對CMANO模擬的SPY-1雷達性能的分析

02-10

以下這篇文章，是我個人在自學雷達建模過程中寫的習作，對於雷達設計過程中很多細節考慮還很不成熟，隨著我理解的深入，以後版本還會更新。歡迎各位大佬積極提出意見和建議。在轉載前請聯繫我，謝謝。

引子

AN/SPY-1系列雷達是美國海軍宙斯盾作戰系統的核心感測器。在SPY-6 AMDR廣泛裝備之前，它是美國艦隊防空和海基反導力量的中堅。該系列雷達的艦隊防空性能在冷戰中出類拔萃。美軍在冷戰後又通過升級賦予了它一定抗近岸雜波和彈道導彈追蹤能力。CMANO《指令：現代海空行動》是當今更新活躍的兵棋推演軟體，是經典魚叉系列兵棋的精神繼承，也是對於民間人士能獲得的模型最複雜的兵器軟體。在CMANO中，SPY-1系列雷達配合SM-6，SM-2，ESSM和RAM導彈組成的多層次防空圈對飽和反艦導彈攻擊的攔截效果非常好，甚至可以用滴水不漏來形容。當時筆者一度以為，SPY-1系列雷達能夠完全勝任對掠海反艦導彈的飽和攻擊的抵抗。同時對彈道導彈有效追蹤，支持前沿反導任務。美國海軍斥巨資研究的下一代SPY-6 AMDR是為了提高對彈道導彈追蹤距離，並支持對隱形飛機和隱形反艦導彈（如LRASM這樣的有隱形設計的遠程導彈）進行追蹤和打擊。

但是，筆者注意到最近一些事實暴露出SPY-1雷達系統可能有設計上的缺陷，使得其實際使用性能不像CMANO模擬的那樣優異。最近，胡塞武裝向在霍爾木茲海峽執行巡邏任務的美國驅逐艦發射了一發80年代技術水平的C-802反艦導彈。高度戒備的美軍驅逐艦在發現來襲導彈後，用兩發SM-2導彈攔截失敗，最終用第三發ESSM導彈才成功擊落目標。如果攻擊方不是用一發導彈，而是一次放出20發老式導彈，即使不考慮火控通道限制和導彈/攔截彈殘骸引起的雜波對雷達的干擾，這樣的攔截成功率也將耗盡艦載中遠程防空導彈彈庫，在高強度對抗中會產生災難性後果。

同樣在今年，美軍第七艦隊連續出現多起烏龍事件。2017年6月17日，美軍阿里伯克級驅逐艦USS FITZGERALD在馬六甲海峽與商船相撞。美軍事後的調查報告中除了批評艦橋上在更人員（從艦長到XO，OOD，JOOD等一干人等）管理混亂以外，還提到了全艦上下對雷達系統故障習以為常，加上雷達操作員使用了錯誤的模式，使得CIC沒有通過雷達及時發現近處商船，提醒艦橋上的OOD及時避讓。2017年6月，第七艦隊又爆出醜聞，一名在前沿部署的反導巡洋艦上服役的水兵因為精神不穩定，從更上脫崗躲藏在艦內，引發美日聯合海上搜救。在美國海軍對該事件的調查中，一名水兵向調查組坦白：「我祈禱永遠不用真的對北朝鮮彈道導彈進行攔截，那樣我們的無能就曝光了。」美國海軍人數眾多，偶爾有一兩個害群之馬並不意外，但多艘軍艦的雷達如此集中的表現不好，恐怕並不全是它們的使用人員懈怠造成的。我認為，現在美軍使用的AN/SPY-1B(V)和AN/SPY-1D（V）雷達，作為發射機數量很少的PESA體制雷達，經過多年使用，已經背離了它最初艦隊防空的的設計初衷。現在美軍越來越多的將軍艦分散部署，同時遂行防空反導任務，放大了SPY-1B/D(V)PESA雷達受限於設計年代，多任務性能較低的問題，這種高強度分散使用還惡化了系統性能。美軍下一代AMDR雷達採用AESA體制，解決了SPY-1的頂層設計缺陷，才是真正意義上能夠同時遂行防空反島任務的先進雷達。因此應當在推演中注意區分兩者差異，避免對SPY-1的性能過度模擬或者低估SPY-6的先進性。推而廣之，在編寫CMANO劇本時，應當分析模型對模擬真實性的影響。

AN/SPY-1雷達的性能

綜合UCS對SPY-1系列雷達的研究等資料，本章節重點討論AN/SPY-1B（V）和AN/SPY-1D（V）雷達的性能。AN/SPY-1B（V）雷達安裝於提康德羅加級巡洋艦，由前後上層建築中兩部發射機分別驅動4個陣面。而SPY-1D（V）雷達安裝於阿里伯克驅逐艦，使用一部發射機驅動四個陣面。在B和D型基本型雷達部署之後，美軍對其進行了升級，新升級的雷達被分別命名為SPY-1B（V）和SPY-1D（V）雷達。已知的升級包括：B（V）通過使用新的SFD-268交場放大器，更好的冷卻設備，使得占空比增加，將平均功率提高了三分之一以上，更好的旁瓣抑制，對海雜波中的低飛反艦導彈的跟蹤能力加強；為了增加對同一目標的刷新率，美軍將SPY-1D雷達升級為可以以功率降低為代價一次性驅動兩個相反陣面，產生兩個波束。D（V）增加了近岸作戰所必須的雜波抑制和MTI能力。考慮到B型和D型系統架構高度相似，我們認為B（V）和D（V）升級的內容是通用的，即B（V）兩部發射機可能能以犧牲功率性能為代價，同時各驅動兩個陣面生成共4個波束。也有近岸雜波抑制改進和MTI功能；D（V）升級除了雜波抑制和MTI，它的平均功率比D型有較大提高。一次可以生成兩個波束。

SPY-1B/D（V）雷達工作在S波段。有信息顯示其工作波長至少覆蓋3.1-3.5Ghz（對應波長8.6-9.7cm）。其發射機最大功率估計在4-6MW，平均功率在升級為V型前為58kW，考慮到雷達內的損失，SPY-1D單個陣面的平均輸出功率估計在40kW左右。據此估計，升級後的發射機可以保證陣面平均輸出功率在77kW以上，陣面發射信號的平均功率在53kW以上。其脈寬可在6.4，12.7，25和51微秒間選擇，壓縮比為128。考慮到MIT相關文獻中描述的「脈衝寬度」高達400微秒左右，BMD升級後的SPY-1雷達可能有超長脈寬或者新的脈衝序列模式來完成對彈道導彈目標的寬頻寬檢測。

SPY-1D（V）的單個陣面面積約為12m2，據稱早期版本能提供42dB的增益。有文獻報道稱該天線的波束寬度為1.7°X1.7°。但用簡單公式估計，如此高的增益下波束寬度可以窄至1.3°X1.3°，進一步提高對目標的定位精度。當然，一種可能是該雷達使用了illumination

tapering等技術，以略微降低增益和增大波束寬度的代價，極大的降低了旁瓣增益，提高了雷達系統的抗干擾能力。

CMANO對SPY-1雷達的模擬

CMANO資料庫是使用SQLlite引擎生成的，因此可以使用相應的工具進行讀取。我選擇了DB3k_470.db3對其數據分析的主要挑戰是有些感測器性能參數用代碼表示，有些項目沒有單位，需要經過解碼。除了SPY-1雷達，我還從資料庫中抽取了一些其他性能參數已知的雷達作為對比，以驗證解碼的正確性。

在DB3K版本470中，SPY-1雷達的感測器類型為2001，對應雷達。年代代碼從SPY-1A的2008(對應於1980年代晚期）到SPY-1D（V）的代碼2011（2000年代早期）。工作頻率代碼1006，F（S）波段，對應波長7.5-10cm,最小有效距離為0.6海里，最大有效距離為175海里。有反導升級的最大有效高度為1005840m，沒有反導升級的為60960m。掃描間隔A型為5，其他型為2。距離解析度為0.03海里，高度解析度為370m，角解析度1.7°。最多處理250個空中目標，照射一個目標。工作頻率為3.1-3.5GHz，波束寬度和高度均為1.7°，A型系統雜訊為3.3db，其他型號為2.5db，信號處理引起的增益損失A型為2.8db，其他為2.3db。雷達最大功率為1056000，經過升級的V型為1320000。脈寬為0.4毫秒，dead time 6.4，單位應為微秒。PRF 為267。

作為陽性對照，選擇該資料庫中的SPY-6電掃雷達，年代為2020年早期。工作頻率代碼1006，F（S）波段，對應波長7.5-10cm,最小有效距離為0.6海里，最大有效距離為250海里。最大有效高度為1005840m。掃描間隔為2。距離解析度為0.03海里，高度解析度為320m，角解析度1.5°。最多處理250個空中目標，照射一個目標。波束寬度和高度均為1.5°，系統雜訊為2db，信號處理引起的增益損失為1.8db。雷達最大功率為1500000。脈寬為0.4毫秒，dead time 6.4，單位應為微秒。PRF 為267。

作為陰性對照，選擇某艦載主動相控陣雷達。根據網路文章，該雷達工作頻率為S波段，半波長在5cm，摺合工作頻率F（S）波段，波長5-10cm。陣面面積4mX4m，最低有效距離375km，單面雷達有5000個以上單元，一個單元峰值功率25W左右，單陣面合計功率不小於125000W，4面總功率不小於0.6MW。該雷達技術水平為90年代早期，有效距離為150nm（277km），有效高度為1008540m，掃描間隔為1。距離解析度0.04nm，高度解析度340m，高度解析度340m，角解析度1.6°。波束寬度和高度均為1.6°，系統雜訊為2.5db，信號處理引起的增益損失為2.4db。雷達最大功率為100000。脈寬為0.5毫秒，dead time 0.5，單位應為微秒。PRF為500。照射模式下波束寬度0.9°，以5kw功率0.5毫秒的脈寬。最多照射6個空中目標。

另外，為了確定資料庫中脈衝重複率的因素，選擇了了現實中已知有MPRF和HPRF兩種模式的AIM120C7和AIM120D導彈導引頭，它們的雷達在資料庫中的PRF為4000。

CMANO中的SPY-1雷達模型

作為一群愛好者，CMANO團隊編纂了一個相當包羅萬象的資料庫，他們的成就是令人讚歎的。但是，如果用CMANO進行嚴肅的系統分析，就要對CMANO的資料庫有更高要求。通過對CMANO資料庫中的SPY-1雷達數據進行分析，可以得出如下結論：

1. 儘管CMANO製作團隊和BAE及美軍多個單位達成合作，其資料庫中的數據仍然沒有明顯超過公開數據範圍。製作團隊對SPY-1雷達是下了功夫的，收集了大部分能在網路和實體書上收集到的信息，但一些關鍵的信息仍然缺乏。對於非北約盟國，非英語國家的武器系統，團隊的主觀性非常強，對於一些他們認為技術落後的國家武器裝備有低估現象。如作為陰性對照的雷達的有效距離被縮減了30%，且功率（即抗干擾能力）也有縮減。

2. 雷達模型不完整，多功能雷達多個模式之間沒有功率分配關係。CMANO中雷達模型的重要問題是對於雷達模式，功率分配沒有模擬。現行多功能雷達為了滿足不同任務，採用不同波形。因此，現代多功能雷達設計時在多個波形間進行功率分配和妥協就成了一門藝術。但在CMANO中，由於雷達模型沒有為同一陣面內執行不同任務的陣元設置功率分配參數，多功能雷達每個陣面能同時以100%效率執行所有功能，對每一個目標以最大功率進行跟蹤。我相信很多玩家對於CMANO中伯克級和提康德羅加級在複雜電磁環境中抗多角度大離軸的彈道導彈和反艦巡航導彈協同飽和攻擊的能力印象深刻。但很少有人意識到CMANO模擬的每艘伯克實際上有三部SPY-1D(V)在滿功率協同工作，一部專註於對大氣層內的飛航式目標進行掃描，對它們進行跟蹤識別，將威脅最高的目標交給照射雷達，引導防空導彈攻擊。第二部對雷達視野內的大氣外進行搜索，實時監測來襲的彈道導彈，並將威脅最高的幾個，交給第三部以寬頻跟蹤模式工作，有一定彈頭識別能力的SPY-1D（V）雷達，由第三部SPY-1雷達引導反導攔截彈進行攻擊。這客觀上誇大了SPY-1D（V）的性能。

3. 對於不同代雷達差距沒有正確模擬。AESA雷達對於SPY-1這樣PESA雷達的重要優勢之一就在於每個陣面都可以同時產生多個不同波束。對於防空任務來說，AESA雷達的體搜索能力應該為有兩個發射機的SPY-1B（V）在單陣面模式下的兩倍，或者SPY-1B（V）在單陣面模式下的4倍。直觀地說，在僅執行防空任務的情況下，SPY-1D（V）的掃描間隔如果設置為4，則SPY-1B（V）為2，SPY-6這樣的AESA應設置為1。然而，在CMANO中除了沒實裝的SPY-1A的掃描間隔為5以外，所有SPY-1亞型和美軍新型AESA（SPY-3，SPY-4，SPY-6）掃描間隔均為2，倒是陰性對照雷達的掃描間隔與取值與AIM-120導彈導引頭一樣為1。這種抹消了AESA刷新率優勢的參數設置，可能是因為CMANO開發團隊在之前的測試過程中發現如實設置PESA刷新率會導致現行AI無法及時攔截掠海目標，畢竟CMANO現行AI智慧程度遠遠低於CIC中的武器操作員。但這種設置人為加強了CMANO中SPY-1雷達的性能，抹消了它與其他AESA雷達的差距。

另外，SPY-1D（V）與更先進的AESA之間的一個區別就是一次生成的波形數量。SPY-1D（V）由於發射機數量限制，一個陣面一次只能生成一種波形，而AESA雷達可以針對不同任務生成不同波形，以針對不同任務優化探測效果。例如對空中目標可以提高脈衝重複率，但太高的重複率可能不利於去除雜波干擾，影響掠海目標的識別。對掠海目標搜索，因為目標距離近，脈寬可以縮短，可以降低能量，但探測掠海目標需要盡量降低掃描間隔，以在小跟蹤門的前提下防止目標丟失，並減小漏警概率。對於彈道導彈預警，由於目標距離遠，脈寬要大以保證足夠的能量照射到目標上，脈衝重複率要低以避免距離模糊，掃描間隔稍微大一些也無所謂。當然在追蹤彈道導彈目標時，要集中盡量多的能量以大脈寬，寬頻率範圍進行小範圍掃描，以保證對彈頭和其他碎片的識別。而SPY-1系列雷達只有1個或兩個發射機，每個陣面一次只能生成一個波形。同一時刻所有不同任務，不管合不合適，都要共享該波形。前文所述的在葉門被導彈攻擊的驅逐艦就遇到了這個問題。胡塞武裝有彈道導彈，說不定有化學彈頭。那麼SPY-1大部分時間要用兩個對陸地側的陣面進行高功率大脈寬彈道導彈進行搜索。而該艦和僚艦部署在葉門近海,考慮到胡塞武裝還有反艦導彈，完全可以以預設導航點模式繞到驅逐艦背後攻擊，因此所有四個陣面都要進行掠海目標搜索。對掠海搜索所用波形與彈道導彈搜索波形衝突，導致雷達跟蹤精度下降，發射兩發標準2均沒有命中目標。而且還可能出現了虛警，以至於現在都無法判定胡塞是否向美艦發射了第二發反艦導彈。這種缺陷在AMDR等AESA雷達中可以通過不同子陣獨立生成不同波形來解決。但在CMANO中並沒有被正確模擬，導致了CMANO中SPY-1使用性能被誇大。

顯然，美軍在實際使用SPY-1雷達多年後對PESA雷達的缺陷有清晰的認識。下一代SPY-6 AMDR是採用了最新TR元件和最先進控制演算法的AESA雷達。其先進架構和控制演算法保證了同一陣面內多個子陣的能量分配和波形生成能夠在總功率限制範圍內最大限度地同時滿足不同任務的需求。如果胡塞武裝導彈襲擊目標是一艘裝備SPY-6的伯克III驅逐艦，其表現將比使用SPY-1D（V）的艦艇要好很多。要想突破裝備AMDR雷達的艦艇的防空攔截圈，攻擊方恐怕得在導彈和攻擊機的RCS上下功夫，降低雷達發現距離，壓縮攔截時間才能成功。

SPY-1在冷戰中的應用

相對於現在的SPY-1所遇到的種種困難，

SPY-1雷達在冷戰末期的演習中表現相當搶眼。CMANO中冷戰相關的劇本中，SPY-1雷達的能力也比較符合演習結果。同樣的過模擬，為什麼對於冷戰劇本就顯得不那麼多嚴重呢？首先，冷戰劇本中SPY-1的主要功能是大洋上的防空和反ASCM任務，不涉及彈道導彈防禦任務。沒有反導任務的拖累，SPY-1雷達的搜索間隔等參數會大大提高，降低了過模擬問題。其次，冷戰中美軍水面艦艇編隊數量比現在多，也更集中部署，因此其發射機數量，火力通道數量等都有冗餘，進一步降低了過模擬。尤其是裝備有兩部發射機的SPY-1B雷達提康德羅加級，其過模擬程度天生就比SPY-1D雷達程度低。綜合來說，CMANO中SPY-1在冷戰劇本里相對來講比模擬現在單艦部署，防空反導的萬金油劇本中過模擬的程度低。

客觀看待兵棋中模型的過模擬和模擬不足問題

兵棋是對實際交戰過程的模擬。模擬就必然會和現實有差異，這是正常現象。CMANO中不僅是SPY-1和現實差異不小，其他雷達也因為簡化模型、信息不全和現實有大大小小的差異。一方面，我們期望其開發團隊能夠改進CMANO雷達模型，為同一雷達提供多種搜索模式，並考慮多功能雷達執行多個任務時功率下降或者掃描間隔變大的問題。另一方面，劇本設計者應當檢查劇本中各單位的模擬情況，避免因為模型誤差而出現嚴重背離現實的情況。CMANO中C400一夫當關，萬夫莫開。可在敘利亞部署的C400並沒有有效遏制美國和其盟友的空中行動。在利用CMANO劇本來支持某個論據時，要想想一些平台在CMANO中神勇無敵是真的技術領先，戰術得當抓到了敵人的死穴，還是因為開發團隊模型過於簡化，或者信息錯誤而誇大了性能差距？