導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星對(duì)抗及其效能評(píng)估仿真研究

沈 陽(yáng)，李修和，李 勇

（解放軍電子工程學(xué)院，安徽 合肥230037）

0 引言

導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星是導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的重要組成部分，它擔(dān)負(fù)著彈道導(dǎo)彈早期預(yù)警的重任，歷來(lái)是導(dǎo)彈攻防雙方關(guān)注的焦點(diǎn)。預(yù)警衛(wèi)星通過(guò)星載紅外傳感器對(duì)導(dǎo)彈尾焰的探測(cè)，經(jīng)通信鏈路將探測(cè)信息傳輸給地面站，地面站在信息處理后發(fā)出導(dǎo)彈預(yù)警信號(hào)和戰(zhàn)術(shù)參數(shù)估計(jì)，從而啟動(dòng)引導(dǎo)防御系統(tǒng)的后續(xù)攔截行動(dòng)［1-2］。

導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星的薄弱環(huán)節(jié)在哪、如何降低預(yù)警衛(wèi)星對(duì)彈道導(dǎo)彈的威脅，成為亟待解決的問(wèn)題。本文針對(duì)預(yù)警衛(wèi)星的作戰(zhàn)過(guò)程，分析了對(duì)抗預(yù)警衛(wèi)星的方法手段，建立了預(yù)警衛(wèi)星對(duì)抗效能評(píng)估模型，并構(gòu)建了預(yù)警衛(wèi)星對(duì)抗仿真系統(tǒng)。導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星對(duì)抗的建模仿真，對(duì)于研究預(yù)警衛(wèi)星對(duì)抗手段和彈道導(dǎo)彈突防均具有十分重要的意義。

1 導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星對(duì)抗分析

1.1 導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星紅外對(duì)抗分析

導(dǎo)彈發(fā)射中主動(dòng)段的尾焰輻射強(qiáng)烈，是預(yù)警衛(wèi)星探測(cè)的基礎(chǔ)。導(dǎo)彈尾焰發(fā)出的電磁波包含紅外、可見(jiàn)光、紫外等電磁波譜，但三者中紅外是主要的輻射成分，紫外譜段比例較小，可見(jiàn)光譜段能量較小，對(duì)后兩者的探測(cè)主要是綜合起來(lái)降低虛警率。預(yù)警衛(wèi)星上的有效載荷主要有紅外探測(cè)系統(tǒng)，另外還有核爆炸探測(cè)器、紫外跟蹤探測(cè)系統(tǒng)等。短波紅外用于探測(cè)處于助推段的導(dǎo)彈，中波紅外探測(cè)處于飛行中段的導(dǎo)彈。

鑒于預(yù)警衛(wèi)星的紅外探測(cè)原理，預(yù)警衛(wèi)星對(duì)抗可考慮紅外對(duì)抗手段，包括激光有源干擾和煙幕無(wú)源干擾［3］。在導(dǎo)彈突防過(guò)程中，可利用強(qiáng)激光武器對(duì)星載紅外探測(cè)器進(jìn)行干擾：強(qiáng)激光照射到紅外探測(cè)器，使探測(cè)器飽和，超過(guò)其線性工作范圍，使光電探測(cè)器暫時(shí)失效。當(dāng)激光輻照能量密度足夠大或者照射時(shí)間足夠長(zhǎng)，則會(huì)對(duì)紅外探測(cè)器產(chǎn)生永久的損傷。上述對(duì)抗手段的使用一方面可降低探測(cè)器的探測(cè)概率，延遲對(duì)突防導(dǎo)彈的首次探測(cè)時(shí)間，縮短預(yù)警衛(wèi)星的預(yù)警時(shí)間；另一方面還可徹底毀壞紅外探測(cè)器，使預(yù)警衛(wèi)星喪失早期預(yù)警功能。

當(dāng)目標(biāo)發(fā)出的紅外輻射入射到煙幕時(shí)，煙幕對(duì)其產(chǎn)生吸收和散射，紅外輻射遭到衰減。煙幕可分為輻射遮蔽型和衰減遮蔽型兩類，由于輻射遮蔽型煙幕本身較強(qiáng)的紅外輻射，一旦被識(shí)別就很容易暴露目標(biāo)，所以目前的研究主要集中在衰減遮蔽型煙幕上。衰減遮蔽型煙幕是靠煙幕對(duì)紅外輻射的吸收、散射和反射作用來(lái)實(shí)現(xiàn)遮蔽，其中反射的作用相當(dāng)微弱，一般情況下可以忽略不計(jì)。對(duì)預(yù)警衛(wèi)星的煙幕干擾，除了衰減遮蔽干擾還有紅外誘餌和紅外偽裝。

1.2 導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星通信鏈路對(duì)抗分析

預(yù)警衛(wèi)星在工作過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)下行通信鏈路對(duì)地面站不斷傳輸星上探測(cè)信息。導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星的下行通信鏈路主要是將星上的探測(cè)數(shù)據(jù)信息傳送到地面站進(jìn)行初步的信息處理。在沒(méi)有發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時(shí)，每隔30秒與地面站聯(lián)絡(luò)，進(jìn)行鏈路鏈接和狀態(tài)信息的傳輸；一旦探測(cè)器發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，則連續(xù)以每秒1～2幀的速率將目標(biāo)尾焰圖像傳遞到地面站。因此，預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)的下行通信鏈路也是對(duì)抗目標(biāo)之一。

通信鏈路對(duì)抗就是通過(guò)干擾預(yù)警衛(wèi)星與地面站之間的下行通信鏈路，達(dá)到降低星地間信息交換的成功率，延長(zhǎng)通信時(shí)間，使預(yù)警探測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法有效傳輸?shù)降孛嬲具M(jìn)行處理［4］?？紤]到地面站接收天線波束寬度、地球曲率和地物障礙等因素，對(duì)下行通信鏈路的對(duì)抗，可采用伴星干擾方式干擾地面站接收部分。對(duì)下行鏈路的干擾是建立在對(duì)上行鏈路偵察的基礎(chǔ)之上，主要目的是割斷預(yù)警衛(wèi)星與地面站之間聯(lián)系，降低信息傳輸質(zhì)量并延遲數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。

2 導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星對(duì)抗效能評(píng)估建模

2.1 天基激光干擾效能評(píng)估模型

鑒于激光干擾的窄視場(chǎng)特性，對(duì)導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星的激光干擾需采用預(yù)警衛(wèi)星伴星干擾方式。對(duì)于激光干擾，通過(guò)研究探測(cè)距離和探測(cè)概率與激光干擾之間的變化關(guān)系，來(lái)評(píng)估激光干擾的效能。

設(shè)衛(wèi)星紅外敏感探測(cè)器光電成像焦面的干擾功率密度為p3，脈沖激光的脈沖周期為τ，探測(cè)器飽和閾值為E1，損壞閾值為E2。

當(dāng)p3τ＜E1時(shí)，DSP預(yù)警衛(wèi)星的作用距離為［5］：

式中，Vs為紅外敏感探測(cè)器探測(cè)到的目標(biāo)紅外輻射信號(hào)電壓，Vn為進(jìn)入紅外敏感探測(cè)器的均方根噪聲電壓值，（Vs／Vn）min為紅外探測(cè)系統(tǒng)正常工作所需的最小信噪比，Ro為紅外探測(cè)系統(tǒng)的理想作用距離［5］。

式中，D0為光學(xué)系統(tǒng)入射孔徑的直徑；光學(xué)系統(tǒng)數(shù)值孔徑（NA）為D0／2f，f 為光學(xué)系統(tǒng)等效焦距；D＊為探測(cè)器單位面積、單位帶寬的探測(cè)度；Iλ1～λ2為目標(biāo)的紅外輻射強(qiáng)度；τa為工作波段內(nèi)的大氣紅外透過(guò)率；τ0為光學(xué)系統(tǒng)紅外透過(guò)率；γ 為脈沖能見(jiàn)度系數(shù)；C 為單個(gè)探測(cè)器元件的數(shù)目；Ω 為掃描探測(cè)視場(chǎng)大小；T 為紅外探測(cè)掃描幀時(shí)間。

探測(cè)概率為［6］：

式中，Vs／Vn為信噪比；α、β、c為常數(shù)，參考取值分別為0.001、4.5997、0.44825。

當(dāng)E1＜p3τ＜E2時(shí)，預(yù)警衛(wèi)星的作用距離和探測(cè)概率分別為：

當(dāng)E2＜p3τ時(shí)，預(yù)警衛(wèi)星的紅外探測(cè)功能失效，作用距離和探測(cè)概率均為0。

2.2 煙幕遮蔽干擾效能評(píng)估模型

在對(duì)預(yù)警衛(wèi)星的對(duì)抗技術(shù)中，通過(guò)伴星或其他方式施放紅外煙幕是一種行之有效的手段［7］。對(duì)于煙幕遮蔽干擾，通過(guò)研究探測(cè)距離和探測(cè)概率與煙幕干擾條件下大氣透過(guò)率之間的變化關(guān)系，來(lái)評(píng)估煙幕遮蔽干擾的效能。

紅外煙幕的消光性能主要是由粒子的吸收和散射引起的，假定煙幕粒子為實(shí)心剛性球形粒子，且其粒徑參數(shù)（2πr／λ）較大，此時(shí)可采用米氏理論計(jì)算其對(duì)紅外光線的消光性能。當(dāng)煙幕厚度為L(zhǎng)，由朗伯—比爾定律可得到煙幕的透過(guò)率τ的近似表達(dá)式為：

其中：

式中，N 為煙幕的顆粒濃度，ae為粒子的質(zhì)量消光截面，L 為煙幕路徑的長(zhǎng)度，c為煙幕的質(zhì)量濃度，r為介質(zhì)微粒的半徑，ρ為粒子質(zhì)量密度，Qe為介質(zhì)衰減效率因子。

則煙幕干擾條件下預(yù)警衛(wèi)星接收的導(dǎo)彈尾焰紅外輻射強(qiáng)度為：

得到煙幕衰減后的紅外輻射強(qiáng)度后，預(yù)警衛(wèi)星的探測(cè)距離和概率計(jì)算公式為式（1）、（2）和（3）。

2.3 通信鏈路干擾效能評(píng)估模型

對(duì)于預(yù)警衛(wèi)星通信鏈路的干擾，采取基于天基干擾平臺(tái)對(duì)預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)下行數(shù)據(jù)鏈路的手段。對(duì)于通信鏈路干擾，可以研究通信誤碼率與鏈路干擾之間的關(guān)系，來(lái)評(píng)估干擾效能。

對(duì)預(yù)警衛(wèi)星通信鏈路有效干擾的條件為：

式中，fjmin為干擾頻率下限，fd為衛(wèi)星地面站工作頻率，fjmax為干擾頻率上限，hj為干擾平臺(tái)高度，hjmin為保證有效干擾的平臺(tái)高度下限，（J／S）d為衛(wèi)星地面站接收的干信比，（J／S）max為保證有效干擾的最大干信比。

其中：

式中，Re為地球半徑；hr為天線架高；αmin為衛(wèi)星地面站通信接收機(jī)天線波束抑制仰角；βjr為地面站與星載干擾設(shè)備在地球表面上投影間的地心角；φr、θr為地面站的經(jīng)度和緯度；φj、θj為干擾設(shè)備的經(jīng)度和緯度。

干擾條件下的數(shù)字通信誤碼率與通信調(diào)制和解調(diào)方式以及通信接收機(jī)輸入端信干比有關(guān)。2DPSK 系統(tǒng)采用相干解調(diào)和差分相干解調(diào)時(shí)，誤碼率分別為［8］：

3 導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星對(duì)抗仿真系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成

導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星對(duì)抗系統(tǒng)仿真成員主要由仿真管理控制模塊、數(shù)據(jù)接收與分發(fā)模塊、作戰(zhàn)實(shí)體平臺(tái)模塊、衛(wèi)星有效載荷模塊、數(shù)傳鏈路通信模塊、預(yù)警信息處理模塊、衛(wèi)星對(duì)抗仿真模塊和干擾效能分析模塊以及數(shù)據(jù)庫(kù)和模型庫(kù)組成，如圖1所示［9］。

圖1 預(yù)警衛(wèi)星對(duì)抗系統(tǒng)仿真成員組成框圖

3.2 仿真流程

根據(jù)上述的預(yù)警衛(wèi)星對(duì)抗分析與建模，預(yù)警衛(wèi)星對(duì)抗系統(tǒng)的仿真流程如圖2所示，包括五大部分：一是系統(tǒng)初始化與想定加載；二是衛(wèi)星對(duì)抗仿真；三是預(yù)警衛(wèi)星視場(chǎng)判斷與探測(cè)概率計(jì)算；四是衛(wèi)星下行鏈路狀態(tài)與通信質(zhì)量計(jì)算；五是地面站信息處理與發(fā)布。

圖2 預(yù)警衛(wèi)星對(duì)抗系統(tǒng)仿真流程圖

3.3 仿真實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中對(duì)導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星紅外敏感探測(cè)器進(jìn)行干擾，采取衛(wèi)星載強(qiáng)激光器和紅外遮蔽煙幕干擾裝備完成；利用通信干擾衛(wèi)星，對(duì)預(yù)警衛(wèi)星通信下行鏈路中的導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星地面站進(jìn)行干擾。仿真結(jié)果如圖3～5所示。

圖3 激光干擾效能仿真評(píng)估結(jié)果

圖4 煙幕干擾效能仿真評(píng)估結(jié)果

圖5 通信干擾效能仿真評(píng)估結(jié)果

由圖3分析可知：激光干擾條件下，對(duì)探測(cè)距離和概率的干擾影響機(jī)理相同，因此，二者的效能仿真評(píng)估結(jié)果曲線類似，都體現(xiàn)了飽和閾值和損壞閾值的分段性。

由圖4分析可知：煙幕干擾條件下，探測(cè)距離隨煙幕透過(guò)率變化，透過(guò)率越大，相對(duì)探測(cè)距離越大，當(dāng)透過(guò)率為1即無(wú)煙幕干擾時(shí)，就是無(wú)干擾條件下的探測(cè)距離。

由圖5分析可知：通信干擾條件下，誤碼率隨信干比增大而減小，相同信干比時(shí)，不同通信解調(diào)方式下的誤碼率不同。

4 結(jié)束語(yǔ)

預(yù)警衛(wèi)星是導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的重要組成部分，建立其對(duì)抗仿真系統(tǒng)對(duì)于導(dǎo)彈突防研究具有十分重要的意義。本文從分析預(yù)警衛(wèi)星對(duì)抗手段入手，建立相應(yīng)的對(duì)抗效能評(píng)估模型，最后構(gòu)建了預(yù)警衛(wèi)星對(duì)抗系統(tǒng)仿真平臺(tái)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。■

［1］時(shí)家明，路遠(yuǎn).紅外對(duì)抗原理［M］.北京：解放軍出版社，2002.

［2］張樂(lè)，邵銘，王冰，等.天基紅外系統(tǒng)及空間光電對(duì)抗裝備進(jìn)展［J］.航天電子對(duì)抗，2012，28（2）：16-19.

［3］樊祥，張國(guó)良，馬東輝，等.光電攻擊在反衛(wèi)星偵察、預(yù)警方面的應(yīng)用［J］.航天電子對(duì)抗，2000（4）：33-37.

［4］路遠(yuǎn)，李玉波，凌永順，等.衛(wèi)星信息對(duì)抗研究［J］.現(xiàn)代防御技術(shù)，2007，35（5）：86-91.

［5］邵立，李雙剛，孫曉泉.導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星探測(cè)原理及其攻防技術(shù)探討［J］.紅外技術(shù)，2006，28（1）：43-46.

［6］喬永杰，孫亮，陳興波，等.導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)作戰(zhàn)活動(dòng)的效能評(píng)估［J］.火力與指揮控制，2011，36（6）：120-123.

［7］劉風(fēng)林，高桂清，劉剛.紅外煙幕對(duì)預(yù)警衛(wèi)星的干擾效能評(píng)估［J］.現(xiàn)代防御技術(shù)，2007，35（1）：14-17.

［8］羅小明.彈道導(dǎo)彈攻防對(duì)抗的建模與仿真［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

［9］沈陽(yáng).導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)功能仿真建模［J］.電子信息對(duì)抗技術(shù)，2012，27（1）：55-59.