反临作战天海地一体化传感器资源调度的挑战与思考
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摘 要：着眼于未来临近空间高超声速目标即将形成战略威胁的发展趋势，针对当前天海地一体化传感器资源协同调度问题进行研究。首先，对临近空间高超声速目标的运动特性、电磁特性和红外特性进行分析，并与其他类型导弹进行对比。其次，从搭载平台和工作方式两个角度对传感器探测跟踪能力进行分析。最后，总结并提出反临作战天海地一体化探测跟踪调度任务的难点及对策，为未来构建多维多平台一体化传感器网络提供理论参考。
关键词：临近空间高超声速飞行器;传感器调度;探测跟踪体系;反临作战
中图分类号：TJ760;V271.4 文献标识码：A文章编号：1673-5048（2020）01-0001-08
0 引言
临近空间高超声速飞行器（Near Space Hypersonic Vehicle，NSHV）是指能够在20～100 km高度的临近空间飞行，巡航飞行马赫数为5～25，用于执行全球快速精确打击、远程投送、监视侦察等战略作战任务的一类飞行器[1-2]。这种飞行器不仅具有与弹道导弹相似的超远距离攻击和雷达横截面（Radar Cross-Section，RCS）小的特点，还具有弹道导弹不具备的横向大跨度机动的能力。因此，单一传感器难以对其全程持续稳定地跟踪。整合现有传感器资源，构建天海地多源异构传感器一体化探测网络是对高超声速飞行器有效持续探测跟踪的必然手段，是拦截超远距离武器的重要前提，而传感器资源优化调度是提高传感器作战效能的重要环节[3-4]。
1 临近空间高超声速飞行器目标特性分析
1.1 运动特性
临近空间高超声速飞行器的飞行运动过程可以分为三个阶段，分别是飞航段、滑跃段和再入滑翔段。图1为典型临近空间高超声速飞行器和弹道导弹（Ballistic Missile，BM）目标轨迹对比示意图。在飞航段，运载平台将高超声速飞行器助推到一定高度，为飞行器在临近空间飞行做准备。滑跃段是高超声速飞行器进行远距离机动的主要阶段，这个阶段中飞行器高速高空的机动能力极大地提高了探测跟踪传感器调度的难度。在再入滑翔段，飞行器以高速无动力滑翔的形式从临近空间到达地面目标位置，并且具有一定的机动变轨能力。
在滑跃段，高超声速飞行器以纵向“打水漂”的方式进行超声速滑跃飞行。由于气动外形的设计不同，HTV-2和X-51A在滑跃段的弹道轨迹略有不同。HTV-2采用升力体气动布局，需要在飞航段爬升至较高的高度，通过无动力滑行完成滑跃段飞行。X-51A采用乘波体气动布局，在超燃冲压发动机的推动下，依靠激波压力产生升力，进行无翼跳跃滑翔。此阶段，临空高超声速飞行器的飞行马赫数为5～20，在高速特性方面与弹道目标相似，但是其飞行轨迹不可预测;飞行器在20～100 km高的临近空间可以纵向跳跃滑翔和横向大跨度机动，在机动特性方面与气动目标相似，但是高空高速的机动能力远超一般气动目标。从机动特性方面考虑，高超声速飞行器与弹道目标和气动目标都具有一定的相似性，但其探测跟踪难度远超后两者。
横向机动是提升临近空间高速机动目标突防能力的有效手段。在临近空间无动力飞行时，横向机动方式为倾斜转弯，机动能力主要由机体姿态和气流的空间关系决定[5-6]。选定飞行器滑跃段的初始高度和攻角为60 km和10°，初始飞行马赫数为20。倾侧角在不同取值条件下，飞行器横向机动航迹如图2所示。
图2中，飞行器横向转弯角度越大，其飞行距离越小，最大横向机动距离为5 000 km，因此，飞行器在高空高速突防的过程中，倾侧角越大，转弯半径越大，目标的飞行距离越受限。
1.2 电磁特性
高速飞行的过程中，高温致使周围空气发生电离，在灼烧表面材料的同时会在周围形成一层电离层，即等离子鞘体。当雷达波照射时，电磁波会形成多种折射、散射、衰减等离子体散射模式，使得雷达探测跟踪难度增大[7]。依据等离子鞘体对雷达电磁波衰减计算方法[8]，绘制P波段和X波段电磁波在等离子鞘体中衰减状态如图3～4所示。
从图3和图4中可以看出，频率越高，最大衰减幅度越大。在X波段雷达频率为10 GHz时，最大衰减为22 dB，约为发射信号功率的1/9，而P波段雷达频率为0.5 GHz时，回波衰减仅有8 dB，约为入射信号的1/2。
1.3 红外特性
高超声速飞行器在临近空间滑跃飞行的过程中，机体表面与空气剧烈摩擦，气动热效应产生了蒙皮辐射。飞行马赫数为2～3时，蒙皮辐射占了整个目标红外辐射的绝大部分，随着速度的增加，蒙皮辐射占比也剧烈增加[9-10]。对于红外传感器而言，蒙皮辐射可以更好地描绘出飞行器的本体轮廓，更有利于传感器识别目标并进行特征分析。
图5为高超声速飞行器的高度和速度对蒙皮温度的影响。从图中可以看出，当飞行器的飞行马赫数为3时，蒙皮温度在500 K左右，飞行器的高度对蒙皮温度影响不大，但是飞行马赫数达到10时，蒙皮温度剧烈增加至4 000 K左右，飞行高度对蒙皮温度的影响显著，由此可以看出，速度是影响蒙皮温度的主要因素。
依据文献[9]提供的飞行器蒙皮辐射面积，取θV=0°，绘制不同红外波段下温度对红外辐射强度的影响，如图6所示。
从图中可以看出，温度对于短波红外辐射强度影响最为剧烈，三个波段红外辐射强度依次相差一个数量级。
1.4 与其他类型导弹对比分析
临近空间高超声速目标与一般的空气动力学目标和弹道目标具有显著的差别。将三种目標的目标特性对比，如表1所示。
巡航导弹一般是在防区外发射，采取超低空突防的形式对地攻击，如“战斧”式巡航导弹，根据卫星定位引导自身沿着固定的航线绕过防空区对地攻击。目标的红外特性主要是尾焰，但是由于地面杂波干扰太大，不会采用红外传感器跟踪目标。巡航导弹本身RCS十分小，小于0.1 m2，飞行高度低，因此对于巡航导弹的探测主要依靠雷达前置部署进行发现，使目标尽早发现尽早拦截[10]。 弹道导弹一般采用高抛式弹道，以近乎垂直式的攻击角度在再入段高速突防，极大地缩短了防御武器的有效拦截时间，对于末段低层反导武器系统，如“爱国者3”，其有效拦截时间仅有3～5 s。弹道目标在再入段与大气层剧烈摩擦，表面产生了等离子鞘体，使得地基雷达难以探测，洲际弹道导弹再入段的速度最大可以达到马赫数25，拦截难度远大于巡航导弹。弹道目标的自由段飞行高度最大可达1 200 km，尽管目标在自由段的温度不高，但是以深空背景探测时红外特性明显，因此弹道目标飞行中段，探测跟踪难度不大。但是弹道目标飞行跨度大，受到地球曲率的影响，需要多传感器协同探测[13]。
临近空间高超声速目标的探测跟踪和拦截的难度远大于前两者。飞航段中，目标的红外特性与弹道目标相似，都需要载荷平台助推。但是在滑跃段，高超声速目标纵向以“打水漂”的样式跳跃前进，同时，其气动外形能够使其横向大范围机动。以HTV-2为例，假设平均速度马赫数10、机动能力1g、射程4 000 km时，目标的转弯半径可以达到1 100 km，目标落地时攻击航向与落地点发射点连线几乎垂直。也就是说，如果发射点在北方，高超声速目标可以在空中拐一个90°的弯，从正东或正西方向到达落地点。高超声速飞行器高速飞行阶段，与大气层剧烈摩擦产生的等离子鞘体能够极大地衰减电磁波，飞行速度越大，等离子鞘体对电磁波的衰减越大，因此，其电磁特性相比巡航导弹要弱。弹道目标仅在再入段才能够产生等离子鞘体，弹道目标的探测跟踪难度也小于高超声速目标。但是剧烈摩擦的同时，目标表层温度升高，表现出较强的红外特性，红外传感器能够在较远的距离探测跟踪目标，然而受到地球曲率的影响，天基传感器有效探测范围有限。
2 传感器资源探测性能分析
2.1 天基红外传感器
天基平台可以分为大椭圆轨道卫星（Highly Elliptical Orbit，HEO）、地球同步轨道卫星（Geosynchronous Earth Orbit，GEO）和近地球轨道卫星（Low Earth Orbit，LEO）三种。其中HEO和GEO的轨道高度高，因此两者统称为高轨卫星[14]。
（1）高轨卫星
HEO的轨道为大椭圆轨道，其远地点在北极上空，距离地平面大于36 000 km。探测跟踪主要区域为北纬80°以上高纬地区。HEO处于远地点时，运行速度极慢，两颗HEO即可满足对北极地区24 h探测覆盖。GEO为地球同步轨道卫星，距离地平面大约36 000 km，三颗间隔120°的GEO通过全天候不间断的探测扫描，即可完成对地球中低纬度地区的24 h探测覆盖。
HEO和GEO主要针对高超声速目标的飞航段进行探测预警。在飞航段，高超声速目标通过火箭或飞机运载到临近空间进行发射，此阶段运载平台的发动机具有较强的红外特性，大椭圆轨道和地球同步轨道的红外传感器以地球为背景能够探测跟踪目标。高超声速目标脱离运载平台后，尽管在临近空间与空气摩擦产生了一定的红外特性，但是由于距离较远，目标的红外辐射在大气中衰减极大，以地球为背景进行探测的HEO和GEO无法探测到目标飞航段以外的航迹信息，因此在反临作战过程中，HEO和GEO的职责是早期预警。
（2）低轨卫星
轨道高度决定了卫星载荷的使用方式。较低的轨道意味着更精准的探测跟踪能力，但也限制了其探测范围。受地球曲率的影响，独立LEO的探测范围有限，需要通过多轨道多星构建LEO星座，以达到多重覆盖多角度监视的目的。目前资料公开最为全面且已进入实验阶段的是美国提出的天基红外监视系统（STSS）。STSS中的LEO以大倾角多轨道星座的形式部署，部署数量在24～30颗之间，轨道高度为1 600 km左右，通信方式采用星-星链路和星-地链路，有效载荷为宽视场短波红外传感器和窄视场多色跟踪型传感器[15]。
宽视场短波红外传感器主要探测以地球为背景的处于飞航段的目标。在飞航段，目标的运载平台依靠发动机将目标运送至较高发射位置，运载平台发动机尾部发出明亮的火焰，短波红外传感器能够捕获目标，因此短波红外传感器的主要工作方式为对地扫描，增加重点区域的监视时间。跟踪型传感器的主要工作是以深空为背景跟踪高超声速目标。在飞航段结束后，目标在临近空间进行远距离飞行（滑跃阶段），并在到达目标上空后以无动力滑翔的方式落地（再入段），在这两个阶段目标的红外辐射主要是中长波。由于地表的红外辐射较强，对地觀测已经难以捕获目标，需要以深空为背景的中长波和可见光传感器才能够捕获目标。LEO跟踪型传感器探测范围示意图如图7所示。
图7中虚线为目标飞行轨迹，蓝色区域为跟踪型传感器可探测范围。天基传感器正下方为宽视场短波红外传感器的探测范围，可探测到AMB区域中处于飞航段的目标。跟踪型传感器需要以深空为背景进行探测，因此传感器的俯仰角度为∠FMG和∠IMJ，可探测目标航行区间段为弧CEG和弧DHJ。假设LEO轨道高度1 600 km，地球半径6 371 km，目标在100 km高度匀速直线飞行，那么LEO的深空背景探测角度∠FMG不到1°。
红外传感器的工作方式与雷达传感器不同，红外传感器通过照射的方式发现目标，单独的红外传感器仅仅能够提供目标与传感器的角度，并不能得到两者之间的距离，因此无法计算出目标的准确位置信息，仅能够提供目标的方向信息，即目标大致的攻击方向。如果天基高轨卫星发现目标后，高轨卫星将目标的初始信息交接给可探测目标区域的LEO，LEO的跟踪型传感器开启“捕获”模式，对目标可能的空域进行扫描，当截获到目标后，LEO跟踪型传感器切换为“跟踪”模式，以凝视的方式跟踪目标。如果是LEO扫描型传感器对地观测时发现目标，则将目标的区域信息发给临近的LEO，临近的LEO跟踪型传感器截获并跟踪目标[16]。当有两颗LEO同时跟踪一个目标时，通过两个LEO的角度信息以及自身的位置，可以计算出目标的位置信息，地面接收站在获得目标的位置信息后，通过计算目标的位置、速度和加速度等运动信息以及获得的目标红外特性，能够进一步对目标进行识别，得到目标可能的威胁方式、来袭方向、可能攻击目的等信息。 2.2 地/海基雷达传感器
雷达探测跟踪目标能力主要受目标运行特性和电磁特性的影响。目标的电磁特性对雷达的影响主要体现在隐身外形设计和高速飞行等离子鞘体对雷达电磁波的衰减，使得雷达接收的目标信号十分弱小，很容易淹没在杂波信号中。目标的运动特性对于雷达的影响主要在于目标的高超声速，过快的速度极大地缩短了地基雷达的观测时间窗口[17]。
受地球曲率的影响，雷达探测空域范围十分有限，最远的探测距离与目标的飞行高度和自身天线高度有关。雷达可视距离的计算方法为
天线高度和目标飞行高度对雷达视线距离的影响如图8所示。从图中可以看出，较高的雷达天线设计和较高的目标飞行高度能够提高雷达发现目标的最远视线距离。但是高超声速飞行器的滑跃高度主要是30～70 km，一般的地/海基大型雷达的高度在1 km左右，因此，发现目标的最远距离在1 000 km左右。
假设目标与雷达的航路角为0°，即目标的飞行路线经过雷达正上空，雷达探测的方位角范围为0°～360°，俯仰角范围为0°～90°，目标速度和高度对于雷达观测时间窗口的影响如图9所示。从图中可以看出，对飞行马赫数20，飞行高度20 km的目标，在经过雷达探测范围路径最长的情况下，观测时间窗口为181 s。由此可见，高超声速飞行器的速度对地基雷达探测跟踪的反应时间影响极大，越快的速度，对雷达的反应时间要求越高。
3 反临作战传感器资源调度的难点分析
结合临近空间高超声速飞行器的目标特性以及天/海/地基传感器的探测性能，可以得出反临作战预警探测跟踪传感器资源调度的难点。
（1）探测跟踪难
现有的反临作战传感器资源主要是地/海基雷达传感器和天基红外传感器。
对于雷达传感器来说，临近空间高超声速飞行器的隐身外形设计极大降低了雷达的监测检测概率，目标在临近空间中高速飞行产生的等离子鞘体，更是能够进一步影响雷达的电磁衰减和散射，使得地/海基雷达探测跟踪难度进一步增加。尽管现有的雷达能够实现上千公里的探测能力，但是受到地球曲率和雷达探测俯仰角度的限制，高空高速目標的可视时间窗口十分有限。
对于天基红外传感器来说，受限于传感器能力，HEO和GEO主要用于探测，LEO主要用于跟踪，但是受地球曲率和目标飞行高度的限制，LEO跟踪型传感器的可用俯仰角不到1°，且需要两颗卫星同时观测才能实施精准定位。文献[18]研究了LEO部署对深空背景下探测漏洞的影响，从其研究结果中可以看出，不同的部署形式下不同高度的探测漏洞不同，但总体来说，要实现无漏洞的全球覆盖需要的卫星数量远多于STSS计划的28颗星的数量。
综上所述，对于天/海/地基传感器来说，实现精准探测和全程稳定持续跟踪是极其困难的，需要大量的多源异构传感器合理部署。
（2）传感器交接频繁
高超声速目标在临近空间飞行，相比于弹道目标，它更“贴近地表”飞行，目标的飞行高度限制了传感器的探测范围。越小的探测跟踪范围，意味着需要更多的传感器交替跟踪，才能实现更完整的飞行轨迹跟踪。
传感器交接时，需要依据上一个传感器的探测跟踪信息计算传感器交接的时刻、交接区域以及误差信息，在交接时刻，下一个传感器对交接区域进行快速连续的扫描。如果交接传感器能够捕获目标，则开始建立航迹，计算并跟踪目标飞行轨迹。但是高超声速飞行器高速飞行且拥有横向大空域机动能力，传感器交接时刻和位置预测难度大，计算结果精度低，这就导致了在交接时，可能由于交接区域太大导致目标高速穿过交接区域，而传感器并没有扫描到，也就是穿屏问题。穿屏问题对于轨道相对固定的弹道目标是一个重要跟踪难题，它对于可机动变轨飞行的高超声速目标来说难度更大。穿屏问题极大地降低了目标稳定跟踪的概率，若交接失败，重新搜索目标需要消耗的时间和传感器资源将无法估计。
（3）调度方案动态变化
目标航向、目标数量、传感器资源使用状态、战场干扰等很多不确定因素，都会影响传感器调度方案的动态变化，此外，现代多兵种、多体系协同攻击的作战模式，使得天/海/地传感器必须留有空余探测跟踪资源用来探测其他类型的目标，如弹道目标在飞行过程中产生的伴飞假目标、多弹头等。战场不确定因素和其他作战任务的影响，使得有限数量的传感器在资源冲突条件下最大化使用的难度增大。目前装备上对于多任务处理通常采用预留通道的手段，但是面对不同作战对象在不同作战条件下，威胁目标的数量、种类和进攻方式都是不同的，这种方法尽管可以避免高威胁目标突发性攻击时无传感器资源探测跟踪，但也是面对饱和攻击时制约传感器最大化利用率的限制因素。
4 反临作战传感器资源调度的思考
通过上述分析，现有体系下天海地多平台一体化的信息网探测跟踪任务调度的难点，主要是目标特性造成的探测跟踪捕获难、传感器探测范围有限导致的传感器交接频繁、战场不确定因素引起的调度方案动态变化。因此，反临作战天海地一体化传感器资源调度作战效能的提升，需要从硬实力和软实力两个角度对传感器能力、体系架构和高效的算法进行探索和研发。
（1）提高传感器能力是探测跟踪体系发展的核心
由于地球曲率的影响，天基传感器相比其他传感器具有更好的观测角度，但是受到载荷的限制，天基传感器的能力始终无法与地基传感器相比较。天基平台和天基传感器的研制和发展将极大地提升天海地一体化探测跟踪网络的观测容量、观测精度，进而为反临作战提供更加精确的目标信息。
现有的传感器探测跟踪能力指标，主要是针对弹道目标设计的，如弹道目标在中段飞行的温度低，只能以深空背景进行探测。但是高超声速目标与大气剧烈摩擦，在整个飞行过程中都表现出极强的红外特性，设计具有更强针对性的传感器将极大地扩充传感器探测可视空间和时间，提高整个探测跟踪体系的作战能力。 （2）合理的体系架构是探测跟踪资源优化调度的基础
种类不同、型号不同的传感器，工作方式和信息传输方式是不同的。天基传感器需要星-星链路和星-地链路的数据传输，地面控制站才能够与天基平台进行信息交互和指挥控制;地基传感器通过“雷达控制器”对威胁目标的探测时间、空间、能力和信号等多种资源进行调控。此外，不同生产厂家采用的通信协议数据格式也是有差异性的，在过去“烟囱式”发展的基础上搭建一个通用的指挥控制通信体系架构是很困难的，美国海军开发的协同作战能力（Cooperative Engagement Capability，CEC）系统耗费了10年时间。
体系架构必须要考虑传感器、计算机技术和算法的迭代发展。因此，完善的体系架构必须具备新型传感器加入的可扩展性，算法程序升级的迭代性，任意武器系统或传感器具有与探测跟踪体系进行信息交互的即插即用性和兼容性。
（3）高效的调度算法是探测跟踪体系作战效能的倍增器
随着战场环境数据质量和数量的激增，现代战争对武器系统的反应速度、信息处理速度以及指挥控制的精准程度提出了越来越多的要求。高效的调度算法是现代化信息战制胜的必要条件，更是反临作战探测跟踪体系构建的前提。探测跟踪体系调度不仅需要考虑战时传感器资源约束、威胁目标攻击意图、动态战场态势等多种调度要素，还要依据传感器工作模式和作战模式设计具有交链深度高、协同程度高的任务调度算法。调度算法不止是在决策层对调度任务简单的分配，更应该涉及到与反临作战相关的可能作战任务以及对传感器自身探测跟踪资源深度规划的考虑。
5 结 束 语
天海地一体化传感器资源调度是反临作战中指挥控制多源异构传感器协同探测跟踪的关键环节，是获取临近空间高超声速目标状态信息的重要方法。本文对临近空间高超声速飞行器的目标特性和反临作战传感器资源探测性能进行了简要分析，提出并总结了反临作战传感器资源调度的难点和对策，以期为反临作战预警探测研究提供指导。
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