導(dǎo)引頭抗有源投擲式誘餌干擾半實物仿真

宋衛(wèi)東,馬 寧,李建華,李 康,李云鑫

(1.上海無線電設(shè)備研究所,上海 201109；2.上海航天精密機械研究所,上海 201699)

0 引言

現(xiàn)代作戰(zhàn)中,飛機在被敵方雷達(dá)跟蹤時及時投放出一個或多個有源雷達(dá)誘餌,只要保證誘餌特性滿足敵方雷達(dá)跟蹤的要求,敵方雷達(dá)就有可能放棄跟蹤真正的飛機目標(biāo),轉(zhuǎn)而跟蹤誘餌。這類誘餌被稱為有源投擲式誘餌。為了對抗有源投擲式誘餌干擾,在防空導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭設(shè)計研制過程中,需要進(jìn)行抗有源投擲式誘餌干擾半實物仿真,驗證導(dǎo)引頭抗干擾性能。

王明等研究了轉(zhuǎn)發(fā)式投擲式雷達(dá)干擾機工作原理,葛悅濤等研究了小型空射誘餌彈(miniature air-launched decoy,MALD)的技術(shù)指標(biāo)及4種作戰(zhàn)樣式,徐剛等研究了MALD 的發(fā)展過程和使用情況,尹航等介紹了多種國外MALD 和5種作戰(zhàn)模式,張興利等研究了雷達(dá)型導(dǎo)彈抗拖曳式誘餌干擾半實物仿真試驗技術(shù),趙超等研究了反艦導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭干擾對抗性能分析評估的數(shù)學(xué)仿真平臺設(shè)計方法,韋宇祥等研究了靜態(tài)導(dǎo)引頭抗干擾半實物仿真試驗方法。上述文獻(xiàn)分別研究了空射及拖曳式誘餌干擾技術(shù)和導(dǎo)引頭半實物仿真技術(shù),但是在導(dǎo)引頭抗投擲式誘餌干擾半實物仿真方面沒有涉及,本文主要展開相關(guān)技術(shù)研究。

1 導(dǎo)引頭抗干擾半實物仿真試驗系統(tǒng)

利用導(dǎo)引頭半實物仿真試驗系統(tǒng)完成導(dǎo)引頭抗投擲式誘餌干擾半實物仿真。導(dǎo)引頭半實物仿真試驗系統(tǒng)主要由仿真總控子系統(tǒng)、陣列饋電子系統(tǒng)及饋電控制設(shè)備、目標(biāo)/干擾模擬源、轉(zhuǎn)臺及控制設(shè)備、導(dǎo)引頭測試設(shè)備等組成。導(dǎo)引頭半實物仿真試驗系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 導(dǎo)引頭半實物仿真系統(tǒng)構(gòu)成圖

目標(biāo)/干擾模擬源接收到仿真總控子系統(tǒng)給出的目標(biāo)回波及干擾信號的樣式、功率、頻率和延時等參數(shù),生成相應(yīng)的目標(biāo)回波和干擾信號,然后將信號傳送到陣列饋電子系統(tǒng)。陣列饋電子系統(tǒng)接收到仿真總控子系統(tǒng)給出的偏航角和俯仰角控制指令后,使線饋進(jìn)來的目標(biāo)回波和干擾信號在相應(yīng)的角度輸出。轉(zhuǎn)臺接收到仿真總控子系統(tǒng)給出的偏航角、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角的控制指令后,帶動導(dǎo)引頭轉(zhuǎn)動到指定位置。在一般的半實物仿真中,為便于設(shè)計仿真和處理結(jié)果數(shù)據(jù),可使轉(zhuǎn)臺保持零位,僅通過陣列饋電子系統(tǒng)模擬目標(biāo)和干擾的角度變化。

導(dǎo)引頭測試設(shè)備給導(dǎo)引頭上電,并向?qū)б^發(fā)送預(yù)裝參數(shù)和控制指令,導(dǎo)引頭接收目標(biāo)回波和干擾信號,通過信號處理,得到探測結(jié)果,并輸出至導(dǎo)引頭測試設(shè)備,供試驗人員分析和保存。

2 導(dǎo)引頭抗干擾半實物仿真輸入?yún)?shù)計算

為了開展導(dǎo)引頭抗干擾半實物仿真試驗,需要在半實物仿真試驗前,通過數(shù)字仿真計算出半實物仿真的輸入?yún)?shù)。

在真實的作戰(zhàn)場景中,導(dǎo)彈、目標(biāo)和干擾相對運動,隨著目標(biāo)和干擾相對導(dǎo)引頭角度的持續(xù)變化,目標(biāo)回波和干擾信號的功率、頻率等參數(shù)也持續(xù)變化。在防空導(dǎo)彈導(dǎo)引頭抗干擾半實物仿真過程中,需要將目標(biāo)和干擾的變化過程通過半實物仿真系統(tǒng)模擬出來,因此需要計算目標(biāo)和干擾的位置及信號參數(shù)作為半實物仿真系統(tǒng)的輸入,模擬干擾釋放過程中導(dǎo)引頭面臨的動態(tài)變化的電磁環(huán)境。

首先需要設(shè)計干擾場景,干擾場景確定了仿真的基本信息。根據(jù)雷達(dá)導(dǎo)引頭體制的不同,可分為半主動雷達(dá)導(dǎo)引頭、主動雷達(dá)導(dǎo)引頭、被動雷達(dá)導(dǎo)引頭抗干擾場景；根據(jù)作戰(zhàn)環(huán)境不同,可分為地面、海面、空中場景；根據(jù)導(dǎo)彈飛行高度不同,可分為高空、中空、低空場景；根據(jù)彈目交會過程不同,可分為迎頭攻擊、尾追攻擊場景。干擾場景設(shè)計時應(yīng)當(dāng)確定導(dǎo)引頭體制、導(dǎo)引頭參數(shù)、作戰(zhàn)環(huán)境、彈目飛行數(shù)據(jù)、彈目交會方式、目標(biāo)參數(shù)、干擾樣式、干擾釋放過程、干擾信號參數(shù)等干擾場景參數(shù),明確試驗?zāi)康摹?/p>

確定干擾場景后,設(shè)計數(shù)字仿真程序計算半實物仿真系統(tǒng)的輸入?yún)?shù),并將彈道數(shù)據(jù)作為數(shù)字仿真輸入。彈道數(shù)據(jù)是指通過仿真或者外場試驗得到的導(dǎo)彈和目標(biāo)在每一時刻的坐標(biāo)。設(shè)導(dǎo)引頭坐標(biāo)為((),(),()),目標(biāo)坐標(biāo)為((),(),())。根據(jù)干擾場景確定干擾釋放時機、位置及干擾后續(xù)運動特征,結(jié)合彈道數(shù)據(jù)中目標(biāo)運動軌跡,通過數(shù)字仿真,計算得到干擾在每一時刻的坐標(biāo)((),(),())。根據(jù)目標(biāo)與導(dǎo)引頭每一時刻的坐標(biāo),可以計算出目標(biāo)相對導(dǎo)引頭的距離。同理,可得干擾相對導(dǎo)引頭的距離。

目標(biāo)相對導(dǎo)引頭的偏航角()和俯仰角()計算式為

根據(jù)式(1)和式(2)可計算出目標(biāo)相對導(dǎo)引頭每一時刻的俯仰角和偏航角。同理,可計算干擾相對導(dǎo)引頭的俯仰角和偏航角。對目標(biāo)和干擾的俯仰角及偏航角進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,可得到半實物仿真系統(tǒng)陣列饋電子系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)。

根據(jù)雷達(dá)方程,半實物仿真中導(dǎo)引頭接收到的陣列天線發(fā)射的功率

對半主動雷達(dá)導(dǎo)引頭,設(shè)定地面照射雷達(dá)的發(fā)射功率和發(fā)射天線增益,以及導(dǎo)引頭接收天線的增益和目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積(RCS),根據(jù)雷達(dá)方程可得到半主動雷達(dá)導(dǎo)引頭接收到的目標(biāo)回波功率

式中:為地面雷達(dá)發(fā)射功率；為地面雷達(dá)發(fā)射天線增益；為目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積；為目標(biāo)與地面雷達(dá)之間的距離。

半實物仿真中用陣列天線模擬目標(biāo),根據(jù)式(3)和式(4),有

化簡式(5),得到模擬半主動制導(dǎo)模式下目標(biāo)回波時的陣列饋電天線發(fā)射功率

對主動雷達(dá)導(dǎo)引頭,設(shè)定導(dǎo)引頭發(fā)射功率、天線增益、目標(biāo)RCS,根據(jù)雷達(dá)方程可得到主動雷達(dá)導(dǎo)引頭接收到的目標(biāo)回波功率

半實物仿真中用陣列天線模擬目標(biāo),根據(jù)式(5)和式(7),有

化簡式(8),得到模擬主動制導(dǎo)模式下目標(biāo)回波時的陣列饋電天線發(fā)射功率

針對干擾,設(shè)定干擾機發(fā)射功率、發(fā)射天線增益,再結(jié)合導(dǎo)引頭接收增益,可計算出導(dǎo)引頭接收到的干擾信號功率

式中:為干擾機的發(fā)射功率；為干擾機的發(fā)射天線增益；為干擾機與導(dǎo)引頭之間的距離。

半實物仿真中用陣列天線模擬干擾機,根據(jù)式(3)和式(10),有

化簡式(11),得到模擬干擾信號時的陣列饋電天線發(fā)射功率

根據(jù)目標(biāo)與導(dǎo)引頭每一時刻的坐標(biāo),可以計算出目標(biāo)相對導(dǎo)引頭的徑向速度,根據(jù)多普勒頻率計算公式

可計算目標(biāo)相對導(dǎo)引頭的多普勒頻率。同理,可計算干擾相對導(dǎo)引頭的多普勒頻率。

對主動雷達(dá)導(dǎo)引頭,已知目標(biāo)與導(dǎo)引頭之間的距離,根據(jù)距離與延時的關(guān)系,可以計算目標(biāo)回波信號到達(dá)導(dǎo)引頭的延時

式中:為電磁波傳播速度。同理,可計算干擾信號到達(dá)導(dǎo)引頭的延時。

對目標(biāo)回波信號和干擾信號的功率、頻率、延時等信息進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,可得到目標(biāo)/干擾模擬源的輸入?yún)?shù)。

3 導(dǎo)引頭抗投擲式誘餌干擾半實物仿真輸入?yún)?shù)設(shè)計

3.1 場景設(shè)計

投擲式誘餌干擾的干擾場景設(shè)計需確定投擲式誘餌干擾的運動模型。載機自衛(wèi)是投擲式誘餌干擾的常用場景,主要用于載機已被對方雷達(dá)跟蹤的場景。載機投擲出有源雷達(dá)誘餌干擾,對方雷達(dá)轉(zhuǎn)而跟蹤誘餌,載機擺脫雷達(dá)跟蹤。為了確保誘餌剛剛投擲出去時,和目標(biāo)同在雷達(dá)速度跟蹤波門內(nèi),誘騙雷達(dá)跟蹤誘餌,使雷達(dá)速度波門跟著誘餌速度變化,一般是向前或向側(cè)前方投擲。誘餌的初始速度與載機速度一致,有的誘餌會裝置火箭助推器,用以保持誘餌速度,有的誘餌則做無助推的拋物運動。

有源投擲式誘餌發(fā)射的干擾信號,通常是由載機或誘餌接收到的敵方雷達(dá)發(fā)射信號經(jīng)過調(diào)制,生成的假目標(biāo)信號。該信號由干擾發(fā)射機釋放,且保證干擾信號到達(dá)導(dǎo)引頭接收機的功率大于目標(biāo)回波信號到達(dá)導(dǎo)引頭接收機的功率。

假設(shè)干擾場景為單個有源投擲式誘餌干擾。誘餌干擾投放方向與載機飛行方向一致,投放后沒有助推,初始速度與載機速度一致,僅考慮氣動力和重力做拋物運動,載機和導(dǎo)彈呈迎頭攔截狀態(tài)。

3.2 位置參數(shù)計算

以某一典型彈道參數(shù)作為數(shù)字仿真輸入,計算半實物仿真位置參數(shù)。首先通過仿真給出導(dǎo)彈、目標(biāo)和干擾的位置量,這些量與導(dǎo)引頭探測體制無關(guān),是導(dǎo)彈相對目標(biāo)和干擾的物理位置的量,包括目標(biāo)相對導(dǎo)彈的距離、角度,干擾相對導(dǎo)彈的距離、角度。

在典型彈道中,導(dǎo)彈從地面發(fā)射,先高拋,然后下扎,導(dǎo)彈與目標(biāo)呈迎頭攔截狀態(tài),目標(biāo)沿方向做水平運動。設(shè)仿真時間為,目標(biāo)載機在時刻向前施放投擲式誘餌干擾。干擾初始位置即為目標(biāo)在時刻的位置,干擾初速度方向與目標(biāo)運動方向一致,即方向。設(shè)目標(biāo)速度在三個方向上的分量分別為,,,干擾速度在三個方向上的分量分別為,,,干擾加速度在三個方向上的分量分別為,,。 干擾在方向受運動方向的空氣阻力,方向空氣阻力可以忽略,在方向受重力和氣動浮力合力。則干擾在三個方向上的速度為

在干擾的初始位置基礎(chǔ)上,加上三個方向上干擾的速度分量對時間的積分,即可得到干擾在每一時刻的坐標(biāo)。通過仿真得到導(dǎo)彈、目標(biāo)及干擾的運動軌跡如圖2所示。

圖2 導(dǎo)彈、目標(biāo)及干擾的運動軌跡

根據(jù)導(dǎo)彈、目標(biāo)和干擾的實時坐標(biāo),通過數(shù)字仿真,可得到目標(biāo)及干擾相對導(dǎo)彈在每一時刻的俯仰角和偏航角,分別如圖3和圖4所示。

圖3 目標(biāo)相對導(dǎo)彈的俯仰角及偏航角

圖4 干擾相對導(dǎo)彈的俯仰角和偏航角

根據(jù)導(dǎo)彈、目標(biāo)和干擾的實時坐標(biāo),通過數(shù)字仿真,可得到每一時刻導(dǎo)彈相對目標(biāo)及干擾的距離,分別如圖5和圖6所示。

圖5 導(dǎo)彈相對目標(biāo)的距離

圖6 導(dǎo)彈相對干擾的距離

下面針對不同體制的導(dǎo)引頭,進(jìn)一步分析半實物仿真參數(shù)。

3.3 主動雷達(dá)導(dǎo)引頭半實物仿真參數(shù)計算

設(shè)主動雷達(dá)導(dǎo)引頭發(fā)射天線功率為300 W,發(fā)射接收天線增益為30 dB,發(fā)射信號頻率為30 GHz,目標(biāo)RCS 為1 m；干擾機發(fā)射功率為50 W,發(fā)射天線增益為5 dB。主動模式下彈目多普勒頻率如圖7所示。

圖7 主動模式下彈目多普勒頻率

主動模式下導(dǎo)引頭接收目標(biāo)回波功率及回波延時分別如圖8和圖9所示。

圖8 主動模式下導(dǎo)引頭接收目標(biāo)回波功率

圖9 主動模式下導(dǎo)引頭接收目標(biāo)回波延時

3.4 半主動雷達(dá)導(dǎo)引頭半實物仿真參數(shù)計算

設(shè)地面照射雷達(dá)發(fā)射功率和發(fā)射天線增益積為100 dBm,發(fā)射信號頻率為10 GHz,目標(biāo)RCS為1 m；干擾機發(fā)射功率為50 W,干擾機發(fā)射天線增益為5 dB。半主動模式下彈目多普勒頻率和目標(biāo)回波功率如圖10和圖11所示。

圖10 半主動模式下彈目多普勒頻率

圖11 半主動模式下導(dǎo)引頭接收目標(biāo)回波功率

3.5 干擾信號半實物仿真參數(shù)計算

半主動模式和主動模式導(dǎo)引頭接收到的干擾信號都是干擾機主動輻射的信號,與導(dǎo)引頭體制無關(guān)。干擾信號多普勒頻率及功率分別如圖12和圖13所示。

圖12 干擾相對導(dǎo)彈多普勒頻率

圖13 導(dǎo)引頭接收到的干擾功率

3.6 半實物仿真輸入?yún)?shù)分析

數(shù)字仿真結(jié)果包含了半實物仿真需要的目標(biāo)和干擾的信息,通過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換,即可得到半實物仿真的輸入?yún)?shù)。其中,目標(biāo)和干擾相對導(dǎo)彈的俯仰角和偏航角的數(shù)字仿真結(jié)果經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,作為陣列饋電子系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)；目標(biāo)和干擾信號的多普勒頻率、功率、主動模式下的延時等參數(shù)經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,作為模擬源的輸入?yún)?shù)。

仿真過程中,仿真總控系統(tǒng)給各個子系統(tǒng)的控制指令如表1所示。

表1 仿真總控系統(tǒng)發(fā)送的仿真控制參數(shù)

在半實物仿真中,測試設(shè)備模擬彈上計算機的功能,為導(dǎo)引頭提供控制指令,導(dǎo)引頭將探測到的目標(biāo)信息回送給測試設(shè)備,供試驗人員觀察和保存。通過對比導(dǎo)引頭探測到的目標(biāo)信息與半實物仿真系統(tǒng)輸入的目標(biāo)參數(shù),分析導(dǎo)引頭抗干擾性能。

4 結(jié)論

根據(jù)投擲式誘餌干擾與對空導(dǎo)引頭對抗原理,研究了導(dǎo)引頭抗投擲式誘餌干擾半實物仿真方法,分析了導(dǎo)引頭抗投擲式誘餌干擾半實物仿真輸入?yún)?shù)計算方法,并設(shè)計數(shù)字仿真場景,計算了導(dǎo)引頭抗投擲式誘餌干擾半實物仿真的輸入?yún)?shù),最后分析了數(shù)字仿真結(jié)果與半實物仿真輸入?yún)?shù)的對應(yīng)關(guān)系。研究結(jié)果為對空導(dǎo)引頭抗投擲式誘餌干擾半實物仿真提供了參考,為導(dǎo)引頭抗干擾技術(shù)驗證提供了支撐。