無人機干擾雷達作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)研究*

魏海永 羅 航

(海裝武漢局駐景德鎮(zhèn)軍事代表室 景德鎮(zhèn) 333002)

無人機干擾雷達作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)研究*

魏海永 羅 航

(海裝武漢局駐景德鎮(zhèn)軍事代表室 景德鎮(zhèn) 333002)

論文建立了雷達模型、雷達檢測模型和雷達威脅模型,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了無人機與敵方雷達的交互系統(tǒng),最后設(shè)定具體作戰(zhàn)背景,完成了無人機干擾雷達作戰(zhàn)系統(tǒng)仿真，為部隊使用無人機提供了一定的依據(jù)。

無人機; 雷達; 作戰(zhàn)仿真

Class Number TP391

1 引言

作戰(zhàn)仿真,就是用模擬的方式,再現(xiàn)戰(zhàn)場上作戰(zhàn)雙方的作戰(zhàn)行為和戰(zhàn)斗的進程和結(jié)局,以檢驗各種參戰(zhàn)兵器的效能和戰(zhàn)術(shù)運用的成敗得失,作為改進兵器性能和戰(zhàn)術(shù)的依據(jù)。在仿真中,根據(jù)其仿真試驗采取的手段的不同,可以分為實物物理仿真,半實物物理仿真以及計算機仿真幾種類型。在計算機仿真中,試驗環(huán)境和參試設(shè)備的性能和工作機理,都是由數(shù)學(xué)模型和各種數(shù)據(jù)表示的,試驗過程則是由計算機軟件控制,并通過計算機的演算得到試驗結(jié)果。

現(xiàn)代無人機主要執(zhí)行戰(zhàn)場偵察與監(jiān)視、目標(biāo)截獲、火力校正,摧毀評估以及電子誘騙與電子干擾等任務(wù),發(fā)揮著日益重要的作用。

本文旨在無人機干擾敵方雷達系統(tǒng)作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)方面做出一定的研究,為部隊無人機使用提供一定的依據(jù)。

2 模型的建立

2.1 無人機運動學(xué)模型

通常研究飛行器的運動時,假定飛行器的質(zhì)量集中在質(zhì)心上,從而研究飛行器的質(zhì)心移動規(guī)律,因此飛機的六自由度包括決定質(zhì)心瞬時位置的三個自由度和決定瞬時姿態(tài)的三個自由度。這里采用通用無人機六自由運動學(xué)動力學(xué)方程組。

2.2 雷達威脅模型

1) 雷達模型

雷達方程是描述雷達系統(tǒng)特性的最基本的數(shù)學(xué)方程。在雷達方程的完整形式中,考慮了雷達系統(tǒng)參量、目標(biāo)參量、背景雜波和干擾影響、傳播影響、傳播介質(zhì)等各種因素對雷達作用距離的影響,雷達方程對目標(biāo)探測問題的分析十分必要。常見的雷達方程如式(1)。

(1)

式中,PR為雷達接收機收到的回波信號功率,PT為

雷達發(fā)射機輸出功率,GT為發(fā)射天線增益,GR為接收天線增益,λ為雷達的工作波長,σ為目標(biāo)的雷達散射截面積,FT為發(fā)射方向圖傳播因子,FR為接收方向圖傳播因子,RT為發(fā)射機到目標(biāo)的距離,RR為接收機到目標(biāo)的距離,CB為濾波器與信號波形匹配程度系數(shù),在匹配情況下,CB=1,不匹配情況下,CB>1,LT為發(fā)射損耗因子,LR為接收損耗因子。式(1)中考慮了方向圖傳播因子和損耗因子,未考慮大氣衰減問題。對于收發(fā)合置的單基地雷達,由于RT=RR=R,GT=GR=G,LR=LT=L,FR=FT=F,所以,式(1)可以簡化為

(2)

2) 雷達檢測模型

雷達接收機從載波中排除噪聲和雜波并檢測出有用信號的過程稱為檢波[1]。檢波器通常有兩種類型,一種是要利用回波信號的相位信息,采用相位檢波(又稱為相干檢波);另一種不用回波相位信息,而是以載波包絡(luò)的幅度來分辨信號的,也稱為包絡(luò)檢波器。包絡(luò)檢波器雖然要損失信噪比,但簡單實用,常規(guī)雷達大多采用包絡(luò)檢波器,因而本文計算中使用的也是包絡(luò)檢波器。

雷達的檢測過程可以用門限檢測來描述,它首先對單個脈沖信號進行匹配濾波,然后進行包絡(luò)檢波,n個脈沖加權(quán)積累以后與某一門限電壓進行比較,如果接收機輸出的電壓包絡(luò)超過了預(yù)置的門限,就認為有目標(biāo)出現(xiàn),否則認為沒有目標(biāo)。

由門限檢測的概念知道這種檢測方式會有錯誤:(1)無目標(biāo)出現(xiàn)情況可能會判定目標(biāo)存在;(2)確有目標(biāo)出現(xiàn)時可能會判定無目標(biāo)。這兩種情況分別稱為虛警和漏檢,在統(tǒng)計檢測理論上稱為第Ⅰ類和第Ⅱ類錯誤。出現(xiàn)這兩種錯誤的概率與噪聲、干擾的波動,目標(biāo)的波動以及門限的設(shè)定有關(guān)。在雷達探測領(lǐng)域,選擇門限的原則是在虛警概率不超過某一值的情況下,使探測概率最大,即固定第Ⅰ類錯誤前提下使第Ⅱ類錯誤最小,該原則稱為Neyman-Pearson原則[2]。圖1給出了探測概率、虛警概率和門限之間的關(guān)系。

圖1 探測概率計算示意圖

圖1中p(y,x=0)表示雷達感興趣目標(biāo)不存在時,接收機檢波器輸出信噪比的概率密度分布,而P(y,x)表示目標(biāo)、噪聲(可能的干擾)同時存在時,檢波器輸出的信噪比概率密度分布情況。設(shè)門限為T,由概率論知識可知:

(3)

(4)

在門限檢測技術(shù)中,門限值的確定與雜波和干擾的存在情況密切相關(guān)。如果假設(shè)有雜波分布保持不變的情況,則由式(3)可以得到對應(yīng)于某一虛警概率的門限是一個定值,將得到的固定門限代入式(4)計算可以得到雷達的探測概率。在實際中,由于雜波和干擾的存在以及雜波均值的變化,固定門限檢測有可能錯誤估計雜波水平,如果固定門限值偏高,則降低雷達對目標(biāo)的探測概率;固定門限值偏低則又使虛警概率增加,兩者都降低了雷達的探測性能,所以在雷達接收機信號處理系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)就是恒虛警(Constant False Alarm Rate,CFAR)處理技術(shù)。恒虛警處理技術(shù)[3]的實質(zhì)就是通過實時地對雜波水平進行估值、對被檢測單元處于雜波中的位置進行判斷以及消除干擾單元的影響,從而實時設(shè)定檢測門限,保證虛警概率不變。

3) 雷達網(wǎng)威脅計算

對于假定的敵方分布式雷達網(wǎng)探測系統(tǒng),其探測性能與組成該系統(tǒng)的各個探測器的探測性能密切相關(guān),探測概率可以寫為如下形式。

Pd=f[K·Pfa·(Pfa1·Pa1)·…·(PfaN·PaN)]

(5)

式(5)中,Pfa為探測系統(tǒng)給定的虛警概率,K為數(shù)據(jù)融合準(zhǔn)則參數(shù),N為組成探測系統(tǒng)的探測單元數(shù),(Pfai,Pdi)表示第i個探測單元的虛警概率和探測概率,f(·)表示探測系統(tǒng)的優(yōu)化配置過程。本文采用的數(shù)據(jù)融合準(zhǔn)則簡單地規(guī)定為:所有探測單元中最大的探測發(fā)現(xiàn)概率即為整個探測系統(tǒng)的探測發(fā)現(xiàn)概率。

求解分布式雷達網(wǎng)探測系統(tǒng)的探測性能隨距離變化時,首先需要得到給定距離Ri和RCS為σ的目標(biāo)的(Pfat,Pat),即各探測單元對目標(biāo)的探測性能。求解過程如下:首先給定N個探測單元的特征探測性能,這N個探測單元的特征探測性能可以相同或不同,然后得到N個探測單元的探測性能(Pfai,Pai),再利用式(5)得到整個探測系統(tǒng)的探測概率。如果無人機的航路己知,則可以無人機的任務(wù)目標(biāo)點(無人機執(zhí)行任務(wù)需要到達的位置)為坐標(biāo)原點建立坐標(biāo)系。圖5表示無人機朝向任務(wù)目標(biāo)點直線飛行時的情況。

圖2 無人機-威脅示意圖

圖2中,R為無人機到任務(wù)點的平面水平距離,Rhl為飛機到第1個探測單元的平面水平距離,RN為雷達波在第N個探測單元與目標(biāo)之間的傳播距離。

3 無人機與雷達交互設(shè)計

圖3 無人機與雷達交互的系統(tǒng)流程圖

進行仿真時,無人機開始按照預(yù)定的路徑飛行,并實時地進行探測判斷,圖形界面需實時顯示了無人機的位置。雷達實時計算與無人機的距離,進行探測判斷。雷達在無人機進入其有效探測范圍之后開始工作。在無人機接受到雷達的信號以后,將探測結(jié)果輸出給無人機模型,控制飛機的運動姿態(tài),并使飛機進入攻擊狀態(tài)。雷達模型計算出對無人機的探測結(jié)果,并將計算結(jié)果實時傳遞給數(shù)據(jù)庫,并啟動所定計時器。如果計時器超過10s,則向無人機發(fā)出命中數(shù)據(jù)信息,包括命中的時間、命中時的坐標(biāo)、命中的距離等;此時則停止該無人機的仿真,發(fā)送被摧毀消息,并退出本次仿真,從二維顯示圖上消失。如果無人機在攻擊過程中沒有被摧毀,則直至無人機航程結(jié)束或攻擊過程完畢。若攻擊過程被執(zhí)行,無人機使用落地點與雷達的距離來判斷是否擊中雷達,向雷達發(fā)出攻擊信息,包括落點與雷達的距離,是否命中等,并退出仿真。雷達根據(jù)無人機最后發(fā)出的攻擊信息,判斷自身是否被摧毀。如果接收到的攻擊信息中包含雷達被摧毀,則退出仿真,否則繼續(xù)進行仿真直到整個仿真結(jié)束。圖3是該系統(tǒng)的流程圖。

4 案例仿真

戰(zhàn)術(shù)背景:紅方某機群將轟炸藍方某重要目標(biāo),在藍方該目標(biāo)周邊設(shè)有防空系統(tǒng)對空警戒,防空系統(tǒng)由防空雷達和防空導(dǎo)彈部隊等組成,為配合紅方機群成功突破藍方防空系統(tǒng),現(xiàn)派出9架無人機與戰(zhàn)斗機編隊飛行(或在轟炸機群之前),運用無人機群來干擾壓制藍方雷達,使其在探測距離和/或探測精度上下降,從而降低敵方雷達的發(fā)現(xiàn)概率,達到掩護紅方機群成功突防、順利完成轟炸的目的。

根據(jù)任務(wù),9架無人機在紅方基地按順序發(fā)射,根據(jù)轟炸機群的任務(wù)航線和事先已獲得藍方地面雷達站的大概方位,無人機機群初始飛行方向就是航線附近的藍方雷達站的方位。進攻開始前敵方只有值班雷達開機,如圖4所示。

圖4 藍方只有值班雷達開機(進攻前)

在向目標(biāo)飛行過程中,敵方值班雷達發(fā)現(xiàn)無人機后,通知防空雷達網(wǎng)中的所有雷達開機,對空搜索(如圖5所示)。

無人機根據(jù)事先偵察的敵情分配任務(wù),結(jié)合當(dāng)時搜索到的具體雷達位置信息,進行任務(wù)分配的修正,有重點的實施干擾,從雷達分布與當(dāng)前任務(wù)航線的關(guān)系,確定威脅最大的雷達,將關(guān)鍵位置的雷達摧毀。各飛機通過機載自導(dǎo)導(dǎo)引頭搜索雷達目標(biāo)(搜索雷達的發(fā)射波的頻率),然后搜索發(fā)射波的波源(雷達),攻擊雷達目標(biāo)。

圖5 藍方雷達全部開機探測范圍(無人機干擾前)

反復(fù)推演采用不同的編隊方式、采用不同作戰(zhàn)手段(反輻射無人機摧毀、箔條干擾或制造假目標(biāo)等),從而產(chǎn)生的不同情況(如采用無人機群利用箔條進行干擾時,開辟“干擾走廊”,掩護空中突擊編隊飛抵目標(biāo)區(qū)。如圖6所示)。根據(jù)結(jié)果的比較來確定無人機群的最佳的戰(zhàn)術(shù)運用方式,確保為突擊機群提高突防概率。

圖6 藍方雷達探測范圍(無人機干擾條件下)

5 結(jié)語

本文采用無人機通用模型,建立了雷達威脅模型,并進行了無人機與地方雷達系統(tǒng)的交互設(shè)計,最后通過仿真進行了無人機干擾雷達作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的研究。未來在戰(zhàn)場環(huán)境的設(shè)置應(yīng)該更加具體,氣象條件就是一個重要因素,本文限于時間條件限制,在此未做深入探討,但這是一個不容忽視的問題。在不同氣象條件,不同敵情,不同數(shù)量,不同的戰(zhàn)術(shù)運用的會產(chǎn)生不同結(jié)果,統(tǒng)計仿真結(jié)果可用來做指導(dǎo)部隊訓(xùn)練的重要參考。

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UAV Interference Radar Combat Simulation System

WEI Haiyong LUO Hang

(Navy Representative Office in Jingdezhen, Jingdezhen 333000)

In this paper, the model of radar, radar detection model and radar threat model are established. Based on that, the UAV and enemy radar intercation system is designed. Finally, by setting specific operational background, UAV interference radar combat system sumulation is completed, which provides the certain reference for the army using UAV.

unmanned air vehicle(UAV), radar, combat simulation

2014年5月10日,

2014年6月20日 作者簡介:魏海永,男,助理工程師,研究方向:航空機械。羅航,男,助理工程師,研究方向:航空機械。

TP391

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.025