多路徑干擾條件下主動雷達空空導(dǎo)彈對目標(biāo)攻擊能力分析及仿真

張放　何憲鋒

摘要：? ? ? 主動雷達型空空導(dǎo)彈在海面背景下視攻擊低空或超低空飛行目標(biāo)時， 由于海面對雷達波的反射作用， 導(dǎo)引頭始終受到多路徑干擾的影響。 該影響將導(dǎo)致導(dǎo)彈的制導(dǎo)精度下降甚至脫靶。 本文對多路徑干擾影響導(dǎo)彈制導(dǎo)精度的過程進行了理論分析， 并結(jié)合其他文獻中的研究成果對導(dǎo)彈攻擊過程中受到的各類影響進行了定量化建模及仿真。 最終從理論分析及仿真結(jié)果出發(fā)， 對未來主動雷達型空空導(dǎo)彈在此種環(huán)境下能夠采用的技術(shù)措施進行了探討。

關(guān)鍵詞：? ? ?空空導(dǎo)彈;? 多路徑干擾;? 目標(biāo)攻擊; 主動雷達型

中圖分類號：? ? ?TJ765.4; TP391.9文獻標(biāo)識碼：? ? A文章編號：? ? ?1673-5048（2020）02-0059-05

0引言

雷達在海面背景下探測低空目標(biāo)時， 由于多路徑效應(yīng)影響， 其對目標(biāo)的探測將出現(xiàn)威力下降、 跟蹤中斷等現(xiàn)象[1-3]。 而主動雷達型空空導(dǎo)彈在海面背景下攻擊目標(biāo)時， 由于導(dǎo)引頭發(fā)射出的無線電波需經(jīng)由目標(biāo)及海面的多次反射后才能被導(dǎo)引頭接收， 因此其對目標(biāo)的測量將不可避免地受到海面造成的多路徑效應(yīng)影響。 在這一方面， 國內(nèi)相關(guān)研究者對雷達導(dǎo)引頭所受影響過程開展了理論分析， 并通過數(shù)字仿真進行了定量分析[4-6]。

導(dǎo)引頭在海面背景下攻擊目標(biāo)時所受到的影響將造成導(dǎo)彈的制導(dǎo)精度下降， 嚴(yán)重時將導(dǎo)致導(dǎo)彈脫靶。 針對此問題， 開展了艦空導(dǎo)彈在海面背景下對目標(biāo)攻擊能力的仿真研究， 并取得了一定成績[7-8]。 本文對海面背景下主動雷達型空空導(dǎo)彈對目標(biāo)的末端攻擊情況進行了分析及仿真， 并給出了減小海面多路徑效應(yīng)影響的可能改進方向。

1多路徑效應(yīng)影響原理分析

海面多路徑效應(yīng)產(chǎn)生的最主要影響為鏡像目標(biāo)， 主要發(fā)生在目標(biāo)距離海面較低， 且海面平坦條件下。 與視覺觀測相似， 低空（與海面相對高度小于1 km）或超低空（與海面相對高度小于100 m）飛行的目標(biāo)會以海面為對稱面， 形成一個與真實目標(biāo)相似的鏡像目標(biāo)， 其實質(zhì)為電磁波通過海面反射所形成的虛像[9-11]。

當(dāng)探測雷達照射目標(biāo)時， 其所發(fā)射的電磁波經(jīng)目標(biāo)、 海面兩次反射后被雷達接收， 等效為在海面下方另外有一個鏡像目標(biāo)存在， 形成所謂的“鏡像目標(biāo)”。 圖1為鏡像目標(biāo)產(chǎn)生的原理示意圖， 圖中， 鏡像目標(biāo)傳播路徑為ACBA。

經(jīng)典的“四路徑模型”包括直達路徑ACA， 鏡像目標(biāo)傳播路徑ACBA，? ABCA，? ABCBA。 直達路徑ACA對應(yīng)的目標(biāo)位置為真實目標(biāo)位置C; 路徑ACBA對應(yīng)的目標(biāo)位置為C1， 其角度、 多普勒頻移和波程差相對真實目標(biāo)都有偏離。 其余兩條路徑對應(yīng)的目標(biāo)位置分別為C及C1， 但其波程差將進一步偏離真實目標(biāo)， 同時由于經(jīng)過了多次反射， 其信號幅值小于前兩條路徑產(chǎn)生的信號幅值， 為簡化起見， 在本文所做工作中未做考慮。

對導(dǎo)引頭來說， 鏡像路徑和直達路徑夾角小于波束寬度時， 鏡像對導(dǎo)引系統(tǒng)的影響較大。 鏡像目標(biāo)影響導(dǎo)引系統(tǒng)， 需滿足以下條件：

a. 當(dāng)鏡像回波和目標(biāo)回波交替出現(xiàn)時， 鏡像能量高于檢測門限;

b. 當(dāng)鏡像回波和目標(biāo)回波同時出現(xiàn)時， 目標(biāo)回波幅度相對于鏡像回波壓制比不高， 且目標(biāo)和鏡像在頻域不可分開。

低空下視攻擊目標(biāo)時， 在直達路徑ACA和路徑ACBA波程差相差不大的條件下， 如果鏡像不出主波束且能量足夠大， 導(dǎo)引頭對不同信號的跟蹤過程如圖2所示。

圖2中， “跟蹤目標(biāo)”表示此時導(dǎo)引頭跟蹤的信號為目標(biāo)回波信號， “跟蹤合成”表示此時導(dǎo)引頭跟蹤的信號為目標(biāo)回波和鏡像目標(biāo)回波信號的合成信號， “跟蹤鏡像”表示此時導(dǎo)引頭跟蹤的信號為經(jīng)由路徑ACBA反射回導(dǎo)引頭的鏡像目標(biāo)信號。 需要注意的是， 在實際導(dǎo)彈攻擊過程中， 導(dǎo)引頭的跟蹤過程可能在圖2跟蹤過程的任何時刻開始， 其起點取決于導(dǎo)引頭首次截獲目標(biāo)的時刻。

航空兵器2020年第27卷第2期張放， 等： 多路徑干擾條件下主動雷達空空導(dǎo)彈對目標(biāo)攻擊能力分析及仿真另外還需要考慮的是， 圖2中所反映的“跟蹤目標(biāo)”及“跟蹤鏡像”的時間長度取決于目標(biāo)回波與鏡像目標(biāo)回波的波程差， 在鏡像目標(biāo)能夠產(chǎn)生影響的條件下， 目標(biāo)距海面高度往往較小， 因此波程差帶來的回波時間差異僅為微秒級。 這一時間遠遠小于導(dǎo)引頭秒級的遮擋周期及毫秒級的信號處理周期， 因此對于導(dǎo)引頭的跟蹤來講， 可以認(rèn)為在鏡像目標(biāo)回波信號消失前， 導(dǎo)引頭均在跟蹤合成信號。

2多路徑效應(yīng)對目標(biāo)信息測量的影響分析

在空空導(dǎo)彈攻擊海面目標(biāo)時， 海面反射無線電波產(chǎn)生多路徑效應(yīng)導(dǎo)致了鏡像目標(biāo)的產(chǎn)生。 而對于導(dǎo)引頭的測量而言， 在其無法分辨真實目標(biāo)及鏡像目標(biāo)的條件下， 鏡像目標(biāo)回波的幅值及所處的位置決定了導(dǎo)引頭視在目標(biāo)的位置， 并將對導(dǎo)引頭的測量值造成影響。

由上述可知， 鏡像目標(biāo)所處的位置為真實目標(biāo)以海面為對稱面的海面下方， 其回波幅值將由海面的后向反射系數(shù)決定， 通過查詢文獻[12-14]， 給出后向反射系數(shù)與擦地角之間的關(guān)系曲線， 如圖3所示。

從圖3可以看出， 海面反射系數(shù)同時受到海情及擦地角兩個不同因素的綜合影響。 為保證仿真結(jié)果的可信性， 在仿真條件中需要指明海情條件， 同時在導(dǎo)彈攻擊過程仿真中， 需要按照計算得出的擦地角實時給出海面后向反射系數(shù)， 從而針對不同海面后向反射系數(shù)給出鏡像目標(biāo)回波幅值大小， 評估合成目標(biāo)、 鏡像目標(biāo)與真實目標(biāo)之間的相對關(guān)系。

當(dāng)海面后向反射系數(shù)等于1時， 鏡像目標(biāo)與真實目標(biāo)回波幅值相等， 此時合成目標(biāo)所處位置為真實目標(biāo)與鏡像目標(biāo)連線與海面的交點處。 當(dāng)海面后向反射系數(shù)大于1時， 鏡像目標(biāo)回波幅值大于真實目標(biāo)的回波幅值， 因此合成目標(biāo)將偏向鏡像目標(biāo)所處位置。 當(dāng)海面后向反射系數(shù)小于1時， 鏡像目標(biāo)回波幅值小于真實目標(biāo)回波幅值， 因此合成目標(biāo)將偏向真實目標(biāo)所處位置。

由圖3曲線可以發(fā)現(xiàn)， 由于海面反射系數(shù)始終小于1， 因此鏡像目標(biāo)的回波幅值始終小于真實目標(biāo)的回波信號幅值， 導(dǎo)致導(dǎo)引頭跟蹤的合成目標(biāo)始終處于海面之上并接近于真實目標(biāo)。 結(jié)合導(dǎo)引頭跟蹤過程可以發(fā)現(xiàn)， 導(dǎo)引頭跟蹤時首先將短暫跟蹤真實目標(biāo)， 之后跟蹤合成得到的視在目標(biāo)， 最終短暫跟蹤鏡像目標(biāo)。 同時隨著彈目距離的接近， 鏡像目標(biāo)與真實目標(biāo)之間的張角將逐漸增大。

綜合上述分析可以認(rèn)為， 當(dāng)真實目標(biāo)與鏡像目標(biāo)在導(dǎo)引頭視線上的投影角度小于導(dǎo)引頭視場角時， 導(dǎo)引頭測量得到的角度信息為合成得到的視在目標(biāo)的角度信息。 而如果真實目標(biāo)與鏡像目標(biāo)在導(dǎo)引頭視線上投影得到的角度差大于導(dǎo)引頭視場角， 由于導(dǎo)引頭之前跟蹤的合成目標(biāo)偏向于真實目標(biāo)， 因此可以認(rèn)為鏡像目標(biāo)回波無法被導(dǎo)引頭接收到， 不再對導(dǎo)引頭測量造成影響。

3多路徑效應(yīng)對制導(dǎo)精度影響的仿真分析

比例導(dǎo)引法是指導(dǎo)彈在攻擊目標(biāo)的過程中， 導(dǎo)彈速度矢量的旋轉(zhuǎn)角速度與目標(biāo)線的旋轉(zhuǎn)角速度成比例的一種導(dǎo)引方法， 其基本數(shù)學(xué)形式為

其優(yōu)點是： 在比例系數(shù)K選擇適當(dāng)?shù)那疤嵯拢?導(dǎo)彈彈道前段較為彎曲， 能夠充分利用導(dǎo)彈的機動能力; 彈道后段較為平直， 使導(dǎo)彈具有較為充裕的動力裕度。 只要參數(shù)選擇適當(dāng)， 就可以使全彈道上需用法向過載均小于可用法向過載， 因而其彈道較為平滑， 有利于發(fā)揮導(dǎo)彈的動力性能。 在技術(shù)實施上實現(xiàn)比例導(dǎo)引法也較為容易， 因此， 空空、 地空等自動瞄準(zhǔn)制導(dǎo)的導(dǎo)彈都采用比例導(dǎo)引法。 其缺點是： 命中目標(biāo)時的需用法向過載與命中點的導(dǎo)彈速度和導(dǎo)彈的攻擊方向有直接關(guān)系[15]。

該導(dǎo)引律需要對目標(biāo)視線的旋轉(zhuǎn)角速度進行測量， 而在海面背景下存在多路徑效應(yīng)時， 由于導(dǎo)引頭跟蹤目標(biāo)過程中的視在目標(biāo)為真實目標(biāo)與鏡像目標(biāo)的合成目標(biāo)。 因此在海面背景下直到鏡像目標(biāo)移出導(dǎo)引頭視場角之前， 導(dǎo)引頭測量得到的旋轉(zhuǎn)角速度均為合成目標(biāo)的視線角速度。 而在鏡像目標(biāo)移出導(dǎo)引頭視場角時， 由于跟蹤點在高度上發(fā)生跳變， 因此測量的視線方向也將出現(xiàn)跳變， 對應(yīng)的視線角速度將出現(xiàn)一個尖峰， 并導(dǎo)致彈道出現(xiàn)波動。 如果該現(xiàn)象在導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)過程中出現(xiàn)時刻與導(dǎo)彈遇靶時刻較為接近， 則此時制導(dǎo)控制系統(tǒng)無法有效消除制導(dǎo)誤差， 并將導(dǎo)致制導(dǎo)精度出現(xiàn)下降。

在考慮上述因素后， 將鏡像目標(biāo)所在位置、 鏡像目標(biāo)回波幅值及視在目標(biāo)所在位置的計算算法引入原有仿真模型中， 針對同一發(fā)射條件下、 目標(biāo)飛行高度不同時的制導(dǎo)精度進行計算仿真， 并將制導(dǎo)精度小于一定值的仿真結(jié)果視為攻擊成功。

攻擊條件為載機飛行高度3 km， 發(fā)射馬赫數(shù)0.8， 目標(biāo)飛行高度20～300 m， 飛行馬赫數(shù)0.8， 發(fā)射距離22 km， 迎頭攻擊， 目標(biāo)全程不機動。 仿真條件下的典型彈道軌跡如圖4所示。

從仿真結(jié)果來看， 在發(fā)射條件一定時， 目標(biāo)的飛行高度將直接影響導(dǎo)彈的攻擊成功率， 具體體現(xiàn)為攻擊成功率隨目標(biāo)飛行高度降低而下降， 1級海情下的仿真數(shù)據(jù)曲線如圖5所示。

造成該現(xiàn)象的原因為： 在真實目標(biāo)飛行高度較低時， 其與鏡像目標(biāo)之間的距離也較近， 鏡像目標(biāo)移出導(dǎo)引頭視場的時間更為靠后， 因此留給制導(dǎo)控制系統(tǒng)消除制導(dǎo)誤差的時間也更短， 并導(dǎo)致制導(dǎo)誤差散布的增加及攻擊成功概率的下降。

需要注意的是， 在目標(biāo)飛行高度進一步降低時， 雖然鏡像目標(biāo)移出視場時間進一步推后， 但鏡像目標(biāo)與真實目標(biāo)的距離也進一步減小， 因此也減少了需要消除的制導(dǎo)誤差。 從這一點上來講， 該規(guī)律在其他高度層上是否成立尚需要進一步分析。

4結(jié)論及建議

從本文分析可知， 在主動雷達型空空導(dǎo)彈攻擊低空或超低空飛行目標(biāo)的過程中， 由于海面環(huán)境造成的多路徑效應(yīng)， 將會導(dǎo)致導(dǎo)引頭測量精度下降， 進而導(dǎo)致制導(dǎo)精度下降。

針對上述影響因素， 需要通過其他技術(shù)手段減弱甚至消除導(dǎo)引頭在測量目標(biāo)信息時所受的影響， 或通過彈道設(shè)計補償鏡像目標(biāo)帶來的制導(dǎo)誤差散布的增加， 從而在目標(biāo)飛行高度較低的條件下抑制可能出現(xiàn)的制導(dǎo)誤差波動。

為改善導(dǎo)引頭測量品質(zhì)， 可針對性地改進導(dǎo)引頭信號處理算法， 采用新型信號處理技術(shù)減小海面雜波影響， 或?qū)?dǎo)引頭進行低旁瓣改進， 進一步抑制多路徑效應(yīng)[16]。 另外還可以采取布儒斯特角彈道攻擊目標(biāo)， 盡可能減小海面的反射系數(shù)， 從而降低鏡像目標(biāo)帶來的影響[17-19]。

為了抑制制導(dǎo)誤差的波動， 可以對目標(biāo)信息進行濾波， 并在目標(biāo)角度出現(xiàn)跳變時對制導(dǎo)律算法進行針對性設(shè)計， 盡可能減小消除制導(dǎo)誤差所需的時間[19]。

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Abstract： When the active radar airtoair missile attacks on the target flying at low altitude or ultralow altitude in the sea background， the seeker is always affected by multipath interference due to the reflection of the sea surface to the radar wave. This effect will lead to decline of the missiles guidance accuracy? or even offtarget. In this paper， through the theoretical analysis of the process of multipath interference affecting the guidance accuracy of the missile， and combined with the research results in other references， the quantitative modeling and simulation of the impact on the missile attack process are carried out. Finally， based on the theoretical analysis and simulation results， the technical measures that can be used in the future active radar airtoair missile in this environment are discussed.

Key words： airtoair missile; multipath interference; target attack; active radar type