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浅析美军先进战机传感器系统及作战效能 将应用于F35
www.wforum.com | 2021-09-13 19:09:56  世界军事网 | 0条评论 | 查看/发表评论

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  导读:本文通过对美军先进战斗机传感器系统的技术特点与作战效能进行梳理分析可以得到,未来基于传感器融合技术与先进的算法,F-35所配备的AN/APG-81有源相控阵火控雷达、AN/AAQ-37分布式孔径系统、AN/AAQ-40光电瞄准系统、AN/ASQ-239电子战系统等传感器将进一步实现全传感器融合,以将F-35战机作为信息化联合作战节点,实现多平台交互与协同作战等;AN/AGP-77有源相控阵雷达、AN/ALR-94无源电子战系统等为F-22提供了全天候探测远程多目标、隐身飞行器,以及收集电子智能信息的能力,而传感器的进一步升级还将提升F-22的空战能力以及在强干扰作战环境中的作战能力;AN/APG-79有源相控阵雷达与IRST红外/光电传感器系统,配合大规模的结构与传感器升级,将进一步提升F/A-18E/F Block III的态势感知、近实时跟踪、多目标跟踪、反隐身战机以及进行海量传感器数据交互的能力。

  F-35传感器系统技术特点与作战效能

  F-35战斗机作为先进的五代机,其作战任务绝不仅仅是夺取制空权,而是将成为未来战争中的信息节点,为其他作战平台提供战场态势感知与精确的目标瞄准数据,而这一作战任务实现的关键在于F-35所安装的性能优异的多传感器及其所具备的传感器融合技术。F-35主要配备了AN/APG-81有源相控阵(AESA)火控雷达、AN/AAQ-37分布式孔径系统(EO DAS)、AN/AAQ-40光电瞄准系统(EOTS)、AN/ASQ-239电子战系统与AN/ASQ-242通信、导航和识别(CNI)组件。

  其中,AN/APG-81可在AN/AAQ-37系统的指示下对弹道导弹进行精确探测和测量,为美国网络中心机载防御单元(NCADE)或宙斯盾系统拦截提供火控支持;AN/ASQ-239与EOTS高度融合,能够在保证F-35隐身性能的前提下,为AN/APG-81提供敌机的精确方位指示。

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  F-35战机传感器系统

  AN/APG-81有源相控阵(AESA)火控雷达


  F-35传感器的核心是诺斯罗普•格鲁曼研制的AN/APG-81有源相控阵(AESA)火控雷达,其天线上具有一系列由高速处理器连接的发射/接收(T/R)模块,既可以将不同任务分配给阵列中的不同T/R模块,也可为有更高功率或灵敏度需求的任务分配更多的模块。

  AN/APG-81雷达可以实现多模雷达的功能,具备有源干扰、无源电子防御与通信能力;能够创建高灵敏度合成孔径雷达地图,进行自动识别目标,能够通过逆合成孔径雷达进行海面目标的检测与识别。

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  AN/APG-81雷达

  该型雷达可在与敌方防空雷达匹配的频段内进行干扰,具有破坏敌方电子设备的潜力,还同时具有电子战支持功能,其探测距离约3倍于现有雷达的探测距离,具有隔行扫描、边搜索边跟踪功能,从而可使飞行员能够在应对对手的战斗机以及低空直升机的同时,探测、识别并对固定的和移动地面目标进行武器制导,且能够提供具备超高分辨率的合成孔径雷达图像。

  据称在实际测试中,该型雷达在10秒内探测到23个探测范围内的虚拟目标,并能够探测到低空巡航导弹与无人机。在空战情况下,该系统可以将接近目标的信息发送到战术态势模块,结合其他传感器的信息,为飞行员提供混战中瞄准与击落敌人的优先权。

  AN/AAQ-37分布式孔径系统(EO DAS)

  AN/AAQ-37系统是美军第五代战斗机夺取制空权的关键设备之一,主要利用安装于机头、机背和机腹的6个红外摄像机实时采集高分辨率图像,将其发送到飞行员的头盔显示器上,从而为F-35的飞行员提供360°球形环境视图。

  该系统可与AN/APG-81有源相控阵雷达进行数据融合。AN/AAQ-37系统可探测到上千公里外的导弹或者运载火箭发射,可连续跟踪多个目标,作为被动探测系统,使得对手无法进行预警,但存在无法获取目标距离的不足;而AN/APG-81则可在AN/AAQ-37系统的指示下对弹道导弹进行精确探测和测量,为美国网络中心机载防御单元(NCADE)或宙斯盾系统拦截提供火控支持。

  据称,AN/AAQ-37曾在载机空中态势感知试验中,成功探测、跟踪了90公里之外迎面飞来的F-16战斗机,并成功跟踪了一枚1200多公里之外的火箭。

  F-35现有DAS的摄像机窗口尽管采用了坚固的镀膜蓝宝石玻璃制造,仍然易被损坏,有可能会导致F-35失去全部任务能力,因此美军于2018年6月授予洛克希德·马丁公司研发下一代DAS的合同,而雷神公司则作为下一代DAS的供应商,将于2023年的第15量产批次开始供应下一代DAS,并将其集成到美国海军、海军陆战队、空军以及盟军所有型号的F-35之上。

  据称,下一代电光DAS的可靠性将有望提高5倍以上,性能将提升2倍,将能够使得6台红外摄像机之间的图像实现更高效的无缝拼接,对威胁识别和分类的可靠性更高,能提供清晰度更高的红外图像,且系统也将更加坚固、可靠,有望使F-35具备所迫切需要具备的使用激光制导弹药攻击地面移动目标的能力。

  AN/AAQ-40光电瞄准系统(EOTS)

  F-35所安装的EOTS是世界上第一款将前视红外和红外搜索和跟踪功能结合的传感器,由洛克希德•马丁的导弹与火控部研制,由可见光摄像机、红外成像、激光器测距机、点跟踪器、激光指示器组成,被安装于F35机身前部下方(雷达和座舱舱壁之间),具备激光瞄准、前视红外与远程红外搜索跟踪(IRST)功能。该系统与EO DAS共同构成F-35的光学侦察设备。

  EOTS采用了由7片蓝宝石玻璃拼接而成的单口径共光路形式,以散射雷达信号,减小对飞机雷达散射截面积的影响。作为F-35重要的被动式红外探测手段,EOTS系统可在雷达静默下完成对目标甚至是隐身目标的搜索和探测,以便最大限度地隐蔽自身,并能够将探测信息投影到头盔上。其允许机组人员确定预侦察区域,执行侦察,可被用于空对空与空对地作战,还可利用激光指示器引导激光制导炸弹,或者利用前视红外成像观察地形与了解敌方地面部队的动向。

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  AN/AAQ-40光电瞄准系统(EOTS)

  但由于EOTS装在机身前部下方,限制了其对空探测能力,无法对前上方空域进行探测,因此具有有限的对空探测能力,可以提供远距离、窄视场的探测能力。

  因此,洛克希德•马丁公司正在着手开发新一代光电瞄准系统——Advanced EOTS用于F-35 Block 4,旨在取代F-35现有的EOTS,将在短波红外、高清电视、红外标记和改进的图像探测器分辨率等方面进行性能提升,以增加F-35飞行员的识别和探测的范围与精度,使得飞行员能够更为迅速地获得目标信息,从而实现更高的整体性能。

  AN/ASQ-239电子战系统

  AN/ASQ-239电子战系统由英国宇航系统公司研制,有十个嵌在机翼和尾部边缘的射频天线单元,能够提供360°全向全频段射频信号监视和收集功能。

  能够同时处理空对空和空对地的电子战任务,可直接对敌方空中和地面的目标进行准确地辨认、定位、跟踪和打击,进行导弹逼近告警,帮助飞行员规划航路,规避敌方雷达;

  能够与AN/APG-81、EOTS高度融合,在保证F-35隐身性能的前提下,通过捕捉对手的射频传感器的辐射源对敌机进行识别跟踪,选择适合的工作模式,为AN/APG-81提供敌机的精确方位指示;

  能够引导反辐射导弹、AIM-120空空导弹以及将来的联合双任务双射程导弹(JDRADM),对敌方电磁波辐射源进行攻击。

  此外,F-35还配备了AN/ASQ-242通信、导航和识别(CNI)组件,其由诺斯罗普•格鲁曼公司研制,采用了多功能先进数据链(MADL)等六个物理链接,通过传感器融合,将来自射频接收器与红外传感器的信息结合成单独战术图像提供给飞行员,并可将全方位目标定向与识别信息分享给其他平台。

  与其他战机相比,F-35的一大特点在于其具有多种传感器和传感器融合技术,而全传感器融合将是其进一步升级的重点所在,即将F-35的EOTS、EO DAS及其他传感器的信息集成到一个屏幕上,基于先进的算法,降低飞行员工作负荷的同时,为其提供更为直观、全面的战场态势感知。美军还计划基于F-35强大的传感器性能,将其作为信息化联合作战节点,在隐身状态下通过多功能先进数据链(MADL)共享信息,实现多平台交互,为美军提供更为强大的战场优势,并针对由F-35利用传感器与通信系统实现无人战斗机群发动攻击的可行性展开了研究。

  F-22传感器系统技术特点与作战效能

  AN/AGP-77有源相控阵雷达、AN/ALR-94无源电子战系统与通信、导航、识别(CNI)是F-22战斗机所配备的较为核心的传感器,在此仅对这几种传感器的技术特点与作战效能进行梳理分析。

  AN/AGP-77有源相控阵雷达

  F-22在研制初期原计划配备EO DAS光电分布式孔径系统,但由于EO DAS的技术攻关未能契合F-22的研发进度,从而导致F-22最终并未配备该系统,无法通过感知敌机的红外辐射信号进行方位追踪,仅能利用AN/AGP-77有源相控阵雷达实现搜索与跟踪等功能。

  AN/AGP-77有源相控阵雷达采用了第二代的砷化镓半导体二极管,拥有约2000个X频段发射/接收(T/R)组件(也有消息称组件数量为1956),每一个辐射单元的发射机和接收机采用分置方式,具有高灵活性、低雷达散射截面积与宽带宽。单个组件功率为10w,整个雷达最大功率为20kw,由于采用了电子扫描,使得雷达整体功率是普通多普勒机械扫描雷达的十几倍。

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  AN/AGP-77有源相控阵雷达

  该型雷达本身未配备数据处理机,而是通过F-22的两台通用信息处理机(CIP)将雷达与战机上的其他传感器和电子战系统进行综合,包括雷达与武器系统的接口也通过CIP实现。

  AN/AGP-77雷达具有合成孔径(SAR)和逆合成孔径(ISAR)模式。其中SAR模式的分辨率可达3m,ISAR模式分辨率可达0.3m。据称,该型雷达对1m2的空中目标的探测距离可达约200公里,对5m2的空中目标探测距离约为296公里,具有波束捷变性,可同时搜索、跟踪约24个目标,还能够在跟踪某一优先级最高的目标的同时,搜索多个其他目标。此外,具有多功能以及空/空、空/地与空/海多种工作方式也是该型雷达的一大特点。

  此外,AN/AGP-77雷达还具有实现远距搜索、全向中距搜索与气象探测等能力,能够通过AMRAAM数传方式向先进中距空空导弹发送制导修正指令,还具有先进的抗电子干扰能力,由此大大有助于实现F-22在强杂波与多目标威胁的环境下以低可探测性、高机动性与高灵活性实现近程拦截以及对超视距敌机的攻击。然而,尽管该型雷达具有多功能与多工作方式,但仍存在一定不足,即其雷达波束的扫描角度有限,加之不具备全向被动感知能力,应对复杂战场环境的能力仍然有所欠缺。

  AN/ALR-94无源电子战系统

  AN/ALR-94无源电子战系统由保形电子战天线、电子元件与处理器组成,具有全向雷达告警、导弹发射探测、电子支援、精确测向和窄波束交替搜索与跟踪功能等。该系统具有两种工作模式:

  在面对敌机的远距离(约460公里)雷达搜索时,该系统能够先于敌机发现,进行360°探测、跟踪与识别,并能在敌机靠近时(约相距185公里~220公里)引导AN/APG-77雷达进行搜索,以方位2°和仰角°度的低可探测性窄波束进行高精度探测与定位;

  对于近距离高等威胁敌机,其一旦开启雷达,AN/ALR-94可为导弹攻击提供所需全部数据,引导导弹进行反辐射攻击。

  该电子战系统具有强大的被动探测能力,配合F-22本身的隐身能力与低截获雷达技术,使得F22能够在实战中具有强大的杀伤力。

  此外,F-22所配备的通信、导航和识别(CNI)系统则主要由低可观测性孔径和阵列以及外部孔径电子单元等六个主要单元组成,主要功能包括UHF/VHF密话/明话、敌我识别与JTIDS接收和机间数据链等。其一大特点在于体系结构具备高度综合性且采用共用SEM-E模块,能够在不同任务阶段进行系统重构等。

  未来传感器升级探索

  美国空军近年来一直致力于F-22的升级,并将传感器升级作为升级重点之一,还于2021财年提出利用“F-22先进传感器项目”进行传感器升级,以有助于维持F-22的先发现、先射击的优势。

  该项目主要分为两个项目,总计将采购143套相关系统或系统模块。具体如何升级或采购何种系统/系统模块未见详情披露,仅通过调研可知,美国空军可能曾经计划了如下几种方案:

  一是为F-22安装类似于F-35的EOTS与EO DAS系统的光电模块,但F-22内部已经不具备加装新设备的空间,加之其航电架构与计算机无法满足EO DAS海量级数据运算的要求,因此无法加装EOTS/EO DAS;

  二是为F-22安装IRST红外传感器系统,但F-22机头下方同样不具备安装该系统的位置。

  由此推测,美国空军未来很可能对现有雷达进行升级,譬如说为现有雷达换装更为先进的氮化镓阵面,或者探索一种轻量级的类似于EO DAS的传感器系统,以能够在不损害隐身优势或机动性的情况下将先进技术应用到F-22上,从而提升F-22空战能力以及在强干扰作战环境中的作战能力。

  F/A-18E/F传感器系统技术特点与作战效能

  AN/APG-79有源相控阵雷达与IRST红外/光电传感器系统是F/A-18E/F的核心传感器,而AN/ALR-67(V)3系统则能够探测和识别先进的威胁雷达发射器,从而能够增强飞机的生存率。在此仅对AN/APG-79雷达与IRST系统的技术特点与作战效能进行了梳理分析。

  AN/APG-79有源相控阵雷达

  美国海军的F/A-18型战斗机现阶段以F/A-18E/F与F/A-18C/D型混编的方式在役。早期的F/A-18E/F配备了AN/APG-73脉冲多普勒雷达(基于APG-65型雷达发展而来,为C/D型后期所配备的雷达)。

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  AN/APG-79有源相控阵雷达

  F/A-18E/F从第二批次开始装备新型AN/APG-79有源相控阵雷达(由F-22所配备的AN/APG-77雷达发展而来)。该雷达采用了装有砷化镓(GaAs)单片微波集成电路(MMIC)的发射/接收(TR)模块,并具有开放系统架构和坚固耐用的商用现货部件(R-COTS),其阵列具有增强可靠性的固态发射和接收模块,以及先进的接收器/激励器、坚固耐用的R-COTS处理器和电源。AN/APG-79可同时使用空对空、空对地等多种工作模式,且由于电扫描比传统机械扫描速率也更快,使得该雷达可同时跟踪20个以上目标。而与AN/APG-77雷达相比:

  AN/APG-79对空中目标的探测距离提高了两倍,多目标跟踪和高分辨率合成孔径地形测绘能力也有所增强;

  在合成孔径方式下的分辨率可达15~40厘米,可在远距离上探测到低空杂波环境中的巡航导弹;

  可使F/A-18E/F一次发射多枚导弹,并将所发射的多枚导弹引导到方位角、仰角或距离相距甚远的不同目标上。

  该型雷达能够极大提升F/A-18E/F的隐身特性与可靠性,为其提供电子保护、电子攻击和电子支援等功能。同时还能为飞机提供自瞄准能力,有望在未来实现由一架配备AN/APG-79雷达的战机对地面目标进行瞄准定位,而后将精确的目标坐标数据传送给另一架并未装备该型雷达的战机,由后者向目标发起攻击。

  据称雷神科技公司已于2021年5月为美国海军陆战队提供了6套AN/APG-79的缩小版本——AN/APG-79(V)4,新版本雷达也代表了美国首个基于氮化镓(GaN)的火控雷达的实现,即将GaN发射/接收模块直接嵌入到阵列中。

  AN/APG-79(V)4将为F/A-18E/F机组人员提供态势感知、近乎即时的航迹更新和多目标跟踪能力,还可以帮助飞行员在更远的距离内更为准确地探测和跟踪敌机。并且新版本雷达所改进的瞄准能力将进一步拓展F/A-18E/F执行空对空、海上打击和空对地任务的优势。

  IRST Block II红外/光电传感器系统

  IRST Block I红外/光电传感器系统具备“边跟踪边扫描”能力与可编程式扫描模式,可昼夜探测、跟踪目标,不仅具有探测距离远、分辨率高和多目标的搜索与跟踪能力,还具备优于雷达的远距离密集编队的目标识别与跟踪能力。基于无源探测技术,IRST Block I系统具备隐蔽性好、抗电子干扰能力强的特点,并且在在探测和跟踪空中目标时,可在保持APG-79雷达静默的状态下实现目标跟踪,有效提升战斗机的生存能力。

  而美国海军多年来持续对F/A-18E/F进行升级,F/A-18E/F Block III舰载战斗机已经于2020年6月17日正式交付美国海军,并在进行功能升级。其中,实现无需依赖雷达即可实现远程检测与远程多舰通用战术图景,使其可作为智能传感器节点进行操作,将是该型战斗机的升级重点之一。因此,美国海军现阶段正在发展IRST Block II新型红外/光电传感器系统(AN/ASG-34),以提升F/A-18E/F Block III在中距/近距有效抗衡对方隐身战机的能力等,并将其作为延长四代机寿命数十年的计划的一部分。

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  位于F/A-18F超级大黄蜂下的中间副油箱顶端的红外传感器IRST Block I

  IRST Block II传感器系统同样是由无源长波红外接收器(工作波段介于8~12微米)、处理器、惯性测量单元与环境控制单元组成,与其电源及冷却组件所组成的吊舱被安装于机腹下方FPU-13副油箱的前端(导致油箱载油量由1817升减至1250升)。相较于IRST Block I而言,IRST Block II型主要对红外接收器进行了改进,并将采用新型处理器,也将更加便于升级与改造。

  未来,基于IRST Block II传感器系统,F/A-18E/F Block III可在电子攻击、高强度射频以及红外对抗环境下,自主跟踪目标。但单机使用IRST系统仍然无法为导弹制导提供足够明确的目标瞄准信息。因此,F/A-18E/F Block III加装了战术瞄准网络技术(TTNT)数据链与更为先进的处理机等,从而有望实现两架或多架F/A-18E/F共享IRST系统的传感器数据,既能够为单架战斗机提供足够的目标瞄准信息,还可能实现战斗机编队的静默探测与攻击。

  美国国防部称即使不开机载雷达,IRST Block II传感器系统亦能在数十公里范围内对隐身战机等空中威胁进行远程侦测与跟踪,将有望弥补F/A-18E/F Block II在被动攻击能力上的不足。此外,该系统还具有如下特点:

  可在多机协同的前提下,实现对远距离隐身目标的探测定位;

  在遭受电子攻击或陷入严重无线电干扰对抗环境下,IRST系统能够提供自主、精确的跟踪数据;

  IRST系统的数据既可以单独使用,还可与AN/APG-79雷达、AN/ALR-67(V)数字式告警接收机等传感器的数据融合。

  故而IRST Block II传感器系统能够为飞行员提供更优的态势感知信息,能够更有效地应对各种空中威胁,探测距离可达16公里(也有消息称约为18.288公里)。但IRST系统同样存在不足,即易受天气影响,且无法实现对目标距离的测量,需要开启机载雷达确认或通过激光测距机提供精确距离信息,或者通过战斗机实施“动态测距”战术,并通过换算得到目标距离数据。这将是美国海军亟待解决的问题之一。

  目前IRST Block II仍处于研发阶段,波音公司正在测试该系统,以收集系统数据,而搭载该型传感器系统的F/A-18E/F的飞行将为波音公司与美海军在部署到舰队之前提供有关系统的珍贵数据。据称美国海军计划采购170个IRST系统,而波音公司有可能于2022年将其交付海军,并在之后使其逐步形成初始作战能力。届时,有望为美国舰队的防空增加一种全新的反隐身搜索方式,提升战斗机独立作战的能力与生存能力,以及美海军协同一体化反隐身的作战能力。

  此外,F/A-18E/F战斗机早在2018年就已经完成了双机各类传感器信息近实时的融合试验,验证了其传感器融合能力,并且F/A-18E/F Block III的改进主要围绕是大规模的结构与传感器升级,核心在于提升该型战斗机与其它F/A-18E/F和E-2D预警机进行海量传感器数据交互的能力。

  小结:美军将基于F-35所配备的多传感器、传感器融合技术与先进算法,进一步完善全传感器融合技术,以将F-35作为信息化联合作战节点,在隐身状态下通过多功能先进数据链共享信息,最终实现多平台交互等,以为美军提供更为强大的战场优势;将对F-22的现有雷达进行升级或者探索轻量级EO DAS类型的传感器系统,以在保证隐身优势与机动性的同时,提升F-22的空战能力以及在强干扰作战环境中的作战能力;将基于大规模的结构与传感器升级,提升F/A-18E/F Block III的反隐身战机能力以及与其它F/A-18E/F或E-2D预警机进行海量传感器数据交互的能力。

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