艦船箔條干擾過程仿真建模研究

侯國超，劉 蜀

(解放軍91336部隊(duì)，河北 秦皇島 066001)

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艦船箔條干擾過程仿真建模研究

侯國超，劉 蜀

(解放軍91336部隊(duì)，河北 秦皇島 066001)

雷達(dá)箔條干擾技術(shù)是現(xiàn)代電子對(duì)抗的重要組成部分，對(duì)于箔條彈作戰(zhàn)過程，彈道特性、運(yùn)動(dòng)特性和雷達(dá)截面積(RCS)是評(píng)估箔條彈干擾效果的重要因素。分析了艦船箔條干擾的基本原理，以質(zhì)心干擾為例建立了箔條干擾彈彈道模擬模型、箔條云運(yùn)動(dòng)仿真模型和箔條云RCS分析模型，研究了箔條干擾工作流程和作戰(zhàn)效果，并通過計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證了模型的正確性。

箔條干擾；質(zhì)心干擾；仿真建模

0 引 言

箔條彈作為電子對(duì)抗中的一種無源干擾手段，以其制造簡單、使用方便、干擾可靠、適用范圍廣、研制周期短、價(jià)格低廉、干擾效果突出等優(yōu)點(diǎn)，在電子戰(zhàn)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，在歷次現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中都證明其在保護(hù)飛機(jī)和艦船等方面發(fā)揮了重要的作用。如何評(píng)估箔條彈干擾效果，箔條彈干擾戰(zhàn)術(shù)應(yīng)該如何使用，干擾時(shí)機(jī)該如何選擇等都成為作戰(zhàn)指揮員最為關(guān)心的問題[1]。為解決上述問題，本文著重對(duì)箔條干擾彈彈道特性、箔條云運(yùn)動(dòng)特性和箔條云雷達(dá)截面(RCS)特性進(jìn)行深入分析研究，建立了相應(yīng)的仿真模型，并進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬仿真驗(yàn)證。

1 箔條干擾過程

當(dāng)艦船遭受雷達(dá)制導(dǎo)導(dǎo)彈攻擊時(shí)，箔條干擾是一種行之有效的干擾手段，但是干擾能否有效與如何施放箔條干擾有著密切的關(guān)系。對(duì)導(dǎo)彈而言，導(dǎo)彈是否在跟蹤其跟蹤波門內(nèi)的能量質(zhì)心點(diǎn)，就可判斷出導(dǎo)彈最終能否擊中目標(biāo)，因此，箔條干擾的最終效果的計(jì)算就轉(zhuǎn)化為導(dǎo)彈跟蹤波門范圍內(nèi)能量質(zhì)心點(diǎn)變化的計(jì)算[2]。箔條干擾過程如圖1所示。

圖中，T1為艦船發(fā)現(xiàn)來襲目標(biāo)時(shí)刻；T2為箔條干擾云形成時(shí)刻；T3為導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)到不靈敏控制區(qū)時(shí)刻；R為箔條云發(fā)射距離。

實(shí)際交戰(zhàn)過程中，箔條干擾的基本流程如下：

(1)T1時(shí)刻，艦船探測到來襲目標(biāo)并進(jìn)行告警；

(2) 艦載電子對(duì)抗裝備解算干擾彈發(fā)射參數(shù)，發(fā)射箔條干擾彈；

(3) 干擾彈根據(jù)引信定時(shí)爆炸；

(4)T2時(shí)刻形成箔條云，對(duì)目標(biāo)造成干擾效果；

(5) 經(jīng)過一段時(shí)間后箔條云逐漸消散。

2 箔條干擾仿真模型建立

2.1 箔條彈彈道模擬模型

箔條彈發(fā)射后至爆炸前，主要是依靠出炮口時(shí)的初速度進(jìn)行無動(dòng)力飛行，在飛行過程中主要受到重力和風(fēng)速、風(fēng)向的影響。

假設(shè)干擾彈發(fā)射仰角為β，出炮口時(shí)初速度為v0，則建立以炮口位置為坐標(biāo)原點(diǎn)的平面直角坐標(biāo)系如圖2所示。圖2中，O為炮口位置，y軸為垂直向上方向，x軸為水平方向，x正方向?yàn)楦蓴_彈發(fā)射方位方向。

干擾彈飛行過程中t時(shí)刻水平方向速度為：

vx=vo·cosβ

(1)

干擾彈飛行過程中t時(shí)刻垂直方向速度為：

vy=vo·sinβ-gt

(2)

t時(shí)刻干擾彈距炮口的水平距離計(jì)算公式如下：

D=vo·cosβ·t

(3)

t時(shí)刻干擾彈距炮口的高度計(jì)算公式如下：

(4)

若干擾彈引信定時(shí)時(shí)間為T，則干擾彈炸點(diǎn)距炮口位置關(guān)系為：

(5)

2.2 箔條云運(yùn)動(dòng)仿真模型

箔條彈爆炸后，產(chǎn)生大量的箔條絲，箔條絲在空中迅速擴(kuò)散，并受到重力、空氣阻力、浮力、風(fēng)力的影響，隨著飛行時(shí)間延長而不斷膨脹。

在水平方向上，箔條云大約在0.15 s的時(shí)間內(nèi)由原干擾彈運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的速度降至0，此時(shí)箔條云的運(yùn)動(dòng)只受風(fēng)速影響，仿真模型中，箔條水平運(yùn)動(dòng)速度為：

vl=vw·0.4

(6)

在垂直方向上，由于受到空氣浮力及重力的作用，箔條的運(yùn)動(dòng)近似為勻速運(yùn)動(dòng)，其下降速度和海拔高度有關(guān)，一般為0.4～0.8m/s。箔條的速度變化為：

v=vo·e-kt

(7)

式中：vo為箔條彈的初始速度，vo與箔條彈爆炸時(shí)的速度和風(fēng)速有關(guān)；k為箔條的阻力系數(shù)，其值與箔條自身的長度及材料有關(guān)。

箔條云達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，箔條的密度分布服從高斯分布，即如果以箔條云的中心為原點(diǎn)，以垂直向上方向?yàn)閦軸，那么箔條的位置分布服從如下分布：

(8)

2.3 箔條云RCS特性分析模型

由于受到自然環(huán)境及各種隨機(jī)因素等的影響，箔條云的實(shí)際RCS特性與理論值存在較大差異，因此利用靶場箔條干擾彈實(shí)測數(shù)據(jù)建立箔條云RCS的統(tǒng)計(jì)模型。

通過對(duì)箔條彈實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以典型箔條彈實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究了箔條云RCS概率分布特性，建立了箔條云RCS的統(tǒng)計(jì)模型，并得出如下結(jié)論：

(1) 箔條云在空中達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后其RCS的分布規(guī)律符合正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)為：

(9)

式中：σ為標(biāo)準(zhǔn)差；μ為均值。

(2) 雖然箔條云RCS的分布規(guī)律可以用正態(tài)分布的概率密度函數(shù)來表示，但是不同型號(hào)、不同頻點(diǎn)的箔條彈其分布的均值和標(biāo)準(zhǔn)差各不相同，即使是相同型號(hào)的箔條彈在相同的頻點(diǎn)下進(jìn)行多次試驗(yàn),其分布的均值和標(biāo)準(zhǔn)差也不相同，因此必須通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法建立一個(gè)參數(shù)模型來描述不同箔條彈不同頻點(diǎn)的分布規(guī)律。

(3) 在箔條云RCS仿真過程中,要根據(jù)不同型號(hào)、不同頻點(diǎn)的箔條彈參數(shù)模型來模擬產(chǎn)生箔條彈仿真數(shù)據(jù)。

基于實(shí)測數(shù)據(jù)的箔條云RCS解算方法如下：

(1) 根據(jù)箔條彈型號(hào)查表得到對(duì)應(yīng)的箔條云RCS的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，隨機(jī)選擇1組；

(2) 根據(jù)所要求的樣本量，按照正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方法，生成1組箔條云RCS仿真數(shù)據(jù)。

利用概率密度函數(shù)和隨機(jī)數(shù)，生成箔條云RCS仿真數(shù)據(jù)的公式。

3 仿真過程與分析

箔條干擾計(jì)算機(jī)仿真主要是對(duì)從箔條彈發(fā)射至箔條干擾失效全過程的模擬驗(yàn)證[3]，其基本流程如圖3所示。

(1) 箔條彈發(fā)射階段：發(fā)射控制設(shè)備收到箔條干擾彈發(fā)射指令后，根據(jù)箔條彈發(fā)射參數(shù)調(diào)轉(zhuǎn)炮位射角射向，自動(dòng)完成箔條彈發(fā)射；

(2) 箔條彈飛行階段：箔條彈發(fā)射后，調(diào)用箔條彈彈道模擬模型實(shí)時(shí)解算飛行位置坐標(biāo)，并根據(jù)當(dāng)前位置坐標(biāo)與下一時(shí)刻位置坐標(biāo)解算箔條彈飛行姿態(tài)角；

(3) 箔條彈爆炸階段：箔條彈達(dá)到引信定時(shí)時(shí)間，調(diào)用箔條云運(yùn)動(dòng)仿真模型實(shí)時(shí)模擬箔條云形狀；

(4) 箔條有效干擾階段：箔條彈爆炸后，調(diào)用箔條云運(yùn)動(dòng)仿真模型和箔條云RCS特性分析模型輸出解算結(jié)果以判定箔條干擾是否有效。

將上述箔條干擾仿真模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬驗(yàn)證，應(yīng)用到網(wǎng)上戰(zhàn)斗推演系統(tǒng)中，按照作戰(zhàn)需求配置箔條彈發(fā)射參數(shù)(圖4為箔條干擾應(yīng)用參數(shù)配置界面)，執(zhí)行后調(diào)用箔條彈干擾過程仿真模型，查看箔條干擾對(duì)導(dǎo)彈末制導(dǎo)的影響[4]。試驗(yàn)結(jié)果表明上述模型能夠流暢地模擬箔條干擾全過程，保證戰(zhàn)斗對(duì)抗行為正常推進(jìn)。

4 結(jié)束語

箔條是雷達(dá)無源干擾技術(shù)中應(yīng)用最早且干擾效果較好的干擾器材，對(duì)箔條干擾特性的研究將會(huì)對(duì)國防武器建設(shè)具有一定的推動(dòng)作用[5]。本文著重研究了箔條干擾彈彈道特性、箔條云運(yùn)動(dòng)特性和箔條云RCS特性，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬仿真，對(duì)于下一步建立起一套完整的箔條干擾模型及解決復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境中箔條彈無源干擾效果鑒定評(píng)估具有重要的意義。

[1] 許金萍，梅永華，楊沛,等.箔條云空間分布特性的建模與仿真[J].電子科技，2011，24(1)：38-40.

[2] 李敬.箔條彈干擾原理與形成機(jī)理[J].艦船電子對(duì)抗，2003，26(3):15-19.

[3] 武先利，齊子忠.仿真在箔條干擾中的應(yīng)用[J].電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2008，22(2):111-115.

[4] 張兵，袁亮.箔條干擾顯示建模與實(shí)現(xiàn)[J].艦船電子對(duì)抗，2010，33(6):27-29.

[5] 呂萌萌.箔條云的運(yùn)動(dòng)模型及雷達(dá)電磁散射特性[J].電子元器件應(yīng)用，2012(9):30-33.

Research into The Simulation and Modeling of Ship Chaff Jamming Process

HOU Guo-chao，LIU Shu

(Unit 91336 of PLA,Qinhuangdao 066001,China)

Radar chaff jamming technology is an important part of modern electronic countermeasure.For the operational process of chaff cartridges,ballistic characteristic,movement characteristic and radar cross section (RCS) are the important factors to evaluate the jamming effect of chaff cartridges.This paper analyzes the basic principle of ship chaff jamming,taking the centroid jamming as an example,sets up the ballistic simulation model of chaff jamming cartridges,movement simulation model of chaff cloud and analysis model of chaff cloud RCS,researches the workflow and operational effect of chaff jamming,and verifies the model correctness through computer simulation.

chaff jamming;centroid jamming;simulation and modeling

2017-01-04

TP202+.2

A

CN32-1413(2017)02-0069-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.02.016