箔條幕干擾邊搜索邊跟蹤制導導彈方法研究

白 爽,姜 寧

(1.海軍大連艦艇學院,遼寧 大連 116018;2.解放軍92896部隊,遼寧 大連 116000)

箔條幕干擾邊搜索邊跟蹤制導導彈方法研究

白 爽1,2,姜 寧1

(1.海軍大連艦艇學院,遼寧 大連 116018;2.解放軍92896部隊,遼寧 大連 116000)

針對傳統(tǒng)無源干擾方式無法有效對抗邊搜索邊跟蹤末制導導彈的問題,分析了運用箔條幕干擾的對抗方法,及影響干擾效果的諸多因素,研究了箔條幕干擾實施的決策方法。通過建模仿真驗證,箔條幕干擾方法可以有效對抗邊搜索邊跟蹤末制導導彈。研究結果可以為相關無源干擾作戰(zhàn)使用提供參考。

邊搜索邊跟蹤; 箔條幕; 無源干擾

姜 寧(1974-)，男，博士,教授。

具有邊搜索邊跟蹤功能的導彈末制導雷達,在保持對干擾源或假目標跟蹤的同時,繼續(xù)在干擾源或假目標附近搜索真實的目標,這使得箔條沖淡式干擾和質(zhì)心式干擾失效,對艦艇生存造成極大威脅[1]。文獻[2-3]論證了箔條幕干擾具有邊搜索邊跟蹤功能的導彈末制導雷達的可行性,并給出了箔條幕防御反艦導彈的戰(zhàn)術使用原則和方法。文獻[4]在艦艇近程防御反艦導彈時,研究了艦艇運動過程中放射箔條彈布設干擾走廊的干擾方式。兩種方法都是利用箔條云遮蔽艦艇位置信息,使導彈末制導雷達始終保持對艦艇目標的搜索狀態(tài),最終選擇跟蹤箔條云的原理。基于箔條彈損耗量及干擾實施時間考慮,箔條幕干擾方式具有優(yōu)勢。本文在綜合分析影響箔條幕干擾效果的諸多因素的基礎上,得出了在不同環(huán)境下,艦艇箔條幕發(fā)射決策和機動決策方法。

1 箔條幕干擾原理及發(fā)射原則

1.1 箔條幕干擾原理分析

箔條幕干擾是當敵導彈末制導雷達開機時,在導彈和艦艇之間一定距離和高度上,形成一個具有足夠長度和厚度的箔條幕墻,用以衰減和散射導彈末制導雷達電磁波及艦艇的反射回波,使得雷達不能有效地捕捉和跟蹤到箔條幕墻另一側的艦艇,迫使導彈跟蹤箔條幕能量中心的一種無源干擾方式[1-2]。箔條幕干擾過程示意圖如圖1所示。

圖1 箔條幕干擾過程示意圖

通過分析箔條幕干擾過程可知,箔條幕干擾分為兩個過程。第一個過程箔條幕墻對艦艇進行有效遮蔽。箔條幕遮蔽過程需要保持足夠的遮蔽時間,由于艦艇、箔條幕、導彈三者不停地運動,艦艇為保證遮蔽態(tài)勢應適時作轉(zhuǎn)向機動。第二過程導彈跟蹤箔條幕能量中心。導彈進入預定目標一定范圍內(nèi)仍未發(fā)現(xiàn)目標,末制導雷達停止搜索,轉(zhuǎn)而跟蹤假目標。此時,在保持有效遮蔽態(tài)勢下,導彈將一直跟蹤箔條幕的能量中心。

1.2 箔條幕發(fā)射原則

箔條幕發(fā)射決策的內(nèi)容包括:箔條彈發(fā)射的時機、舷向(或舷角),艦艇的機動等。

1)確定干擾彈發(fā)射時機的原則

箔條幕與質(zhì)心干擾一樣都是對導彈末制導雷達跟蹤段進行干擾,所以箔條幕干擾彈的發(fā)射時機和質(zhì)心干擾的發(fā)射時機相同。

箔條幕干擾的引導可以運用艦載雷達偵察告警設備對導彈末制導信號告警來進行,使用時機可以由下列原則確定:

①艦載雷達電子偵察設備發(fā)現(xiàn)并判明敵導彈末制導雷達信號,應立即發(fā)射干擾彈;

②艦上其他偵察手段發(fā)現(xiàn)敵導彈時,立即發(fā)射干擾彈;

③艦載雷達電子偵察設備發(fā)現(xiàn)并判明敵導彈攻擊雷達信號。

2)確定干擾彈發(fā)射方向決策原則

箔條幕墻的軸線應與艦艇和來襲導彈連線垂直或在垂直方向上偏轉(zhuǎn)一定角度,目的是為了充分發(fā)揮箔條幕墻對電磁波的衰減和散射作用[2],所以每發(fā)干擾彈的發(fā)射方向,要依據(jù)不同態(tài)勢確定。

3)艦艇機動決策

在發(fā)射干擾彈的同時,指揮員要分析威脅態(tài)勢,判斷艦艇是否進行機動。機動的原則有兩點：一是使艦艇在反導對抗過程中保持在箔條幕墻有效遮擋范圍內(nèi);二是當反導對抗結束時,導彈與艦艇的距離大于安全距離。在特定態(tài)勢下,艦艇機動方向,需要通過仿真計算給出正確決策。艦艇機動航速應采取常速機動,航速太大或太小都不利于干擾的成功[4]。

2 仿真模型

2.1 仿真坐標系

以初始時刻艦艇位置為原點,艦艇直航方向為Y軸方向,平行海平面右旋90°為X軸方向，建立坐標系。此坐標系作為絕對坐標系,用于解算對抗過程中艦艇、箔條幕、導彈的相對位置關系。

2.2 艦艇回轉(zhuǎn)運動模型

在建立艦艇運動模型時,將艦艇抽象為一段長度為2L的線段,艦艇回轉(zhuǎn)運動時速率為常量。

圖2 艦艇回轉(zhuǎn)運動示意圖

如圖2所示,Vs0、Vst-1、Vst表示0,t-1,t時刻艦艇速度矢量,t-1時刻艦艇航向為C(t-1),從t-1到t時刻艦艇轉(zhuǎn)過角度為ΔC。設時間步長Δt,艦回轉(zhuǎn)戰(zhàn)術半徑R。

(1)

C(t)=C(t-1)+ΔC

(2)

艦艇質(zhì)心坐標為

(3)

艦艏的坐標為

(4)

艦艉的坐標為

(5)

2.3 導彈運動模型

圖3 導彈與目標相對位置

導彈采用比例導引法[3],則有

(6)

變化得

Bm′-Bm=k×Δq

(7)

導彈運動的坐標為:

Mx(t)=Mx(t-1)+Vm×sin(Bm(t-1))×Δt

(8)

My(t)=My(t-1)+Vm×cos(Bm(t-1))×Δt

(9)

Bm(t)=Bm(t-1)+k×Δq

(10)

2.4 箔條幕布放模型

箔條幕在空間中的形狀是不規(guī)則的,而且隨著時間和風的作用不停變化,為了便于仿真,將箔條幕等效成一個垂直于海平面且具有固定長、寬、高的規(guī)則立方體。由于導彈與艦艇的距離遠大于箔條幕的厚度,所以在海平面坐標系中,箔條幕可以進一步簡化成一條線段。

圖4 箔條幕布放樣式示意圖

箔條幕布放樣式如圖4所示。導彈來襲方向為左舷θm,直線L0、L1是布放箔條幕的軸線,直線L0垂直于導彈與艦艇的連線,直線L1與直線L0成偏角α(向左偏為正,向右偏為負)。箔條彈C0發(fā)射角度與導彈來襲方向相同,為θm,設箔條彈C0發(fā)射距離為R0,則箔條彈C0爆炸點坐標為

(11)

設相鄰兩個箔條彈爆炸點距離為D,箔條彈C1～C4的發(fā)射角度和發(fā)射距離依次為(θ1,R1)、(θ2,R2)、(θ3,R3)、(θ4,R4)。

C1的發(fā)射角度和發(fā)射距離可以由以下方程組求出:

(12)

整理得到

(13)

同理,可得到箔條彈C2～C4的發(fā)射角度和發(fā)射距離:

(14)

(15)

(16)

箔條幕首端初始坐標為

(17)

箔條幕末端初始坐標為

(18)

2.5 箔條幕運動模型

箔條幕是由5發(fā)箔條彈相繼發(fā)射形成的,由于發(fā)射間隔非常短暫,可以認為箔條幕是一次形成的。因為把箔條幕看作一個整體?？梢酝ㄟ^箔條幕首端、質(zhì)心點和末端的運動方程來描述箔條幕的空間運動規(guī)律。假設在風力作用下箔條幕運動形狀保持不變。

箔條幕首端運動坐標:

(19)

箔條幕末端運動坐標:

(20)

箔條幕質(zhì)心運動坐標:

(21)

2.6 艦艇溢出判斷模型

導彈、箔條幕墻和艦艇三者間運動關系如圖5所示,直線M1是任意時刻導彈與箔條幕首部端點的連線,直線M2是任意時刻導彈與箔條幕尾部端點的連線,直線L是任意時刻箔條幕軸線。

圖5 箔條幕遮蔽判斷圖

假設直線l的方程為ax+by+1=0,則將點A(Xa,Ya)到直線l的距離表示為

(22)

設艦艇艏艉到直線M1的距離為DB1、DS1;艦艇艏艉到直線M2的距離為DB2、DS2;艦艇艏艉到直線L的距離為DBL、DSL;導彈到直線L的距離為DML。

箔條幕遮蔽艦艇判斷準則:

1)當DML≥0時:導彈突破箔條幕,艦艇不受保護;

2)當DML<0時:

①若DBL≤0或DSL≤0,艦艇突破箔條幕,艦艇不受保護;

②若DBL>0且DSL>0,如果DB1≤0或DS1≤0或DB2≤0或DS2≤0,則艦艇從箔條幕遮蔽區(qū)域溢出,艦艇不受保護;如果DB1>0且DS1>0且DB2>0且DS2>0,則艦艇在箔條幕遮蔽區(qū)域,艦艇受保護。

3 仿真與結果分析

風速5m/s,風向變化范圍0～360°,間隔10°;導彈飛行速度290m/s,末制導雷達開機后,在搜索區(qū)內(nèi)邊搜索邊跟蹤,導彈攻擊末端搜索角度為±30°;艦艇長度160m,航速10m/s,艦艇轉(zhuǎn)向機動角度范圍-70°～70°(向左轉(zhuǎn)向為正,向右轉(zhuǎn)向為負),間隔10°;布放箔條幕軸線偏轉(zhuǎn)角度-40°～40°(向右為正,向左為負),間隔10°。艦艇偵察到導彈末制導雷達信號時導彈與艦艇距離15km。假設導彈殺傷半徑為50m,所以仿真結果導彈距離艦艇最近距離大于130m,可認為干擾成功,否則干擾失敗[5]。

仿真過程中,力求減小艦艇轉(zhuǎn)向機動角度,通過改變箔條幕軸線偏轉(zhuǎn)角度,達到干擾成功條件。仿真結果,得到導彈距離艦艇最近距離,干擾實施決策中箔條彈發(fā)射角度和發(fā)射距離,艦艇的轉(zhuǎn)向機動角度。

本文只考慮導彈從艦艇左舷來襲,導彈從艦艇右舷來襲的結果與左舷相對。

3.1 箔條幕干擾發(fā)射決策分析

圖6表示導彈來襲方位,風向變化下,箔條彈發(fā)射角度情況。分析發(fā)現(xiàn),導彈左舷來襲,但干擾彈不一定都左舷發(fā)射,導彈從艦首尾部來襲,箔條彈C2和C4會右舷發(fā)射。

圖6 箔條彈發(fā)射角度

圖7表示導彈來襲方位,風向變化下,箔條彈發(fā)射距離情況。

圖7 箔條彈發(fā)射距離

圖8表示導彈來襲方位、風向變化時,艦艇轉(zhuǎn)向機動角度情況。分析發(fā)現(xiàn),當導彈來襲方向為左舷10°～45°,風向為170～360°時,艦艇需要轉(zhuǎn)向機動,風向為0～170°時,艦艇不需要轉(zhuǎn)向機動;導彈來襲方向為左舷135°～170°,風向為0～190°時,艦艇需要轉(zhuǎn)向機動,風向為190°～350°時,艦艇不需要轉(zhuǎn)向機動。最大轉(zhuǎn)向角度為左右舷40°。當導彈來襲方向為左舷50°～130°時,艦艇不需要轉(zhuǎn)向機動。

值得指出的是,當導彈從左舷艦艏一定角度來襲,同時艦艇左舷迎風時,導彈從左舷艦艉一定角度來襲,同時艦艇右舷迎風時,艦艇應向左機動。

圖8 艦艇機動角度

3.2 箔條幕發(fā)射效果分析

圖9表示導彈來襲方位、風向變化時,艦艇實施箔條幕干擾后導彈與艦艇的最近距離情況。觀察發(fā)現(xiàn),導彈與艦艇的最近距離距大于130m,說明箔條幕干擾能對邊搜索邊跟蹤末制導導彈進行有效干擾。

圖9 干擾效果圖

總體趨勢上,導彈來襲方向左舷10°～55°,風向為0～170°時干擾效果較好,說明此時艦艇右舷迎風對箔條幕干擾實施更有利;導彈來襲方向左舷55°～120°,風向0～60°、300°～360°時干擾效果最好,風向160°～210°時干擾效果最差,說明此時艦艏迎風對箔條幕干擾實施更有利,艦艉迎風箔條幕干擾效果較差;導彈來襲方向左舷120°～170°,風向為190°～350°時干擾效果較好,說明此時艦艇左舷舷迎風對箔條幕干擾實施更有利。

3.3 風向風速對箔條幕干擾效果的影響

另在風速2m/s、10m/s、15m/s,其他條件不變,對箔條幕干擾效果進行仿真。

如圖10所示,選取導彈來襲方位左舷30°、60°、90°、120°、150°時,箔條幕干擾在不同風向、風速下對導彈的干擾效果進行分析。研究發(fā)現(xiàn):

1)風速2m/s和5m/s時,在導彈來襲方位左舷30°、60°、90°、120°上,曲線比較平滑,呈現(xiàn)出相同正弦曲線特性,風速越大曲線變化幅度越大。導彈來襲方位左舷30°時,風向0～150°、270°～360°風速大干擾效果好,風向150°～270°風速對干擾效果影響不大;導彈來襲方位左舷60°時,風向0～120°、300°～360°風速大干擾效果好,風向120°～300°風速小干擾效果好;導彈來襲方位左舷90°時,風向0～90°、270°～360°風速大干擾效果好,風向90°～270°風速小干擾效果好;導彈來襲方位左舷120°時,風向0～50°、240°～360°風速大干擾效果好,風向50°～240°風速小干擾效果好。在導彈來襲方位左舷150°上,風向0～210°風速對干擾效果影響不大,風向210°～360°風速大干擾效果好。

圖10 導彈與艦艇最近距離曲線圖

2)風速2m/s和5m/s時,導彈來襲方位左舷30°上,在風向為0～180°情況下要優(yōu)于風向為180°～360°時,即艦艇右舷受風更有利于實施箔條幕干擾;導彈來襲方位左舷150°上,在風向為180°～360°情況下要優(yōu)于風向為0～180°時,即艦艇左舷受風更有利于實施箔條幕干擾;導彈來襲方位左舷60°、90°、120°上,艦艇左舷或是右舷受風,對箔條幕干擾效果差別不大,但正橫前受風,箔條幕干擾效果要比正橫后受風時好。

3)風速10m/s和15m/s時,曲線起伏增大,不具有正弦曲線特性,出現(xiàn)導彈與艦艇最近距離小于安全距離的情況。

以導彈來襲方位左舷60°為例,當風向0～120°、300°～360°時干擾效果并不像前面論述的風速大干擾效果好,在風向0～40°、300°～360°,風速15m/s,干擾效果很差,箔條幕干擾失敗;當風向120°～300°時干擾效果也不像前面論述的風速小干擾效果好,在170°～250°時,風速15m/s的干擾效果要好于風速10m/s的效果。

這說明,在某一風向上存在一個風速的臨界值,在這個臨界值兩側導彈與艦艇最近距離隨風速的變化而單調(diào)變化，但單調(diào)性相反。

4)風速10m/s和15m/s時,導彈來襲方位30°、60°、90°,風向50°～120°干擾效果較好,導彈來襲方位120°,風向0～50°、280°～360°干擾效果較好,導彈來襲方位150°,風向250°～340°干擾效果較好。

圖11顯示不同風速下,箔條幕干擾不成功時,風向和導彈來襲方向的對應關系。

圖11 干擾失敗態(tài)勢

分析發(fā)現(xiàn),風速變化對箔條幕干擾的效果有較大影響,隨著風速增大,箔條幕成功的條件越苛刻。風速較大時,導彈來襲方位左舷10°～100°,風向50°～230°,箔條幕干擾有效;導彈來襲方位左舷100°～170°,風向0～170°、290°～360°,箔條幕干擾有效。

艦艇威脅態(tài)勢如圖12所示。陰影區(qū)域Ⅰ為導彈來襲方位左舷10°～100°時,箔條幕干擾失敗的風向帶,處于同環(huán)的空白區(qū)域為干擾成功的風向帶。陰影區(qū)域Ⅱ為導彈來襲方位左舷100°～170°時,箔條幕干擾失敗的風向帶,處于同環(huán)的空白區(qū)域為干擾成功的風向帶。

圖12 艦艇威脅態(tài)勢圖

對比發(fā)現(xiàn)導彈從艦艇正橫后來襲,比從艦艇正橫前來襲,更容易被箔條幕有效干擾;風向為50°～170°時,對艦艇實施箔條幕干擾最有利,對左舷任意方向?qū)椂寄苡行Ц蓴_。

綜上所述,當風速小于5m/s,導彈左舷艦首附近方向來襲,艦艇右舷受風更有利于實施箔條幕干擾;導彈左舷艦尾附近方向來襲,艦艇左舷受風更有利于實施箔條幕干擾;導彈左舷正橫附近方向來襲,艦艇正橫前受風更有利于實施箔條幕干擾。隨著風速增大,箔條幕干擾成功的條件限制增多,但總體趨勢上,導彈從正橫后來襲,箔條幕干擾更容易成功。同時,在風向50°～170°范圍內(nèi),較大風速下(小于15m/s),艦艇可以對左舷任意方向來襲導彈實施有效的箔條幕干擾。

4 結束語

本文考慮了影響箔條幕干擾效果的諸多因素,并對綜合態(tài)勢進行了仿真模擬和數(shù)據(jù)的初步分析,從而得到一些箔條幕干擾使用方法。需要指出的是,箔條幕的干擾效果與箔條幕布放樣式、艦艇航向、機動方向、導彈來襲方位、風向、風速等因素綜合作用有關,戰(zhàn)時必須綜合考慮各要素,進行合理決策,只有這樣才能真正發(fā)揮沖箔條幕干擾的作用。

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Research on the Method of Chaff-screen Jamming Anti-ship MissileWith Track-while-scan Terminal Guidance

BAI Shuang1,2,JIANG Ning1

(1.Dalian Naval Academy,Dalian 116018;2.Unit 92896 of PLA,Dalian 116000,China)

According to the problem that traditional passive jamming could not interfere with missile with track-while-scan terminal guidance effectively,this paper analyzed a method of chaff-screen jamming and the factors affecting the effects of inference,studied the decision method applied on projecting chaff-screen.Through modeling and simulation,the method of chaff-screen jamming can effectively counter anti-ship missile with track-while-scan terminal guidance.The result has certain reference value for related passive jamming operational use.

track-while-scan; chaff-screen; passive jamming

TN974；E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.05.024

1673-3819(2017)05-0113-07

2017-07-07

2017-08-11

白 爽(1987-),男，遼寧阜新人，碩士研究生，研究方向為艦艇指揮信息系統(tǒng)與作戰(zhàn)使用。