反輻射無(wú)人機(jī)抗前沿閃爍誘餌技術(shù)

陳 鑫,朱學(xué)平,彭 杰

(1.電子信息控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610036;2.西北工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院,西安 710072)

1 引 言

目前,越來(lái)越多的雷達(dá)配備了各種各樣的有源誘餌。誘餌通過(guò)光纜有線方式接收雷達(dá)的基帶信號(hào),輻射出與雷達(dá)旁瓣功率相當(dāng)、特征參數(shù)一致的誘餌信號(hào),雷達(dá)在多個(gè)誘餌的配合下工作,使雷達(dá)既能夠開(kāi)機(jī)工作又能避免反輻射武器的攻擊。

有源誘餌誘偏反輻射武器技術(shù)的進(jìn)步,使反輻射無(wú)人機(jī)的作戰(zhàn)效能面臨了更大挑戰(zhàn),從而推動(dòng)了反輻射無(wú)人機(jī)抗誘偏技術(shù)的研究。文獻(xiàn)[1]提出采用陣列擴(kuò)展測(cè)向,提高導(dǎo)引頭的角度分辨能力,使反輻射導(dǎo)彈可將雷達(dá)和誘餌較早地從角度上分辨開(kāi),達(dá)到抗誘偏的目的。文獻(xiàn)[2]分析了反輻射導(dǎo)彈抗誘偏效能的性能參數(shù),得出了減小導(dǎo)引頭分辨角是實(shí)現(xiàn)反輻射導(dǎo)彈抗點(diǎn)源誘偏的有效途徑的結(jié)論。文獻(xiàn)[3]提出采用窄波束被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭或多模復(fù)合導(dǎo)引頭特別是采用超分辨新體制導(dǎo)引頭以提高角分辨力,從而使反輻射導(dǎo)彈具備抗誘偏能力。

采用多模復(fù)合制導(dǎo)或其它新體制的反輻射導(dǎo)引頭是提高反輻射武器抗誘偏的有效措施。對(duì)于采用傳統(tǒng)干涉儀測(cè)向體制的反輻射導(dǎo)引頭減小其角度分辨閾值可以將雷達(dá)和誘餌較早分開(kāi),然而由于物理?xiàng)l件限制,導(dǎo)引頭角度分辨閾值減小畢竟有限。如何在現(xiàn)有反輻射導(dǎo)引頭測(cè)向體制下提高武器系統(tǒng)的抗誘餌能力,必須從系統(tǒng)的角度對(duì)于不同典型誘餌進(jìn)行相應(yīng)的對(duì)抗策略研究。

從無(wú)人機(jī)平臺(tái)的角度講,在反輻射導(dǎo)引頭角度分辨能力一定的條件下,提高無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)性亦可以提高對(duì)抗誘餌的能力。本文針對(duì)前沿閃爍誘餌,分析了誘餌誘偏反輻射無(wú)人機(jī)的效果,提出了一種新的變閾值的BTT/STT組合控制抗誘偏措施。仿真結(jié)果表明,該方法可以有效對(duì)抗前沿閃爍誘餌,同時(shí)消除面對(duì)稱布局無(wú)人機(jī)BTT控制滾轉(zhuǎn)通道的奇異性問(wèn)題。

2 前沿閃爍誘餌誘偏反輻射無(wú)人機(jī)效果分析

前沿閃爍誘餌包括慢閃誘餌和快閃誘餌兩類。導(dǎo)引頭采用前沿測(cè)向可進(jìn)行正確測(cè)向,但測(cè)向結(jié)果將隨誘餌前沿變化而變化,導(dǎo)致命中概率降低。由于誘餌在空間上是可分的,當(dāng)反輻射無(wú)人機(jī)接近目標(biāo)時(shí),導(dǎo)引頭測(cè)出的不同誘餌目標(biāo)的夾角增加?？稍O(shè)定合適的角度門(mén)限,拋棄超過(guò)門(mén)限的目標(biāo),保持門(mén)限內(nèi)的目標(biāo)跟蹤,從而實(shí)現(xiàn)按照信號(hào)到達(dá)角區(qū)分不同輻射信號(hào)的目的,可一定程度對(duì)抗閃爍誘餌。

圖1為反輻射無(wú)人機(jī)抗前沿閃爍誘餌攻擊示意圖[4]。假定反輻射無(wú)人機(jī)攻擊方向與雷達(dá)和誘餌連線垂直,無(wú)人機(jī)初始瞄準(zhǔn)誘餌,當(dāng)誘餌和雷達(dá)張角達(dá)到導(dǎo)引頭角度門(mén)限值時(shí),無(wú)人機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)彎攻擊雷達(dá)。其中,O1、O2分別為誘餌和雷達(dá),ΔθR為導(dǎo)引頭角度門(mén)限值,V為無(wú)人機(jī)飛行速度,D為無(wú)人機(jī)和誘餌初始相對(duì)距離,r為轉(zhuǎn)彎半徑,s為反輻射無(wú)人機(jī)落地時(shí)側(cè)向機(jī)動(dòng)距離,雷達(dá)O2和誘餌O1相對(duì)距離為L(zhǎng)。

圖1 反輻射無(wú)人機(jī)攻擊前沿閃爍誘餌示意圖Fig.1 Schematic diagram of anti-radiation UAV attacking cutting-edge blinding decoy

假設(shè)無(wú)人機(jī)勻速飛行,轉(zhuǎn)彎圓弧的切線方向?yàn)槌跏妓俣确较?反輻射無(wú)人機(jī)的轉(zhuǎn)彎半徑為

式中,a為反輻射無(wú)人機(jī)側(cè)向加速度。

反輻射無(wú)人機(jī)落地時(shí)側(cè)向機(jī)動(dòng)距離為

由圖1可得如下關(guān)系:

由式(1)～(3)可得,反輻射無(wú)人機(jī)落地時(shí)側(cè)向機(jī)動(dòng)距離O1O′為

反輻射無(wú)人機(jī)側(cè)向最大加速度amax為

式中,ρ為大氣密度,Cz為無(wú)人機(jī)側(cè)向力系數(shù),Ma為馬赫數(shù),α為攻角;βmax為最大可用側(cè)滑角,S為無(wú)人機(jī)參考面積,m為無(wú)人機(jī)質(zhì)量。

將式(5)代入式(4)可得反輻射無(wú)人機(jī)最大側(cè)向可機(jī)動(dòng)距離為

由分析可知,反輻射無(wú)人機(jī)側(cè)向最大可機(jī)動(dòng)距離與大氣密度(即目標(biāo)海拔高度)、側(cè)力系數(shù)、誘餌布陣間距、導(dǎo)引頭分辨角有關(guān),而與飛行速度無(wú)關(guān)。因此,為了提高無(wú)人機(jī)抗誘偏能力,從導(dǎo)引頭角度講,必須提高測(cè)向精度,減小角度門(mén)限,以增加無(wú)人機(jī)可機(jī)動(dòng)距離;從反輻射武器平臺(tái)講,需要提高平臺(tái)的機(jī)動(dòng)能力。

假設(shè)末制導(dǎo)段反輻射無(wú)人機(jī)飛行速度為250 m/s,反輻射導(dǎo)引頭分辨角為7°。對(duì)于無(wú)人機(jī)不同的最大側(cè)向機(jī)動(dòng)加速度amax和誘餌與雷達(dá)間距L給出無(wú)人機(jī)側(cè)向最大可機(jī)動(dòng)距離smax的計(jì)算結(jié)果,見(jiàn)表1。

表1 無(wú)人機(jī)側(cè)向最大可機(jī)動(dòng)距離Table 1 Maximum lateral manuevering distance of UAV

如果無(wú)人機(jī)側(cè)向最大可機(jī)動(dòng)距離smax小于誘餌和雷達(dá)間距L,則誘偏成功。為此,必須提高反輻射無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)性,增強(qiáng)其抗前沿閃爍誘餌的能力。

3 BTT/STT組合控制算法設(shè)計(jì)

在給定目標(biāo)海拔高度、誘餌布陣及導(dǎo)引頭分辨角的條件下,提高無(wú)人機(jī)側(cè)力系數(shù)對(duì)于增加無(wú)人機(jī)末段可機(jī)動(dòng)距離,提高抗誘餌能力具有重要意義。面對(duì)稱布局反輻射無(wú)人機(jī)為了提高飛行控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度,消除滾轉(zhuǎn)指令解算的奇異性問(wèn)題,末制導(dǎo)段通常采用STT控制;然而,對(duì)抗前沿閃爍誘餌對(duì)平臺(tái)的機(jī)動(dòng)能力提出了更高的要求。為此,提出了一種新的變閾值的BTT/STT組合控制算法,以提高反輻射無(wú)人機(jī)抗前沿閃爍誘餌的能力。

3.1 BTT/STT組合控制算法

首先給出一種BTT/STT組合控制算法:

式中,nyc、nzc分別為縱向和側(cè)向過(guò)載指令,nc為總過(guò)載指令,full為完全BTT滾轉(zhuǎn)角度指令,c為BTT/STT組合控制滾轉(zhuǎn)角度指令,nSTT、nBTT分別為設(shè)定的STT控制、BTT控制轉(zhuǎn)換閾值,并且nSTT

因此,BTT/STT組合控制算法增強(qiáng)了面對(duì)稱布局無(wú)人機(jī)的側(cè)向機(jī)動(dòng)能力,同時(shí)可以使STT/BTT轉(zhuǎn)換過(guò)程中傾斜角指令連續(xù)變換,消除了BTT控制滾轉(zhuǎn)指令的奇異性問(wèn)題。

3.2 變閾值的BTT/STT組合控制算法

BTT/STT組合控制算法中的閾值nSTT和nBTT可以取成定值,然而這對(duì)于對(duì)地攻擊飛行器的末制導(dǎo)階段是不適宜的。因?yàn)檫@類飛行器在末制導(dǎo)階段動(dòng)壓變化范圍很大,因此側(cè)向可用過(guò)載變化范圍較寬。為了改善BTT/STT組合控制在末制導(dǎo)階段的性能,提出一種變閾值的BTT/STT組合控制算法:

式中,K1、K2為給定的系數(shù) ,且 K1

將式(7)與式(8)相結(jié)合即構(gòu)成了變閾值的BTT/STT組合控制算法。將法向過(guò)載指令分配到機(jī)體坐標(biāo)系中,得到機(jī)體坐標(biāo)系下俯仰/偏航通道的法向過(guò)載指令為

探究微波烘干時(shí)單位面積上要烘干的魚(yú)片的質(zhì)量對(duì)鳳尾魚(yú)片感官的影響，單位面積的魚(yú)片的質(zhì)量不一樣，則單位質(zhì)量的魚(yú)片吸收的微波能量不一樣，所以要考慮單位面積的質(zhì)量對(duì)烘干效果的影響。在其他因素不變的條件下，以80，100，120，140 g(以10 dm2烘干面積計(jì))4組質(zhì)量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)分析鳳尾魚(yú)片口感的變化，選擇適當(dāng)?shù)暮娓少|(zhì)量。

式中,nycm、nzcm分別為機(jī)體坐標(biāo)中俯仰/偏航通道的法向過(guò)載指令。

在末制導(dǎo)攻擊過(guò)程中,反輻射無(wú)人機(jī)采用變閾值的BTT/STT組合控制,增加無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)性,使得反輻射導(dǎo)引頭在空間上分辨出雷達(dá)和誘餌之后,無(wú)人機(jī)具有足夠的機(jī)動(dòng)能力攻擊雷達(dá)或誘餌。

4 抗前沿閃爍誘餌仿真分析

仿真條件為:反輻射無(wú)人機(jī)初始飛行高度為3000 m,初始坐標(biāo)為(0 m,3000 m,0 m);目標(biāo)靜止,初始坐標(biāo)為(2517.6 m,0 m,0 m);目標(biāo)雷達(dá)和誘餌相對(duì)距離為250 m,無(wú)人機(jī)初始瞄準(zhǔn)誘餌,飛行速度方向與目標(biāo)雷達(dá)、誘餌連線方向垂直;無(wú)人機(jī)與目標(biāo)相對(duì)距離為2060 m時(shí)(對(duì)應(yīng)的分辨角為7°),分辨出目標(biāo)雷達(dá)和誘餌,開(kāi)始轉(zhuǎn)彎攻擊目標(biāo)雷達(dá);反輻射無(wú)人機(jī)脫靶量為2.94 m。圖2～4分別為攻角曲線、側(cè)滑角曲線和滾轉(zhuǎn)角曲線。

由仿真曲線可知,側(cè)向過(guò)載指令較大時(shí),由攻角及滾轉(zhuǎn)角產(chǎn)生較大的側(cè)向過(guò)載;側(cè)向過(guò)載指令較小時(shí),滾轉(zhuǎn)角為零,采用STT控制由側(cè)滑角產(chǎn)生側(cè)向過(guò)載。因此,采用本文所提出的變閾值的BTT/STT組合控制算法,提高了面對(duì)稱布局無(wú)人機(jī)末制導(dǎo)階段的機(jī)動(dòng)能力同時(shí)消除了BTT控制滾轉(zhuǎn)指令解算的奇異性,使得無(wú)人機(jī)具備抗前沿閃爍誘餌所需的機(jī)動(dòng)能力。

圖2 抗誘偏制導(dǎo)攻角曲線Fig.2 Attack angel curve for anti-decoy guidance

圖3 抗誘偏制導(dǎo)側(cè)滑角曲線Fig.3 Sideslip angle curve for anti-decoy guidance

圖4 抗誘偏制導(dǎo)滾轉(zhuǎn)角曲線Fig.4 Roll angle curve for anti-decoy guidance

5 結(jié) 論

本文首先分析了前沿閃爍誘餌誘偏反輻射無(wú)人機(jī)的效果,給出了對(duì)抗前沿閃爍誘餌對(duì)無(wú)人機(jī)平臺(tái)的性能需求;針對(duì)面對(duì)稱布局無(wú)人機(jī)側(cè)向機(jī)動(dòng)能力差與抗前沿閃爍誘餌對(duì)平臺(tái)機(jī)動(dòng)能力需求高的矛盾,提出了一種新的變閾值的BTT/STT組合控制策略;最后,進(jìn)行了數(shù)字仿真。仿真結(jié)果表明,本文所提出的變閾值的BTT/STT組合控制策略,可以大大提高面對(duì)稱布局反輻射無(wú)人機(jī)末制導(dǎo)階段的側(cè)向機(jī)動(dòng)性,使反輻射導(dǎo)引頭分辨出雷達(dá)和誘餌后無(wú)人機(jī)具備攻擊雷達(dá)或誘餌所需的機(jī)動(dòng)能力,在成功分辨出雷達(dá)和誘餌后可以成功摧毀雷達(dá)或誘餌,并具有較高的制導(dǎo)精度;同時(shí)消除了末制導(dǎo)階段BTT控制滾轉(zhuǎn)指令解算的奇異性問(wèn)題,驗(yàn)證了本文所提方法的合理性和可行性。

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