无源雷达与综合防空系统集成的现状及发展

王冠

（中国电子科技集团公司第五十一研究所，上海201802）

0 引言

自2015年美国战略与预算评估中心（CSBA）在《决胜电磁波：重拾美国在电磁频谱领域的优势地位》的研究报告中明确提出了“低-零功率”电磁频谱战新型作战概念后，美军通过成立专门机构、颁布战略、制定条令和发布“决胜三部曲”等，持续推进“低-零功率”电磁频谱作战概念和能力发展。

“低-零功率”作战的主要思想之一是利用低功率或无源探测（零功率）系统提高探测敌方目标的可能性并降低被敌方探测的可能性。无源探测系统包括无源雷达和电子支援措施（ESM）系统等。无源探测系统与有源雷达集成或组网探测可大大提高综合防空系统的信息对抗能力。

近年来随着宽带数字化技术、算法和计算能力的不断增强，各国积极发展无源雷达，将无源雷达集成到新一代综合防空系统，提高防空系统的电磁频谱作战能力。德国亨索尔特公司将“特因维斯”（Twinvis）无源雷达作为可选组件集成到迪尔公司IRIS-T系列防空系统中。瑞士在其“空中2030”防空现代化项目中也测试了无源雷达。美军的第三代“沉默哨兵”无源雷达系统也将通过其在研的一体化防空反导作战指挥系统（IBCS）实现和“萨德”反导系统等系统的互联互通互操作［1］。

1 研发背景

现代战争中，地面防空系统，特别是其目标指示和制导雷达系统，因依靠自身定向辐射电磁波实现目标的探测、定位和跟踪，故往往是被优先打击的对象。通过将无源探测系统集成到新一代综合防空系统，可实现“静默”工作，减少甚至无需雷达开机，即可对入侵的敌作战飞机等空中目标进行探测和跟踪，为武器系统提供目标指示和制导信息，直接引导武器进行打击，提供有效的防空打击能力。

有源雷达与无源探测系统融合（或集成）的历史起源于20世纪70年代。多假设跟踪（MHT）技术常被用于处理杂波环境下的多目标情况。起初，是为得到更优的对空监视空情图，将有源雷达、ESM系统和红外传感器的数据进行融合。随着越来越复杂系统的逐步开发，有源雷达、敌我识别（IFF）或ESM等系统的数据已能被结合起来。进入21世纪，越来越强的计算能力推动了无源雷达的快速发展。

无源雷达（也称非合作无源探测系统或无源相干定位（PCL）系统）是利用第三方发射的电磁信号（主要有：雷达信号、调频/调幅/数字音频广播信号、模拟/数字电视信号、GSM/CDMA移动通信信号、全球定位系统等卫星信号及手机基站信号等）探测、跟踪目标的特殊双/多基地雷达系统，其通过接收来自照射源的直达波和经目标反射后的回波，测得目标回波的多普勒频率、到达时差和到达角等信息，经处理后实现目标的探测、跟踪和定位。

无源雷达具有反隐身、抗干扰、抗超低空突防以及抗反辐射武器的特性，越来越受各国重视。近年来，随着宽带数字化技术和算法的不断成熟及硬件水平的大幅度提高，各国积极推进无源雷达在新一代综合防空系统中的应用。

由于无源雷达存在高虚警率、可能的虚假目标、到达角（DOA）估计差（与典型的对空监视雷达相比）等问题，融合无源和有源雷达数据会引起高计算量，因此，21世纪才首次尝试此类融合。2009年北约传感器与电子技术（SET）研究任务组（RTG）从北约SET-152/RTG“可部署多波段无源/有源雷达（DMPAR）”起（2009—2012年）就已开展了大量的工作，DMPAR概念的重点目标是集成工作在不同频段上的无源/有源雷达的数据。2019年9月北约SET-258/RTG“DMPAR部署与评估”（2018—2022年）在波兰举行了一场名为地基、空基、海基有源无源雷达试验（APART-GAS）的试验活动，将从军用网络所收集的有源和无源雷达等的点迹在线进行了融合。该试验让武装部队在无源雷达和有源雷达的实际协同方面获得了重要经验。从2019年9月起APART-GAS试验活动就成为了北约科学与技术组织的一项长期持续的工作，用以实现一种集成有源军用雷达、现役无源雷达、无源雷达样机及无源辐射源跟踪（PET，一种ESM）系统等的优化方法。2022年3月北约科学与技术组织揭示了可部署的DMPAR系统。

2 无源雷达最新发展及其在综合防空系统集成应用情况

随着无源雷达快速发展，各国积极推进无源雷达在综合防空系统中的应用。

2.1 德国将“特因维斯”系统集成到IRIS-T系列防空系统

2022年2月，德国亨索尔特公司将“特因维斯”无源雷达系统作为可选组件集成到德国迪尔防务公司IRIS-T系列防空系统中。埃及是首批运用该技术的用户之一，向该国出售的16套IRIS-T系统将包括“特因维斯”系统。瑞士被认为是另一个潜在客户，该国在其“空中2030”防空现代化项目中测试了无源雷达系统。2022年6月德国空军也有意采购无源雷达系统。

亨索尔特公司曾在2018年柏林航展期间利用“特因维斯”系统捕捉到了2架到访的美国F-35隐身飞机。“特因维斯”系统具有360°全方位覆盖，三维跟踪，能同时利用调频、数字音频广播（DAB）和数字电视广播（DVB-T）信号，实时融合25台不同频段发射机信号。其对客机大小空中目标的探测距离为250～300 km，从天线到跟踪的延迟时间小于1.5 s，跟踪更新率为0.5 s。随着天线技术的快速发展，“特因维斯”系统天线尺寸越来越小、部署起来更加方便，无源感知的应用领域也不断扩大［2］。

过去无源雷达在欠发达地区和偏远地区无法发挥作用，因为这些地区的外辐射源过少且信号比较弱，近年来亨索尔特公司通过算法升级改进了技术，使“特因维斯”系统能对非常微弱的信号进行截获并对其目标进行定位。另外，“特因维斯”系统与带有智能导引头（提供目标终端制导）的导弹一起使用能提供的制导能力足以使导弹在导引距离内发挥作用。亨索尔特公司称“特因维斯”系统是地面防空作战中不可或缺的重要组成部分。

2022年5月，俄乌冲突中，德国亨索尔特公司将“特因维斯”系统与TRML-4D防空系统的有源雷达结合，形成独特的双传感器（TwinSens）解决方案，通过在这2个系统之间交换传感器数据，大大提高了陆基防空系统态势感知能力。

2.2 美国准备将“沉默哨兵”系统集成到IBCS系统

美国陆军正在研制的一体化防空反导作战指挥系统（IBCS）于2022年3月在新墨西哥州白沙靶场完成2次初始作战试验，成功拦截3个威胁目标。其采用开放式架构，因此能够快速集成各种可用的新技术。美军正在研制的第三代“沉默哨兵”系统和“萨德”反导系统等可通过IBCS系统实现互联互通互操作［1］。

“沉默哨兵”系统是美国用15年时间于1998年研制成功的第一个真正意义上的无源雷达。其以商业调频电台和电视信号作为外辐射源。该系统的接收站由相控阵天线、大动态范围的数字接收机、每秒千兆次浮点运算的高性能并行处理器和三维战术显示器组成，通过测量目标的到达角、多普勒频移和目标信号与直达波信号到达接收站的时间差，利用无源相干定位技术来对目标进行定位与跟踪。“沉默哨兵”系统的信号源数据库存贮了全球5.5万个商用电台、电视台的位置与频率信息，因此该系统可在世界大多数区域使用。目前，“沉默哨兵”系统已发展到第三代，新系统能够覆盖360°空域，可处理8个照射源发射的信号，具有固定站式和快速部署式，也可安装到飞机和舰船上。新系统能同时跟踪200多个目标，并能鉴别出间隔15 m的2个目标。美国空军的B-2战略隐身轰炸机在250 km外就曾被“沉默哨兵”擒获。

2.3 北约集成军用可部署多波段无源/有源雷达系统提升防空能力

2022年3月，北约传感器和电子技术小组成功完成了一项活动，旨在优化DMPAR系统的使用。DMPAR系统可用于检测和跟踪空中目标。一套DMPAR系统包括几个合作的传感器站点和模式，由照射发射机和通信基础设施支持。与许多当前的雷达系统不同，DMPAR可以利用许多雷达传感器在不同频段有源和无源工作，从而得以显著扩展探测范围。这也使DMPAR系统能够“填补”传统的有源雷达的空白，并能够探测低空和低雷达截面目标，在针对隐形目标等行动中，可大大提升防空系统侦察、干扰和打击目标的能力。

2.4 波兰联合开发无源定位系统提升防空反导能力

2022年波兰PIT-RADWAR公司与AMT技术公司和华沙理工大学（WUT）一起联合开发由无源相干定位（PCL，也称无源雷达）系统和无源辐射源跟踪（PET，一种电子支援措施）子系统组成无源定位系统（PLS）。该系统仍在开发中，预计其频率覆盖范围为20 MHz～18 GHz，融合PET和PCL探测结果，并完成信号情报和分类功能，旨在为防空反导系统提供先进的无源定位系统，提升战场生存能力和作战效率［3］。

2.5 意大利研制软件定义多波段无源雷达提升防空能力

意大利莱昂纳多公司从2006年开始研发“奥罗斯”（AULOS）无源雷达系统，研发工作从单频二维传感器开始，发展到基于软件的多频三维系统，能探测从大型客机到小型商用无人机的目标。目前“奥罗斯”系统已研制完毕，罗马附近一个军用机场安装了一套该工作系统，用于测试反无人机效果，以优化设计。

2022年，意大利雷达与监视系统国家实验室研制了“软件定义多波段外辐射源无源探测系统”（SMARP）演示样机，它是一种基于软件定义解决方案、面向海岸监视应用的多波段无源雷达。利用地面数字电视广播和通用移动通信系统（UMTS）的标准信号，SMARP样机演示了在几个领域取得的进展，包括：采用双极化接收的多波段（特高频波段和S波段）接收阵天线、基于商用解决方案的软件定义多波段灵活接收机、数字阵列处理技术、基于商用现货多核处理器架构的先进雷达信号处理算法等。

3 无源雷达与有源雷达数据融合

下面以北约科学与技术组织开展APART-GAS的测试（2018—2022年）为例，介绍无源雷达与有源雷达数据融合（或集成）。APART-GAS试验和后续工作的主要目标是通过构建由有源和无源雷达传感器等组成的系统实现更优的空中态势感知，提供更大的探测区域，填补单基地几何引起的盲区；进行更高频次的探测；探测更多数量的目标；提升对隐身目标探测能力；对其他雷达系统引起的干扰有更强的鲁棒性和抗干扰性（无源雷达能以一种简单的方式采用不同的发射机进行重新配置）和更优的预警能力［4-5］。

在APART-GAS测试活动期间，采用了2部有源雷达和5部无源雷达传感器来进行测量。图1示出了亨索尔特公司无源雷达跟踪与数据融合引擎的软件架构。左侧3个模块提供了处理与融合无源雷达传感器双基地点迹数据的核心功能，这3个模块的实现在文献［6］中进行了详述，在此仅简要描述其主要功能。针对新出现目标及其对应航迹，相应组件将执行3个不同的处理阶段。在转换为内部数据格式后，双基地点迹通过双基地点迹关联器进入跟踪系统。在无三维航迹的情况下（如系统启动后），所有点迹被传输至后续的距离/距离变化率（R3）跟踪器。基于给定的距离和距离变化率信息（加上可能提供的方位信息），形成对应的R3航迹。以每对传感器/发射机（FM）或每单频网络（DAB或DVB-T）来执行这一操作，以减少虚警的次数。航迹综合器将不同来源的已确认R3航迹关联起来（通过椭球相交），逐步监测每个关联的运动学和质量（将更新的双基地点迹重新与R3航迹关联），最终要么中断关联（质量太差），要么在质量充分不存在关联冲突的情况下确认关联（进而与R3航迹相关），作为多维分配问题的解决方案。因此，航迹跟踪器生成综合三维笛卡尔航迹，并向人机接口（HMI）报送。除此以外，它还会向双基地点迹关联器发送反馈，从而能实现双基地点迹与笛卡尔航迹关联。而关联点迹会被直接发送给航迹跟踪器，并入到已保持的相关航迹中。另一方面，R3跟踪器若未接收到关联点迹，则终止对应的R3跟踪。因此，点迹仅通过一种路径进入航迹综合器，避免了双重投票，通过保持低数量的关联假设显著降低了计算量。

图1 数据融合架构及部分界面

除三维航迹外，亨索尔特公司无源雷达跟踪与融合软件还生成笛卡尔点迹（即AsterixCAT15格式下的传感器中心点迹），主要用于输出。在某时间段内，与特定三维航迹关联的双基地点迹（CAT15格式下表示为测量点迹）会在运动学上融合生成笛卡尔位置与速度估计。由于距离/多普勒处理是相互独立的，不同接收机/发射机对获取的双基地点迹之间和不同相干处理间隔（CPI）之间的测量误差无疑可假设为是独立的。并且由于采用双基地点迹来计算不同的接收机/发射机对，和/或与特定航迹关联的三维点迹之间的CPI，这些三维点迹的估计误差会被认为是相互独立的。对每部无源雷达传感器都会执行所描述的点迹融合。

起初，软件重点关注综合双基地点迹数据。现在，融合其他来源数据的能力会带来更多的价值。如图1所示，这些数据可能是广播式自动相关监视（ADS-B）数据或雷达/IFF数据。前者既可能是原始模式S扩展电文（ES）消息，也可能以聚合形式输入。一次和二次雷达的点迹或航迹数据也可以进行处理。不过，不同雷达的点迹数据可能会展示完全不同的特性或特征，雷达跟踪软件通常需要进行细致合适的调整。这一任务被认为超出了无源雷达软件的任务范围。点迹因而必须带有一个显示它们关联性的航迹标签。

图1中的航迹综合器执行与前述相同的任务，但由于外部数据的三维笛卡尔特性，通用性较低。其大体上能将所提供的外部数据与无源雷达数据进行相关、关联并在运动学上融合。其中，所有的处理都是实时进行的。综合IFF信息是融合结果的一部分，因此输出航迹可能会载有相关ADS-B的模式S信息（地址和呼号）和二次监视雷达的模式3/A编码。在亨索尔特公司的“特因维斯”无源雷达系统中，Funke PTH80接收机提供原始ADS-B信息，默认情况下仅对这些信息作解码并以聚合形式将它们发送至HMI。在APART-GAS测试活动中，聚合的ADS-B数据仅被用于对比。不过，与聚合的ADS-B（内部或外部）进行融合也是可行的，具体取决于结构。

图2总结了整个数据与融合配置。亨索尔特公司2部、PIT-RADWAR公司1部以及瑞士国防装备采购局和华沙理工大学的2部研究型的共5部无源雷达传感器，根据亨索尔特公司独家输入格式提供了其双基地点迹数据（包括双基地距离和距离变化率，如果传感器能提供的话，还包括方位信息）。2部有源雷达提供一次监视雷达和二次监视雷达点迹。有源数据首先会被标准跟踪器进行处理，结果送入数据融合。

APART-GAS测试活动中，各参与方的多波段有源和无源雷达传感器联合起来对一片直径超过500 km区域内的军民用飞机进行了监视。有源和无源雷达技术完全不同的和部分互补的特性结合起来明显改善了态势感知。

4 启示建议

新一代隐身作战飞机的投入使用，再加上无人机以及其他低空小型目标不断增多，迫切需要能够补充传统雷达不足的技术，而无源雷达正是填补传统监视雷达空白的一个很好的解决方案，随着宽带数字化技术和算法的不断成熟及硬件水平的大幅度提高，无源雷达呈现出快速发展的势头，无源雷达与有源雷达集成大大提高了现代防空系统的综合性能。

1）无源雷达与有源雷达集成将大幅提高现代防空系统的综合性能。

大多数隐身飞机已经针对工作在较高频段的大多数火控雷达进行了优化，并可对抗“单基地”雷达，试图最大限度地减少其前扇区的频谱反射。这时采用有源低频段雷达，再结合无源雷达，将是对抗隐身飞机等空中隐身目标的一种理想组合。

同时，当外界电磁辐射设备关机或无法利用时，无源雷达无法单独对目标进行探测定位，可考虑将无源雷达与有源雷达相集成；当外界电磁辐射不存在或无法利用时，利用无源雷达接收己方有源雷达的直射信号与目标反射信号对目标进行探测，这样既提高了无源雷达的利用率，又增强了有源雷达的隐蔽性和生存能力，将大大提高防空系统的信息对抗能力。

2）低成本认知多波段无源/有源雷达系统实现成为可能。

一般来说，无源雷达通常使用专用的低噪声线性数字接收机。然而，使用软件定义电台作为接收机（可能不是特别低的噪声）和简单天线阵列的低成本系统并不少见（例如电视或调频天线）。天线通常一次切换到一部接收机，而对于广播发射机来说，可以将多个接收机信号分配给多个天线，以提高瞬时覆盖。意大利雷达与监视系统国家实验室已经开发成功软件定义多波段阵列无源雷达演示验证机。认知化开放式架构无源雷达，有利于各种有源和无源雷达系统快速集成，提高防空系统作战能力。

3）无源/有源雷达集成还留有较大的增长空间。

有源和无源雷达集成（或数据融合）尽管目前已取得了一些积极的结果，但还留有较大的增长空间。毕竟，融合的数据来源于以完全独立方式运行的各个传感器，且融合后也没有对这些传感器提供任何反馈。尤其针对采用有源电子扫描阵列（AESA）天线的有源雷达，基于相关反馈，可能会以更有效的方式来利用其资源。虽然效果并不显著，但无源雷达通过自适应地选择相应的发射机也可以利用反馈。对于在各传感器间实现资源优化分配而言，深度集成这2种传感器技术是未来追寻的目标。

5 结束语

无源雷达技术越来越成熟，市场上已经出现了一些原型和系统。将无源雷达与有源雷达集成可大大提高综合防空系统探测隐身目标和微小目标的能力和综合防空反导能力。本文介绍了无源雷达与有源雷达集成的研发背景、无源雷达的最新发展及其在综合防空系统中的应用情况、无源和有源雷达数据融合架构及其技术，最后给出几点启示建议，为无源雷达装备与技术发展及其在综合防空系统中的应用提供借鉴。