上升段高超声速目标预警系统需求分析

李剑斌，谭贤四，王 红，李志淮

(1.空军预警学院 研究生管理大队，武汉 430019;2.空军预警学院 二系，武汉 430019)

0 引言

临近空间高超声速飞行器可用于侦察监视、兵力投送和全球打击［1-2］，受到世界主要军事强国的重视。美国、俄罗斯以及印度、韩国、日本、欧洲等国家和地区都投入了大量经费，积极开展各类临近空间高超声速飞行试验［3-5］，对传统的空防安全构成了极大的威胁，急需建立相应的防御系统。因此，预警系统作为NSHT 防御系统的重要组成部分，分析上升段NSHT拦截作战对预警系统的需求具有重要的意义。

1 上升段NSHT 拦截的优势及挑战

NSHT 是一类飞行在距离地面20～100 km 空域的飞行器，能够在1 h 内对全球时间敏感目标进行精确打击，具备飞行速度快(大于5 Ma）、巡航高度高(20～100 km）、突防能力强(RCS 可达0.01 m2）等特点［6］。航迹可以分为上升段、巡航段以及俯冲攻击段。上升段拦截发生在NSHT 进入超燃冲压工作模式之前。

拦截上升段NSHT 具有很强的吸引力，因为处于上升段的NSHT 红外特征明显，易于探测;同时，也不易释放诱饵;上升段拦截发生在发射国境内或边境，对发射国可以造成极大的威慑;此外，由于飞行器尚未进入超然冲压工作，目标速度较小。超燃冲压发动机工作的条件大致为飞行马赫数达到6，因此目标上升段的平均速度为最大速度的一半［7］，即为3 Ma。

上升段拦截，有效的作战时间十分有限，在50 km以下进行拦截，拦截作战时间在40 s左右;在90 km以下拦截，拦截作战时间可以增加到80 s左右。在如此短的时间内拦截弹需要加速到目标速度的数倍，对拦截武器的推进系统及机动能力等提出了较高的要求，同时也对预警系统构成了极大的挑战。

2 上升段NSHT 拦截模型

2.1 上升段拦截方案

上升段拦截方案包括陆基或海基动能武器、机载动能武器和机载激光武器等。美国物理学会认为陆基动能武器成功反助推段洲际弹道导弹是悲观的，原因在于需要拦截弹具有极高的关机速度和横向机动过载［8］。因此，考虑通过机载动能拦截弹对助推段NSHT 进行拦截;一方面，使用载机可以把作战位置推进到发射国边境，从而减小对拦截弹杀伤距离的要求，另一方面，作战位置的向前延伸可以减小拦截弹的速度需求。对于激光武器等新概念武器，由于其可以快速照射到目标对其实施作战，使用新概念武器进行拦截可以降低对预警系统的要求，因此基于机载动能武器分析预警系统的需求，其结果对于激光武器等新概念武器是适用的。

2.2 空基拦截模型

反NSHT 作战，需要将指挥控制系统、拦截武器系统和预警系统有效地集成到一起，充分地一体化并相互深度铰链，从而对来袭NSHT 进行全程探测、跟踪、识别和拦截。而分析预警系统的需求，必须充分考虑拦截武器的限制。因此，本文作以下假设:(1）武器平台飞行高度在20 km左右的高空，具备在指定时间内飞抵距离发射点100 km 范围之内的能力;(2）拦截弹具有足够的杀伤距离，即满足式;(3）拦截弹的速度达到目标速度的3 倍。发射拦截弹的条件是，预警系统在目标飞抵ht高度时能够将其锁定，并且跟踪精度满足发射拦截弹的要求，假设在目标到达15 km 高度时，即可发射拦截弹拦截，建立空基拦截几何如图1所示。

图1 空基拦截几何

成功拦截，拦截弹应满足以下条件:

其中，Rm为拦截点与拦截弹发射点的距离，ht为目标所在的高度，H 是拦截弹投放时刻拦截点与目标的相对高度，h 是拦截弹投放时与目标的相对高度，Rh为拦截弹与目标的视线距离，Dm为拦截点与拦截弹发射点的水平距离，Hmmax和Hmmin分别是拦截弹杀伤距离的高界和低界。

3 预警系统能力需求分析

成功拦截NSHT的关键是预警系统对目标进行有效探测、跟踪、识别。本节就上升段拦截对预警系统的能力需求进行分析。

3.1 作用距离需求

碰撞时目标飞行距离Rt=Vt·t，拦截弹飞行距离Rm=Vm·t，成功拦截的条件为

目标与拦截弹发射点(或者空基平台的位置）的距离为

NSHT发射时，拦截平台与NSHT发射点的水平距离应满足:

式中γ 是拦截弹发射前拦截平台与目标速度之比。因此，机载预警系统的探测距离和跟踪距离分别满足式(6）和式(7）:

图2 仿真了在50 km和90 km 拦截目标时机载预警系统所需满足的作用距离。考虑拦截弹速度达到目标速度3 倍的情况，在50 km 以下进行拦截，机载预警系统的探测跟踪制导距离需要达到150 km左右;在90 km 以下拦截，探测跟踪距离需要达到300 km左右。图3 是在50 km和90 km 高度实施拦截的仿真。可见，随着拦截高度的升高，在拦截弹杀伤距离允许的情况下，空中平台可以在距离目标发射点更远的距离发射拦截弹，因此机载预警系统探测跟踪距离需求将增加。

图2 机载预警系统作用距离需求

图3 不同高度拦截时目标和拦截弹运动情况

3.2 跟踪精度需求分析

拦截弹发射前，需要对拦截点作出预测，由于对目标状态和意图的估计不准确，将导致预测的拦截点与实际的拦截点存在误差，拦截弹需要横向机动过载来修正航向误差。拦截弹的机动过载增加，将需要携带更多的燃料，从而导致拦截弹的成本增加，同时拦截弹的重量增加也不利于拦截弹快速加速。因此，预警系统需要提供高精度的跟踪信息，以减小拦截弹的机动过载需求。

考虑理想的情况，拦截弹航向误差完全由目标航向探测误差导致。假设δ为目标航向探测误差，拦截弹航向误差满足下式:

航向误差需要的加速度通过下式进行估计［9］:

式中，N 是导航比，He是航向角(弧度）误差，tf是修正航向误差的机动飞行时间。

考虑在50 km 以下高度进行拦截，拦截作战的时间大约为40 s，假设拦截弹匀加速运动，航向误差导致的拦截弹机动如图3所示。仿真结果表明，在剩余飞行时间较多的情况下，只要能够及时反馈航向误差的信息，可以在目标航向探测误差较大的情况下发射拦截弹。图4 是拦截弹所需的加速度随机动时间的变化曲线，仿真条件为目标航向探测误差2°。仿真结果表明，在修正相同航向误差的情况下，所需的机动加速度随剩余机动时间的减小而增大。因此，预警系统应尽早提供准确的目标航向，以减小所需机动加速度。

图4 初始航向误差引起的拦截弹机动过载

图5 拦截弹的机动过载需求

拦截弹的机动过载不仅要用于修正预警系统探测误差导致的航向误差，而且还要用于修正目标机动引起的航向误差。由于目标机动所需的拦截弹机动过载与制导方法及目标的机动能力有关，在优化制导律的情况下，拦截弹所需的过载仅需比目标的机动过载稍大［10］。临近空间飞行器尚处于试验验证阶段，其可能的机动过载为2～4 g［6］。因此，理论上，目标机动所需的拦截弹机动过载将要达到4 g 以上。在50 km 以下拦截时，保守估计，拦截弹的末速度将要达到12 Ma，考虑拦截弹匀加速运动，沿视线方向的加速度需要达到11 g，即使拦截弹的机动过载可以达到目标的3 倍，即12 g，可用于应对目标机动和探测误差导致的航向误差的机动过载将小于5 g。可见，用于修正预警系统探测误差的机动过载将十分有限。因此，对预警系统的探测跟踪精度提出了更高的要求，尤其是末制导阶段，对精度的要求将更加苛刻。

综上所述，尽管假设预警系统在目标飞抵15 km高度时即发射拦截弹对其进行拦截，仍然对拦截武器提出了比较苛刻的要求。因此，实现上升段NSHT 拦截，预警系统需具备必要的能力。

(1）远距离快速预警探测能力

尽管假设目标飞抵15 km 高度时预警系统能够提供满足精度要求的目标信息，仍然对拦截武器提出了比较苛刻的要求，因此预警系统需要在NSHT发射后十几秒的时间内进行探测并发出预警信息。对可能发射NSHT的区域进行持续监视是尽早发现的关键，高轨红外预警卫星覆盖面广，且NSHT 在上升段红外特征明显。因此，高轨红外探测是实现远距离快速预警的主要装备。

(2）快速精确跟踪制导能力

在20－100 km的高度拦截弹需要采用气动力/直接力复合控制的方式，为了减少燃料的需求和控制的难度，预警系统需要尽早提供目标的航向信息。此外，还需要尽快对目标的机动能力进行估计。由于作战地点远离本土，由于受地球曲率影响，地面大型相控阵雷达可能无法满足早期的跟踪制导需求。高轨红外探测设备探测精度过低，也不能满足精确跟踪需求。因此，可行的方法是通过机载的雷达、红外等探测设备和低轨探测设备实现精确跟踪制导。

(3）高精度目标识别能力

由于NSHT 上升段的尾焰长达几百米，因此预警系统还需要具备高精度的目标识别能力，能够从几百米长的尾焰中准确识别出NSHT 并引导拦截弹直接碰撞杀伤。为了完成对目标的准确识别，需要对各类传感器进行数据融合，需要先进的数据处理能力以及时准确地识别出目标。

4 结束语

本文通过建立空基动能武器拦截上升段NSHT的拦截模型，分析了预警系统的能力需求。本文的结果对NSHT 预警系统的建设具有一定的参考价值。

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［7］Dean A.Wilkening.Airborne Boost-Phase Ballistic Missile Defense［J］.Science and Global Security，2004(12）:1 –67.

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