電子對(duì)抗偵察衛(wèi)星對(duì)警戒雷達(dá)偵察效能分析*

付本龍，宗思光

(海軍工程大學(xué),湖北 武漢 430033)

0 引言

電子對(duì)抗偵察衛(wèi)星是指利用星載電子對(duì)抗偵察載荷，捕獲接收空間電磁信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的偵察衛(wèi)星系統(tǒng)。電子對(duì)抗偵察衛(wèi)星在對(duì)海上雷達(dá)信號(hào)偵察上有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：首先，大海范圍廣闊，電磁信號(hào)的干擾很少，噪聲環(huán)境單一，信噪比較高；其次，艦船特別是軍艦因自衛(wèi)或攻擊需要，對(duì)空對(duì)海警戒雷達(dá)經(jīng)常向空間輻射電磁信號(hào)，極易被星載雷達(dá)對(duì)抗偵察設(shè)備截獲；再次，與成像衛(wèi)星相比有優(yōu)勢(shì)，比如光學(xué)成像衛(wèi)星受制于天氣影響，易于被云層阻擋，雷達(dá)成像衛(wèi)星的瞬時(shí)視場(chǎng)受分辨率的制約，瞬時(shí)視場(chǎng)不夠?qū)?，偵察范圍有限，一般需要在其他偵察設(shè)備的引導(dǎo)下工作，相比較而言，電子對(duì)抗偵察衛(wèi)星覆蓋的范圍更大，發(fā)現(xiàn)概率更高，技術(shù)也較成熟，且具有全天時(shí)、全天候的能力。

電子對(duì)抗偵察衛(wèi)星是作為情報(bào)體統(tǒng)中的一個(gè)重要信息來(lái)源，衛(wèi)星的主要工作是截取信號(hào)，并進(jìn)行星上數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)。實(shí)現(xiàn)偵察目的的前提是對(duì)電磁信號(hào)進(jìn)行有效的捕獲接收，這就要求偵察衛(wèi)星必須從空域、頻域、時(shí)域和能量域上對(duì)目標(biāo)信號(hào)實(shí)施有效覆蓋。文獻(xiàn)[1]主要從空域和時(shí)域覆蓋的因素出發(fā)，采用數(shù)據(jù)仿真的方法，從瞬時(shí)偵察覆蓋范圍、偵察覆蓋區(qū)域、飛行周期、重復(fù)偵察周期、偵察有效時(shí)間等方面對(duì)電子偵察衛(wèi)星的情報(bào)偵察能力進(jìn)行分析，分析結(jié)果可為電子偵察衛(wèi)星的作戰(zhàn)使用研究提供一定的理論依據(jù)。但是如何從能量域和頻域上分析，還沒(méi)有進(jìn)行研究。本文通過(guò)構(gòu)建電子對(duì)抗偵察衛(wèi)星偵察模型，再通過(guò)分析典型艦載雷達(dá)特性，對(duì)其電子對(duì)抗偵察衛(wèi)星的偵察效能進(jìn)行仿真，得出電子對(duì)抗偵察衛(wèi)星對(duì)艦載對(duì)空警戒雷達(dá)、對(duì)海搜索雷達(dá)信號(hào)的捕獲能力、條件、跟蹤時(shí)長(zhǎng)，分析得到其偵察效能。

1 電子對(duì)抗偵察衛(wèi)星對(duì)艦船雷達(dá)信號(hào)的偵收模型

1.1 艦船雷達(dá)信號(hào)到達(dá)衛(wèi)星時(shí)的功率密度計(jì)算方法

電子對(duì)抗偵察衛(wèi)星在偵察能力上的核心指標(biāo)之一是靈敏度，如相關(guān)資料顯示，美國(guó)軌道高度1 000 km左右的“白云”電子對(duì)抗偵察衛(wèi)星的靈敏度大概為-45～-97 dbW/m2，美國(guó)“大酒瓶”地球同步軌道電子對(duì)抗偵察衛(wèi)星，軌道高度36 000 km,靈敏度大概為-117～-169 dbW/m2。因此，通過(guò)計(jì)算雷達(dá)到達(dá)衛(wèi)星時(shí)的功率密度，再對(duì)比電子對(duì)抗偵察衛(wèi)星的靈敏度，就能計(jì)算該型號(hào)雷達(dá)能否被此衛(wèi)星偵測(cè)到。

本文以地球同步軌道衛(wèi)星為例，計(jì)算其偵察效能。設(shè)電子偵察衛(wèi)星軌道高度為H，由于電子偵察衛(wèi)星對(duì)固定目標(biāo)的偵收持續(xù)時(shí)間內(nèi)運(yùn)行距離遠(yuǎn)小于地球軌道半徑和衛(wèi)星高度，因此可以認(rèn)為，電子偵察衛(wèi)星在對(duì)海面艦船目標(biāo)進(jìn)行偵察時(shí)，其相對(duì)于海面目標(biāo)的運(yùn)行軌跡近似于一條直線(xiàn)，如圖1所示。

設(shè)電子偵察衛(wèi)星和雷達(dá)的直線(xiàn)距離為R，則根據(jù)圖1可得

(1)

式中:φ為雷達(dá)天線(xiàn)的仰角;θ為衛(wèi)星與雷達(dá)連線(xiàn)偏移雷達(dá)天線(xiàn)最大增益方向的角度。

根據(jù)圖1，衛(wèi)星過(guò)頂時(shí)θ最大，衛(wèi)星與雷達(dá)連線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)主瓣時(shí)，θ為0，衛(wèi)星繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，則θ為負(fù)值。

假設(shè)空間沒(méi)有介質(zhì)損耗干擾，設(shè)某型號(hào)雷達(dá)地面發(fā)射功率為Pt，發(fā)射天線(xiàn)主瓣增益為Gt，旁瓣增益為隨θ變化的值G(θ)，則根據(jù)雷達(dá)方程，在距離雷達(dá)R遠(yuǎn)處，該雷達(dá)的功率密度為

(2)

(3)

式中：Gt為雷達(dá)的主瓣增益；K為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，對(duì)于低旁瓣增益天線(xiàn)K=0.04～0.06；θ0.5為雷達(dá)主瓣方位波束寬度。

將G(θ)的相應(yīng)部分的值帶入式(1)中，再結(jié)合雷達(dá)相關(guān)參數(shù)，即可得出相應(yīng)型號(hào)雷達(dá)在空間的功率密度Sr隨角度θ的變化關(guān)系。

1.2 典型美海軍艦載搜索警戒雷達(dá)情況

受制于接收頻率，衛(wèi)星一般能接收到的信號(hào)為艦載對(duì)海和對(duì)空搜索警戒雷達(dá)。為了便于分析，選取較有代表性的3型雷達(dá)進(jìn)行分析，就是目前美國(guó)海軍典型的3型艦載雷達(dá)：超遠(yuǎn)程兩坐標(biāo)的AN/SPS-49對(duì)空搜索雷達(dá)、遠(yuǎn)程三坐標(biāo)的AN/SPS-48對(duì)空搜索雷達(dá)、AN/SPS-67對(duì)海警戒雷達(dá)。根據(jù)已披露的相關(guān)資料顯示，AN/SPS-49雷達(dá)目前代表型號(hào)為AN/SPS-49(V)型，該型雷達(dá)主要裝備在提康德羅加巡洋艦、佩里級(jí)導(dǎo)彈護(hù)衛(wèi)艦、惠德貝島級(jí)兩棲船塢登陸艦以及黃蜂級(jí)兩棲攻擊艦上。AN/SPS-48雷達(dá)目前代表型號(hào)為AN/SPS-48(E/F),該型雷達(dá)工作時(shí)發(fā)射9個(gè)俯仰上疊加的筆形波速覆蓋5.6°，8組波束形成45°俯仰角覆蓋，主要裝備航空母艦、大多數(shù)導(dǎo)彈巡洋艦和驅(qū)逐艦以及兩棲指揮艦，并出口德、日、奧等多國(guó)。AN/SPS-67雷達(dá)目前代表型號(hào)為AN/SPS-67(V2)，該型雷達(dá)主要裝備航空母艦、阿利伯克級(jí)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦等艦船。將相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)式(3)，并匯總?cè)绫?所示。

1.3 空間傳播損耗問(wèn)題

對(duì)電磁波在空間傳播的損耗問(wèn)題，主要分析對(duì)流層和電離層的影響[4]。根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]中的計(jì)算，工作頻率在10 000 MHz以下，仰角在30°～90°內(nèi)的電磁波穿透整個(gè)對(duì)流層吸收損耗小于0.1 dB，當(dāng)電磁波頻率高于30 MHz時(shí)，即可穿越電離層，當(dāng)電磁波頻率高于100 MHz，且當(dāng)云的密度為0.032 g/m3時(shí),電磁波穿越電離層損失小于1 dB，且頻率越高，電離層損失越小。本文分析的3型雷達(dá)頻率都在100～10 000 MHz之內(nèi)，在大氣層內(nèi)都有很強(qiáng)大穿透力，衰減并不大[6-10]，可忽略不計(jì)。

2 電子對(duì)抗偵察衛(wèi)星對(duì)三型雷達(dá)的偵察仿真

電子對(duì)抗偵察衛(wèi)星從接近發(fā)現(xiàn)雷達(dá)到過(guò)頂偵察再到離開(kāi)雷達(dá)目標(biāo)，整個(gè)過(guò)程是對(duì)稱(chēng)的，故仿真計(jì)算時(shí)僅考慮從衛(wèi)星過(guò)頂?shù)叫l(wèi)星遠(yuǎn)離這段偵察過(guò)程。因?yàn)殡娮訉?duì)抗偵察衛(wèi)星的參數(shù)是靈敏度，單位是dBW/m2，故需將式(2)取對(duì)數(shù)[7]，單位轉(zhuǎn)化為dBW/m2。

(4)

假設(shè)現(xiàn)有某型電子對(duì)抗偵察衛(wèi)星,其軌道高度為1 000 km,靈敏度為-150 dBW/m2,現(xiàn)將AN/SPS-49V(V),AN/SPS-48(E),AN/SPS-67(V2)3型雷達(dá)以及衛(wèi)星的相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式(4)中，利用Matlab進(jìn)行仿真，計(jì)算功率密度dBW/m2隨的變化如圖2所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,電子對(duì)抗偵察衛(wèi)星對(duì)對(duì)空搜索雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)有效偵察,對(duì)對(duì)海警戒雷達(dá)的發(fā)現(xiàn)概率較低[11-12]。據(jù)圖2，當(dāng)衛(wèi)星靈敏度是-150 dBW/m2時(shí)，對(duì)AN/SPS-49V(V)實(shí)現(xiàn)有效偵察的臨界偏離角為20.57°，對(duì)AN/SPS-48(E)實(shí)現(xiàn)有效偵察的臨界偏離角為27.53°，對(duì)AN/SPS-67(V2)實(shí)現(xiàn)有效偵察的臨界偏離角為8.56°。

表1 美海軍三種典型型號(hào)雷達(dá)部分參數(shù)Table 1 Some parameters of three typical radars of the US Navy

圖2 電子對(duì)抗偵察衛(wèi)星對(duì)3型典型雷達(dá)實(shí)現(xiàn) 偵察靈敏度需求隨ω的變化情況Fig.2 Sensitivity requirements of ECM reconnaissance satellite for three radars change with ω

3 電子對(duì)抗偵察衛(wèi)星對(duì)海上搜索警戒雷達(dá)的偵察有效時(shí)間分析

圖3 電子對(duì)抗偵察衛(wèi)星運(yùn)行中的相關(guān)幾何關(guān)系示意圖Fig.3 Geometric sketch of ECM reconnaissance satellite in service

據(jù)Matlab的仿真結(jié)果，電子偵察衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)要實(shí)現(xiàn)對(duì)這3型雷達(dá)的有效偵察，但需要實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)的有效對(duì)準(zhǔn)，要求衛(wèi)星天線(xiàn)方向與與雷達(dá)主瓣的偏移角度都在有效角度以?xún)?nèi)。因?yàn)橐话汶娮訉?duì)抗偵察衛(wèi)星軌道高度為1 000 km時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)全球的有效偵察，一般都在經(jīng)過(guò)兩極的近似圓軌道上運(yùn)行[13]。根據(jù)天體運(yùn)行規(guī)律，其運(yùn)行周期為

(5)

將相關(guān)參數(shù)代入，得衛(wèi)星的運(yùn)行周期大約為105 min。為得出衛(wèi)星對(duì)某型雷達(dá)的有效偵察時(shí)間，需計(jì)算在有效偵察范圍內(nèi)衛(wèi)星運(yùn)行的圓周角度。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入，可知電子對(duì)抗偵察衛(wèi)星在一次有效覆蓋時(shí)，對(duì)3型美軍艦載雷達(dá)的偵察時(shí)間如表2所示。

表2 假定型號(hào)的電子對(duì)抗偵察衛(wèi)星對(duì)三型 艦載雷達(dá)的有效偵察時(shí)間Table 2 Effective reconnaissance satellite for three shipborne radars

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述分析，可知電子對(duì)抗偵察衛(wèi)星可對(duì)一般對(duì)海對(duì)空搜索警戒雷達(dá)進(jìn)行有效偵察接收，且偵察有效持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，具備實(shí)現(xiàn)偵察、定位等條件。但由于受制于重訪(fǎng)問(wèn)周期等條件影響，電子對(duì)抗偵察衛(wèi)星更多的是用于戰(zhàn)略偵察，其支援海上作戰(zhàn)的戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用功能、機(jī)制和方法還有待進(jìn)一步研究，比如采用多星組網(wǎng)縮短重訪(fǎng)周期、與其他偵察方式協(xié)同偵察等等[14-15]，這些還需要進(jìn)一步開(kāi)展研究，以充分發(fā)揮電子對(duì)抗偵察衛(wèi)星的作戰(zhàn)效能。