艦載舷外有源誘餌干擾效果研究與分析

鄧杏松

（船舶重工集團(tuán)公司723所，揚(yáng)州225001）

0 引 言

艦載舷外有源誘餌作為一種有效的艦艇自衛(wèi)反導(dǎo)防御手段，是傳統(tǒng)有源、無(wú)源干擾手段［1］的重要補(bǔ)充。與無(wú)源彈相比，有源誘餌可產(chǎn)生多種干擾，從而使反艦導(dǎo)彈不能識(shí)別目標(biāo)信號(hào)，誘騙導(dǎo)彈偏離真實(shí)目標(biāo)。本文運(yùn)用仿真的方法，以質(zhì)心干擾［2］方式為例，構(gòu)建仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境［3］，為在實(shí)戰(zhàn)中使用有源誘餌技術(shù)提供了有效的參考。

1 反艦導(dǎo)彈與誘餌仿真模型

1.1 反艦導(dǎo)彈與誘餌作戰(zhàn)方式

反艦導(dǎo)彈飛行過(guò)程一般分為助推、下降、拉起、低空保持、躍升和俯沖等幾個(gè)階段［4－6］。反艦導(dǎo)彈由平臺(tái)發(fā)射并指向行進(jìn)中的艦艇，至一段距離后，末制導(dǎo)雷達(dá)開機(jī)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索、捕獲和跟蹤。從導(dǎo)引頭開啟末制導(dǎo)至正確鎖定目標(biāo)為止是導(dǎo)引頭的搜索階段，導(dǎo)引頭對(duì)預(yù)定區(qū)域同時(shí)進(jìn)行角度和距離上的搜索，若波門內(nèi)判斷有目標(biāo)回波信號(hào)時(shí)，即被末制導(dǎo)雷達(dá)鎖定，進(jìn)入跟蹤階段。

當(dāng)艦載電子偵察設(shè)備探測(cè)到有高速逼近的目標(biāo)時(shí)，根據(jù)作戰(zhàn)準(zhǔn)則，選擇合適時(shí)機(jī)，發(fā)射誘餌彈，誘餌飛行至設(shè)定地點(diǎn)開傘，進(jìn)行干擾。若誘餌彈處于雷達(dá)波束范圍內(nèi)，導(dǎo)彈將跟蹤目標(biāo)艦艇和誘餌的雷達(dá)回波能量中心（質(zhì)心點(diǎn)）［7］，從而偏離艦艇方向。

1.2 反艦導(dǎo)彈、艦艇和誘餌質(zhì)心干擾仿真模型

1.2.1 反艦導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)模型

對(duì)于反導(dǎo)電子對(duì)抗仿真，其關(guān)鍵在于研究導(dǎo)彈質(zhì)心點(diǎn)位置的變化，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，利用導(dǎo)彈和目標(biāo)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的有關(guān)信息描繪導(dǎo)彈與目標(biāo)間的關(guān)系［8－10］。相關(guān)的模型如飛行控制系統(tǒng)、動(dòng)力學(xué)模型［11］等可做相應(yīng)的簡(jiǎn)化，在此基礎(chǔ)上將過(guò)載引入導(dǎo)彈質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程未作考慮。

由于距離、速度等因素，導(dǎo)彈航向與其切線方向相對(duì)變化率較小，可近似認(rèn)為導(dǎo)彈實(shí)際指向?yàn)槠淝芯€方向。

綜上所述，假定反艦導(dǎo)彈以恒定速率飛行，則t時(shí)刻反艦導(dǎo)彈質(zhì)心點(diǎn)坐標(biāo)為：

式中：vd為反艦導(dǎo)彈的速率；α為反艦導(dǎo)彈的跟蹤航向角；t－1時(shí)刻表示當(dāng)前時(shí)刻t的上一個(gè)仿真步長(zhǎng)時(shí)間。

1.2.2 艦艇運(yùn)動(dòng)模型

為簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)艦艇模型做如下處理：（1）不考慮其高度、寬度和長(zhǎng)度，將其位置簡(jiǎn)化為質(zhì)心所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)；（2）不考慮導(dǎo)彈不同來(lái)襲方向所對(duì)應(yīng)的艦艇雷達(dá)反射面積（RCS）［13－15］的不同，并且假定雷達(dá)反射面積為定值。則t時(shí)刻艦艇的運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：vj為反艦導(dǎo)彈的速率；β為艦艇的運(yùn)動(dòng)航向角；（xj0，yj0）為艦艇初始位置坐標(biāo)。

1.2.3 誘餌模型

誘餌模型主要由誘餌的等效雷達(dá)反射面積、反應(yīng)時(shí)間等特征參數(shù)描述。

雷達(dá)末制導(dǎo)頭的峰值功率一般為30～50kW，天線增益為30dB左右。水面艦艇的RCS較大，在艦艇正橫方向和艏艉方向RCS可達(dá)到數(shù)萬(wàn)平方米。需要最大輻射功率的情況是在末制導(dǎo)已鎖住本艦，將誘餌發(fā)射至離艦合適位置進(jìn)行質(zhì)心干擾，末制導(dǎo)雷達(dá)截獲誘餌的信號(hào)功率為

式中：Pd為誘餌發(fā)射脈沖功率；Gd為誘餌天線的增益；Gt為末制導(dǎo)雷達(dá)天線的增益；Rd為末制導(dǎo)雷達(dá)與誘餌的距離。

同時(shí)，末制導(dǎo)雷達(dá)截獲軍艦反射信號(hào)功率為：

式中：Pt為雷達(dá)發(fā)射脈沖功率；Gt為雷達(dá)天線增益；σ為目標(biāo)反射面積；Rt為末制導(dǎo)雷達(dá)與艦艇的距離。

又由公式（3）、（4）得：

由此求得誘餌的等效RCS值：

圖1所示為誘餌隨距離變化的等效RCS值。

圖1 誘餌等效RCS計(jì)算

誘餌反應(yīng)時(shí)間主要包括艦艇偵察到威脅信號(hào)的時(shí)間、誘餌彈發(fā)射到箭彈分離的飛行時(shí)間、分離時(shí)間、開傘到穩(wěn)定干擾時(shí)間。

1.2.4 誘餌質(zhì)心干擾模型

誘餌應(yīng)布放在導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)跟蹤波束范圍以內(nèi)，誘餌質(zhì)心干擾成功的約束條件如圖2所示。

圖2 質(zhì)心干擾模型

假定反艦導(dǎo)彈處于圖2中的o點(diǎn)處，將末制導(dǎo)雷達(dá)照射波束近似看成為圓錐體［16－19］，其頂角大小等于雷達(dá)波束寬度θ0.5，艦艇發(fā)射誘餌的雷達(dá)反射面積為σ1，艦艇的雷達(dá)反射面積為σ2，導(dǎo)彈的跟蹤點(diǎn)為P點(diǎn)（質(zhì)心點(diǎn)），則誘餌與質(zhì)心點(diǎn)的角度θ1為：

艦艇與質(zhì)心點(diǎn)的角度θ2為：

利用公式（7）、（8），可以評(píng)判艦艇或誘餌是否處于雷達(dá)照射范圍內(nèi)，如圖2所示。導(dǎo)彈在o點(diǎn)處，艦艇與誘餌同處雷達(dá)波束范圍內(nèi)，隨著反艦導(dǎo)彈逐漸接近目標(biāo)以及艦艇可能的橫向運(yùn)動(dòng)，θ將不斷增大，艦艇和誘餌中的一個(gè)將脫離雷達(dá)波束范圍，導(dǎo)彈將轉(zhuǎn)向未脫離波束照射的目標(biāo)。若艦艇與誘餌之間距離較近，誘餌與艦艇在導(dǎo)彈逼近過(guò)程中始終處于末制導(dǎo)跟蹤波束范圍之內(nèi)，基于質(zhì)心干擾原理，導(dǎo)彈將指向誘餌與艦艇的反射回波能量中心點(diǎn)。

仿真時(shí)，假定反艦導(dǎo)彈無(wú)識(shí)別假目標(biāo)能力，且反艦導(dǎo)彈在抵近目標(biāo)1km后攻擊方位不再變化。

1.3 質(zhì)心干擾仿真流程

在上述模型和假設(shè)的前提下，將仿真的相關(guān)變量賦初值。根據(jù)艦艇、誘餌、導(dǎo)彈的動(dòng)態(tài)位置和設(shè)定參數(shù)，計(jì)算導(dǎo)引頭天線的跟蹤角（瞄準(zhǔn)真假目標(biāo)的質(zhì)心點(diǎn)），選擇合適的計(jì)算步長(zhǎng)Δt，通過(guò)質(zhì)心干擾數(shù)學(xué)模型，算出經(jīng)過(guò)Δt時(shí)間后的導(dǎo)彈跟蹤角和位移，繼而標(biāo)定Δt時(shí)間后導(dǎo)彈的位置，從而逐一繪制導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)，繪制艦艇、誘餌的軌跡。仿真流程如圖3所示。

式中:dIJ為目標(biāo)回波的間隔距離;i,j=1,2,…,N;I=1,2,…,N;J=1,2,…,N。在目標(biāo)回波中，若dIJ≤α，|H(Ai)-H(Aj)|

2 舷外有源誘餌干擾效果分析

2.1 干擾效果分析

圖3 誘餌質(zhì)心干擾仿真流程

依據(jù)上述數(shù)學(xué)模型編制計(jì)算機(jī)軟件，將仿真實(shí)驗(yàn)的導(dǎo)彈飛行速度、末制導(dǎo)雷達(dá)波束角、開機(jī)距離、目標(biāo)艦艇機(jī)動(dòng)速度和角度以及誘餌反應(yīng)時(shí)間等變量分別賦值。通過(guò)比較，直觀地說(shuō)明誘餌對(duì)抗反艦導(dǎo)彈的干擾特性，表1列出了某次仿真中的各種初始狀態(tài)和參數(shù)值。

表1 典型參數(shù)值表

由于誘餌角度欺騙的干擾距離比較近，末制導(dǎo)開機(jī)距離通常為8～12km，所以仿真時(shí)彈目起始距離設(shè)為20km，能基本反映攻防雙方的對(duì)抗情況。

圖4為在未施加誘餌干擾情況下導(dǎo)彈擊中艦艇的攻擊彈道。

以下通過(guò)改變誘餌的布放距離、有效發(fā)射功率2種主要參數(shù)來(lái)分析誘餌對(duì)抗反艦導(dǎo)彈干擾的成功率。

如圖5～圖7所示，導(dǎo)彈航跡有3個(gè)明顯的變軌過(guò)程，分別為：

（1）在點(diǎn)A處末制導(dǎo)開機(jī)；

（2）在點(diǎn)B處誘餌開始工作；

（3）誘餌或艦艇脫離波束的距離位置點(diǎn)C。

圖4 無(wú)干擾情況下導(dǎo)彈擊中目標(biāo)

2.1.1 不同的布放距離對(duì)誘餌掩護(hù)艦艇干擾成功率的影響

如圖5所示，導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)在離目標(biāo)10km處跟蹤目標(biāo)，假定誘餌反應(yīng)時(shí)間為5s，誘餌等效發(fā)射功率為8kW，誘餌與艦艇橫向距離約為100m，艦艇作12m／s橫向機(jī)動(dòng)。從對(duì)抗試驗(yàn)結(jié)果分析，在等效發(fā)射功率為8kW時(shí)，誘餌掩護(hù)1×105m2以下水面艦艇的干擾成功率較高。

圖5 發(fā)射功率為8kW時(shí)，末制導(dǎo)開機(jī)距離為10km，誘餌反應(yīng)時(shí)間為5s的干擾仿真結(jié)果

如圖6所示，導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)在離目標(biāo)10km處跟蹤目標(biāo)，誘餌反應(yīng)時(shí)間為5s，在目標(biāo)艦艇靜止條件下的干擾仿真結(jié)果。在相同等效發(fā)射功率條件下，誘餌能掩護(hù)2.5×104m2的目標(biāo)。

圖6 誘餌等效發(fā)射功率為8kW時(shí)艦艇靜態(tài)干擾仿真結(jié)果

圖7為末制導(dǎo)開機(jī)距離為12km，誘餌反應(yīng)時(shí)間為10s時(shí)的干擾仿真結(jié)果圖。從對(duì)抗試驗(yàn)結(jié)果分析，在等效發(fā)射功率為8kW時(shí)，誘餌能掩護(hù)7×104m2以下水面艦艇。

圖5、圖6、圖7分別通過(guò)3個(gè)對(duì)抗場(chǎng)景計(jì)算仿真了誘餌的干擾過(guò)程。從導(dǎo)彈航跡以及對(duì)抗三者的不同位置態(tài)勢(shì)分析，此3類情況，可基本歸結(jié)為誘餌不同橫向布放距離對(duì)干擾效果的影響，即在導(dǎo)彈距離較遠(yuǎn)時(shí)，若能將誘餌及時(shí)布放在導(dǎo)引頭的波束內(nèi)，較遠(yuǎn)的橫向布放距離有利于提高誘餌干擾能力。

圖7 發(fā)射功率為8kW時(shí)，末制導(dǎo)開機(jī)距離為12km，誘餌反應(yīng)時(shí)間為10s的干擾仿真結(jié)果

圖8 誘餌發(fā)射功率2kW時(shí)，末制導(dǎo)開機(jī)距離為10km，誘餌反應(yīng)時(shí)間為5s的干擾仿真結(jié)果

2.1.2 不同的誘餌發(fā)射功率對(duì)干擾成功率的影響

如圖8所示，末制導(dǎo)開機(jī)距離為10km，誘餌反應(yīng)時(shí)間為5s，誘餌的等效發(fā)射功率為2kW時(shí)，從對(duì)抗結(jié)果分析，只能掩護(hù)1×104m2以下水面艦艇。比較圖5與圖8可知：誘餌具有較高的等效發(fā)射功率，顯然有利于干擾效果。

2.2 影響誘餌干擾效果的主要因素

誘餌橫向布放距離較遠(yuǎn)時(shí)，由于有源干擾的特點(diǎn)，誘餌在質(zhì)心對(duì)抗過(guò)程中能獲得較大的優(yōu)勢(shì)，從而干擾效果較好；誘餌橫向布放距離較近時(shí)，隨著彈目距離的減小，誘餌的等效散射截面下降較快，在質(zhì)心對(duì)抗過(guò)程中并不占優(yōu)勢(shì)，從而掩護(hù)目標(biāo)面積也相對(duì)減小較多。但是，以上仿真是基于導(dǎo)彈無(wú)目標(biāo)識(shí)別能力的前提下進(jìn)行的，若誘餌布放距離過(guò)遠(yuǎn)，過(guò)早形成導(dǎo)彈跟蹤誘餌單一目標(biāo)的情況，導(dǎo)彈可能重新搜捕真目標(biāo)。因此，誘餌的橫向布放距離并不是越遠(yuǎn)越好。

干擾功率對(duì)誘餌的干擾效果影響是直接的，但是考慮到性價(jià)比和一系列技術(shù)問(wèn)題，也不能無(wú)限提高發(fā)射功率。因此，誘餌干擾戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)將是一個(gè)需要不斷研究的課題。

3 結(jié) 論

有源誘餌是對(duì)抗反艦導(dǎo)彈新的技術(shù)手段，其戰(zhàn)術(shù)使用是一個(gè)新的領(lǐng)域，代表了艦艇電子對(duì)抗的一個(gè)重要發(fā)展方向。本文所建立的動(dòng)態(tài)仿真流程較為真實(shí)地反映了反艦導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)，以及目標(biāo)實(shí)施有源誘餌干擾的過(guò)程，為今后更深層次的戰(zhàn)術(shù)效果系統(tǒng)仿真和應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。

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