對“人在回路”末制導武器的組合干擾技術*

邵 堃，雷迎科

(國防科技大學電子對抗學院，合肥 230037)

0 引言

自古至今，在戰(zhàn)爭中抓住戰(zhàn)場通信的主動權是決定戰(zhàn)爭勝負的關鍵因素之一。隨著通信科技的發(fā)展，數據鏈[1]技術已經成為軍事通信中十分重要的一項技術。它具有實時性好、環(huán)境適應能力強、信息傳輸效率高、抗截獲、干擾能力強等特點。通過數據鏈技術能夠實現(xiàn)人與人之間，人與武器之間的信息互通。目前許多武器系統(tǒng)通過數據鏈技術[2-4]實現(xiàn)“人在回路”，極大地提高了打擊固定目標的精度和效率，例如目前美軍的F-15、P-3C、F-18等型戰(zhàn)斗機上的裝備AN/AWW-13武器制導數據鏈系統(tǒng)，裝備在F-111、F-16d等型戰(zhàn)斗機上的AN/AXQ-14武器制導數據鏈系統(tǒng)。武器制導數據鏈比通用數據鏈的功能更專一，對抗性更突出，對信息傳輸的可靠性、實時性、安全性要求更高，這給對抗方實施干擾提出了嚴峻的考驗。

國外對數據鏈研究的公開報道[5-7]主要集中在Link-11、Link-16、Link-22上，涉及武器制導數據鏈的文獻甚少。國內對武器制導數據鏈干擾技術的研究也剛剛起步，鮑虎等[2]在分析“人在回路”制導方式的特點后，提出干擾數據鏈系統(tǒng)和彈載GPS接收機系統(tǒng)的方法。以艦載電子戰(zhàn)直升機作為干擾平臺對抗反艦導彈為例，初步探索了對武器制導數據鏈的對抗方法。王小莉等[8]介紹了武器制導數據鏈應用情況，并討論了對武器制導數據鏈鏈路的干擾策略。金飆[3]提出通過空間功率合成技術增加對武器制導數據鏈的干擾功率。姚玉山等[9]詳細分析了對武器制導數據鏈干擾可行性，提出通過壓制式干擾和欺騙干擾對武器制導數據鏈前向鏈路信號進行有效干擾，并設計了一種地面干擾設備。呂衛(wèi)華等[10]對武器制導數據鏈的抗干擾性能做了詳細的評估，但沒有考慮到數據鏈信號突發(fā)性帶來的影響。龔燕等[11]為準確反映空地導彈數據鏈高速變化的信道特征，建立了載機機動模型和導彈機動模型，考慮到運動性和天線零陷的情況，仿真了對前向數據鏈信號和反向數據鏈信號的干擾效果。

文中選取“人在回路”武器上搭載的武器制導數據鏈作為研究對象，針對武器制導數據鏈的突發(fā)性和平臺運動性，提出了一種對武器制導數據鏈的組合干擾技術，解決傳統(tǒng)的通信干擾對“人在回路”末制導武器干擾效率低的問題。

1 系統(tǒng)模型

1.1 信號角度

彈載吊艙收到的信號可以由式(1)表示。

r(t)=hs(t)·s(t)+hj(t)·J(t)+n(t)

(1)

式中：r(t)為彈載數據鏈吊艙接收到的信號;s(t)為機載數據鏈發(fā)射的信號；J(t)為干擾機發(fā)出的干擾信號；hs(t)是載機與導彈之間的信道衰減因子；hj(t)是干擾機與導彈之間的信道衰減因子；n(t)為信道的高斯噪聲。

1.2 功率角度

空地導彈的接收端接收到的功率可以表示為：

Pr=Pj+Gj+Gr-L

(2)

式中：Pj是干擾機發(fā)射功率；Gj是干擾機發(fā)射天線在接收方向增益；Gr是接收天線在發(fā)射機方向的增益；L是信號電波路徑損耗；上述量的單位都用dB表示。武器制導數據鏈信號在載機與空地導彈間的傳播方式是自由空間的視距傳播。

當干擾機發(fā)射功率為Pj時，在彈載吊艙周圍產生的輻射密度為：

(3)

式中：Gj是干擾機天線沿著導彈方向的最大增益；Ar是彈載接收天線的有效孔徑；d是干擾機與導彈之間的距離，單位是m。用dB表示路徑損耗：

(4)

由電磁場理論得，彈載接收天線的增益Gj與Ar之比為常數。

(5)

式中：λ是通信工作波長，單位是m。將式(5)代入式(4)得到信號電波路徑損耗L為：

(6)

Pr=Pj-32-20lgf-20lgd+Gj+Gr

(7)

2 組合干擾技術

2.1 干擾策略

第一階段，當空地導彈距離目標17 km(t0)時，開啟反向數據鏈，向載機傳輸地形、目標、方位等信息。此時我方的偵察設備可以截獲到彈載數據鏈吊艙發(fā)來的反向數據鏈信號，通過測向等技術確定空地導彈的位置。由于前、反向鏈路信號格式不同，此時我方無法對前向鏈路信號進行分析處理。按照早發(fā)現(xiàn)早干擾的原則，充分利用發(fā)現(xiàn)信號后的時間，令干擾機產生攔阻式干擾信號，迅速對準空地導彈方位實施寬帶干擾。

圖1 組合干擾技術時隙分配圖

第二階段，空地導彈距離目標剩t1時，機載數據鏈吊艙開啟前向數據鏈，向彈載數據鏈吊艙傳輸指揮、控制等信號。此時我方偵察設備可以截獲到前向數據鏈路信號，經過分析處理，引導干擾機產生相應干擾信號。此階段分兩部分，偵察設備用較短的時間迅速完成信號建立、載波提取等過程，引導干擾機產生與前向數據鏈信號頻率一致的瞄準式干擾信號，對準導彈吊艙實施干擾，與此同時，偵察設備開始對盲解調后的比特流數據進行幀長估計、同步序列識別和幀關鍵字段提取等處理，為第三階段的靈巧式干擾做準備。

第三階段，導彈距離目標還有t2的時候。由于導彈距離我方目標已經非常近，此時的關鍵是要確保彈載數據鏈吊艙完全接收不到來自機載數據鏈吊艙發(fā)來的前向鏈路信號。這就需要我方集中干擾功率對前向鏈路的關鍵位置實施干擾。經過第二階段充分的干擾引導后，產生最佳干擾信號瞄準武器制導數據鏈前向鏈路信號的幀同步位置進行靈巧式干擾。

對于干擾來說，干擾引導所需的時間與成功干擾所需的功率總是相矛盾的兩個方面。組合干擾技術的3個關鍵步驟是針對武器制導數據鏈重要工作時間節(jié)點所設計，準確分析了各個階段中時間和功率哪個是主要影響因素，巧妙地利用了“時分復用”的干擾接入方式，在靈巧式干擾的引導時間內實施頻率瞄準式干擾。相比引導時間與干擾時間分離的傳統(tǒng)干擾方式，組合干擾技術可以有效提高時間利用率。

圖2 組合干擾技術流程圖

2.2 干擾體制

2.2.1 攔阻式干擾

攔阻式干擾[10]就是在某一頻段上同時釋放干擾信號，對該頻段上的所有信道進行全面壓制的一種干擾方式。攔阻式干擾按頻譜疏密程度可以分為連續(xù)攔阻式干擾和梳狀攔阻式干擾。

掃頻連續(xù)攔阻式干擾如式(8)所示。

(8)

式中：v(t)為鋸齒波信號：

(9)

式中：J為鋸齒波幅值；Ts為鋸齒波周期；ω0為載波頻率；k為調頻靈敏度。

梳狀攔阻式干擾如式(10)所示。

(10)

式中：φn在[0,2π]上均勻分布。

從圖3可以看出，梳狀攔阻式干擾比全頻段攔阻式干擾功率更為集中，同時梳狀攔阻式干擾具有梳狀的干擾間隔。作為干擾方，可以利用預先設定的干擾間隔進行偵察，做到及時發(fā)現(xiàn)“人在回路”末制導武器的前向鏈路信號。

圖3 攔阻式干擾仿真圖

攔阻式干擾的優(yōu)點：無需復雜的頻率引導設備就能對某一波段范圍內的武器制導數據鏈信號實施壓制干擾。

攔阻式干擾的缺點：需要很高的干擾功率，干擾效率不高，造成能量浪費，可能同時阻斷己方通信鏈路，干擾偏離最佳干擾樣式。

2.2.2 瞄準式干擾

瞄準式干擾是指干擾的載頻與信號頻率重合，或者干擾信號和通信信號的頻譜寬度相同，因此對于瞄準式干擾來說，要求干擾方掌握目標信號的中心頻率。一般頻率瞄準式干擾機的每個干擾頻率對準相應的一個通信信號頻率實施干擾。

圖4 頻率瞄準式干擾系統(tǒng)的組成示意圖

瞄準式干擾的優(yōu)點：從頻譜的角度來說，針對某一信號頻率實施的瞄準式干擾是最佳的干擾體制。經過對通信信號的分析處理可以選擇最佳干擾樣式進行干擾，干擾效率較攔阻式干擾大大提高。

瞄準式干擾的缺點：只能干擾某一確定的通信信道且對偵察處理設備要求高。

2.2.3 靈巧式干擾

武器制導數據鏈前向鏈路信號幀結構如圖5所示。

武器制導數據鏈傳輸信息采用了嚴格的封裝格式，其中同步序列不僅關系著接收方有效實現(xiàn)同步，而且是有效接收數據鏈傳輸信息的重要標志之一。作為干擾方可以在干擾引導的基礎上選擇合適干擾時機，集中干擾功率，瞄準武器制導數據鏈幀同步發(fā)射干擾信號。

圖5 武器制導數據鏈幀結構示意圖

靈巧式干擾的優(yōu)點：只干擾數字序列的關鍵字段，干擾功率更為集中，干擾效率高、效果好。

靈巧式干擾的缺點：偵察處理階段不僅需要對通信信號進行濾波、解調，還需要對數字序列進行幀同步盲識別等處理，導致干擾引導時間較長。

2.3 干擾功率分析

干擾功率是決定干擾成功的重要因素。由于實際干擾裝置的工程實現(xiàn)和成本等限制，干擾功率不可能做到無限大。集中有限的干擾功率和合理分配干擾功率對干擾的成功實現(xiàn)起著決定性的作用。要想成功實施干擾，需要滿足接收端機接收到的干擾機發(fā)射功率大于接收端接收到的機載吊艙發(fā)射功率。

Prs+10lg(J/S)≤Prj

(11)

式中：Prs是接收端接收到的載機吊艙發(fā)射的功率；Prj為接收端接收到的干擾機發(fā)射功率；10lg(J/S)是成功干擾的干信比要求?？紤]到傳輸路徑損耗和旁瓣干擾等因素。將式(11)代入式(7)中，得到發(fā)射功率關系式。

(12)

圖6 “人在回路”武器運動模型

載機與空地導彈的實時距離和干擾機與空地導彈實時距離可以由式(13)和式(14)表示。

(13)

(14)

在實際作戰(zhàn)中由于開始階段干擾引導設備提供的數據鏈信號參數有限，會導致干擾偏離最佳干擾樣式，同時攔阻式干擾的干擾頻譜不均勻等問題也會增加干擾機的干擾功率，給實時壓制性干擾提供難度。值得欣慰的是，對空地導彈數據鏈干擾時，由于空地導彈的作戰(zhàn)任務造成的必然結果是彈載數據鏈開啟時是位于我方防區(qū)內，這就給我方對其干擾提供了一定的距離優(yōu)勢，可以節(jié)省我方發(fā)射功率6 dB，給我方實施梳狀攔阻式干擾提供了可能性。

(15)

2.4 干擾波形優(yōu)化

武器制導數據鏈前向鏈路信號的調制方式多為相移鍵控(PSK)。本節(jié)對M進制數字相位調制信號設計最佳干擾波形。

MPSK信號波形可以表示為：

(16)

因為MPSK信號存在正交特性，不失一般性，此處只對I支路信號分析，經過相干解調和低通濾波器后判決信號輸出為式(17)，詳細過程在文獻[12-15]中有詳細推導，此處只給出結果。

(17)

(18)

均值為：

(19)

方差為：

(20)

式中n1為噪聲單邊帶功率譜密度。

當發(fā)送第一個狀態(tài)sx1的錯誤接收概率為：

(21)

當發(fā)送最后一個狀態(tài)sxk的錯誤接收概率為：

(22)

當發(fā)送其他狀態(tài)sxm的錯誤接收概率為：

(23)

所以當k個狀態(tài)數據發(fā)送概率相同時：

(24)

同理可得出Q路信號錯誤接收概率：

(25)

符號傳輸總的錯誤接收概率為：

(26)

2.5 干擾時間分析

干擾所需的總時間由下式給出：

t總=t截獲+t分析+t干擾+t傳輸

(27)

時域特性對干擾信號是至關重要的，顯然，對不工作的對象發(fā)送干擾信號是徒勞無功的。要想成功實現(xiàn)對數據鏈信號的干擾，必須在其通信的時間進行干擾。干擾信號的時域特性滿足下式：

(28)

式中:d1是載機與導彈之間的直線距離；d2是干擾設備與空地導彈之間的直線距離；d3是干擾設備與載機之間的直線距離；Tp是干擾機的反應時間，包含偵察和干擾時間；η為信號周期中未受到干擾的時間所占的比例，數值越小，干擾效果越好；T是信號周期。

要想干擾時域對準，需要根據干擾設備、載機、空地導彈三方之間的位置關系和運動關系，計算出干擾信號相較通信信號的傳輸時延，以確定發(fā)射干擾信號時間的提前量。

靈巧式干擾和頻率瞄準式干擾都要求根據數據鏈信號的變化實時地調整干擾信號。實際情況中，當發(fā)射干擾的功率相對較大時，必然會造成頻譜泄露，導致接收機接收到的信號全是雜波。為避免偵察處理階段受到干擾信號的影響，采用時間分割法將偵察和干擾分開，在幾百微秒至幾毫秒的時間接收信號，在幾百毫秒至數秒發(fā)射修正過的干擾信號，這樣可實現(xiàn)信號實時頻率的重合，確保干擾信號與通信信號有效的同步，時間分割法的關鍵在于干擾時機的選擇。

對靈巧式干擾來說，幀周期和同步序列長度的確定直接決定著干擾能否成功實現(xiàn)。假設干擾信號和前向數據鏈信號之間的時鐘偏差為σ，前向數據鏈信號幀長為L，同步序列長度為Lt，靈巧式干擾脈沖長度為LJ。

幀長估計誤差導致干擾維持同步的時間縮短為:

(29)

為避免每過一段時間就要從頭開始搜索幀結構中的同步序列，將干擾序列的長度適當加長來增加同步干擾的維持時間。

3 仿真分析

為了驗證組合干擾技術的可行性，下面進行仿真實驗。

3.1 干擾樣式仿真

實驗1：不同干擾樣式對QPSK信號干擾效果對比實驗。

實驗參數：調制方式為QPSK調制，解調方式為相干解調，碼速率40 kbit/s；圖8中信噪比為5 dB;圖9中信噪比為10 dB；干信比的范圍為[-10 15] dB。

圖8和圖9的仿真結果說明在不同的信道環(huán)境下，相似信號干擾樣式對QPSK信號的干擾效果最為顯著。雖然在干信比較低的情況下單音干擾產生的誤比特率曲線的斜率最大，但是單音干擾的信號單一，不具有隨機性，很容易被接收方發(fā)現(xiàn)并濾除。相似干擾信號是根據通信信號的調制特點設計產生，在時域上是隨機的。因此相似干擾信號具有一定的偽裝性，不易被接收機發(fā)現(xiàn)。

實驗2：相似信號干擾的理論誤比特率與仿真誤比特率比較實驗。

表1 干擾樣式幅度向量表

表2 不同干擾環(huán)境下的干信比和信噪比

圖8 信噪比為5 dB不同干擾樣式的干擾效果

圖9 信噪比為10 dB不同干擾樣式的干擾效果

令相似信號的干信比和信噪比由式(30)和式(31)表示:

(30)

(31)

經計算，相似信號的誤比特率為：

(32)

通過圖10的仿真結果可以看到，隨著干信比的增加，理論誤比特率曲線隨之上升，最后穩(wěn)定在0.5；同時仿真誤比特率離散點也在理論誤比特率曲線周圍波動，并隨著碼元數增多逐漸與理論誤比特率曲線重合，說明文中理論推導與實際情況相符。

圖10 仿真誤比特率曲線與理論誤比特率曲線比較

圖11 相似信號干擾在不同信道環(huán)境下的干擾效果

圖11給出了在不同信道環(huán)境下相似信號干擾對QPSK信號干擾效果。在不同信噪比下，隨著相似信號干擾的功率增加，系統(tǒng)的誤比特率不斷增加。在相同的干信比下，隨著信噪比的增大，系統(tǒng)的誤比特率隨之減小。從仿真結果中可以直觀地發(fā)現(xiàn)當接收端干信比達到3 dB時，即達成對系統(tǒng)成功干擾的要求。

經過實驗1和實驗2的計算仿真，證明相似信號干擾是組合干擾技術的最佳干擾樣式。

3.2 干擾功率仿真

實驗3:傳輸損耗、旁瓣干擾、目標運動特性對組合干擾技術發(fā)射功率影響實驗。

將目標的運動方程(13)、方程(14)代入式(12)中得到組合干擾技術理論發(fā)射功率曲線。

實驗參數：前向鏈路工作頻段寬度為10 MHz，接收機帶寬為50 kHz。前30 s采用梳狀攔阻式干擾，干擾樣式為直接噪聲干擾；30～40 s采用瞄準式干擾，干擾樣式為相似信號干擾；40～50 s采用靈巧式干擾，干擾樣式為相似信號干擾；干信比要求3 dB。數據鏈開啟時，載機距離空地導彈52.6 km，干擾機距離空地導彈24 km，設導彈運動時導彈的天線始終對準載機方向。導彈速度取亞音速300 m/s。機載數據鏈吊艙發(fā)射功率為50 W。載機發(fā)射天線增益為8 dBi，導彈接收天線主瓣增益13 dBi，旁瓣等效增益為-3 dBi。干擾機發(fā)射天線主瓣增為16 dBi。

圖12 組合干擾技術發(fā)射功率隨時間的變化曲線

由圖12可見，成功干擾所需最小功率曲線隨干擾接入時間增加而減小。圖中在30 s和40 s時出現(xiàn)的兩次跳變，主要是因為新干擾體制的接入極大地降低了成功干擾時對干擾功率的需求。

實驗4：靈巧式干擾與頻率瞄準式干擾的干擾效果對比實驗。

實驗參數：信號載頻fc為60 MHz；采樣率為fs為4fc；碼速率為40 kbit/s；調制方式為QPSK；信噪比為10 dB；同步序列選擇長度是256 bit的偽隨機序列；其他實驗參數與實驗3一致。

圖13 靈巧式干擾與瞄準式干擾的干擾效果

圖13給出了在相同發(fā)射功率下，頻率瞄準式干擾和對同步字段靈巧式干擾的干擾效果對比。除個別點外，隨著靈巧式干擾的干擾序列長度增加，靈巧式干擾的干擾效果逐漸變差。

3.3 干擾時間仿真

實驗5：干擾機位置對干擾傳輸時延的影響實驗。

根據式(27)和式(28)可以求出干擾信號相對通信信號實時的傳輸時延。

實驗參數：數據鏈開啟時，載機距離空地導彈52.6 km，干擾機距離空地導彈24 km，導彈速度取亞音速300 m/s。設導彈運動時導彈的天線始終對準載機方向。載機在特定位置盤旋，干擾機位置固定，電波傳播速度為光速。

圖14 干擾信號傳輸時延隨導彈距目標距離變化曲線

圖14給出了導彈在不同距離時干擾信號對比通信信號的實時傳輸時延。由于導彈運動方向始終是對準我方目標，所以隨著時間的增加，導彈與載機的距離越來越遠，與我方干擾機的距離越來越近，使我方干擾信號傳輸時延隨導彈運動逐漸減小，從而說明我方對比通信方具有一定的距離優(yōu)勢，同時文中的理論推導也是符合實際情況的。

實驗6：基于時間分割法的同步干擾維持時間實驗

設“人在回路”武器搭載的數據鏈系統(tǒng)的開始時間為1 min左右，靈巧式干擾持續(xù)時間在10 s左右，從圖15的仿真結果可以看出，干擾序列長度選擇為同步序列長度的1.5倍即可維持足夠長的同步干擾時間。有效防止了因為干擾信號失同步，不得不重新搜索幀結構中的同步序列所造成的不必要的時間浪費。對于頻率瞄準式干擾來說，時鐘的偏差不會造成干擾信號失同步。干擾機只需要在微秒級的時間段內迅速進行頻率的校正，在數百毫秒乃至數秒時間對準彈載數據鏈吊艙發(fā)射干擾信號，即可成功達到干擾效果。

圖15 靈巧式干擾同步維持時間

4 結論

文中著眼于對“人在回路”末制導武器干擾方法的實現(xiàn)可行性和戰(zhàn)場應用性，提出了一種組合干擾技術。在數據鏈開啟初期，針對前向鏈路信號突發(fā)性的特點設計了梳狀攔阻式干擾，從而實現(xiàn)了對前向鏈路信號蹲守式干擾；為了解決干擾引導時間過長的問題，通過“時分復用”的方式接入瞄準式干擾和靈巧式干擾，提高了時間利用率和干擾效率；為了分析目標運動性產生的干擾距離變化和干擾信號旁瓣進入等影響，搭建了系統(tǒng)模型，理論分析證明了干擾的可行性；為了解決基于時間分割法的偵察過程造成靈巧式干擾失同步的問題，設計了靈巧式干擾脈沖長度。最后通過實驗仿真驗證了組合干擾技術的有效性。