【深度】国外预警机研究报告（十二）E-2D预警机作战性能分析：E-2D预警机关键技术

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【深度】国外预警机研究报告（十二）E-2D预警机作战性能分析：E-2D预警机关键技术

原创 2017-11-10 学术plus 学术plus

《武器与装备研究选编》

第二部分：国外预警机研究报告

【深度】国外预警机研究报告（十）E-2D预警机作战性能分析：电子信息系统组成

【深度】国外预警机研究报告（十一）E-2D预警机作战性能分析：E-2D与E-2C·作战性能对比

（十二）

E-2D预警机作战性能分析

③E-2D预警机·关键技术

1．有源相控阵雷达技术

有源相控阵技术利用增加收发组件的数量，可获得更大的功率，相比集中式发射机，有源相控阵的功率可提高一个数量级，同时还可获得更高的可靠性，并且使预警机雷达在时间能量管理、扫描跟踪速度、多目标处理能力、三坐标测量精度、抗干扰能力以及可靠性等方面都有很大的改善，因此是预警机雷达的关键设备。

E-2D预警机装备的APY-9雷达是美军首款采用有源相控阵雷达体制的机载预警雷达，比E-2C的APS-145脉冲多普勒雷达先进两代，探测空域范围增大了250%，对目标的探测距离提高了50%。

（1）探测方式

APY-9雷达由传统的机械扫描部分和电子扫描部分组成。雷达的天线为18通道的ADS-18天线，在仰角上实行电扫，而在方位上则实行电扫和机扫相结合。雷达工作在UHF波段。之所以没有采用AESA雷达常用的L波段或S波段，是因为UHF波段频率远低于X波段和L波段，信号在传输过程中的大气衰减也小得多，这有助于雷达对低空飞行的小型目标实施远程探测。

与E-2C的单一机械扫描雷达相比，E-2D组合扫描的优势是显而易见的。不但能够进行360°的全空域扫描，又能对重点区域、重点目标进行重点观察。而之所以没有采取更先进的全电扫方式，是因为电扫雷达的天线通常2个一组或3个一组配备，每个扫描天线都有一个最佳的扫描区域，但这些区域的连接处通常是探测的薄弱点。与之相比，E-2D的组合扫描雷达则完全能够满足美国海军无缝覆盖360°空域的要求。E-2D的首要任务是探测目标，而不是锁定目标，因此不需要冒更大的技术风险去采用AESA雷达。此外，要把有源电扫阵列天线集成进现有的雷达罩，其信号增益还达不到现有组合雷达的水平，这意味着其作用距离满足不了美国海军的要求。

这种组合式雷达的工作方式有两种：“机扫加电扫阵列模式”和“凝视模式”。在前一种模式下，机械扫描天线以4～6rpm的速率旋转，实现对空域的360°无缝覆盖，而电扫部分则在每次机扫之前或之后，对某个60°～90°的扇区进行扫描，对重点区域进行较长时间的观察。尽管采用这种扫描方式并没有加快数据更新的速度（仍为10～12s），但增加了对特定目标的探测机会，从而使雷达发现、识别目标的能力得以提高。

在凝视模式下，雷达主要对巡航导弹类的小型目标进行探测。在这种模式下，雷达电扫暂时停止，雷达罩被锁定，雷达只对某个30°～90°的扇区进行扫描，这样可对更远距离的小目标进行高保真度的观察，描述目标特征，然后再融合来自战术网络的信息，快速确定目标方位，识别目标类型。在这种模式下工作时，凝视扇区越小，雷达探测距离越远。但如果凝视扇区角度小于30°，预警机的作战效能将大幅度下降。

（2）处理技术

在反杂波处理方面，预警机雷达曾经历了动目标显示（MTI）、脉冲多普勒（PD）和空时自适应处理（STAP）等三个阶段，逐步向多维联合自适应处理方向发展。

MTI采用低脉冲重复频率波形，杂波覆盖整个多普勒域，适合用于杂波较弱的海上工作，如E-2C的APS-145雷达。PD体制选用中脉冲重复频率或高脉冲重复频率波形，多脉冲相参积累，在多普勒域存在清晰区，清晰区检测能力强，适合强杂波背景，如E-3的APY-2雷达，但PD体制存在明显缺陷，在空间上没有自由度，仅利用和波束在多普勒域进行检测，对与目标同多普勒频率的杂波只能靠压低天线副瓣电平，旁瓣干扰几乎影响所有多普勒通道，检测能力受制于副瓣杂波剩余及干扰。

E-2D预警机的APY-9雷达采用了空时自适应处理（STAP）技术，引入空间多个自由度，利用杂波空时耦合特性，从二维频域区分杂波与目标，沿杂波脊和干扰带形成拗口，可同时对抗杂波与干扰影响。

此外，由于APY-9雷达采用有源相控阵体制与STAP处理相结合的系统架构，加上机械扫描方式，实现了机扫+相扫+有源+STAP的综合优势，其18个数字化通道并行接收，采用自动数字波束形成(ADBF)和STAP技术，可提高杂波和干扰抑制能力，在滨海地区与陆地上空探测能力得到极大提高。

有源相控阵与先进信号处理结合，提高反杂波和反干扰能力，提高环境适应性。不过，E-2D采用的STAP处理技术相对于PD有了很大进步，但其处理仍然是基于理想杂波模型的最佳滤波，发射波形、处理方法和处理方式基本固定不变，而雷达实际的工作环境是时变、非平稳和非均匀的，比如地形起伏和陆海交界产生的非均匀杂波，密集地面车辆形成的移动杂波、铁塔、大型建筑物、山峰等离散目标，杂波谱随距离非平稳变化等均影响STAP理想性能的发挥。因此，E-2D雷达在今后可能在STAP基础上采用认知雷达理论和智能化处理与控制技术，增强环境自感知能力、智能化处理能力和发射自适应能力。

2．协同交战技术

作为未来海上作战编队的空中核心，E-2D预警机将充分利用协同交战技术，负责将海战场上各舰船、预警机平台的传感器协同探测和复合跟踪，形成单一、实时、火控级的合成航迹，生成统一、精确的威胁态势图，并通过数据链在编队内所有平台共享，从而消除地球曲率对雷达探测距离的限制，扩展防空导弹的杀伤区远界。

其中，E-2D预警机与美海军编队航母等大中型舰船实现协同作战的基础便是CEC（协同交战能力）系统，该系统也是美海军网络中心战3级作战体系中的“联合监视跟踪网络”。

CEC网络及协同交战概念

CEC系统由雷声公司开发，已在美海军多型舰船与E-2C预警机上服役多年，E-2D装备的CEC系统为USG-3B型设备，包括一个“迷你型终端”，将无线电功能、接收机/合成器和CEC处理器集成到一个部件内，重量只有235千克。

（1）系统组成

CEC 系统包括3个部分：协同作战处理器（CEP）、数据分配系统、与武器系统的接口。在一个CEC网络中，CEC处理器将对网络内所有舰船和飞机的传感器提供的目标测量数据进行融合。这些数据被DDS以极高的速度发布，以允许所有CEC 网络内的舰船和监视飞机可共享目标数据的通用态势图。

协同作战处理机将远端和本地传感器探测的目标数据进行复合处理，结合敌我识别器（IFF）获得的敌我属性数据，生成精确且实时的单一合成态势图（SIP）。网络中每个CEP都采用相同的算法，因此每个平台上各自生成的态势图是一致的。

在单一合成态势图基础上，CEP评估目标的威胁程度，判断目标是否达到该单元的威胁标准。如果达到威胁标准，自动将目标数据提供给传感器，并启动传感器跟踪目标，即使作战单元自身传感器并未探测到目标。

CEP与本地传感器、武器系统直接交联，本地探测数据能够在极短时间内传输到CEP，CEP能够及时将精确的火控数据送到武器系统上。CEP还与指挥/决策单元互联，保证与本地作战系统的行动协调。

数据分发系统（DDS）属于CEC的终端系统，实现网络单元组网与数据分发，能够在不影响协同作战网络传输速率和流量的情况下，实时可靠地传输数据。DDS工作于C波段，数据传输速率为10Mb/s，采用扩频和跳频技术，具有很强的抗干扰与保密能力。另外，系统还采用圆柱状相控阵天线，使用定向波束通信，指向性高，不易遭敌截获或干扰。

（2）系统功能

CEC系统的主要功能包括航迹合成、精确提示、联合协同作战。

航迹合成：雷达测量数据在各单元被独立地处理成复合航迹（通过适当地统计组合来自所有可用传感器的输入而形成），该复合航迹根据各传感器输入的测量精度，适当加权输入数据。如果一个单元装载的雷达暂时不能接收到更新，航迹不会中断，因为可从其他单元获得数据。该功能适用于雷达和 Mk-VII模式敌我识别器，IFF收发机在“测量”输入当前的复合航迹时做出应答。

复合航迹功能包括自动地统一编号CEC航迹，即使是各单元同时进行跟踪也是如此，当选定一个网络控制单元（NCU）中某个显控台的输入时，复合航迹为所有CEC单元提供了复合识别规则来共同决定目标的类别。规则在逻辑上是基于数据的，如除了直接的I FF应答测量和代码外，数据包括相对于边界和航线的速度与位置。

精确提示：为了在目标探测中扩大传感器的覆盖范围，CEC提供精确提示的功能。在CEC系统已经形成目标航迹的情况下，如果某个作战单元的雷达未能探测到目标，那么协同作战网络就会对该单元的雷达进行“目标提示”，引导其探测（或自动跟踪）提示的目标。目标提示信息包括目标的位置、航迹及其作战ID等。

CEC的精确提示功能允许一个或多个作战单元的雷达同时进行提示，其数量和模式由锁定目标的传感器的精度决定。如果在协同作战网络中至少有一个高精度雷达对目标进行持续追踪，那么即使在探测过程中目标进行了机动，也可以通过一个具有大功率、高敏感度的相控阵雷达获取目标信息。对于旋转雷达，只需增加单次扫描过程中的局部敏感度来获取目标信息，而不需要多次扫描进行变换搜索。研究和试验表明，在已经知道目标确切位置的情况下，不需要使用传统的变换搜索方式便可扩大目标的局部获取范围。

联合协同作战：协同作战网络具有高精度、低延时以及高更新频率的特征，网络中的作战单元可以在极短的时间内共享目标信息，即使没有通过本地雷达发现目标，也可以使用其它联合作战单元的雷达数据发射并制导导弹对机动目标进行拦截，完成超视距作战任务。

联合协同作战主要基于远程数据和海军“标准-2”舰载防空导弹。“标准-2”舰载防空导弹可以使用外部数据进行中段制导和末端引导，“宙斯盾”舰能够将导弹的控制权移交给更能胜任末端制导控制的战斗机或预警机，完成拦截任务。

3．多传感器信息融合技术

E-2D预警机通过多传感器数据融合技术可实现对隐身且标的探测，主要采用两种方法：一是对预警机上的各种传感器的数据进行融合，二是在雷达组网状态下，预警机作为组网雷达中的一个传感器，与其他雷达的数据进行融合。

（1）单平台多传感器数据融合

由于E-2D预警机雷达、红外、无源侦收传感器、及编队内其他平台传感器可探测到隐身目标的不同特征信息，可独立地向数据融合中心报告目标状态和属性信息，因此可将预警机上的传感器收集到的信息与通过数据链传来的机外其他传感器的数据进行融合，形成单一综合图像，供网络成员共享，从而提高预警机探测隐身目标的能力。

多传感器信息融合在解决载机探测、跟踪和目标识别等问题上，增加了系统的生存能力，扩展了空间与时间覆盖范围，增加了传感器确认目标或事件的可信度，减少了不确定性，提高了探测的有效性。

多平台/多传感器信息融合技术非常复杂，不仅涉及到大系统的总体设计，也关系到系统中各传感器的性能设计，其主要技术包括：

（1）系统融合模型与结构技术；

（2）传感器配准误差估计与消除技术；

（3）数据关联与融合技术；

（4）传感器资源管理技术；