摘 要:现代电子战争中,舷外有源诱饵干扰是对抗弹载雷达的有效手段之一。首先介绍了舷外有源诱饵的干扰原理,为了证明舷外有源诱饵的有效性,采用主/被动复合制导的反舰导弹进行对抗实验。实验中为了仿真反舰导弹从搜寻目标到跟踪、击中目标这一全过程,建立了作战环境模型和弹载雷达信号处理模型,将仿真结果输入仿真评估模型对反舰导弹在整个对抗过程中的性能进行评估。评估结果表明,在弹载雷达采用主/被动复合制导的情况下,舷外有源诱饵依然能很好地对反舰导弹导引头进行欺骗。关键词:悬停式诱饵; 复合制导; 反舰导弹; 电子对抗
中图分类号:TN972-34文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)21-0061-04
Operational Application Method of Outboard Active Decoy Interference
XU Zheng1, WANG Qiang2, YU Yong2, XU Dong-liang2
(1. School of Electronic Information, Jiangsu Science and Technology University, Zhenjiang 212003, China;
2. The 723 Institute of SCI, Yangzhou 225001, China)
Abstract: In modern electronic warfare, the outboard active decoy jamming against missile radar is an effective measure. The principle of outboard active decoy interference is introduced. The anti-ship missile with active/passive combined guidance was adopted in an ECM experiment to prove the validity of outboard active decoy jamming. A combat environment model and missile radar signal processing model were established, to simulate the whole attack process (target search, tracking and hiting) of anti-ship missiles in the experiment. The simulation result is input into the simulation assessment model to evaluation the performance of anti-ship missile in the whole attack process. The evaluation results show that the outboard active decoy can successfully deceive the anti-ship missile seeker and the missile radar with active/passive combined guidance.
Keywords: suspend decoy; combined guidance; antiship missile; ECM
收稿日期:2010-05-31
0 引 言
反舰导弹已成为现代海战的主要攻击武器,实施对反舰导弹的电子干扰,已成为舰船电子对抗的主要内容。如今的导弹大多采用多模复合制导技术,在各种复合制导技术中,主/被动复合制导模式是最佳复合制导形式之一。反舰导弹弹载主动雷达的主要任务是目标回波检测、目标参数测量和目标跟踪。被动雷达则是利用自由空间中的电磁辐射信号来对感兴趣的目标辐射源进行方位测量和跟踪。主/被动复合制导在性能上能更好地发挥各自的优点。
现代反舰导弹正向着高速度、复合精确的制导方向发展,传统的反射体、箔条干扰技术的效果有限,为有效防御反舰导弹的攻击,国外海军自20世纪90年代起就十分重视发展舷外有源干扰技术,典型的装备有美海军的AN/SSQ-95(V)有源电子诱饵等[1]。舷外有源干扰是利用悬停、拖曳、漂浮式假目标或有源电子干扰对反舰导弹末制导系统实施的干扰,该干扰技术的应用特点是降低了对防御平台的限制,可以综合配置干扰设备,使干扰方式多样化、灵活化、综合化。本文主要介绍了悬停式雷达有源诱饵。
1 悬停式诱饵组成和干扰原理
悬停式带伞有源干扰是一种装有相当完善干扰装置的诱饵弹,它可从箔条发射器发射,发射后悬挂在展开的翼伞下,诱饵弹上自主雷达干扰机接收反舰导弹的雷达信号,然后发射干扰信号,逐步引诱反舰导弹偏离舰艇飞向诱饵弹。这种悬停式有源假目标干扰设备必须依赖降落伞,因此,留空时间受气象条件影响较大,使用时对气象条件要求较高[2]。
悬停式有源雷达诱饵的最大特点是能主动发射电磁波,用主动施放的干扰能量来描述诱饵的雷达截面积,通过放大和转发敌方雷达的信号,与水面舰艇的真实回波信号共同作用来完成导弹诱骗。干扰作用的机理与箔条质心干扰的作用原理基本相同[3]。
如图1,雷达信号经舰船反射后的回波信号功率为:
Pm=PtG2tλ2σ(4π)3R4
(1)
式中:Pt为雷达的脉冲功率;Gt为发射/接收天线增益(假设收发共用一天线);λ为雷达工作波长;σ为目标的瞬时RCS;R为弹目距离。
图1 舰艇、诱饵、导弹空间关系图
悬停式诱饵截获的雷达信号功率如大于诱饵系统的灵敏度,则对雷达信号进行放大、调制,然后转发。此时诱饵可采用“应答式”(恒功率应答体制)和“转发式”(恒增益转发体制)这两种干扰体制。在应答工作模式下,干扰机的输出功率是常量,不像转发模式下功率随弹目距离的变化而改变。文中采用恒功率系统,由图1可得雷达收到的诱饵干扰功率为:
Pds=PjGtλ2(4πR′)2(2)
式中:Pj为有源诱饵的发射功率;R′为诱饵与导弹之间的距离。此时干扰压制系数k为:
k=Pds/Pm
(3)
2 作战环境模型
2.1 目标散射模型[4]
雷达照射的目标可能会由一个主要反射体加多个小反射体组成,此类目标回波幅度起伏服从Swerling Ⅲ分布。假设弹载雷达照射的目标反射面积随机变量为x,其概率密度函数为:
f(x)=4xS2exp-2xS, x≥0(4)
式中:S为目标RCS均值。
用逆变换法产生随机变量,则随机变量x与均匀分布随机变量y的关系为:
y=1-1+2xSe-2xS(5)
2.2 海杂波功率模型[5]
在反舰导弹的制导攻击过程中,海杂波对末制导主动雷达的影响不容忽视。大量研究表明,海杂波的强度与俯角、波长、极化、海情、风等诸多因素有密切关系。海面回波是一种随机信号。海杂波幅度起伏服从Weibull分布,其概率密度函数为:
f(x)=abxba-1exp-xba, x≥0(6)
式中:a为Weibull分布形状参数;b为幅度参数。
假设x是海面有效反射面积的随机变量,用逆变换法产生随机变量,则x与均匀分布随机变量y的关系为:
x=b•[-In(1-y)]1a(7)
综上所述,雷达接收海面回波的功率为:
Pc=PtGtGrλ2S(4π)3R4(8)
式中:Pt为主动雷达发射功率; Gt为主动雷达天线发射增益;Gr为主动雷达天线接收增益;S为海面有效反射面积。
3 弹载雷达信号处理模型
弹载主动雷达开机后自动进入搜索状态,此时弹载主动雷达在搜索范围内是否有目标存在,有则取信噪比最大的作为待跟踪目标,随后转入跟踪处理状态;否则继续搜索。弹载被动雷达计算被动雷达空域覆盖范围和频域覆盖范围内的所有辐射源信号,经过目标的分选和威胁识别后,将选择威胁最大的目标作为待跟踪目标,然后进入截获转跟踪状态[6]。
3.1 检测判决模型[7]
综合回波信噪比可以由下面的公式计算:
SNR=PsPn+Pc+Pj
(9)
式中:Ps为目标回波信号功率;Pn为接收机内部噪声功率;Pc为海杂波功率;Pj为有源噪声干扰功率。
检测概率[8]:
目标检测概率PD可以由下面的公式近似计算:
PD=0.5×erfc(-InPfa-SNR+0.5)(10)
erfc(z)=1-2π∫z0exp(-v2)dv
(11)
式中:Pfa为虚警概率;SNR为信噪比;erfc(z)为互补误差函数。
蒙特卡洛目标检测方法见参考文献[7]。
3.2 主被动数据融合模型[9]
在反舰导弹的末制导阶段,当主被动雷达能稳定跟踪目标时,将主被动雷达的观测信息送入融合中心,采用基于最近邻的最小方差数据融合算法进行目标关联,之后将融合器的融合信息送入制导模块进行制导;如果主动雷达受到干扰,无法获得目标数据时,则在融合器中进行目标参数预测,用预测值与被动雷达观测值进行关联;反之,被动雷达如未发现目标,则将目标参数预测值与主动雷达观测值进行关联;如果主被动雷达均未能发现目标,则制导模块直接使用融合器输出的目标参数预测值进行制导。
3.3 反舰导弹性能评估[10]
导弹落点准确度是反映导弹落点靠近目标中心程度的指标,由式(12)可得:
mR=∑Ntotali=1RiNtotal,i=1,2,…,Ntotal(12)
式中:Ri是第i个落点相对目标中心的距离;Ntotal是蒙特卡罗仿真次数。
导弹落点密集度σR是对所有Ri进行统计后得到的标准差。
σR=∑Ntotali=1(Ri-mR)2Ntotal,
i=1,2,…,Ntotal
(13)
导弹落点越靠近目标中心,落点越密集,其效果越好。同理可求得落点在x轴和y轴上的准确度和密集度mx,my,σx,σy。
导弹的飞行稳定性可以用导弹转弯角速率均值和方差来衡量。
导弹转弯角速率均值mφ可由式(14)来计算:
mφ=1NtotalM∑Ntotali=1∑Mj=1φi,j,
i=1,2,…,Ntotal; j=1,2,…,M(14)
导弹转弯角速率方差σφ可由式(15)来计算:
σφ=1NtotalM∑Ntotali=1∑Mj=1φi,j-mφ2,
i=1,2,…,Ntotal;j=1,2,…,M
(15)
式中:Ntotal为蒙特卡罗仿真次数;M为转弯次数;φi,j为第i次仿真中第j次转弯的角速率值。导弹转弯角速率均值和方差越大,则说明飞行越不稳定,干扰效果越好。
导弹的单发命中概率等于弹着点在散布平面上概率密度函数的积分,其概率密度函数为:
f(x,y)=12πσxσye-12(x-mx)2σ2x+(y-my)2σ2y(16)
则单发导弹的命中概率为:
p = Rf(x,y)dxdy
式中:R为导弹杀伤半径。
4 计算机仿真
作战采用大地坐标系,反舰导弹掠海飞行,假设整个对抗过程在二维海平面上,在距攻击目标10 km处主动雷达开启,弹载主动雷达脉冲宽度为2 μs,工作波长为2 cm,工作频率为15 GHz,半功率波宽为3°,发射信号功率为30 kW,天线增益为30 dB。另外导弹飞行速度为300 m/s,惯导攻击距离为300 m,杀伤半径为20 m,比例导引系数为3.3,最大偏转角速度为20°/s,主动雷达测距精度为20 m,测角精度为0.1°,被动雷达测角精度为1°。以舰船所在海平面正东方向为x轴作为参考方向,正北为y轴,逆时针旋转为正,设导弹初始坐标为(-6 000,-8 000),航向为40°,舰艇初始坐标为(100,100),航速10 m/s,航向为140°,悬停式诱饵的发射距离为100 m,角度为290°,诱饵发射到指定距离后开始工作,假设这一过程花费时间为3 s,舰艇沿原方向继续航行。仿真次数为50次。
反舰导弹攻击舰船航迹图见图2,其中x代表海平面上以舰船为参考点的正东方向,y则代表正北方向。
图2 有源诱饵防御反舰导弹航迹图
图2中标示了单次对抗中导弹、舰船、诱饵在二维海平面上的航迹。
图3为50次蒙特卡罗仿真的导弹弹着点图,红色为导弹弹着点,蓝色(圆圈)为舰船目标。
图3 反舰导弹弹着点图
图3显示了仿真结束时弹着点与舰船目标之间的二维距离,由图3中导弹的弹着点可看出,悬停式舷外有源诱饵可以很好地对反舰导弹进行诱骗。
表1是仿真指标评估结果,表格中所用数据长度取50次蒙特卡罗仿真中最短的。
表1 仿真指标评估结果
指标名称评估值
弹着点准确度880.06 m
弹着点密集度661.98 m
转弯角速率均值3.271 m/s
转弯角速率方差16.869 m/s
单发命中概率0.002 955 1
5 结 语
舷外有源诱饵是一种非常有效的干扰方式,效果十分显著。文中对有源诱饵诱骗反舰导弹这一过程进行了计算机仿真,需要注意的是,在实际应用中需合理选择诱饵发射的距离和方位角,使舰艇、诱饵、导弹之间形成“三角态势”。
参考文献
[1]张远新,江言林.反舰导弹抗干扰技术发展和运用[J].飞航导弹,2008(8):34-36.
[2]任智敏,王烨,李云峰.舰载舷外雷达诱饵布放可行性方案[J].四川兵工学报,2008,29(5):28-35.
[3]张兴华,陈国冲,李东海.反导训练用有源诱饵的设计[J].舰船电子对抗,2009,32(4):25-27.
[4]焦彦华,吴京,徐晖.主被动复合制导雷达的仿真和性能评估[J].弹箭与制导学报,2005,25(1):325-328.
[5]曹亚峰.主被动雷达制导系统仿真与评估[D].西安:西安电子科技大学,2009.
[6]刘军,李尚生,赵腊,等.反舰导弹末制导雷达电子对抗系统仿真研究[J].电子测试,2009(5):17-21.
[7]王国玉,肖顺平,汪连栋.电子系统建模仿真与评估[M].长沙:国防科技大学出版社,1999.
[8]邱鹏宇.反舰导弹复合导引头抗干扰性能仿真研究[D].长沙:国防科技大学,2005.
[9]郭文彦,周军,卢晓东.导弹末制导中的目标机动估计[J].火力与指挥控制,2008,33(11):77-80.
[10]陈长海.反舰雷达导引头建模与仿真研究[D].西安:西安电子科技大学,2009.