AN/MPQ-53火控雷达
2021年10月31日
目 录
一、 概况
二、 功能组成
三、 技术性能
四、 挂载平台
五、 发展规划
六、 AN/MPQ-53与AN/MPQ-65的区别
概况
AN/MPQ-53相控阵雷达通过对阵元信号相位的控制，进行波束的调度和时间、能量资源分配，实现重点目标的快速发现和高数据率跟踪，并引导导弹对空间目标进行打击。
AN/MPQ-53 C波段多功能相控阵雷达系统负责搜索、探测、跟踪和识别潜在威胁，以及爱国者导弹制导和ECCM功能。AN/MPQ-53 由 MSQ-104 控制站通过电缆连接进行远程控制。该雷达系统能够跟踪多达 100 个目标，并可提供多达 9 枚导弹的导弹制导数据，雷达系统的射程超过100公里。
MPQ-53 雷达装置没有移动部件，因此很难被干扰。在 PAC-3 计划下，该雷达装置已升级。升级后的 MPQ-53 雷达装置能够跟踪和打击大量目标，而基线功能可以得到增强，以更好地应对机动弹道导弹、隐形巡航导弹和飞机等新兴威胁。
图1 AN/MPQ-53雷达装置的详细视图
功能组成
相控阵雷达主要通过对阵元信号相位的控制，对重点目标和监视区域由数据处理单元根据任务执行情况控制波束的调度和时间、能量资源分配，实现重点目标的快速发现和高数据率跟踪，完成对空间目标的波束扫描。美国的AN/MPQ-53相控阵雷达主天线阵直径为2.44m，共有5161个辐射阵元，可进行32种天线方向图转换，转换时间为100ms。TVM天线阵直径为0.5334m，共有253个辐射阵元。副瓣对消天线阵共有5 个，每个阵面有 51个辐射阵元。敌我识别天线阵工作在 L波段，有 20 个辐射阵元。雷达的作用范围从3 至 170 千米，以分时方式执行其监视、跟踪、制导和电子保护措施（EPM）功能，通过使用系统的计算机生成持续数毫秒的动作周期。其雷达波束针对长距离、短距离、地平线和杂波、制导和电子保护措施（EPM）功能在功率、波形和物理尺寸方面量身定制。每个功能的数据速率也可以独立选择，以提供 54 种不同的操作模式，例如，与低空弹出目标的水平搜索相比，远程搜索可以在更长的时间段内进行。没有任何功能需要任何给定的时间间隔，因此在任何时间都允许随机序列的雷达动作，大大增加了攻击者的电子对抗措施（ECM）问题。搜索扇区为 90°，跟踪能力为120°。
图2 AN/MPQ-53雷达
AN/MPQ-53相控阵雷达的信号处理器在监视目标时，可存储目标信号和副瓣消隐通道的信号，以便进行流水线式处理；在搜索时可进行副瓣消隐、恒虚警检测、距离计算，以及按时分割技术以便为武器控制计算机做出格式编排；在截获跟踪时，能在指定的距离－角度窗口用脉冲计数器完成目标截获并转入跟踪；在中制导段，对取出的导弹坐标数据和状态数据进行采样和格式编排，然后提供给武器计算机；在 TVM 段，照射脉冲串的积累和选通结果经快速傅立叶变换处理和格式编排，再提供给武器计算机使用。
AN/MPQ 的指挥控制车是整个武器系统的作战控制中心，由武器控制计算机、人/机接口及各种数据和通信终端组成。作战控制中心通过两组程序控制武器系统的全部作战过程：第一组程序使系统进入准备状态，第二组程序控制整个交战过程。
爱国者雷达 AN/MPQ-53属于导弹控制雷达，是频率捷变多功能 G/H 波段雷达组，执行监视，敌我识别（IFF），跟踪和指导，以及电子对抗措施 (ECM) 功能，包含在爱国者战术防空导弹系统中。天线单元具有用于目标检测和跟踪、导弹制导和敌我识别（IFF）功能的单独阵列。这些任务中的最后一项由 AN/TPX-46(V)7 询问器执行，使用与天线单元上的主圆形搜索和跟踪阵列相邻的补充阵列。其他补充阵列用于旁瓣消除和导弹制导信号接收。
图3 AN/MPQ-53雷达
技术性能
“爱国者”的导弹制导雷达是 LPI 雷达（低概率截获雷达）的一种，使所发射的信号功率不使被对方的被动雷达接收机所接收，达到安全工作的目的。
AN/MPQ-53 雷达为了完成搜索、跟踪和制导的功能，设计时需要考虑的技术指标主要有：
频宽： 4 ~ 8GHz（或 4 ~ 6GHz ）；
捷变频带宽： 640MHz；
发射的平均功率： 600kW（57.782dBw）；
发射天线增益：40dB（主波束最大方向增益）；
中心工作波长： 29.5cm2 （-25.3d BM2）；
发射损耗：2.7dB；
大气损耗：1dB；
副瓣与主瓣增益比：-45dB；
PRS 与发射波形失配参数：-13dB；
探测距离：对一般飞机（其RCS为1m2）为160km。
挂载平台
爱国者反导导弹系统是美国全天候、大空域、多通道地空导弹武器系统，用于区域防空和要地防空，可以拦截各种高性能飞机、空对地导弹、战术弹道导弹和巡航导弹等军事目标，在爱国者原型的基础上先后发展了 3 种改进型：PAC-I、PAC-II、PAC-III。该系统已在某些地区加以部署，严重影响导弹武器系统的突防能力。爱国者系统的核心是采用 AN/MPQ-53多功能相控阵雷达，能同时掌握100多批目标和制导 8 枚导弹攻击 3～5 个目标，整个系统可用 C-141 型运输机和重型直升机空运，既适于野战防空，又适于要地防空。该武器系统具有三大特点：一是采用多功能相控阵雷达，仅一部雷达就可完成搜索、跟踪和制导的全部功能；二是采用了 TVM 制导体制，提高了制导精度和抗干扰能力，大大减少了弹上设备；三是自动化程度高，采用自动操作与人工操作相结合，1 个火力单元只需 1 名指挥官和 2 名操作手。
图4 AN/MPQ-53雷达
发展规划
陆军正在计划升级爱国者系统的雷达组件，包括一个新的数字处理器，以取代自该系统推出以来使用的处理器。2017 年，爱国者将获得一种新的有源电子扫描阵列(AESA) 雷达，该雷达具有更大的范围和更清晰的识别能力。基于氮化镓(GaN) 的主有源电子扫描阵列尺寸为 9 英尺 × 13 英尺（2.7 m × 4.0 m），是当前天线的螺栓固定式替换天线，面向主要威胁；新的后面板阵列是主阵列的四分之一大小，让系统可以看到后面和侧面，提供 360 度覆盖。基于氮化镓有源电子扫描阵列雷达的维护成本也降低了 50%。基于氮化镓阵列不是通过多个镜头照射单个发射器，而是使用许多较小的发射器，每个发射器都有自己的控制，增加了灵活性并允许它即使在某些发射器不工作的情况下也能工作。
2017 年 10 月，陆军宣布雷神公司的近层防空导弹防御系统 (LTAMDS) 雷达被选为爱国者系统的新型雷达。与以前的雷达一次只能观察一部分天空主要是为了探测弹道导弹不同，近层防空导弹防御系统具有 360 度覆盖范围，可以探测低空飞行和机动无人机和巡航导弹。该设计有一个大型主阵列，两侧是两个较小的阵列，主面板仍然专注于高空威胁，而侧面板的尺寸是之前雷达组的一半，功率是之前雷达组的两倍，能够检测来自相当的距离。雷神公司获得了一份价值 3.83 亿美元的合同，用于建造 2022 年投入使用的前六个雷达。
图5 AN/MPQ-53雷达
AN/MPQ-53与AN/MPQ-65的区别
AN/MPQ-53/65 雷达组是一种无源电子扫描阵列雷达，配备敌我识别（IFF）、电子对抗 (ECCM) 和导弹跟踪(TVM) 制导子系统。AN/MPQ-53 雷达组支持 PAC-2 单元，而 AN/MPQ-65 雷达组支持 PAC-2 和 PAC-3 单元。这两种雷达的主要区别是增加了第二个行波管(TWT)，它使AN/MPQ−65 雷达增强了搜索、探测和跟踪能力。雷达天线阵列由 5,000 多个元件组成，这些元件每秒“偏转”雷达波束多次。雷达天线阵列还包含一个敌我识别（IFF） 询问器子系统、一个导弹跟踪(TVM)阵列和至少一个“旁瓣消除器”（SLC），这是一个旨在减少可能影响雷达的干扰的小型阵列。爱国者的雷达有点不寻常，因为它是一个“检测到杀伤”系统，这意味着一个单位执行所有搜索、识别、跟踪和交战功能。这与大多数 SAM 系统形成对比，在大多数 SAM 系统中，需要多个不同的雷达来执行检测和打击目标所需的所有功能。
图6 AN/MPQ-53雷达
与移动碟形天线相比，爱国者平面相控阵雷达产生的波束相对较窄且高度灵活。这一特性使雷达能够探测弹道导弹等小型、快速目标，或隐身飞机或巡航导弹等低雷达截面目标。爱国者雷达的强大功能和敏捷性也对反措施具有很强的抵抗力，包括电子对抗措施（ECM）、雷达干扰和雷达告警接收器（RWR）设备的使用。爱国者雷达能够快速改变频率以抵抗干扰。
图7 荷兰爱国者部队的AN/MSQ-104车辆
AN/MSQ-104 交战控制站 (ECS) 是爱国者发射连的神经中枢，每台耗资约 600 万美元。交战控制站包括一个安装在M927 5 吨货车货车或轻型中型战术车辆(LMTV) 货车货车上的掩体。交战控制站的主要子组件是武器控制计算机 (WCC)、数据链路终端 (DLT)、超高频（UHF）通信阵列、路由逻辑无线电接口单元 (RLRIU) 以及作为系统的人机界面。交战控制站装有空调、加压（以抵抗化学/生物攻击）并屏蔽电磁脉冲(EMP) 或其他此类电磁干扰。交战控制站还包含多个SINCGARS无线电以促进语音通信。
武器控制计算机是爱国者系统中的主要计算机，它具有定点和浮点功能的 24 位并行军用计算机。它采用多处理器配置组织，以 6 兆赫的最大时钟速率运行。这台计算机控制操作员界面，计算导弹拦截算法，并提供有限的故障诊断。与现代个人电脑相比，它的处理能力有些有限，尽管它在爱国者服役期间已经升级了几次。
数据链路终端将交战控制站连接到爱国者的发射站。它使用信号无线电或光纤电缆在交战控制站和发射器之间传输加密数据。通过分布式账本技术，系统操作员可以远程安置、回转或收起发射器，对发射器或导弹进行诊断，以及发射导弹。
超高频通信阵列由三个超高频无线电“堆栈”及其相关的修补和加密设备组成。这些无线电连接到OE-349 天线桅杆组的天线，用于在姐妹爱国者电池及其相关的ICC之间创建超高频“镜头”。这创建了一个安全的实时数据网络（称为PADIL，爱国者数据信息链接），使 ICC 能够集中控制其下属的发射电池。
路由逻辑无线电接口单元充当所有进入交战控制站的数据的主要路由器。路由逻辑无线电接口单元在营数据网络上给一个火力连一个地址，并从整个营发送/接收数据。它还将来自武器控制计算机的数据“翻译”到数据链路终端，促进与发射器的通信。
图8 AN/MPQ-53雷达