突防干擾對反導預警雷達作戰(zhàn)效能影響分析

李衛(wèi)星， 臧路堯， 孔凡鐳， 范澤昊， 郝世錦

(1.中國人民解放軍66132部隊， 北京 100042；2.北京機電工程總體設(shè)計部, 北京 100143)

0 引 言

在未來高端戰(zhàn)爭中，采用彈道導彈對敵方指揮中樞、關(guān)鍵節(jié)點實施“破網(wǎng)斷鏈”打擊，是奪取戰(zhàn)爭主動權(quán)的首戰(zhàn)利器[1-2]。美軍近年來加快推進導彈防御體系建設(shè)，構(gòu)建了以天基預警衛(wèi)星、陸基預警雷達為骨干，以艦載防空反導雷達、空間目標監(jiān)視系統(tǒng)為補充的反導預警網(wǎng)，具備中段、末段高層、末段低層“兩段三層”反導攔截能力[3-4]。

彈道導彈突防對抗中，采用靈活的戰(zhàn)術(shù)和技術(shù)手段，通過彈載干擾機產(chǎn)生壓制噪聲或虛假目標信號，可降低反導預警雷達最大發(fā)現(xiàn)距離、連續(xù)跟蹤時間、測量跟蹤精度和目標識別準確率，減少攔截彈反應(yīng)時間，提升導彈突防概率。文獻[5]分析了導彈在助推段、中段、末段面臨的威脅，提出了噪聲復合干擾、多點欺騙干擾、智能誘餌等突防手段；文獻[6]梳理了反導作戰(zhàn)流程，提出了針對預警衛(wèi)星、預警雷達、指控系統(tǒng)的支援干擾方法；文獻[7-11]對彈載電子干擾技術(shù)進行了研究，分析了相干多點源干擾、間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾、靈巧噪聲干擾技術(shù)原理和實現(xiàn)方案。

現(xiàn)有文獻主要集中在一種或幾種電子干擾樣式的理論分析，缺乏從作戰(zhàn)體系層面研究多種干擾樣式協(xié)同運用技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)。本文以美軍反導預警雷達為作戰(zhàn)對象，采用定性與定量相結(jié)合的方法仿真分析不同干擾樣式對預警雷達作戰(zhàn)能力的影響，研究彈載電子干擾協(xié)同作戰(zhàn)運用戰(zhàn)術(shù)，提升彈載電子干擾綜合效能。

1 彈道導彈突防主要威脅分析

未來高端戰(zhàn)爭中，彈道導彈與導彈防御系統(tǒng)的攻防對抗將貫穿作戰(zhàn)全過程。如何有效壓制、欺騙敵反導預警體系，壓縮敵攔截體系反應(yīng)時間，是彈道導彈突防的關(guān)鍵。

1.1 美軍現(xiàn)役反導預警雷達

彈載電子干擾的主要作戰(zhàn)對象是預警雷達。美軍反導預警雷達從功能上可分為遠程預警雷達、精密跟蹤識別雷達、攔截系統(tǒng)制導雷達，主要構(gòu)成如圖1所示。

圖1 美軍反導預警雷達體系

美軍現(xiàn)役遠程預警雷達有早期預警雷達、丹麥眼鏡蛇雷達、前置X波段雷達，主要負責彈道導彈早期發(fā)現(xiàn)、跟蹤和粗識別。早期預警雷達又稱為“鋪路爪”雷達，美軍現(xiàn)役5部，分別部署于美本土、阿拉斯加、英國和丹麥，共同構(gòu)筑了覆蓋美國本土的預警網(wǎng)。另外，美在臺灣樂山部署了一部AN/FPS-115雷達。丹麥眼鏡蛇雷達是一部L波段固定式遠程預警相控陣雷達，部署于阿留申群島，主要用于監(jiān)視北極地區(qū)的洲際/潛射彈道導彈。前置X波段雷達型號為AN/TPY-2，可通過C-130等運輸機空運，在數(shù)小時內(nèi)部署至前沿地區(qū)。目前，美在日本經(jīng)岬和車力部署了2部前置X波段雷達。

美軍現(xiàn)役跟蹤識別雷達有?；鵛波段雷達(SBX)、地基雷達(GBR)和遠程識別雷達(LRDR)，主要負責導彈精確跟蹤和目標識別。SBX搭載于一個半潛式平臺上，可按需機動前出部署。GBR部署在太平洋馬紹爾群島夸賈林靶場，可對來襲彈道導彈進行搜索、截獲、跟蹤，從目標群中識別出真彈頭、誘餌和碎片。LRDR部署于阿拉斯加克里爾空軍基地，于2021年12月正式投入使用。LRDR兼具高頻雷達和低頻雷達的優(yōu)點，具備多目標搜索、跟蹤和識別能力，未來還將拓展高超聲速導彈探測能力。

美軍彈道導彈攔截系統(tǒng)主要有陸基中段攔截系統(tǒng)、“宙斯盾”攔截系統(tǒng)、“薩德”末段高層攔截系統(tǒng)和“愛國者”末段低層攔截系統(tǒng)，其制導雷達分別為SBX/GBR-P、AN/SPY-1D、AN/TPY-2、AN/MPQ-65。AN/SPY-1D多功能相控陣雷達是“宙斯盾”艦載防空系統(tǒng)的核心，目前美軍已有34艘 “宙斯盾”艦，其中常駐西太地區(qū)16艘，主要用于為航母編隊提供防空反導能力。雷神公司研制了新一代艦載雷達AMDR，相比于AN/SPY-1D，其探測距離提高1倍，同時跟蹤目標數(shù)量提高5倍，靈敏度提高30倍以上。AN/MPQ-65主要為“愛國者”導彈提供制導信息，美軍在韓國、日本均部署多個“愛國者”導彈連，主要用于機場、基地等要地防空反導。

1.2 反導預警雷達抗干擾措施分析

美軍反導預警雷達技術(shù)體制先進，在時域、頻域、空域、能量域綜合采用多種干擾措施，在復雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境下具有較強的作戰(zhàn)能力。

1)時域抗干擾。美預警雷達通常具有多種工作模式，不同模式下信號參數(shù)波形、帶寬、脈寬、重頻等均不相同，支持波形捷變、脈沖捷變、重頻捷變，彈載干擾機難以截獲分析其信號特征。

2)頻域抗干擾。從工作頻率上看，美預警雷達工作于P/L/S/C/X各波段，覆蓋了從數(shù)百兆到十吉赫茲的頻率范圍，彈載干擾機難以實施全頻段干擾。從發(fā)射信號看，“鋪路爪”“丹麥眼鏡蛇”、AN/SPY-1D、SBX等雷達采用了頻率捷變、頻率分集、帶寬捷變、瞬時大帶寬等技術(shù)，可有效應(yīng)對瞄準式干擾機。

3)空域抗干擾?！颁伮纷Α薄BR雷達采用了低旁瓣陣列天線，AN/SPY-1D、AN/MPQ-53支持旁瓣消隱和旁瓣對消，可有效抑制從旁瓣進入的遠距離支援干擾。

4)能量域抗干擾。“鋪路爪”雷達采用低峰值功率、寬脈沖低截獲信號和最小發(fā)射功率管理技術(shù)；GBR-P采用脈沖壓縮技術(shù)，可有效抑制噪聲壓制干擾；LRDR大規(guī)模運用氮化鎵技術(shù)，通過高功率提高抗干擾能力。

2 彈載電子干擾技術(shù)及戰(zhàn)術(shù)運用

為了突破美導彈防御體系，必須針對美軍反導預警雷達抗干擾措施，綜合運用噪聲壓制干擾、間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)多假目標干擾、靈巧噪聲干擾等技術(shù)，加強多樣式干擾協(xié)同運用，提升彈道導彈突防能力。

2.1 噪聲壓制干擾

壓制干擾用噪聲淹沒目標回波信號，降低雷達接收機中的信號質(zhì)量，以干擾雷達的檢測和參數(shù)測量，使雷達無法截獲或跟蹤目標。噪聲壓制干擾可分為噪聲調(diào)幅干擾、噪聲調(diào)頻干擾和噪聲調(diào)相干擾。

噪聲調(diào)幅干擾指利用射頻噪聲對載波進行幅度調(diào)制，表達式為

JA(t)=[U0+Un(t)]cos[ω0t+φ0]

(1)

式中：Un(t)為零均值高斯白噪聲；U0為載波幅度；ω0為中心頻率；φ0為初始相位。噪聲調(diào)幅干擾功率取決于載波功率和邊帶功率，可在載波頻率處形成一個窄帶干擾。

噪聲調(diào)頻干擾指利用射頻噪聲對載波進行頻率調(diào)制，表達式為

(2)

式中：KFM為調(diào)頻斜率；u(t)為零均值高斯白噪聲。噪聲調(diào)頻干擾的等效帶寬取決于調(diào)制噪聲功率和調(diào)頻斜率，通過改變調(diào)頻斜率，可以產(chǎn)生寬帶壓制干擾。

噪聲調(diào)相干擾指利用射頻噪聲對載波進行相位調(diào)制，表達式為

JP(t)=U0cos[ω0t+KPMu(t)+φ0]

(3)

式中：KPM為調(diào)相系數(shù)。由于相位可視為頻率的積分，故噪聲調(diào)相干擾和噪聲調(diào)頻干擾類似，通過改變調(diào)相系數(shù)產(chǎn)生寬帶壓制干擾。

2.2 密集假目標欺騙干擾

反導預警雷達通常發(fā)射大時寬帶寬積信號，采用脈沖壓縮、相參積累等技術(shù)，可獲得較大的脈壓增益和積累增益，導致傳統(tǒng)的噪聲壓制干擾難以發(fā)揮作用?，F(xiàn)代彈載干擾機采用數(shù)字射頻存儲器(DRFM)技術(shù)，快速截獲預警雷達發(fā)射信號，進行采樣、調(diào)制和轉(zhuǎn)發(fā)，能夠產(chǎn)生大量虛假目標，從而起到欺騙預警雷達的作用。

對預警雷達主要采用間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾。根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)策略不同，可分為間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)和間歇采樣重復轉(zhuǎn)發(fā)。間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)指對截獲信號進行幅度和頻率調(diào)制后直接轉(zhuǎn)發(fā)出去，在下一個干擾時間間隔內(nèi)重新采樣、調(diào)制、轉(zhuǎn)發(fā)。間歇采樣重復轉(zhuǎn)發(fā)指對采樣信號進行調(diào)制后，根據(jù)事先設(shè)置的參數(shù)多次重復轉(zhuǎn)發(fā)。

間歇采樣信號為矩形脈沖串，假設(shè)雷達發(fā)射信號為線性調(diào)頻信號，則干擾機截獲信號為

(4)

式中：Nc為雷達發(fā)射脈沖持續(xù)時間內(nèi)的間歇采樣次數(shù)；TJ為間歇采樣脈寬；Tn為間歇采樣起始時間；τ為干擾延時。

對于間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾，將式(4)中的Sc(t)轉(zhuǎn)發(fā)一次即可。對于間歇采樣重復轉(zhuǎn)發(fā)干擾，需要對其重復轉(zhuǎn)發(fā)M次，干擾信號為

exp[jπKr(t-τ-mTJ)2]exp(jφ0)

(5)

雷達接收到目標回波信號和干擾信號后，將按照同樣的信號處理方式對其進行脈壓。對式(4)(5)分別進行脈壓，可得間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾和間歇采樣重復轉(zhuǎn)發(fā)干擾的脈壓輸出分別為[8]

SMF_ISDJ=TJsinc[KrTJ(t-TJ)]exp[-jπKr(t-TJ)2]·

(6)

(7)

其中，

φ=2πKrTJ(t-TJ)

Tu=(M+1)TJ

對比式(6)(7)可知，由于干擾信號是對雷達發(fā)射信號的切片，因此，間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾能夠在目標信號附近形成假目標群，且可獲得一定的脈壓增益，增益大小與間歇采樣脈寬有關(guān)。間歇采樣重復轉(zhuǎn)發(fā)干擾相當于對間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾進行多次復制，對于相同的間歇采樣脈寬，其采樣次數(shù)小于后者，故其脈壓增益有所降低；但由于每次采樣均轉(zhuǎn)發(fā)多次，因此可以形成更為密集的假目標群。

2.3 靈巧噪聲干擾

靈巧噪聲干擾采用隨機噪聲對間歇采樣脈沖進行卷積調(diào)制，一方面利用間歇采樣脈沖產(chǎn)生高逼真度的假目標信號，另一方面將隨機噪聲能量自動瞄準至雷達帶寬內(nèi)，兼具欺騙干擾和壓制干擾特性。

假設(shè)雷達發(fā)射信號為s(t)，隨機噪聲為n(t)，則利用隨機噪聲對干擾機截獲信號進行卷積調(diào)制，可得靈巧噪聲干擾信號為

JSN(t)=s(t)?n(t)

(8)

靈巧噪聲進入雷達接收機后，通過匹配濾波方法進行脈壓處理后，輸出為

JMF_SN(t)=JSN(t)?s*(-t)=

F-1(|S(f)|2)?n(t)

(9)

式中：F-1(|S(f)|2)為點擴展函數(shù)，當雷達發(fā)射信號為線性調(diào)頻信號時為sinc函數(shù)。

由于時域卷積等效于頻域相乘，根據(jù)式(8)，卷積后隨機噪聲能夠自動瞄準發(fā)射信號的頻率范圍，使得噪聲能夠全部進入雷達接收機，從而提高了干擾功率的利用率。由式(9)可知，靈巧噪聲干擾的脈壓輸出取決于隨機噪聲，且干擾信號經(jīng)匹配濾波后可獲得脈壓增益。

2.4 多樣式干擾協(xié)同運用策略

美軍反導預警雷達型號多樣，工作頻段、工作體制各不相同，在時域、頻域、空域、能量域采取了頻率捷變、波形捷變、脈沖壓縮、相參積累、自適應(yīng)波束形成等多種抗干擾措施，單一樣式的電子干擾往往難以削弱其預警體系效能。在實際作戰(zhàn)場景中，必須綜合運用多種干擾策略，實現(xiàn)干擾效能倍增。

1)噪聲協(xié)同壓制干擾?？煞譃楣β蕝f(xié)同和時間協(xié)同。受彈載干擾機尺寸、峰值功率的限制，單部干擾機難以達到壓制效果，利用多部干擾機進行功率協(xié)同，各干擾機的發(fā)射信號互相獨立，總功率近似為各干擾機功率之和，從而對預警雷達形成有效壓制。對于靈巧噪聲干擾，壓制距離和干信比存在制約關(guān)系，尤其是當干擾機對目標定位存在偏差時，壓制距離可能會偏離目標區(qū)域。此時，可以通過多部干擾機時間協(xié)同，對目標回波進行大范圍壓制，降低定位偏差的影響。

2)壓制和欺騙組合干擾。當雷達進入搜索捕獲階段時，實施噪聲或電子假目標干擾，使雷達不能進入跟蹤狀態(tài)。在雷達跟蹤到目標后，先實施距離波門拖引，使雷達收不到目標回波；再實施角度干擾，則雷達收到的干擾與信號比將為無窮大；對干擾信號加上角度干擾調(diào)制，雷達只能從干擾信號中提取角度信息，使雷達跟蹤系統(tǒng)無法正常工作，從而丟失目標。

3)集群干擾協(xié)同突防。彈道導彈突防中，同時釋放多部干擾機、誘餌，通過態(tài)勢感知與信息交互，形成具有一定空間分布、功能互補、戰(zhàn)術(shù)協(xié)同的干擾集群。如圖2所示集群干擾協(xié)同突防的關(guān)鍵是各成員能夠?qū)?zhàn)場電磁環(huán)境進行實時態(tài)勢感知，形成統(tǒng)一的戰(zhàn)場態(tài)勢，并根據(jù)作戰(zhàn)目標進行干擾機動態(tài)任務(wù)規(guī)劃和資源分配，從而實現(xiàn)對預警雷達網(wǎng)的整體壓制。

圖2 集群干擾協(xié)同突防示意圖

3 對預警雷達干擾效果仿真分析

以彈道導彈突防對抗為背景，作戰(zhàn)想定如下：預警雷達為AN/TPY-2[12-13]，陣面方位角覆蓋范圍為120°，俯仰角覆蓋范圍為90°，平均發(fā)射功率為81 kW，天線孔徑面積為9.2 m2，中心頻率為9.5 GHz，最大帶寬為1 GHz，搜索帶寬為10 MHz。來襲導彈可攜帶多個噪聲干擾機、欺騙干擾機，具備協(xié)同干擾能力。

1)噪聲壓制干擾對預警雷達探測距離的影響。假設(shè)導彈在飛行過程中釋放噪聲壓制干擾機，預警雷達分別在有干擾和無干擾兩種條件下對導彈進行搜索檢測和跟蹤濾波。在雷達直角坐標系下的位置和速度曲線分別如圖3(a)和圖3(b)所示。在無干擾的條件下，預警雷達在導彈發(fā)射后20.7 s可截獲目標，首點發(fā)現(xiàn)距離1 382 km，在410.6 s丟失目標，跟蹤總時長為390 s。需要注意的是，首點發(fā)現(xiàn)距離不僅取決于雷達最大作用距離，還和雷達與導彈的視距條件有關(guān)。當開啟噪聲壓制干擾時，預警雷達在導彈發(fā)射后122.1 s后可截獲目標，首點發(fā)現(xiàn)距離1 023 km，在288.1 s丟失目標，跟蹤總時長159.8 s?？梢姡谟懈蓴_的情況，預警雷達對導彈目標的首點發(fā)現(xiàn)時間、跟蹤總時長等性能指標均有所下降。

圖3 預警雷達對導彈目標跟蹤情況

2)噪聲壓制干擾對目標跟蹤精度的影響。仿真條件不變，分別在無干擾和有干擾情況下，采用卡爾曼濾波算法對導彈進行跟蹤，卡爾曼濾波殘差如圖4所示，這里分別給出了X軸位置殘差和VX速度殘差，其余坐標軸的殘差統(tǒng)計如表1所示。當干擾機對預警雷達實施噪聲壓制干擾時，目標回波信噪比的降低將引起目標位置、速度測量誤差增大，導致目標跟蹤精度降低。

圖4 卡爾曼濾波跟蹤誤差

表1 卡爾曼濾波跟蹤誤差統(tǒng)計

3)間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾對目標跟蹤容量的影響。假設(shè)在搜索模式下，雷達發(fā)射信號帶寬為10 MHz，脈沖寬度為50 us，接收機采樣率為50 Msps，信噪比為10 dB，干噪比為20 dB。間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾采樣長度為5 us，間歇采樣周期為10 us；間歇采樣重復轉(zhuǎn)發(fā)干擾采樣長度為2 us，間歇采樣周期為15 μs。間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾和間歇采樣重復轉(zhuǎn)發(fā)干擾的時域波形和脈壓輸出結(jié)果分別如圖5、圖6所示。由圖6可知，間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾在目標信號附近形成1個主假目標和2個次假目標，間歇采樣重復轉(zhuǎn)發(fā)干擾在目標信號附近形成多個假目標群，假目標群的數(shù)量和雷達脈寬內(nèi)間歇采樣次數(shù)有關(guān)，每個假目標群有1個主假目標和2個次假目標。間歇采樣重復轉(zhuǎn)發(fā)干擾可以形成更多、更密集的假目標，迫使預警雷達消耗更多的時間和波束資源，導致對真彈頭跟蹤容量的下降，采用多彈頭突防時，預警雷達將會由于資源飽和而無法跟蹤真彈頭。由于采樣脈寬的限制，間歇采樣重復轉(zhuǎn)發(fā)干擾產(chǎn)生的假目標信號強度弱于間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾。

圖5 間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾時域波形

圖6 間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾脈壓輸出

(4)靈巧噪聲干擾對預警雷達性能的影響。設(shè)置雷達發(fā)射信號脈沖寬度50 μs，隨機噪聲寬度為5 μs，信噪比為10 dB，干噪比為20 dB。利用噪聲對干擾機截獲信號進行卷積調(diào)制，可得靈巧噪聲干擾信號，其時域波形和脈壓輸出分別如圖7(a)和圖7(b)所示。可見，靈巧噪聲干擾可自動將噪聲能量瞄準至雷達發(fā)射信號帶寬內(nèi)，既可通過噪聲壓制預警雷達探測范圍，又可形成密集假目標使雷達資源飽和。

圖7 靈巧噪聲干擾

4 結(jié) 語

彈道導彈突防技術(shù)是搶占未來高端戰(zhàn)爭導彈突防對抗制高點的關(guān)鍵。本文分析了美軍反導預警雷達在時域、頻域、空域、能量域的抗干擾措施，有針對性地提出了彈載電子干擾措施，通過仿真定量分析了多種電子干擾樣式在導彈突防中的作用效能。隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，智能干擾機和智能誘餌集群突防將是未來彈載電子干擾的發(fā)展方向。因此，應(yīng)盡早開展智能集群突防技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)研究，占領(lǐng)導彈突防對抗先機。