主被動(dòng)復(fù)合體制反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭干擾技術(shù)研究

王 衛(wèi)，陸偉寧，唐 莽，陳 飛，王 鑫

（中國(guó)航天科工集團(tuán)8511 研究所，江蘇 南京210007）

0 引言

海戰(zhàn)場(chǎng)是世界各國(guó)爭(zhēng)奪的主戰(zhàn)場(chǎng)之一，而反艦導(dǎo)彈是現(xiàn)代海戰(zhàn)不可或缺的制勝利器。隨著反艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)性能、抗干擾性能的不斷提高，其對(duì)海面艦船的威脅也日益增加[1-2]。在此過(guò)程中，反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭也由單一體制朝著多模復(fù)合制導(dǎo)體制發(fā)展。相比于單一體制導(dǎo)引頭無(wú)法避免的固有缺陷和局限性，多模復(fù)合體制導(dǎo)引頭可以充分發(fā)揮各模式的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)性能互補(bǔ)，大大提高了導(dǎo)引頭的環(huán)境適應(yīng)性和作戰(zhàn)效能。20 世紀(jì)70 年代中期，美國(guó)開(kāi)始研制紅外/紫外雙模導(dǎo)引頭，后期前蘇聯(lián)開(kāi)始研制主/被動(dòng)復(fù)合體制反艦導(dǎo)彈，其典型代表為“白嶺”超聲速導(dǎo)彈。從20 世紀(jì)90年代開(kāi)始，美國(guó)開(kāi)始廣泛研究毫米波/紅外多模導(dǎo)引頭和雷達(dá)多模制導(dǎo)技術(shù)，包括雷達(dá)多頻段多模導(dǎo)引頭以及主/被動(dòng)復(fù)合體制導(dǎo)引頭[3]。進(jìn)入21 世紀(jì)，面對(duì)日益復(fù)雜的電磁威脅環(huán)境，為了適應(yīng)遠(yuǎn)距離探測(cè)、提高導(dǎo)引頭的抗干擾能力和作戰(zhàn)性能，主/被動(dòng)體制導(dǎo)引頭越來(lái)越廣泛地運(yùn)用到反艦導(dǎo)彈中，通過(guò)主動(dòng)制導(dǎo)、被動(dòng)制導(dǎo)2 種模式測(cè)得數(shù)據(jù)的融合與交互，導(dǎo)引頭抗干擾能力、探測(cè)精度、命中概率顯著提高，如何有效地對(duì)抗主/被動(dòng)復(fù)合導(dǎo)引頭是各國(guó)海軍亟需解決的問(wèn)題。本文針對(duì)主/被動(dòng)復(fù)合體制的導(dǎo)引頭，提出了轉(zhuǎn)發(fā)式箔條干擾和舷外有源干擾組合使用的方式，能在一定程度上滿(mǎn)足對(duì)抗的需求，對(duì)保護(hù)艦船具有較重要的軍事意義。

1 被動(dòng)復(fù)合體制導(dǎo)引頭工作原理及干擾難點(diǎn)分析

主/被動(dòng)復(fù)合導(dǎo)引頭的原理框圖如圖1 所示。主動(dòng)模式和被動(dòng)模式有各自的信道和信息處理器，信息綜合程序控制系統(tǒng)將主/被動(dòng)模式探測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，通過(guò)決策融合，導(dǎo)引頭能更準(zhǔn)確地判斷目標(biāo)信息，同時(shí)控制伺服系統(tǒng)，使導(dǎo)引頭天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)[4-5]。

主動(dòng)模式的雷達(dá)導(dǎo)引頭具有全天候探測(cè)、目標(biāo)識(shí)別以及測(cè)距精度高等優(yōu)點(diǎn)。但是也存在容易被偵察、過(guò)早暴露導(dǎo)彈目標(biāo)且容易受到各種有源干擾等局限性。被動(dòng)導(dǎo)引頭具有作用距離遠(yuǎn)、隱蔽性好以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是無(wú)法準(zhǔn)確得到距離信息、測(cè)角精度差，且容易受到電磁靜默的影響，當(dāng)戰(zhàn)場(chǎng)空間中電磁信息復(fù)雜時(shí)，受到的影響比較大。

圖1 主/被復(fù)合導(dǎo)引頭原理框圖

主/被動(dòng)復(fù)合體制反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭能夠兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)，為了防止被艦船的警戒雷達(dá)發(fā)現(xiàn)，在彈目距離較大時(shí)導(dǎo)引頭一般選取被動(dòng)模式搜捕目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的遠(yuǎn)距離預(yù)先探測(cè)[6]。當(dāng)被動(dòng)模式的誤差足夠小，目標(biāo)落在主動(dòng)天線(xiàn)的主波束之中且彈目距離的減少到主動(dòng)模式的探測(cè)范圍時(shí)，主動(dòng)模式可截獲目標(biāo)，并以被動(dòng)預(yù)先探測(cè)的信息為先驗(yàn)信息，進(jìn)一步縮小探測(cè)范圍的同時(shí)提高目標(biāo)識(shí)別的精度。即使受到強(qiáng)干擾時(shí)，被動(dòng)模式也能正常工作，跟蹤輻射源信號(hào)。主/被動(dòng)復(fù)合體制的導(dǎo)引頭通過(guò)主動(dòng)模式和被動(dòng)模式的性能互補(bǔ)，不僅可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離發(fā)現(xiàn)和近距離精確探測(cè)，還提高了導(dǎo)引頭的環(huán)境適應(yīng)性，具有很強(qiáng)的抗關(guān)機(jī)、抗雜波、抗偵察、抗欺騙的能力。

2 轉(zhuǎn)發(fā)式箔條干擾

2.1 轉(zhuǎn)發(fā)式箔條工作原理

箔條質(zhì)心干擾[7]作為無(wú)源干擾的一種常見(jiàn)方式，因其干擾成功率高、成本低而成為對(duì)抗主動(dòng)雷達(dá)制導(dǎo)導(dǎo)引頭的重要方式，而轉(zhuǎn)發(fā)式箔條干擾[8-9]則通過(guò)反射干擾信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)被動(dòng)雷達(dá)制導(dǎo)導(dǎo)引頭的干擾。其工作過(guò)程一般為：當(dāng)本艦發(fā)現(xiàn)導(dǎo)引頭跟蹤上艦船后，艦船通過(guò)箔條發(fā)射裝置向?qū)梺?lái)襲方向、與艦船相距一定距離的方位上發(fā)射箔條云團(tuán)，具體方位依據(jù)當(dāng)時(shí)的風(fēng)向、風(fēng)速?zèng)Q定。同時(shí)艦載的干擾裝備開(kāi)始工作，使干擾信號(hào)與艦載偵察雷達(dá)信號(hào)具有相同的信號(hào)特征，并將干擾機(jī)的天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)箔條，干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)箔條云的二次反射到達(dá)反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭，同時(shí)艦載的雷達(dá)可配合適時(shí)地進(jìn)行關(guān)機(jī)或者間歇工作，從而使導(dǎo)引頭被動(dòng)模式無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別艦船的方位，影響導(dǎo)引頭的測(cè)角精度，保護(hù)己方艦船。轉(zhuǎn)發(fā)式箔條干擾示意圖如圖2 所示。

圖2 轉(zhuǎn)發(fā)式箔條干擾示意圖

設(shè)艦載雷達(dá)輻射功率為Pt，天線(xiàn)增益為Gt，艦船與導(dǎo)引頭之間的距離為Rmt，導(dǎo)引頭被動(dòng)天線(xiàn)增益為Gm1，則導(dǎo)引頭接收到艦船雷達(dá)輻射源的信號(hào)功率為：

導(dǎo)引頭接收到箔條二次轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)功率為：

式中，Pj為艦載有源干擾機(jī)輻射功率，Gj為艦載有源干擾機(jī)天線(xiàn)增益，Rtj為箔條云與艦船之間的距離，σ 為箔條云散射截面積，Rjm為箔條云與導(dǎo)引頭之間的距離。

可知，被動(dòng)導(dǎo)引頭天線(xiàn)口面處的干信比為：

設(shè)干信比J/S ＞K 時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)式箔條干擾有效，則轉(zhuǎn)發(fā)式箔條干擾的RCS 需滿(mǎn)足：

2.2 箔條釋放時(shí)機(jī)

從艦船發(fā)現(xiàn)被導(dǎo)引頭跟蹤到發(fā)射箔條彈形成有效的箔條云團(tuán)的總時(shí)間Tz應(yīng)滿(mǎn)足：

式中，Rt為艦船探測(cè)被跟蹤時(shí)的彈目距離，Rx為箔條云與艦船的距離在反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭與艦船連線(xiàn)垂直方向上的投影，vm為來(lái)襲導(dǎo)引頭運(yùn)動(dòng)速度，Td是進(jìn)行決策的時(shí)間，Ts是武器控制系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間，Tc是從箔條彈發(fā)射開(kāi)始到箔條彈爆炸形成有效箔條云干擾的時(shí)間，θ0.5為導(dǎo)引頭天線(xiàn)3 dB 波束寬度。

箔條云的滯空時(shí)間Tck應(yīng)滿(mǎn)足：

式中，Rcf為箔條彈發(fā)射時(shí)刻導(dǎo)引頭與艦船之間的距離，rmin為反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭的最小作用距離。箔條的釋放時(shí)間T ?[Tz,Tz+Tck]。

2.3 有源干擾樣式

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)主/被動(dòng)復(fù)合導(dǎo)引頭被動(dòng)模式的干擾，需要艦載雷達(dá)在識(shí)別導(dǎo)引頭跟蹤到艦船時(shí)，將艦載雷達(dá)的發(fā)射脈沖參數(shù)告知艦載干擾裝備，包括載頻、脈寬、功率、發(fā)射時(shí)間等，干擾機(jī)的發(fā)射脈沖參數(shù)與艦載雷達(dá)信號(hào)參數(shù)保持一致。同時(shí)應(yīng)使有源干擾機(jī)的天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)箔條云，使其直接向?qū)б^方向輻射的信號(hào)盡可能小。干擾機(jī)的功率要足夠大，使得導(dǎo)引頭接收到的箔條二次轉(zhuǎn)發(fā)能量滿(mǎn)足被動(dòng)跟蹤條件。

2.4 箔條云布設(shè)與艦船機(jī)動(dòng)

箔條的布設(shè)應(yīng)滿(mǎn)足質(zhì)心干擾的原則，即箔條云與艦船處于導(dǎo)引頭的同一波束范圍內(nèi)。同時(shí)一般采取“順風(fēng)打彈，迎風(fēng)規(guī)避”的策略。同單一的箔條干擾不同，此時(shí)艦船的速度應(yīng)合理控制，并非越快越好，因?yàn)殡S著艦船距離箔條云的距離的拉大，箔條云二次反射的干擾能量也會(huì)急劇下降。

實(shí)際作戰(zhàn)場(chǎng)景下Rjm≈Rjm，由式（3）可知：

設(shè)PjGj=5 MW,PtGt=100 kW，則導(dǎo)引頭被動(dòng)模式天線(xiàn)口面處的J/S 如圖3 所示。

圖3 P2/P1 的比值隨艦船與箔條云距離的關(guān)系

由圖3 可知，隨著艦船和箔條云的距離增加，J/S不斷下降。當(dāng)箔條云σ=20 000 m2，艦船與箔條云距離大于282.1 m 時(shí)，J/S 就小于1，干擾效果急速下降。由式（7）可知，實(shí)際作戰(zhàn)中，可以通過(guò)提高艦載干擾機(jī)的功率和增加箔條云的RCS 來(lái)增加J/S。艦船的機(jī)動(dòng)速度應(yīng)在滿(mǎn)足干擾導(dǎo)引頭被動(dòng)模式干信比的要求下盡可能快。

3 舷外有源誘餌

3.1 舷外有源工作原理

轉(zhuǎn)發(fā)式箔條和艦載的干擾機(jī)配合可以降低主/被動(dòng)復(fù)合體制導(dǎo)引頭在被動(dòng)模式下的測(cè)角精度，但是在主動(dòng)模式下，要想獲得理想的干擾效果，不僅要求另外布設(shè)一部干擾機(jī)照射箔條，還要求箔條云能夠生成較大雷達(dá)散射截面積的假目標(biāo)，隨著導(dǎo)引頭主動(dòng)模式分辨單元越來(lái)越小，要想在足夠小的分辨單元內(nèi)產(chǎn)生足夠的RCS 的箔條云存在一定的技術(shù)難度。相比之下舷外誘餌可以在很小的空間范圍內(nèi)產(chǎn)生有效的雷達(dá)散射截面積，且受環(huán)境的影響較小。同時(shí)與艦載有源干擾系統(tǒng)相比，舷外有源干擾能夠從角度上拉開(kāi)距離，進(jìn)行角度欺騙。對(duì)處于被動(dòng)模式工作的反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭，也可以通過(guò)與艦載雷達(dá)之間的通信，使得誘餌發(fā)射信號(hào)保持和艦載雷達(dá)同樣的信號(hào)特征，影響導(dǎo)引頭被動(dòng)模式下的測(cè)角精度。但在實(shí)際使用中，舷外誘餌與艦載雷達(dá)的通信很難保證實(shí)時(shí)性，且誘餌的功率受限，同艦載雷達(dá)相比，功率上無(wú)法達(dá)到要求，所以更多的還是用于干擾主動(dòng)模式。配合上一節(jié)提出的轉(zhuǎn)發(fā)式箔條（干擾被動(dòng)模式），可以實(shí)現(xiàn)對(duì)主/被動(dòng)復(fù)合體制導(dǎo)引頭的有效對(duì)抗。

舷外有源誘餌[10]是在導(dǎo)引頭開(kāi)機(jī)后，并已經(jīng)穩(wěn)定跟蹤到艦船后使用。按照一定的方位和距離發(fā)射誘餌，方位上，舷外誘餌應(yīng)和艦船處于同一個(gè)波束范圍內(nèi)；距離上，誘餌應(yīng)超前布設(shè)，用以抵消誘餌延時(shí)產(chǎn)生的距離。同箔條質(zhì)心干擾原理一樣，舷外誘餌將導(dǎo)引頭的跟蹤波門(mén)慢慢誘偏到遠(yuǎn)離艦船目標(biāo)的位置，最終使艦船免受攻擊。

3.2 舷外有源誘餌RCS 模型

為了對(duì)舷外有源誘餌與反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭的對(duì)抗過(guò)程進(jìn)行仿真分析，需要建立導(dǎo)引頭跟蹤模型、舷外有源誘餌運(yùn)動(dòng)模型和RCS 模型[11]。

假設(shè)舷外誘餌以恒功率的狀態(tài)進(jìn)行工作，在合適時(shí)機(jī)下發(fā)射舷外誘餌，進(jìn)行質(zhì)心干擾，導(dǎo)引頭收到的誘餌的反射功率為：

導(dǎo)引頭接收到艦船的回波信號(hào)為：

式中，Pj為舷外干擾機(jī)輻射功率，Pt為導(dǎo)引頭發(fā)射功率，Gj為舷外誘餌天線(xiàn)增益，Ryj為舷外誘餌干擾機(jī)與導(dǎo)引頭之間的距離，σr為艦船目標(biāo)雷達(dá)散射截面積，Rrs為艦船與反艦導(dǎo)彈之間的距離，Gt為反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭天線(xiàn)增益。

設(shè)σj為舷外誘餌的等效雷達(dá)散射截面積，結(jié)合式（8）和式（9）有：

3.3 導(dǎo)引頭跟蹤模型

由質(zhì)心干擾原理可知，質(zhì)心的位置坐標(biāo)為：

式中，(xr,yr)為艦船目標(biāo)位置，(xj,yj)為誘餌形成的假目標(biāo)位置，(xg,yg)為誘餌與艦船合成質(zhì)心位置，設(shè)(xm,ym)為導(dǎo)引頭位置。

假設(shè)目標(biāo)建立在二維平面，并忽略重力和空氣阻力的影響，導(dǎo)引頭以能量質(zhì)心為跟蹤目標(biāo)，導(dǎo)引頭與質(zhì)心位置關(guān)系如圖4 所示。

使用修正比例導(dǎo)引法確定導(dǎo)引頭位置，由圖4 可得導(dǎo)引頭-質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程：

圖4 導(dǎo)引頭與質(zhì)心位置關(guān)系

下一時(shí)刻導(dǎo)引頭的位置為：

式中，h 為仿真步長(zhǎng)，R 反艦導(dǎo)彈為導(dǎo)引頭與等效能量質(zhì)心之間的距離，θm為反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭速度矢量與基準(zhǔn)線(xiàn)的夾角，q 為導(dǎo)引頭視線(xiàn)與基準(zhǔn)線(xiàn)夾角，vg為等效能量質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)速度，vm為反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭的運(yùn)動(dòng)速度，φm為反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭速度矢量與視線(xiàn)的夾角，φg為等效能量質(zhì)心的速度矢量與視線(xiàn)的夾角，k 為比例導(dǎo)引系數(shù)。

通常情況下，dq/dt 由導(dǎo)引頭提取，而dθm/dt 由導(dǎo)彈自動(dòng)自動(dòng)駕駛儀中的加速度計(jì)間接測(cè)量，即

式中，am為導(dǎo)彈橫向加速度。為了改善導(dǎo)彈特性，通常采用采用修正比例導(dǎo)引，為使彈道具有單值性，比例系數(shù)為：

式中，N 為有效導(dǎo)航比；vr為導(dǎo)彈徑向速度，也可以稱(chēng)為接近速度。

將上式聯(lián)合可知，修正比例的導(dǎo)引方程為：

3.4 艦船、舷外誘餌運(yùn)動(dòng)模型

設(shè)艦船的運(yùn)動(dòng)速度為vT，艦船航向與基準(zhǔn)線(xiàn)夾角為φT，則下一時(shí)刻艦船的位置為：

T 時(shí)刻誘餌的位置為：

式中，R 為有源誘餌的布設(shè)距離，α 為布設(shè)角度，vf為風(fēng)速，w 為相對(duì)于艦船的風(fēng)向。

3.5 仿真結(jié)果分析

3.5.1 艦船逃逸速度對(duì)抗效果分析

設(shè)置仿真參數(shù)如下：PjGj=2 kW,Pt=40 kW,Gt=25 dB,,R=300,h=0.03,σr=4000 m2，風(fēng)速vf=5 m/s，相對(duì)于艦船的風(fēng)向w=π/2，誘餌布設(shè)角度為右舷165 °，導(dǎo)彈初始位置為（0 km，0 km），艦船初始位置為（12 km，5 km）。保持其他因素不變，僅改變艦船的速度，仿真結(jié)果如圖5 和圖6 所示。

圖5 艦船速度8.3 m/s

圖6 艦船速度8.4 m/s

由圖5 和圖6 可知，當(dāng)艦船速度為8.3 m/s 時(shí)，隨著彈目距離的減小，反艦導(dǎo)彈的跟蹤點(diǎn)慢慢地轉(zhuǎn)移到艦船上，最終命中艦船。當(dāng)艦船速度為8.4 m/s 時(shí)，隨著彈目距離的減小，跟蹤點(diǎn)慢慢轉(zhuǎn)移到誘餌上，最終命中誘餌，且此時(shí)的脫靶量為658.9 m，艦船成功脫離導(dǎo)彈跟蹤視線(xiàn)，設(shè)此時(shí)艦船的速度為艦船的逃逸速度。

僅改變艦船的RCS，研究不同RCS 下，艦船的成功逃逸速度，仿真結(jié)果如表1 所示。

由表1 可以看出，隨著艦船RCS 的增加，艦船的最小成功逃逸速度也在增加，實(shí)際使用舷外誘餌時(shí)，需要根據(jù)艦船的RCS 來(lái)確定最小逃逸速度，一般艦船的航速不超過(guò)30 節(jié)（約15.4 m/s），當(dāng)最小逃逸速度超過(guò)艦船的能力范圍時(shí)，需要改變其他因素來(lái)保證干擾的效果，實(shí)際使用中舷外誘餌發(fā)射的角度也對(duì)干擾的成敗起著至關(guān)重要的作用。

表1 不同艦船RCS 成功逃逸速度

3.5.2 舷外誘餌發(fā)射角度對(duì)抗效果的分析

設(shè)艦船的運(yùn)動(dòng)速度為10 m/s，其他參數(shù)保持不變，僅改變誘餌的布設(shè)角度，仿真結(jié)果如圖7 和圖8所示。

圖7 右舷150 °，命中誘餌

圖8 右舷149 °，命中艦船，干擾失敗

由圖7 和圖8 可知，當(dāng)誘餌的布設(shè)方位為右舷149 °時(shí)，反艦導(dǎo)彈最終會(huì)命中目標(biāo)，干擾失敗。當(dāng)誘餌布設(shè)角度為右舷150 °時(shí)，反艦導(dǎo)彈最終會(huì)命中誘餌，此時(shí)脫靶量為709.9 m，干擾成功。設(shè)此時(shí)布設(shè)的角度為最小布設(shè)角度。

改變艦船的運(yùn)動(dòng)速度，研究不同艦船速度的情況下，為使干擾有效，誘餌的最小布設(shè)角度。仿真結(jié)果如表2 所示。

表2 不同艦船速度舷外誘餌最小布設(shè)角度

由表2 可知，艦船速度變小時(shí)，誘餌最小的布設(shè)角度應(yīng)當(dāng)變大，使得誘餌與艦船在空間上拉開(kāi)足夠的距離，實(shí)際使用時(shí)需要結(jié)合艦船的速度、航向、風(fēng)向來(lái)綜合考慮誘餌布設(shè)的角度。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著多模復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，單一的干擾方式越來(lái)越難以取得良好的干擾效果，復(fù)合干擾漸漸成為未來(lái)海戰(zhàn)電子對(duì)抗的重要手段。本文從主/被動(dòng)復(fù)合體制導(dǎo)引頭的工作原理及對(duì)抗難點(diǎn)出發(fā)，提出了一種有源干擾機(jī)照射箔條云結(jié)合舷外有源誘餌的復(fù)合干擾，分析了轉(zhuǎn)發(fā)式箔條干擾的使用特點(diǎn)和限制條件，通過(guò)仿真驗(yàn)證了舷外誘餌不同戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用條件下的干擾效果，結(jié)果表明合理的戰(zhàn)術(shù)使用能提高干擾效能，增加反導(dǎo)的成功率。目前該方法只是從理論上探究了可行性，實(shí)際作戰(zhàn)運(yùn)用時(shí)，箔條與舷外誘餌的空間位置關(guān)系以及釋放時(shí)機(jī)對(duì)作戰(zhàn)效能的影響還需要進(jìn)一步地通過(guò)試驗(yàn)來(lái)完善，同時(shí)需要結(jié)合實(shí)際的電子干擾支援突防作戰(zhàn)任務(wù)和干擾資源的規(guī)劃分配，才能達(dá)到最好的干擾效果。■