面防空的基本任務(wù)是電氣干擾組的基本任務(wù)(1)群戰(zhàn)役裝備地空導(dǎo)彈各種輻射源是形成戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的主要因素,對(duì)群主戰(zhàn)裝備地空導(dǎo)彈而言,主要輻射源包括各類雷達(dá)、通信設(shè)備等。要將如此多的用頻設(shè)備配置在有限空間內(nèi),沒(méi)有合理的協(xié)同計(jì)劃是不可能的。(2)實(shí)時(shí)控制輻射源工作群內(nèi)用頻設(shè)備多,工作狀態(tài)復(fù)雜,各種輻射源工作在什么頻段、輻射方向如何、何時(shí)開(kāi)關(guān)機(jī)等都屬于電磁協(xié)同范疇。(3)嚴(yán)格檢測(cè)戰(zhàn)場(chǎng)上的磁環(huán)建立全空域、全頻域、全時(shí)域的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng),建立并保持更新群電磁環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)。(4)有效組織對(duì)抗日制支的干擾除提高武器系統(tǒng)單站對(duì)抗能力外,還可通過(guò)雷達(dá)組網(wǎng),合理配置各用頻設(shè)備的頻譜范圍,增大敵干擾難度,充分發(fā)揮體系對(duì)抗優(yōu)勢(shì)。2性和動(dòng)態(tài)性與調(diào)控其他作戰(zhàn)協(xié)同行動(dòng)相比,組織群電磁協(xié)同的時(shí)效性和動(dòng)態(tài)性要求更高,實(shí)施難度更大,對(duì)電磁協(xié)同效果的影響也更強(qiáng)。因此,必須建立一種動(dòng)態(tài)分布式電磁協(xié)同控制系統(tǒng),對(duì)群內(nèi)分散、動(dòng)態(tài)用頻設(shè)備實(shí)施高效管理。2.1合理規(guī)劃用頻設(shè)備使用方案群電磁協(xié)同控制系統(tǒng)主要功能是監(jiān)測(cè)戰(zhàn)場(chǎng)內(nèi)用頻情況,從空域、時(shí)域和頻域合理規(guī)劃用頻設(shè)備使用方案,高效控制群全局電磁協(xié)同任務(wù)的完成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,功能節(jié)點(diǎn)描述如下5點(diǎn)。(1)中央決策機(jī)構(gòu)群決策Agent,根據(jù)分析專家Agent分析結(jié)果及火力單元決策Agent提供的參考計(jì)劃,運(yùn)用協(xié)同模型,調(diào)控群全局電磁協(xié)同;(2)決定活動(dòng)作戰(zhàn)單元決策Agent,根據(jù)分析專家Agent的結(jié)果,運(yùn)用協(xié)同模型,做出電磁協(xié)同方案;(3)分析專家具有分析處理電磁數(shù)據(jù)的功能,各Agent分別負(fù)責(zé)完成與電磁兼容、干擾分析、頻率規(guī)劃等工作;(4)磁強(qiáng)監(jiān)測(cè)裝置實(shí)時(shí)了解群內(nèi)電磁資源使用狀況和戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境狀況,添加到相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù),為規(guī)避各類干擾提供數(shù)據(jù)支持;(5)磁強(qiáng)計(jì)根據(jù)決策Agent的命令快速控制設(shè)備用頻情況。2.2數(shù)據(jù)庫(kù)如環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)、協(xié)同機(jī)制數(shù)據(jù)及時(shí)域電磁環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)見(jiàn)圖2為使群電磁協(xié)同控制系統(tǒng)有效運(yùn)行,需建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)包括戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)、協(xié)同機(jī)制數(shù)據(jù)庫(kù)兩個(gè)基本模塊,為協(xié)調(diào)群內(nèi)電磁資源及有效抗敵干擾,能提供己方可用頻段、用頻設(shè)備輻射功率、電磁兼容指標(biāo)和敵方用頻情況、戰(zhàn)場(chǎng)電磁波傳播環(huán)境等數(shù)據(jù)支持。具體構(gòu)成如圖2所示。2.3信號(hào)頻率的合理分配群電磁協(xié)同,首先應(yīng)保證頻率上的分割,避免自擾和互擾;如受敵有意干擾,避開(kāi)干擾頻率,達(dá)到與敵干擾信號(hào)頻率的分割。如不能滿足頻率上的要求,盡量保證空間上的錯(cuò)開(kāi),如己方多個(gè)設(shè)備工作在同一頻段,盡量保證設(shè)備在空間上劃分,避免相互影響;當(dāng)受敵積極干擾而無(wú)法避開(kāi)頻率時(shí),應(yīng)盡量在空間上躲避,避免干擾。上訴要求均無(wú)法滿足,則盡量采取時(shí)間上的規(guī)避措施,使用頻設(shè)備交替工作,協(xié)同控制基本流程如圖3所示。3地面防空混合組的電磁協(xié)議機(jī)制模型地面防空混編群主要用頻設(shè)備為搜索雷達(dá)和制導(dǎo)雷達(dá),這里主要建立群雷達(dá)協(xié)同機(jī)制模型。3.1磁體磁體空間協(xié)調(diào)機(jī)制的模型3.1.1干擾及協(xié)同機(jī)制群雷達(dá)空域協(xié)同是對(duì)給定數(shù)量、種類的雷達(dá)恰當(dāng)部署,利用組網(wǎng)雷達(dá)的空域優(yōu)勢(shì),在盡可能大的探測(cè)范圍內(nèi)提高空間分辨力和目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率,同時(shí)降低敵方反雷達(dá)措施的效果。協(xié)同機(jī)制如下:原則1基于現(xiàn)有資源實(shí)現(xiàn)盡可能大的探測(cè)范圍;原則2適當(dāng)?shù)目沼蚋采w冗余,提高“四抗”能力;原則3頻率有重疊的雷達(dá),彼此距離不能太近,避免同頻干擾;原則4同一空間雷達(dá)重疊不能太多,以避免資源浪費(fèi);原則5相鄰雷達(dá)間距不能太遠(yuǎn),有頂空補(bǔ)盲能力;原則6考慮實(shí)際的地理限定及通信條件。3.1.2雷達(dá)空域協(xié)同模型原則1描述的是整個(gè)雷達(dá)網(wǎng)的探測(cè)能力,即其空域有效覆蓋范圍大小,可用空域覆蓋系數(shù)ρ描述ρ=[(Ν∪i=1Si)∩S]/Sρ=[(∪i=1NSi)∩S]/S(1)式中:S為給定責(zé)任區(qū)域;Si為第i部雷達(dá)的探測(cè)區(qū)域;ρ為N部雷達(dá)所覆蓋的有效責(zé)任區(qū)域占總責(zé)任區(qū)域的比重,取值范圍為[0,1]。原則2描述的是責(zé)任區(qū)雷達(dá)網(wǎng)空間重疊覆蓋程度。對(duì)同一區(qū)域,雷達(dá)覆蓋數(shù)量越多,抗干擾能力越強(qiáng)。但過(guò)多冗余會(huì)造成總探測(cè)范圍減少和資源浪費(fèi),易發(fā)生同頻干擾,因此該原則受到原則1、3、4制約?？捎每沼蛑丿B系數(shù)σ描述式中:S為給定責(zé)任區(qū)域;Si為第i部雷達(dá)的探測(cè)區(qū)域;Si∩Sj為第i部雷達(dá)和第j部雷達(dá)的空域重疊區(qū)域;σ表示責(zé)任區(qū)域中至少有2部雷達(dá)可以覆蓋的區(qū)域占總責(zé)任區(qū)域的比重,取值范圍為[0,1]。原則3需要考慮相鄰雷達(dá)間的電磁兼容程度,與雷達(dá)的頻域重疊大小及其空域重疊大小有關(guān),可用雷達(dá)間的電磁兼容度Φ描述,Φ取值范圍為[0,1]。原則4主要是對(duì)原則1、2的補(bǔ)充和約束,如果認(rèn)為2部雷達(dá)同時(shí)覆蓋某一區(qū)域是合理的,3部及以上同時(shí)覆蓋為浪費(fèi),那么原則4可以這樣描述式中:Si∩Sj∩Sk表示第i,j,k部雷達(dá)重疊覆蓋區(qū)域的大小,即τ考慮的是3部及3部以上雷達(dá)所覆蓋區(qū)域占總區(qū)域的大小,取值范圍為[0,1]。原則5要求相鄰雷達(dá)間距離不能太遠(yuǎn),能相互補(bǔ)盲。有專用補(bǔ)盲雷達(dá)時(shí),該約束可取消。描述為r(ki,kj)<rij(4)式中:r(ki,kj)表示第i、j部雷達(dá)間距離;rij為考慮到雷達(dá)i、j各自探測(cè)距離而確定的適當(dāng)距離間隔?？扇ij=min(ri,rj),其中ri,rj為雷達(dá)i,j探測(cè)距離。原則6考慮的是布站中地理約束情況,實(shí)際使用時(shí)可作為約束條件處理。原則1～4考慮了雷達(dá)主要功能即實(shí)現(xiàn)大探測(cè)范圍并有效利用雷達(dá)網(wǎng)在“四抗”方面的優(yōu)勢(shì),應(yīng)作為雷達(dá)空域協(xié)同模型的主體,原則5、6強(qiáng)調(diào)站與站的距離及實(shí)際地理?xiàng)l件,可作為約束條件處理,這樣就得到雷達(dá)空域協(xié)同模型minF(X)=[f1(X),f2(X),f3(X),f4(X)]Τs.t.gi(X)≤0,i=1,2,?,l,X=[(x1,y1),(x2,y2),?,(xn,yn)]ΤminF(X)=[f1(X),f2(X),f3(X),f4(X)]Ts.t.gi(X)≤0,i=1,2,?,l,X=[(x1,y1),(x2,y2),?,(xn,yn)]TX∈Rn,X∈Ω(5)式中:f1(X)為空域覆蓋系數(shù)ρ;f2(X)為空域重疊系數(shù)σ;f3(X)為雷達(dá)間電磁兼容度Φ;f4(X)為雷達(dá)覆蓋區(qū)域冗余度τ,描述了3部及3部以上雷達(dá)重疊區(qū)占總區(qū)域的大小;gi(X)為雷達(dá)優(yōu)化部署的各種約束條件,包括原則5、6的要求;X表示一個(gè)解向量,由n部雷達(dá)的橫、縱坐標(biāo)組成。將部署區(qū)域以坐標(biāo)系形式表示,(xj,yj)表示雷達(dá)j的坐標(biāo),Ω表示雷達(dá)可部署區(qū)域。3.2磁體激勵(lì)模型主要用于磁體領(lǐng)域的協(xié)調(diào)機(jī)制3.2.1進(jìn)行雷達(dá)的頻域協(xié)同群雷達(dá)頻域協(xié)同,指群雷達(dá)間,利用各自不同頻段的有效協(xié)作,減小敵方電子干擾影響,保證雷達(dá)穩(wěn)定跟蹤空襲目標(biāo)的行動(dòng)。當(dāng)作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)的主戰(zhàn)雷達(dá)遭敵電子干擾,由于自身頻段限制,無(wú)法有效反敵電子干擾,需群其他具備射擊條件的雷達(dá)進(jìn)行頻域上的協(xié)同,輔助抗擊空中目標(biāo)。進(jìn)行制導(dǎo)雷達(dá)的頻域協(xié)同,在雷達(dá)可用頻段、部署位置受約束的條件下,一般應(yīng)遵循以下原則:原則1輔助雷達(dá)自衛(wèi)距離要大于發(fā)現(xiàn)目標(biāo)必需的距離;原則2輔助雷達(dá)跟蹤穩(wěn)定度要達(dá)到制導(dǎo)導(dǎo)彈有效攻擊目標(biāo)的要求;原則3在滿足原則1、2前提下,輔助雷達(dá)要盡量遠(yuǎn)離敵方干擾頻段,減小再次受干擾概率。原則1是雷達(dá)能有效制導(dǎo)導(dǎo)彈攔截目標(biāo)的最基本條件,可直接用雷達(dá)自衛(wèi)距離同發(fā)現(xiàn)目標(biāo)必需距離的比值描述;原則2中雷達(dá)跟蹤穩(wěn)定度可以用雷達(dá)的有效信干比來(lái)描述;原則3可用雷達(dá)的頻率與干擾頻率遠(yuǎn)離度表征。3.2.2指標(biāo)量化模型(1)干擾消除因子式中:Pt為雷達(dá)發(fā)射機(jī)的脈沖功率/W;Gt為雷達(dá)發(fā)射天線的增益;λ為雷達(dá)工作波長(zhǎng);σ為目標(biāo)散射截面積;D為雷達(dá)抗干擾改善因子;F(α)為目標(biāo)到雷達(dá)之間的傳播損失;(LFKTBs)為雷達(dá)接收機(jī)噪聲功率;S為接收信號(hào)功率,J為干擾信號(hào)功率。制導(dǎo)雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后需經(jīng)一段準(zhǔn)備時(shí)間才能發(fā)射導(dǎo)彈,稱之為發(fā)現(xiàn)目標(biāo)必需距離式中:Dzy為迎擊殺傷區(qū)遠(yuǎn)界斜距;tzy為導(dǎo)彈與目標(biāo)在遠(yuǎn)界遭遇時(shí)間;tzhb為射擊準(zhǔn)備時(shí)間;Vm為目標(biāo)速度;P為目標(biāo)航路捷徑H為目標(biāo)飛行高度。(3)導(dǎo)雷達(dá)間的頻域協(xié)同模型式中:fx為雷達(dá)中心頻率;fg為干擾頻段中心頻率。綜合上述3條頻率協(xié)同原則,群制導(dǎo)雷達(dá)間的頻域協(xié)同模型如下Fy=sgn?Rz/Rm??sgn?J/SD??Νmaxi=1{|fix-fg|}Fy=sgn?Rz/Rm??sgn?J/SD??maxi=1N{|fix?fg|}(10)式中:Fy為協(xié)同雷達(dá)中心頻率遠(yuǎn)離度;N為群可用雷達(dá)數(shù)。3.3磁體空間協(xié)調(diào)機(jī)制的模型3.3.1目標(biāo)狀態(tài)判斷群雷達(dá)時(shí)域的協(xié)同,指在一定區(qū)域內(nèi)為避免相互干擾,經(jīng)過(guò)對(duì)搜索、跟蹤、射擊等條件分析后,多部雷達(dá)根據(jù)其對(duì)攻擊目標(biāo)態(tài)勢(shì)的優(yōu)劣,采取分時(shí)段工作的方法。主要分2種情況考慮:搜索狀態(tài)和跟蹤狀態(tài)。搜索狀態(tài)指雷達(dá)未發(fā)現(xiàn)目標(biāo),或目標(biāo)距火力單位較遠(yuǎn)尚未達(dá)到抗擊條件時(shí)的狀態(tài);跟蹤狀態(tài)指雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo),已滿足射擊條件,火力單位進(jìn)入抗擊目標(biāo)狀態(tài),這時(shí)雷達(dá)主要工作是跟蹤目標(biāo),并引導(dǎo)導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)。雷達(dá)時(shí)域協(xié)同機(jī)制如下:步驟1:狀態(tài)判斷,根據(jù)上級(jí)敵情通報(bào),及自身對(duì)空搜索情況,掌握本火力單位周圍空域目標(biāo)的狀況,判斷此時(shí)是搜索狀態(tài)還是跟蹤狀態(tài)。搜索狀態(tài)轉(zhuǎn)入步驟2,跟蹤狀態(tài)轉(zhuǎn)入步驟5;步驟2:雷達(dá)搜索效能評(píng)估,根據(jù)雷達(dá)搜索的各項(xiàng)指標(biāo),通過(guò)效能評(píng)估的方法,評(píng)估出相互干擾的雷達(dá)的搜索效能;步驟3:根據(jù)雷達(dá)搜索效能高低,確定主力雷達(dá),制定雷達(dá)分時(shí)工作策略?？蓪⒄麄€(gè)作戰(zhàn)時(shí)間分成多個(gè)周期,每周期內(nèi)給主力雷達(dá)分配更多的工作時(shí)間,其它雷達(dá)分配較少工作時(shí)間,相互干擾的雷達(dá)交替工作,每個(gè)周期依次循環(huán);步驟4:隨著目標(biāo)臨近,逐漸滿足抗擊條件,此時(shí)工作狀態(tài)由搜索狀態(tài)轉(zhuǎn)為跟蹤狀態(tài);步驟5:目標(biāo)威脅評(píng)估,將每個(gè)火力單位受到空域內(nèi)各目標(biāo)的威脅度相加,可得出該火力單位受到的總威脅度;步驟6:火力抗擊效能評(píng)估,在跟蹤狀態(tài),看重的是火力的抗擊效能,而不是搜索效能,所以這里進(jìn)行抗擊效能評(píng)估;步驟7:火力抗擊指數(shù)判定,反映了火力單位進(jìn)行抗擊的必要程度,包含2個(gè)方面:(1)火力受到目標(biāo)威脅的程度;(2)火力的抗擊效能?；鹆κ芡{程度越高,其進(jìn)行抗擊的必要程度越高;火力的抗擊效能越高,其進(jìn)行抗擊的必要程度越高;步驟8:跟蹤狀態(tài)雷達(dá)分時(shí)工作策略,根據(jù)火力抗擊指數(shù)判定出抗擊時(shí)的主要火力,主要火力雷達(dá)開(kāi)機(jī),其他雷達(dá)等待支援;步驟9:目標(biāo)狀態(tài)判斷,對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行判斷,如所屬空域內(nèi)目標(biāo)全部被擊落,整個(gè)過(guò)程結(jié)束。還有目標(biāo)存在,轉(zhuǎn)步驟1,具體流程如圖4所示。3.3.2指標(biāo)量化模型(1)指標(biāo)組合賦權(quán)向量評(píng)估指標(biāo)一般情況下應(yīng)該有搜索范圍R,搜索速率L,協(xié)同程度I,搜索方向重要度D,盡早發(fā)現(xiàn)程度S,雷達(dá)抗干擾能力M。指標(biāo)權(quán)重的確定有很多方法,如層次分析法、主成分分析法、相鄰比較法、熵值法等。設(shè)雷達(dá)屬性矩陣為C,根據(jù)上面的指標(biāo)權(quán)重計(jì)算方法,得出指標(biāo)組合賦權(quán)向量Wc?？傻孟嗷ジ蓴_雷達(dá)的搜索效能為(2)由不同目標(biāo)的防衛(wèi)效能抗擊指數(shù),表示火力單位需要進(jìn)行抗擊的必要程度,由雷達(dá)受到空襲目標(biāo)的威脅程度和雷達(dá)所屬火力單位對(duì)目標(biāo)的抗擊效能組成。抗擊指數(shù)越高,表明該火力單位越應(yīng)該作戰(zhàn)?？箵糁笖?shù)γ(k)為式中:H(k)為雷達(dá)k所屬火力單位抗擊效能;U(k)為雷達(dá)k所屬火力單位受其火力范圍內(nèi)所有目標(biāo)的威脅度式中:Sj指目標(biāo)j的位置;S(k)指火力單位k的火力范圍;uj(k)為雷達(dá)k火力范圍內(nèi)目標(biāo)j的威脅度。4混編群的電磁協(xié)同自動(dòng)化控制理論信息化條件下防空戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)瞬息萬(wàn)變,傳統(tǒng)定性的手工電磁管理模式已不能滿足快節(jié)奏、高強(qiáng)度的防空作戰(zhàn)電磁協(xié)同要求