大氣波導環(huán)境下的隱身飛機突防方法研究

中國航空規(guī)劃建設發(fā)展有限公司 李建新

北京航空航天大學航空科學與工程學院 莫 松 武旭東

近20年來，沒有哪項航空技術能夠像隱身技術一樣，在軍用航空領域引起如此大的轟動和廣泛的關注，隱身技術已經(jīng)成為航空發(fā)展史上的一個重要里程碑。先進的隱身技術可極大提高飛行器的縱深打擊能力和突破力。隱身飛機對敵方重要目標的大縱深精確打擊，已經(jīng)成為現(xiàn)代立體化戰(zhàn)爭中最重要的作戰(zhàn)手段之一[1-4]。

隱身技術主要包括：隱身外形設計、涂覆吸波材料、有源/無源對消和干擾技術。隨著現(xiàn)代隱身技術的發(fā)展，反隱身技術也越來越受到重視，雷達防御系統(tǒng)日益完備，極大地削弱了隱身技術給隱身飛機帶來的優(yōu)勢。飛機自身的電磁散射強度不能無限降低，單純依靠現(xiàn)有的這些隱身技術手段，已不能完全滿足其作戰(zhàn)需求[3]。因此，必需另辟蹊徑，利用雷達防御系統(tǒng)自身存在的缺陷，尋求一種新的隱身突防途徑[2]。

隱身飛機在執(zhí)行突防任務時，采用的飛行路線對其生存能力和作戰(zhàn)效能也有著較大的影響。本文提出的基于大氣波導現(xiàn)象的隱身飛機突防新方法，正是要尋找防空雷達系統(tǒng)的探測死角和盲區(qū)，制定一條合理的隱身突防路線，使得隱身飛機能夠更好地發(fā)揮其低可探測性特點，完成縱深打擊任務。

1 大氣波導現(xiàn)象介紹及其軍事價值

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中幾次遠程空中打擊的成功戰(zhàn)例，大多是突襲一方充分利用對方防空雷達的防御空隙，精確規(guī)劃飛行航路的結(jié)果。但是隨著防空雷達體系的日趨完善，特別是預警機、機動雷達站、補防雷達和分布式雷達系統(tǒng)的應用，使得進攻方往往難以找到安全的突防路線[4]。眾所周知，電磁波的傳播會受到氣候和地理因素的影響。因此，大氣溫度、濕度、地形遮蔽、地球曲率等都會改變雷達的探測能力。設計再嚴密的防空系統(tǒng)，在實際運用中都會不可避免地受到這些外界環(huán)境因素的影響[2,5-7]。本章將對大氣波導這種異常天氣現(xiàn)象進行介紹，闡述其對雷達系統(tǒng)的影響和潛藏的巨大軍事價值。

1.1 大氣波導現(xiàn)象

電磁波在大氣中傳播時，不但會受到氣體分子和氣溶膠粒子的吸收、散射所造成的衰減影響，還會受大氣折射影響。其中，負折射、超折射和陷獲折射等異常折射均會造成電磁波的異常傳播現(xiàn)象。當電磁波遇到逆溫或大氣密度隨高度急劇減小的空氣層（陷獲層）時，部分電波輻射會被限制在一個空氣層內(nèi)傳播，稱為超折射傳播，定義這種現(xiàn)象為電磁波的大氣波導傳播現(xiàn)象，而該空氣層稱為波導層[5-6]。例如，預警機對于突防飛行器的威脅極大，但是由于大氣波導的存在，預警雷達發(fā)出的很大一部分電磁波都會被限制在一定高度之內(nèi)，而在這個高度層之上會出現(xiàn)大面積電磁“真空”區(qū)域，成為盲區(qū)，使突防飛行成為可能。

常見的大氣波導現(xiàn)象根據(jù)大氣折射率的變化規(guī)律不同，分為蒸發(fā)波導和表面波導，其中當存在上升氣流時，表面波導還會變成波導層整體提高的抬升波導。不同類型波導的高度不同，海面上最常見的蒸發(fā)波導的出現(xiàn)高度通常在5～30m，而表面波導的高度為100～200m，抬升波導則能將波導層整體抬高到400m以上[7]。

1.2 大氣波導現(xiàn)象造成的雷達探測盲區(qū)

只要防空雷達發(fā)射的電磁波束滿足一定的陷獲頻率和陷獲角要求，在大氣波導環(huán)境下，就會有較大一部分雷達輻射能量被陷獲在波導層中，同時在陷獲層上空出現(xiàn)能量空缺區(qū)域，從而形成了雷達探測盲區(qū)[7-9]。例如在表面波導情況下，會在雷達探測區(qū)域中波導層高度之上一定區(qū)域形成損耗較大的區(qū)域，通常定義為頂空盲區(qū)，盲區(qū)中會形成楔形損耗區(qū)域，即雷達孔（Radar Hole）。此外，被陷獲的雷達電磁波在大氣波導層內(nèi)跳躍傳播，又會形成跳躍盲區(qū)[8]。本文將主要探討雷達頂空盲區(qū)的應用，如圖1所示。

圖1 大氣波導條件下雷達探測頂空盲區(qū)Fig.1 Top blind area in atmospheric ducts environments

1.3 大氣波導盲區(qū)的軍事價值

目前，國內(nèi)外學者對大氣波導現(xiàn)象及大氣波導條件下雷達電磁盲區(qū)現(xiàn)象的特點、分布特征以及出現(xiàn)時間進行了研究，可以總結(jié)得出以下幾個重要結(jié)論[5-8]：（1）最容易受波導影響而形成波導傳播的電磁波是分米波（頻率0.3～3GHz）和厘米波（頻率3～30GHz）。防空網(wǎng)中常見的探測雷達工作頻段為X、C以及S波段，都在分米波和厘米波范圍內(nèi)，較易受大氣波導影響并形成波導條件下的雷達探測盲區(qū)，為利用探測盲區(qū)進行突防提供了可能性。（2）國外研究機構(gòu)利用世界范圍無線電觀測站資料對全球海域進行大氣波導發(fā)生規(guī)律的統(tǒng)計表明，表面波導的世界平均發(fā)生概率約為15%，而波斯灣海域的表面波導發(fā)生概率高達50%，蒸發(fā)波導由于其形成機制的特殊性，幾乎能夠存在于任何海域的任何時間。同時，國內(nèi)相關機構(gòu)通過對東南沿海觀察發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定的大氣波導存在的時間長度為幾小時至一天。大氣波導現(xiàn)象發(fā)生概率高及持續(xù)時間長的特點，使得利用大氣波導條件下的雷達探測盲區(qū)進行突防的戰(zhàn)術策略，具備了真正的軍事應用價值。（3）通過理論計算發(fā)現(xiàn)，大氣波導條件下的雷達探測盲區(qū)縱深可達幾十公里，國內(nèi)學者同時也指出，出現(xiàn)在大氣波導頂部上方的大面積雷達探測盲區(qū)，具有非常重要的軍事應用價值。

綜上所述，在大氣波導條件下，雷達探測區(qū)域會出現(xiàn)大面積、長時間的探測盲區(qū)，為突防飛機利用盲區(qū)進行突防提供了條件。雷達的探測盲區(qū)是防御系統(tǒng)的薄弱部位，但卻是突防飛行器躲避雷達探測威脅，實施突防的最佳路徑。2010年10月，俄羅斯蘇-27飛機就曾有效利用在美小鷹號航母上空出現(xiàn)的大氣波導所造成的電磁盲區(qū)逼近飛行，對美小鷹號航母進行多次偵察拍照，而美小鷹號航母的宙斯盾雷達電子系統(tǒng)卻無法偵測到蘇-27飛機，甚至肉眼可見的情況下，其電子系統(tǒng)都無法找到目標[2]。

2 基于大氣波導現(xiàn)象的突防研究

要利用大氣波導現(xiàn)象進行突防，就要建立起從大氣波導預測到盲區(qū)分布計算的一整套信息獲取和處理體系，并結(jié)合一定的突防航跡規(guī)劃方法，在盲區(qū)中找到合理的穿越路線。

2.1 大氣波導盲區(qū)的軍事價值

利用大氣波導盲區(qū)進行突防，首先必須測量出突防區(qū)域的波導分布情況及其出現(xiàn)的高度。目前，國內(nèi)外的大氣波導預測預報方法包括兩類[6]：（1）直接測量方法。利用無線電探空儀等設備，直接測量大氣的溫度、濕度以及氣壓來獲取大氣折射率剖面，從而對大氣波導現(xiàn)象進行預測。（2）雷達回波反演技術。根據(jù)雷達探測回波判斷大氣波導，并采用快速、準確的反演算法（例如，神經(jīng)網(wǎng)絡、最小二乘支持向量機等）建立反演模型，反演計算出大氣折射率的主要參數(shù)。最后，利用微波折射儀或氣象傳感器測量從地面向上一定高度范圍內(nèi)的大氣折射率，繪制大氣折射率的垂直廓線，與反演結(jié)果進行對比，并進一步修正反演模型和算法，最終實現(xiàn)對大氣波導預報。

2.2 大氣波導環(huán)境下雷達波傳播模型

已知了突防區(qū)域的大氣波導情況，接下來就需要計算該大氣波導環(huán)境下，雷達電磁波傳播衰減情況，進而可以得到探測區(qū)域中的威脅分布，為后續(xù)雷達探測區(qū)域建模提供數(shù)據(jù)。

近幾年，美國、俄羅斯等軍事強國以及國內(nèi)的多家單位的許多學者都針對大氣波導環(huán)境中的電磁波傳播模型及理論開展了深入研究[5-7]。目前被廣泛用于解決大氣波導環(huán)境中電磁波傳播計算問題的方法為拋物方程法（PE），該方法穩(wěn)定性好，計算快速準確。另外，由Barrios A.E提出了APM（Advanced Propagation Model）計算模型，比單一的PE模型運行更快，而且精度可以和PE媲美[5]。同時，國內(nèi)外已開發(fā)出多套高效的雷達電磁波傳播計算軟件，例如，美國海軍開發(fā)的AREPS軟件[8]。

獲得大氣波導分布的相關數(shù)據(jù)之后，就可以通過以上電磁傳播模型計算電磁波在大氣波導條件下的傳播衰減情況，然后與雷達獲取目標的信號強度門限值比較，得到每部雷達的探測區(qū)域，進而得到整個突防區(qū)域中的威脅分布。同時，也就獲得了雷達探測盲區(qū)的分布，進而可以進行分析和利用。

例如，蒸發(fā)波導條件下雷達的電磁傳播情況，可將其抽象為圖2中的形式，其中波導層頂層的綠色和淺藍色區(qū)域即為從波導層中逃逸出來的電磁波，這個區(qū)域的電磁波衰減較大，強度明顯低于波導層內(nèi)跳躍傳播的電磁波和未被陷獲的電磁波（如圖中的藍色區(qū)域）。

圖2 頂空盲區(qū)抽象圖Fig.2 Abstract graph of top blind area

為了使得突防過程具有更好的隱蔽性，飛機在頂層盲區(qū)中飛行時，還需要盡量避開泄漏的電磁波。而不同目標散射特性的飛機，盲區(qū)中泄漏的電磁波對其影響也會不同，如圖3所示，具有一定隱身性能的飛機在頂層盲區(qū)中將獲得更多的飛行空間。

圖3 目標散射特性對盲區(qū)的影響Fig.3 In fluences of RCS to blind area

顯然，隱身飛機結(jié)合其自身的隱蔽性優(yōu)勢，就能利用頂層盲區(qū)，在敵方的防空雷達體系中找到一條安全可行的通道，如圖4所示。

2.3 大氣波導環(huán)境下的突防規(guī)劃方法研究

圖4 利用波導盲區(qū)進行隱身突防的示意圖Fig.4 Stealth penetration taking advantage of atm ospheric ducts blind area

已知整個突防區(qū)域中的可飛行區(qū)域，問題就回到了航跡規(guī)劃上來，即要在可行區(qū)域中找到一條合適的飛行路徑，避開敵方雷達的探測[9-10]。飛機航路規(guī)劃的方法眾多，下面以基于人工勢場的航跡規(guī)劃方法為例，簡要介紹隱身無人機利用大氣波導現(xiàn)象進行突防規(guī)劃的方法構(gòu)架。人工勢場方法是由Khatib等提出的一種虛擬方法[11]，被廣泛應用于機器人的路徑規(guī)劃，其基本思想是將機器人在環(huán)境中的運動視為一種在虛擬人工受力場中的運動，障礙物對機器人產(chǎn)生斥力，目標點產(chǎn)生引力，引力和斥力的合力控制機器人的運動方向。場可形象描述出環(huán)境對運動物體的作用與約束，與突防飛機面對的防空雷達網(wǎng)威脅環(huán)境具有類似性[12]。因此，人工勢場方法適合對隱身無人機的突防作戰(zhàn)環(huán)境進行描述和建模。而關鍵問題就是構(gòu)建威脅區(qū)域中各部雷達的人工勢場模型。該模型要能夠反映出頂層盲區(qū)及其構(gòu)成，最終合理抽象出人工勢場建模所需的“障礙物”邊界和“障礙物”影響范圍，如圖5所示。

此外，由于防空雷達體系是以一個聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)的，因此還必須對各部雷達的信息融合情況進行建模，即建立聯(lián)網(wǎng)雷達的人工勢場模型?；谝陨夏Ｐ?，就可以利用人工勢場方法生成滿足要求的突防航跡。圖6即為本文提出的大氣波導環(huán)境下基于人工勢場方法的突防規(guī)劃方法構(gòu)架。

2.4 應用前景展望

美國洛克希德·馬丁公司的ESAI（Expanded Situational Awareness Insertion）計劃，就旨在為突防飛機提供一種在線實時路徑規(guī)劃系統(tǒng)， 綜合戰(zhàn)場的實時勢態(tài)，敵防空系統(tǒng)信息和飛機自身的信號特點，在執(zhí)行任務的過程中實時生成一條建議的飛行通道。只要在這套系統(tǒng)中加入上節(jié)所述的突防規(guī)劃系統(tǒng)，就能夠幫助飛行員利用大氣波導盲區(qū)選擇更為安全的飛行路徑。

圖5 雷達探測區(qū)域的人工勢場模型Fig.5 Artificial potential field model of radar detect area

圖6 突防方法構(gòu)架圖Fig.6 Penetration m ethod model

早在80年代初，美國的基恩·亞當就提出了大座艙顯示系統(tǒng)的概念。如今這個概念已經(jīng)在F-35 的頭盔顯示系統(tǒng)中得到應用，可以綜合已存儲的數(shù)據(jù)和實時遙感數(shù)據(jù)和圖像，顯示前方敵雷達防御的虛擬影像。采用微波指示技術，將探測盲區(qū)信息及時提供給飛行員，也將具有非常大的實戰(zhàn)價值。

3 結(jié)論

大氣波導現(xiàn)象會對防空雷達網(wǎng)的探測范圍造成很大影響。借助大氣波導預測技術，可以計算出突防區(qū)域中頂層盲區(qū)的分布。結(jié)合隱身飛機優(yōu)異的隱蔽性，充分利用這些大面積盲區(qū)，就能夠在日趨嚴密的防空雷達區(qū)域中完成縱深打擊任務。這也為我國未來隱身技術的發(fā)展提供了一條新思路。

[1] 朱華邦,杜娟. 四大威脅環(huán)境下雷達生存與對抗技術淺析.飛航導彈, 2005(1):61-64.

[2] 戎華，曲曉飛,高東華. 大氣波導對電子系統(tǒng)作戰(zhàn)性能的影響. 現(xiàn)代雷達, 2005 27(2):15-18.

[3] 張考,馬東立.軍用飛行器生存力與隱身設計. 北京：國防工業(yè)出版社, 2002:12-34.

[4] 王小謨,張光義. 雷達與探測——信息化戰(zhàn)爭的火眼金睛.北京：國防工業(yè)出版社,2008:264-269.

[5] 趙小龍. 電磁波在大氣波導環(huán)境中的傳播特性及其應用研究[D].西安：西安電子科技大學,2008：32-39.

[6] 韓星星. 雷達海雜波反演海面大氣波導的研究[D].西安：西安電子科技大學, 2009:40-44.

[7] 藺發(fā)軍,劉成國,成思,等.海上大氣波導的統(tǒng)計分析.電波科學學報，2006, 20(1):64-68.

[8] Patterson W. L. Engineer's refractive effect prediction system (EREPS), San Diego: Naval Command Control and Ocean Surveillance Center, 1994:32-36.

[9] Pierre T,Kabamba, Semyon M,et al.Optimal path planning for unmanned combat aerial vehicles to defeatradar tracking. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2006, 29(2):279-288.

[10] Norbert J.Karczewsk i III.Op tim a l aircraft routing in a constrained path-dependent environment[D].Monterey:Naval Postgraduate School,2007:63-68.

[11] Frank W, Moore. Radar cross-section via route planning and intelligent control.IEEE Transactions on Control Systems Technology,2002,10(5): 696-700.

[12] 彭建亮,孫秀霞,蔡滿意,等.基于人工勢場的防空威脅建模與仿真.系統(tǒng)工程與電子技術，2010, 32(2):338-409.