飛機航路威脅仿真分析

張萌，鄒本振，王朝

(中國電子科技集團公司 第二十九研究所，四川 成都 610036)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，電子對抗貫穿始終，奪取“制電磁權(quán)”就為最終奪取“制信息權(quán)”甚至贏得戰(zhàn)爭創(chuàng)造有利條件。雷達能及時、準確、全面地獲取各種目標信息，是信息獲取和精確制導領域中最重要的裝備[1]，在歷次戰(zhàn)爭中發(fā)揮了重要作用[2]，因此也是對方首先打擊的目標。雷達探測與目標隱身、雷達偵察與反偵察，成為作戰(zhàn)雙方博弈的重點。

作戰(zhàn)飛機在飛行或突防過程中，欲盡可能不被發(fā)現(xiàn)，需要考慮地形、氣象等非軍事威脅以及地面雷達等探測類軍事威脅。若飛機平臺搭載雷達，還需考慮被偵察的威脅，其一可被用于無源定位，直接降低生存幾率；其二雷達自身的技術(shù)參數(shù)可被截獲、積累、分析，成為對方情報資源。

本文提出了一種航路威脅仿真分析方法，考慮飛機平臺雷達散射面積的各向差異性及機載雷達天線的方向性，以直觀的方式展現(xiàn)被探測、被偵察的范圍，對航路的威脅判斷及掩護策略制定有一定輔助作用。

1 雷達探測威脅分析

1.1 雷達方程

根據(jù)雷達方程，雷達對目標的最大探測距離為

(1)

式中:Ns為信號處理增益;Pt為雷達發(fā)射功率;Gt為雷達天線增益;λ為信號波長;σ為目標雷達截面積(radar cross section,RCS);k為玻爾茲曼常數(shù)(1.38×10-23);T0為環(huán)境絕對溫度(290 K)；Δfr為接收機等效噪聲帶寬；Fn為噪聲系數(shù)；(SN)min為雷達的最小檢測信噪比；L為總的損耗，包括系統(tǒng)損耗、大氣衰減、氣象衰減。

1.2 仿真分析

在仿真場景中，藍方部署一地面警戒雷達，對紅方飛機進行探測。雷達發(fā)射功率Pt=25 kW，主瓣增益Gt= 38 dB，Δfr=4 MHz，F(xiàn)n=7 dB，(SN)min=13.2 dB，L=2 dB，Ns=26 dB，方位掃描范圍為全向，工作頻率為1.5 GHz，部署高度10 m；飛機RCS均值約為3.5 m2。

由式(1)可見，探測距離隨目標RCS增大而增大。傳統(tǒng)的雷達探測威脅仿真分析中，RCS往往取的單一估計值，探測包絡是以雷達為中心的一個圓，認為飛機航路處于探測包絡內(nèi)時即被發(fā)現(xiàn)，反之安全，如圖1所示。圖中，飛機RCS取3.5，整段航跡中有少部分處于探測范圍內(nèi)，大部分安全。

實際上，對于飛機，RCS可認為是方位角的函數(shù)，圖2是某飛行器的周向散射圖，可以看出其周向的RCS值有較大的差異[3]。

一般來講，飛機頭部和尾部RCS較小，而側(cè)向RCS較大[4]。在本場景中，紅方飛機各向RCS值見表1。

表1 飛機各向RCS值Table 1 Plane′s RCS from each azimuth angle

在飛行過程中，由于飛機航向的變化，對地面雷達而言目標的RCS也隨之變化，探測距離也發(fā)生改變，比如飛機處于圖1的位置及姿態(tài)時，雷達探測RCS可能明顯大于3.5，此時會被探測到，而非安全狀態(tài)。

為了更客觀地體現(xiàn)雷達探測威脅范圍，本文在仿真分析及態(tài)勢顯示中將探測包絡中心由雷達移至飛機，從“探測”角度轉(zhuǎn)變?yōu)椤氨惶綔y”。在任一航路點上，假設飛機不動，而雷達從各角度對飛機進行探測，根據(jù)式(1)得到被探測包絡，如圖3所示。考慮視距限制時，各方向探測距離取Rmax與視距的較小值。當有多部雷達時，被探測范圍取并集。

可見，此時雷達在被探測包絡內(nèi)，即飛機平臺能被探測，需調(diào)整航路，與圖1結(jié)論相反。相比于傳統(tǒng)方法，本方法能更準確地展示飛機受威脅范圍。

2 雷達偵察威脅分析

相比于地面?zhèn)刹煅b備，機載偵察裝備有更大的視距范圍，應用更廣。目前國外典型的機載偵察裝備包括以色列的“使神450”和“蒼鷺”、英國的“不死鳥”、美國的RC-135[5],EP-3E[6-7]、“全球鷹”[8]等，這些偵察設備能力強、偵察范圍廣，平時可搜集各類情報資源，戰(zhàn)時更可與其他裝備協(xié)作完成任務，在歷次戰(zhàn)爭中起到非常重要的作用。

偵察對抗技術(shù)目前的研究方向可歸納為2點：隱真、示假[9]?！半[真”是通過各種手段，使對方難以接收到輻射源信號，或者即使接收到也難以進行信號分選和識別，主要方法包括專用電子干擾設備[10-11]、低截獲概率[12-14]技術(shù)、信號加密、無源或雙基地體制[15]?！笆炯佟痹趪鴥?nèi)仍處于起步發(fā)展階段，主要是使用假雷達輻射源發(fā)射與真實雷達相近的信號。一類是炮制大量密集信號，使對方電子偵察設備過載;另一類是真假信號交替發(fā)射，甚至加大假信號的輻射時間，做到“真中有假，假中有真”，使電子偵察設備無法判斷雷達輻射源的真實性，或產(chǎn)生錯誤的情報信息。

下面將從“隱真”角度出發(fā)，介紹一種威脅分析方法，以降低暴露威脅。

2.1 偵察方程

在視距條件下，雷達偵察方程為

(2)

式中：Gt′為雷達天線在偵察設備方向上的增益;Gr為偵察接收天線增益;Prmin為接收機靈敏度;Lr為極化、饋線損耗、大氣衰減等各類損耗。Gr,Prmin以及極化、饋線損耗三者可統(tǒng)一考慮成系統(tǒng)靈敏度。

2.2 仿真分析

依據(jù)式(2)，估算各波段雷達(參考國外典型雷達參數(shù))被典型偵察設備進行主、副瓣偵察時得到的偵察距離，無副瓣偵察能力的僅考慮主瓣偵察，結(jié)果如表2所示。

可見，對處于低頻段的雷達(S波段及以下，主要為搜索警戒、預警雷達)而言，其主、副瓣被偵收的距離都比較遠，基本可達視距。由于這些雷達大多為方位全向掃描，功率也較大，很難使其在空域上躲避偵察，開機即被發(fā)現(xiàn)，已暴露的可能性極大，所以預警機的航線威脅分析不在本小節(jié)方法考慮之列。

表2 偵察距離估算表

而對高頻段雷達(X波段及以上，主要為火控、制導雷達)，由于發(fā)射功率較低，雖然主瓣偵察距離仍然較大，但是副瓣偵察距離明顯減小，且該類雷達主瓣掃描覆蓋空域有限，對方大多接收到的為雷達副瓣信號，利用該特點，在平時訓練或演習時合理做好航路規(guī)劃，可有效減少機載火控雷達被偵察發(fā)現(xiàn)的概率。

與第1小節(jié)類似，分析偵察設備對特定高度雷達的偵察范圍時，傳統(tǒng)方法一般以偵察設備為中心，計算對雷達主瓣的最大偵察距離，未考慮隨飛機機動接收到雷達副瓣導致偵察距離收縮的情況。

本文仿真時將偵察范圍中心移至雷達，在此暫稱為偵察暴露區(qū)(指雷達能被偵察設備發(fā)現(xiàn)的區(qū)域，區(qū)別于傳統(tǒng)定義的暴露區(qū))如圖4所示，其中主瓣偵察暴露區(qū)指雷達主瓣掃描區(qū)域能被偵察的范圍，其他為副瓣偵察暴露區(qū)。

下面通過仿真對比2種偵察區(qū)的結(jié)果：場景中，藍方包含一偵察機，紅方包含一機載火控雷達，飛行高度均為 5 000 m。

偵察機參數(shù)如下：

接收天線增益Gr= 30 dB，接收機靈敏度Prmin=-75 dBW，總損耗Lr=3 dB。

雷達參數(shù)如下：

發(fā)射功率Pt=19 kW，主瓣增益Gt=23 dB，掃描范圍為±60°，平均旁瓣增益為-20 dB，工作頻率為15 GHz即λ=0.02 m。

傳統(tǒng)偵察區(qū)如圖5所示，在整個飛機飛行過程中，機載雷達幾乎都處在偵察區(qū)內(nèi)，需調(diào)整航跡。

而以雷達為中心，真實的偵察暴露區(qū)如圖6所示：在較短時間段內(nèi)，偵察機處于主瓣偵察暴露區(qū)，即雷達可被偵察到；大部分航路上偵察機實際處于雷達副瓣覆蓋范圍內(nèi)，且不在副瓣暴露區(qū)中，不足以偵察到雷達，所以航線基本安全，可不作調(diào)整。

可見，以偵察暴露區(qū)的角度進行仿真，指揮員可以更準確、更直觀地判斷所規(guī)劃的飛行軌跡是否合理。

3 威脅結(jié)論分析

對比1,2小節(jié)，可見機頭方向被探測概率小但是被偵察可能性大，而機身兩側(cè)恰好相反，當同時面臨探測威脅及偵察威脅時，情況變得不可調(diào)和。

在以下2個場景中，藍方兵力包含：空中偵察機一架，參數(shù)同2.2節(jié)，飛行高度5 000 m；地面警戒雷達1部，參數(shù)同1.2節(jié)，部署高度10 m。紅方兵力包含：飛機1架，各向RCS數(shù)據(jù)見表1，飛行高度10 000 m；機載火控雷達1部，雷達參數(shù)同2.2節(jié)。

場景1：紅方飛機從側(cè)方經(jīng)過藍方，結(jié)果見圖7。因為偵察機處于紅方雷達副瓣且距離較遠，機載雷達未被偵察到，但載機側(cè)向RCS較大，易被藍方警戒雷達所探測。

場景2：紅方向藍方飛行，結(jié)果見圖8。載機未被藍方警戒雷達探測到，但偵察機處于紅方雷達主瓣偵察暴露區(qū)，機載雷達會被偵察發(fā)現(xiàn)。

在復雜的真實環(huán)境下，合理的航線規(guī)劃能解決部分問題，但不可能保證絕對的安全。在科學、準確的威脅分析基礎上，更需輔助以其他策略，如：處于探測威脅時，可增加遠支或隨隊干擾飛機，對對方雷達進行壓制或欺騙；處于偵察威脅時，可采取“隱真”、“示假”各種手段，如進行功率管理、控制開關(guān)機時間、嚴格執(zhí)行日常/戰(zhàn)時頻譜管控、發(fā)射欺騙信號等；另外，還需與其他作戰(zhàn)力量協(xié)同工作，達到信息共享，并相互掩護。該部分內(nèi)容待進一步深入研究，本文不展開討論。

4 結(jié)束語

本文針對作戰(zhàn)飛機可能遇到的探測威脅及偵察威脅，提出了一種航路威脅仿真分析方法，通過“效能中心轉(zhuǎn)移”，能更準確展示受威脅情況，仿真結(jié)果證明了方法的有效性。威脅分析主要用于輔助指揮員進行航路合理性判斷及籌劃決策，以盡量減少暴露的可能性，該方法已經(jīng)在真實系統(tǒng)中得到應用驗證，展示了一定效果。當然，戰(zhàn)場環(huán)境復雜，飛機要獲得良好的隱蔽效果，還需依賴其他技術(shù)以及合理的戰(zhàn)法應用，電子對抗博弈還將長期進行下去。