维拉-E无源探测系统

维拉-E无源探测系统“维拉”-E电子情报以及无源（被动）监视系统是捷克共和国ERA雷达技术公司（ERARadarTechnology）研制的，在该公司的产品资料中，它被定义为电子情报（ELINT）及无源（被动）监视系统（PassiveSurveillanceSystem，PSS）。从近年雷达技术发展的情况看，它也可以自然地归类到所谓的“无源雷达”或“寂静雷达”（PassiveandCovertRadar）中——事实上，在2003年10月21日到23日于美国华盛顿州西雅图的华盛顿大学应用物理学实验室举行的第三届多国无源和寂静雷达会议上，“维拉”-E系统就对与会者进行了展示。“维拉”-E是捷克上一代无源监视系统“塔玛拉”（Tamara）的后继产品，而在“塔玛拉”系统之前，捷克在上个世纪60年代和70年代还分别研制过“科帕奇”（Kopac）和“拉莫那”（Ramona）系统。相对而言，80年代研制的“塔玛拉”系统更是广受关注，因为在1999年3月24日到6月10日的“联盟力量”系统中，美国有一架F-117A“夜鹰”隐身攻击机被塞尔维亚的俄制SA-3（S-125）“果阿”（GOA）地空导弹击落，有一种说法认为是塞尔维亚获得的“塔玛拉”系统发现了F-117A。该系统完成二维定位（例如对地面/水面目标定位）需要3个侦察接收站（分别称为左、中、右侦察接收站）和一个中央处理站（CPS）。左、右侦察接收站与中心侦察接收站之间的距离可达50千米，通过微波接力通信与中心站联系。中央处理站的所有设备都装在一个国际标准集装箱中，与中心侦察接收站邻近部署。ERA公司宣称“维拉”-E特别适合用于防空监视，此时必须进行三维定位（因为对空中目标还要确定其高度），需要4个侦察接收站。侦察接收站的侦察天线部署在高17米的桅杆上以增大探测距离，中央处理站的处理结果可以转交给电子战中心或战区指挥部门。机动型“维拉”-E系统如果只考虑完成二维定位，则所有设备可以装到3辆中型卡车和一辆拖车上；完成三维定位则需再增加一辆中型卡车。对于有源雷达，我们知道它可以通过处理自身发射的参数已知、从目标反射回来的电磁波定位目标，但无源雷达事先并不知道所接收到的电磁波的特征，它完成目标定位有两个基本的条件：首先，必须有足够快速和精细的电磁信号分析和鉴别能力，以确保在现代战争复杂的电磁环境下通过每个电磁信号的不同来区别定位发射该电磁信号的目标。对“维拉”-E而言，这是它与以有效进行电子战为目的的传统电子情报侦察系统之间的一个重要区别，对它的软、硬件设计提出了更高的要求。根据ERA公司的相关产品资料，“维拉”-E采用了该公司名为“脉冲分析者”（PulseAnalyzer）的脉冲信号分析系统，该系统是独立的，所以“维拉”-E以后可以很方便地换用更先进的产品。“脉冲分析者”的数字示波器采样速度达500兆次/秒，能非常精确地分析各种电磁辐射信号并对它们进行“指纹”（FingerPrinting）式识别，包括区分两台同一型号的脉冲发射器各自发射的同类信号。ERA公司在资料中数次提到“脉冲分析者”可以精确分析脉冲宽度内的信号特征，那么我们可以据此断定“维拉”-E系统实现“指纹”式识别的原理：因为标准的方波脉冲、三角波脉冲等都只在理论上存在，而实际的脉冲形状受到元器件和制造的影响，即使同型号的脉冲发射器之间也有差别，而“维拉”-E恰恰能分析出这种差别。相比之下，传统电子情报侦察系统的侦察对象通常仅是脉冲信号的脉冲宽度、脉冲间隔和脉冲重复频率等参数，掌握这些参数后就可以这种信号的辐射源实施有效的电子干扰，并不需要做到区分同型脉冲发射器各自发射的同类信号。“维拉”-E系统的侦察接收站侦察接收天线行军状态的“维拉”-E侦察接收站，桅杆已经折叠其次，无源雷达要完成目标定位还需要有行之有效的定位算法，很容易想到，如果多个侦察接收站都接收到了被确认是同一辐射源辐射的信号，由于接收站相互间的空间位置关系已知，那么定位目标应当从时间处理着手。“维拉”-E系统正是采用所谓的电磁波“到达时间差”（TimeDifferenceOfArrival，TDOA）方法来进行定位的，这里以完成二维平面定位为例简单说明一下其基本原理：假设L、M和R分别代表左、中、右侦察接收站，在部署完毕后，每个站都可以通过GPS知道自身的空间位置，并得出与M站的相对位置。现在，系统开始工作了，3个站都捕捉到了一辆M1A2SEP“艾布拉姆斯”主战坦克发出的无线电信号，我们假定3个站捕捉到该信号的时刻分别是Tl、Tm和Tr（要想确定各站、各时刻捕捉到的信号是否来自同一辐射源，就要依赖前述精细、快速的信号分析能力了），通过计算信号到达M站与L站的时刻差，我们可以计算出辐射源与M站和L站之间的距离差，而由基本的数学知识，我们知道到两个定点距离之差的绝对值是常数的点的轨迹是双曲线，而M站和L站的空间位置已经确定，所以我们可以很快得出一条双曲线的平面位置方程，而目标必然在这条曲线上；同样对M站与R站进行相同的处理又能得到另一条双曲线的平面位置方程，那么目标就必然在这两条双曲线上的交点上，这样我们就能确定目标的位置了。完成三维定位的原理也完全一样，只是每次计算得到的是空间的双曲面方程，需要三个双曲面相交才能得到点的位置。这种目标定位方式的采用决定了“维拉”-E系统在使用方式和工作原理上与传统电子情报侦察系统有根本的区别，可以认为它是对传统电子情报侦察系统的超越。“维拉”-E系统能接收、处理和识别各种机载/舰载和陆基雷达、电子干扰机、敌我识别装置、战术无线电导航系统（即“塔康”）、数据链、二次监视雷达、航空管制测距仪和其它各种脉冲发射器发出的信号。主要工作方式包括空中目标监视、地面/水面目标侦察、早期预警和频率活动情况监视。侦察接收天线尺寸（高度×直径）为2×0.9米，重约300千克，采用24伏直流电，功耗250瓦。天线的灵敏度很高，对工作频段内的信号具有高的截获概率。针对各种雷达和干扰机探测时，“维拉”-E的工作频段为1～18吉赫（1吉=109），用户还可以选择0.1～1吉赫和18～40吉赫。用于敌我识别装置探测时是1090兆赫，用于塔康和测距仪时是1025～1150兆赫。方位瞬时视场120度（捷克国防物资进出口公司提供的数据则是140度），如果有特别要求也可扩展到360度。系统的最大探测距离达到450千米，能同时跟踪200个辐射源目标。“维拉”-E系统工作示意图长期以来，人们都认为无源探测系统和长波雷达一样探测精度太低，只能用于搜索和早期预警，不能用于目标跟踪，而“维拉”-E系统则不然，捷克国防物资进出口公司在其资料上公开宣称“维拉”-E系统具有“很高的定位/跟踪精度和能力”，所以，称之为无源监视系统实际上并没有完全体现出其独特之处。“维拉”-E系统进行二维探测时（左、右站与中心站之间的距离都是25千米），当目标距离150千米，处理25个脉冲时，对雷达和敌我识别装置的定位精度（都取均方根值，下同）是距离误差200米和方位误差20米，对塔康和航空管制测距仪则分别是800米和80米；进行三维探测时，如果目标高度为5000米，其它条件和二维探测时一样，那么在中心站与其它3站距离15千米时，对雷达和敌我识别装置的定位距离、高度误差都是400米，对塔康和航空管制测距仪的定位距离误差是4千米；距离30千米时对前者分别是150米和200米，对后者的定位距离误差是1500米。从这些数据看，“维拉”-E的探测精度仍然比不上现代先进有源雷达，但是确实已经可以满足跟踪目标的需要，这一点在现代战争的电子战环境下意义可谓非同寻常。“维拉”-E系统的集装箱型中央处理站“维拉”-E系统的中央处理站采用大屏幕显示当前目标特征、定位结果和侦察记录等信息，具有很好的人机界面。输出的具体内容包括：目标信息及其编号、直角坐标（以中心侦察接收站为原点）、辐射源类型和操作模式（该信息输入电子情报侦察目标数据库）、辐射参数、雷达信号参数等等，输出数据的刷新速度可以在1～5秒之间调节。除了以上特点，“维拉”-E系统也具有其它现代技术装备共有的特点，例如具有很高的自动化程度（进行二维探测时系统只需要7名成员：3名驾驶员、3名技术员和1名中央处理站操作员）、快速机动、展开与部署能力及较低的操作和维护要求。中央处理站内部具有现代化的人机界面维拉系列除了“维拉”-E无源侦察系统，“维拉”系列产品还包括“维拉”-AP、“维拉”-P3D、“维拉”-HME、“维拉”-ADSB、“维拉”-ASCS等。其中“维拉”-AP用于处理飞机对二次监视雷达的应答型号和塔康/航空管制测距仪询问信号。与二维定位型“维拉”-E系统一样，它包括3个信号接收站和一个中央处理站（装有辅助交通情况显示器）。左、右信号接收站和中心接收站的距离可达10～70千米。在没有二次监视雷达的广大区域，“维拉”-AP可以装备ERA公司制造的选择性询问器并产生空中态势图。捷克国防部订购了一些“维拉”-AP并连成网络，覆盖了全国空域。该系统作用距离也是约450千米，二维定位精度10～100米（取决于信号接收站的分布情况），能同时跟踪300架飞机。可靠性非常高，平均故障间隔时间（MTBF）达到8000小时。室外设备工作温度范围达到-40摄氏度～+60摄氏度，室内设备则为0～40度。其它系统也各有特色，这里不再赘述。无源监视系统的关键技术前面已经分析了“维拉”-E系统的技术特征，那么，实现这种系统的技术难点有哪些？笔者认为，对有一定技术实力的国家而言，制造类似“维拉”-E的系统要解决的技术问题主要有三个，即脉冲信号的快速和精细分析技术、时间同步技术和可靠的精确定位技术。对这种系统来说，如果脉冲信号的分析速度太慢，显然会增大对空中目标的定位误差；而如果不能进行精细分析，我们假设空中有2架F/A-22“猛禽”（Raptor）战斗机都打开其APG-77有源相控阵雷达并工作于同一方式，系统就可能无法进行区别并导致定位失败。快速、精细的脉冲信号分析能力的实现依赖于软、硬件的能力。例如对于软件算法，就要解决这么一个问题：脉冲形状的细微差别要到什么程度，才认为它是来自不同的辐射源？这可能需要进行外场的试验和统计工作。此外，系统的侦察接收天线必须具有高的灵敏度和瞬时捕获能力，否则可能无法捕获现代隐身装备采用“低可截获概率”（LPI）技术的辐射源，例如APG-77雷达、EF2000“台风”战斗机的ECR-90雷达、瑞典RBS-15Mk3反舰/对陆攻击导弹的先进主动雷达导引头和英国/法国的“风暴之影”/“战利品”-EG防区外空对面导弹的无线电高度表等。时间同步技术的需要也是显而易见的。无源监视系统的中心侦察接收站和其它侦察接收站的时间必须保持高精度的同步，否则计算得到的时差没有意义。实现时间同步有很多方法，最好的办法是所有侦察接收站都接收一颗卫星的授时，这种方式不仅精度很高（可以达到10-8～10-9秒），而且可能实现全球覆盖。此外还可以使用低频导航（我国的“长河二号”系统就有这个能力，精度10-6秒）、电视/广播共视（精度10-8秒）等方法。在实现时间同步这一点上，尚不需要依赖美国GPS或俄罗斯GLONASS导航卫星星座。