基于周期判別的反輻射無人機(jī)抗同步閃爍誘偏方法

潘 奎，許鵬程，姜 珂，朱桂清，李陸軍

（1.空軍預(yù)警學(xué)院雷達(dá)士官學(xué)校，武漢 430019；2.解放軍95174 部隊(duì)，武漢 430040；3.解放軍61764 部隊(duì)，海南 三亞 572013）

0 引言

反輻射無人機(jī)是電子戰(zhàn)中的一種重要硬殺傷武器，其利用反輻射導(dǎo)引頭對(duì)接收到的輻射源信號(hào)進(jìn)行識(shí)別、分選，實(shí)時(shí)檢測(cè)無人機(jī)與目標(biāo)輻射源的角度偏差信號(hào)，形成控制指令，引導(dǎo)無人機(jī)飛向目標(biāo)并最終摧毀目標(biāo)［1］。為應(yīng)對(duì)反輻射武器的威脅，可在雷達(dá)附近部署有源誘餌，誘餌輻射信號(hào)與雷達(dá)信號(hào)在時(shí)域、空域、頻域、能量域、碼域、極化域中相近甚至重合［2］。而閃爍誘餌比恒功率誘餌更能對(duì)單脈沖雷達(dá)導(dǎo)引頭實(shí)施有效的角度欺騙，達(dá)到顯著的誘偏效果［3］。反輻射抗誘餌技術(shù)本質(zhì)是從以上幾個(gè)維度尋找雷達(dá)與誘餌以及誘餌間的不同，并從中識(shí)別雷達(dá)和誘餌。本文結(jié)合反輻射無人機(jī)與誘餌作戰(zhàn)特點(diǎn)，提出基于導(dǎo)引頭測(cè)向偏差角來判別閃爍周期，進(jìn)而分選出某一部誘餌進(jìn)行攻擊的方法。

1 誘餌系統(tǒng)同步閃爍誘偏機(jī)理分析

實(shí)際應(yīng)用中，考慮到誘偏效果、誘餌安全以及成本等因素，有源誘餌的個(gè)數(shù)以3 個(gè)為宜，即誘偏系統(tǒng)由1 部被保護(hù)雷達(dá)和3 個(gè)有源誘餌組成［4-5］。雷達(dá)誘餌通過有線方式接收雷達(dá)激勵(lì)信號(hào)及模式轉(zhuǎn)變信號(hào)，產(chǎn)生時(shí)間可控的激勵(lì)信號(hào)。雷達(dá)誘餌輻射出與雷達(dá)相同誘餌信號(hào)，并能與雷達(dá)保持同步模式［6］。通過控制雷達(dá)誘餌信號(hào)的發(fā)射時(shí)序，可以使雷達(dá)誘餌工作在同步閃爍模式，如圖1 所示，誘餌間存在嚴(yán)格的時(shí)間同步關(guān)系，為確保雷達(dá)絕對(duì)安全，在任一時(shí)刻，每部誘餌信號(hào)前后沿都始終“包裹”雷達(dá)信號(hào)同步輻射［7］。同時(shí)，三誘餌信號(hào)按照時(shí)間間隔 的時(shí)序依次交替靠前，靠前時(shí)間通常為微秒級(jí)。

圖1 雷達(dá)誘餌的閃爍時(shí)序圖

導(dǎo)引頭大多采用脈沖前沿采樣跟蹤體制［8］，該體制導(dǎo)引頭將對(duì)脈沖靠前的誘餌信號(hào)進(jìn)行采樣處理。在閃爍模式下，前沿采樣體制導(dǎo)引頭只能對(duì)最先到達(dá)的誘餌信號(hào)進(jìn)行采樣處理，下一部誘餌信號(hào)靠前到達(dá)導(dǎo)引頭之前，導(dǎo)引頭測(cè)向誤差角數(shù)據(jù)為上一部誘餌角度數(shù)據(jù)。三誘餌交替靠前閃爍方式可以等效為三誘餌源周期性地交替發(fā)射誘偏信號(hào)，如圖2 所示，在任意時(shí)刻可認(rèn)為只有一個(gè)誘餌輻射信號(hào)，其他誘餌信號(hào)處于信號(hào)發(fā)射間歇期，即不發(fā)射信號(hào)。誘餌間交替靠前時(shí)間間隔為，三部誘餌完成一次交替靠前的時(shí)間為T=3 ，它也是誘餌系統(tǒng)的閃爍周期。

圖2 誘餌同步閃爍時(shí)序簡(jiǎn)化圖

假設(shè)t=0 時(shí)刻，雷達(dá)誘餌開始工作，其閃爍時(shí)序?yàn)椋?/p>

其中，k=0，1，2，…，n，T=3 。

從式（1）可以看出，不同時(shí)間段，導(dǎo)引頭將受到3 部誘餌信號(hào)交替誘偏影響，經(jīng)過一個(gè)周期T 后，又按照交替時(shí)序發(fā)射誘偏信號(hào)。

2 導(dǎo)引頭對(duì)誘餌的測(cè)角分析

比相體制導(dǎo)引頭使用5 個(gè)天線陣元構(gòu)成相互垂直的兩對(duì)干涉儀天線，分別位于導(dǎo)引頭天線陣的方位面和俯仰面，其空間位置如圖3 所示，陣元天線在同一平面且呈長(zhǎng)短基線分布。

圖3 干涉儀天線空間位置及角度關(guān)系示意圖

θx、θy和θz為目標(biāo)視線（目標(biāo)M 與天線C0的連線）與Xp、Yp和Zp軸夾角。那么，目標(biāo)來波方向在天線陣水平面OXPZP的投影OE 與天線橫軸的夾角α為方位面偏差角。目標(biāo)來波方向在天線陣俯仰面OYPZP上投影OD 與OP 的夾角β 為俯仰面偏差角。

雷達(dá)來波方向與俯仰面、方位面天線子陣基線夾角分別為［9］

那么，目標(biāo)雷達(dá)來波方向與天線軸線OXP的夾角θx：

飛控系統(tǒng)根據(jù)偏差角數(shù)據(jù)，引導(dǎo)無人機(jī)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行橫向和縱向跟蹤。但導(dǎo)引頭存在視場(chǎng)角Δθ 范圍限制，隨著無人機(jī)不斷逼近誘偏系統(tǒng)，誘餌可能脫離導(dǎo)引頭視場(chǎng)范圍。如圖4 所示，ARUAV 在對(duì)閃爍誘餌的攻擊過程中，無人機(jī)航跡隨著誘餌閃爍不斷修正航向，當(dāng)俯沖攻擊到某一高度點(diǎn)，某一閃爍誘餌脫離導(dǎo)引頭的視場(chǎng)，失去誘偏功能，視場(chǎng)角內(nèi)剩下一個(gè)雷達(dá)誘餌。最后一個(gè)閃爍誘餌存在閃爍信號(hào)間歇期，加上無人機(jī)航向角改變而脫離導(dǎo)引頭視場(chǎng)。在攻擊階段末段，ARUAV 可能出現(xiàn)視場(chǎng)范圍內(nèi)的無閃爍誘餌信號(hào)，最終按照最后一次測(cè)角數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記憶攻擊。

圖4 無人機(jī)攻擊多閃爍誘餌航跡示意圖

因此，在分析誘餌誘偏影響中，還需考慮誘餌在tk是否在導(dǎo)引頭視場(chǎng)范圍內(nèi)。判定臨界條件為［10］：

3 導(dǎo)引頭天線測(cè)角誤差角度數(shù)據(jù)仿真分析

ARUAV 性能參數(shù)：飛行高度為2 000 m，搜索階段飛行速度為45 m/s；導(dǎo)引頭視場(chǎng)角范圍為60°。

誘偏系統(tǒng)參數(shù)：誘餌頻率與雷達(dá)頻率相同，閃爍周期為3 s。三誘餌與雷達(dá)采用菱形布陣方式［11］，相互間距為300 m。根據(jù)以上原則，設(shè)置其空間坐標(biāo)為：雷達(dá)（-260 m，0 m，0 m），誘餌1（0 m，0 m，150 m），誘餌2（260 m，0 m，0 m），誘餌3（0 m，0 m，-150 m）。

3.1 閃爍誘偏下，導(dǎo)引頭測(cè)向偏差角變化情況

在ARUAV 按照固定搜索路徑飛行時(shí)，根據(jù)比相導(dǎo)引頭天線陣測(cè)向原理，導(dǎo)引頭天線方位面和俯仰面測(cè)向誤差角角度變化情況如圖5，圖6 所示。

由圖5，圖6 可見：

圖5 天線方位面偏差角變化曲線

圖6 天線俯仰面偏差角變化曲線

1）從測(cè)向偏差角數(shù)據(jù)跳變大小和方向可以明顯判斷出有三部誘餌且周期交替變化。這說明，在末制導(dǎo)攻擊階段，導(dǎo)引頭天線方位面和俯仰面的測(cè)角數(shù)據(jù)隨著誘餌交替靠前的變化而呈周期跳變樣式。那么，導(dǎo)引頭信號(hào)處理系統(tǒng)就可以通過不同時(shí)刻測(cè)角數(shù)據(jù)跳變關(guān)系和測(cè)角大小，可以測(cè)定誘餌系統(tǒng)的閃爍周期Tc。

2）根據(jù)測(cè)定的誘餌閃爍周期，如果修改無人機(jī)飛控系統(tǒng)測(cè)角采樣周期Ts與誘餌閃爍周期Tc同步，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)某部誘餌的穩(wěn)定跟蹤攻擊，如圖7所示，當(dāng)Ts=Tc，無人機(jī)能夠穩(wěn)定跟蹤某一部誘餌，并最終命中。

圖7 Ts=T 時(shí)，無人機(jī)航跡圖

3）從數(shù)據(jù)的不斷跳變到歸零的變化趨勢(shì)可以看出，ARUAV 飛控系統(tǒng)將按照導(dǎo)引頭測(cè)向誤差角數(shù)據(jù)適時(shí)調(diào)整攻擊姿態(tài)，使無人機(jī)始終朝著誤差角減小的方向調(diào)整，由于導(dǎo)引頭天線數(shù)據(jù)在三誘餌間不斷跳變，從而控制機(jī)體反復(fù)跟蹤三誘餌，使整個(gè)攻擊航跡呈現(xiàn)出追擺狀態(tài)，航跡如圖8 所示。無人機(jī)末制導(dǎo)攻擊末段，隨著無人機(jī)不斷逼近雷達(dá)誘餌布陣，三部誘餌先后都脫離導(dǎo)引頭視場(chǎng)，誘餌1、誘餌2、誘餌3 分離點(diǎn)空間位置分別為（120.7，279.2，23.6），（124.2，227.7，30.3），（104.9，535.7，-34.5）。無人機(jī)最終落點(diǎn)位于（139.6，0，59.7），雷達(dá)和誘餌均安全。

圖8 無人機(jī)在閃爍誘偏下的攻擊航跡

3.2 測(cè)角采樣周期對(duì)ARUAV 攻擊效能的影響分析

飛控系統(tǒng)的測(cè)角采樣周期是指飛控系統(tǒng)從導(dǎo)引頭獲取測(cè)向偏差角數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔。圖9 給出了在末制導(dǎo)測(cè)角采樣周期為0.2 s、1 s 和3 s 情況下，ARUAV 在2 000 m 的高度平面上，從360 °圓周全方位對(duì)雷達(dá)陣地實(shí)施攻擊的落點(diǎn)分布圖，殺傷半徑為30 m，每間隔2 °進(jìn)行一次模擬仿真，共計(jì)180 次。

圖9 不同末制導(dǎo)測(cè)角采樣周期下ARUAV 落點(diǎn)分布圖

由圖9 可見，在多誘餌閃爍誘偏下，導(dǎo)引頭的末制導(dǎo)測(cè)角采樣周期對(duì)ARUAV 的落點(diǎn)有一定影響。這是因?yàn)樵诠暨^程中，末制導(dǎo)測(cè)角采樣周期的大小將決定機(jī)體調(diào)整時(shí)刻，上傳飛控系統(tǒng)的目標(biāo)角偏差數(shù)據(jù)來自哪部誘餌，以及對(duì)各誘餌的跟蹤次數(shù)，這些都會(huì)直接影響ARUAV 的最終落點(diǎn)位置。

假設(shè)ARUAV 末制導(dǎo)測(cè)角采樣周期在0.2 s 到4 s 間變化，步進(jìn)為0.2 s。在不同末制導(dǎo)測(cè)角采樣周期情況下，對(duì)命中概率情況進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如下頁圖10 所示。

圖10 命中概率與末制導(dǎo)測(cè)角采樣周期關(guān)系曲線

從圖10 可以看出，首先雷達(dá)是安全，ARUAV對(duì)各誘餌的命中概率跟測(cè)角采樣周期有關(guān)。當(dāng)測(cè)角采樣周期為3 s 時(shí)，即測(cè)角采樣周期跟閃爍周期同步時(shí)，ARUAV 命中概率最高，對(duì)三誘餌的命中概率分別達(dá)到33.3 %，對(duì)整個(gè)誘偏系統(tǒng)的命中概率達(dá)100%。也就是說，當(dāng)導(dǎo)引頭測(cè)角采樣周期等于誘餌閃爍周期時(shí)，任意方向入侵的ARUAV 總是能夠命中其中一部誘餌。在測(cè)角采樣周期與誘餌系統(tǒng)閃爍周期相近時(shí)，命中概率相對(duì)較高，如在3.2 s 和3.4 s時(shí)，對(duì)誘偏系統(tǒng)的命中概率分別為39.3%、17.4%。為提高ARUAV 攻擊效能，對(duì)誘餌信號(hào)模式及閃爍周期的判斷尤為重要。

因此，無人機(jī)飛控計(jì)算機(jī)信號(hào)處理軟件應(yīng)增加對(duì)誘餌工作模式的判定、對(duì)閃爍信號(hào)周期的測(cè)量及自動(dòng)調(diào)整末制導(dǎo)測(cè)角采樣周期的功能，使ARUAV在攻擊過程中，飛控系統(tǒng)能夠根據(jù)誘餌工作特點(diǎn)自動(dòng)調(diào)整末制導(dǎo)測(cè)角采樣周期，使其與誘餌閃爍周期大小匹配，提高導(dǎo)引頭鎖定單部誘餌攻擊的概率。其軟件控制調(diào)整流程如圖11 所示。

圖11 末制導(dǎo)測(cè)角采樣周期控制框圖

由于ARUAV 搜索目標(biāo)階段飛行速度較不高，而導(dǎo)引頭正確識(shí)別并穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)輻射源的距離為數(shù)百公里。因此，ARUAV 在末制導(dǎo)階段有充足的時(shí)間來完成誘餌工作模式的判定和末制導(dǎo)測(cè)角采樣周期的測(cè)試和修改。

4 結(jié)論

本文研究了在固定航向搜索目標(biāo)階段，反輻射導(dǎo)引頭對(duì)閃爍誘餌測(cè)角偏差數(shù)據(jù)，得出了以下結(jié)論：1）在同步閃爍誘餌誘偏條件下，導(dǎo)引頭測(cè)得的角度數(shù)值呈周期跳變的規(guī)律性，但對(duì)每部誘餌的測(cè)角數(shù)據(jù)大小和方向相對(duì)穩(wěn)定。2）根據(jù)偏差角數(shù)據(jù)的大小和跳變規(guī)律，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)誘餌進(jìn)行的識(shí)別分選。3）在反輻射無人機(jī)對(duì)抗閃爍誘餌方面，可以通過分析無人機(jī)搜索階段的測(cè)角數(shù)據(jù)，識(shí)別出誘餌系統(tǒng)的閃爍周期；在末制導(dǎo)攻擊階段，無人機(jī)飛控系統(tǒng)按照閃爍周期間隔來采樣測(cè)角數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)誘餌系統(tǒng)某一部誘餌的摧毀。