針對武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈的典型干擾場景建模方法

邵 堃，雷迎科，羅路為

（國防科技大學(xué)電子對抗學(xué)院，合肥 230037）

0 引言

武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈主要用于負(fù)責(zé)傳遞目標(biāo)信息、指控信息和環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)武器與平臺（載機(jī)、友機(jī)），武器與武器之間的連接，具有通用性好、適用性強(qiáng)、超視距傳輸以及與其他平臺信息交換的實(shí)時(shí)性等突出特點(diǎn)。自從20 世紀(jì)80 年代開始，美軍就開始研制武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈并陸續(xù)裝備相應(yīng)的武器系統(tǒng)。目前在世界各國軍隊(duì)中，美軍陸?？詹筷?duì)［1-5］已大規(guī)模、成體系裝備武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈。由于武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈具有窄波束性、突發(fā)性、定向性等特點(diǎn)，這給對抗方實(shí)施偵察和干擾提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

目前國外文獻(xiàn)少有關(guān)于武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈干擾場景的公開報(bào)道，國內(nèi)的鮑虎［6］等人考慮到海上作戰(zhàn)特點(diǎn)，以艦載電子戰(zhàn)直升機(jī)作為干擾平臺對抗搭載數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的反艦導(dǎo)彈為例，對武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈的對抗場景進(jìn)行了初步研究。金飆［4］以SLAM 空地導(dǎo)彈為例，分析了武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈在作戰(zhàn)過程中“人在回路”的實(shí)現(xiàn)模式，但其只對對抗系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)作了簡要描述，沒有結(jié)合武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈關(guān)鍵制導(dǎo)階段提出具體的干擾策略。姚玉山［7］等人對地面?zhèn)蓽y和干擾技術(shù)的有效性和可行性進(jìn)行了論證，給出了一種簡單的干擾機(jī)部署方法。呂衛(wèi)華［8］等人對武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈的抗干擾性能作了詳細(xì)的評估。龔燕［9］等人根據(jù)有效干擾時(shí)間的長短對干擾機(jī)部署位置進(jìn)行優(yōu)化，但文章中并未考慮武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈的突發(fā)性和鏈路通信時(shí)間短的突出特點(diǎn)。

現(xiàn)有研究存在的突出問題是對武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈干擾技術(shù)的應(yīng)用場景描述不全面，缺乏對武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈干擾技術(shù)的使用條件、部署方法、干擾時(shí)機(jī)及干擾策略的系統(tǒng)分析，本文針對上述問題，提出了武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈的典型干擾場景建模方法。

1 目標(biāo)分析

1.1 武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用場景

目前美軍已廣泛投入使用的武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈［4］有AN/AWW-13 和AN/AXQ-14。應(yīng)用在空地導(dǎo)彈上武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈主要包括彈載數(shù)據(jù)鏈終端、機(jī)載數(shù)據(jù)鏈吊艙和飛機(jī)數(shù)據(jù)鏈控制面板3 個(gè)部分。

搭載武器數(shù)據(jù)鏈的導(dǎo)彈打擊的目標(biāo)為已知位置的定目標(biāo)，在任務(wù)開始之前敵方飛行員的準(zhǔn)備工作就是在飛機(jī)駕駛艙熟悉目標(biāo)附近的地貌標(biāo)志性建筑。然后提前在地圖上設(shè)定一個(gè)防空武器的威脅范圍。搭載武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈的飛機(jī)具有自動駕駛功能，駕駛員會設(shè)置一條與進(jìn)攻航向垂直的航線用作參考。

完成準(zhǔn)備工作之后，一架裝備武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈的飛機(jī)從敵方航母起飛，操控人員設(shè)置好數(shù)據(jù)鏈吊艙接收范圍并打開自動制導(dǎo)模式，使導(dǎo)彈可以自動飛向目標(biāo)，然后激活引信。當(dāng)敵方裝備武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈的戰(zhàn)機(jī)距目標(biāo)d 的時(shí)候，飛機(jī)提醒系統(tǒng)操控人員已到達(dá)導(dǎo)彈的最大射程位置。戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)射一枚空地導(dǎo)彈，此時(shí)操控人員打開自動駕駛，飛機(jī)轉(zhuǎn)向之前設(shè)計(jì)好的航線。已知搭載武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈的導(dǎo)彈制導(dǎo)過程分為3 個(gè)階段：彈道拋離階段、巡航階段和末制導(dǎo)階段。

導(dǎo)彈發(fā)射后，飛機(jī)繼續(xù)穩(wěn)定飛行到達(dá)預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)鏈吊艙接收信號區(qū)域，并在此范圍內(nèi)盤旋。當(dāng)導(dǎo)彈距離目標(biāo)還有t0的時(shí)候，導(dǎo)彈通過反向數(shù)據(jù)鏈信號傳回地形、目標(biāo)、方位等視頻圖像信息供操作員識別目標(biāo)。當(dāng)操控人員找到目標(biāo)后，關(guān)閉導(dǎo)彈的自動制導(dǎo)功能，通過前向鏈路發(fā)送指令，開始人工修正導(dǎo)彈軌跡，在導(dǎo)彈攻擊前t2進(jìn)行最后鎖定，進(jìn)入最后的慣性制導(dǎo)。導(dǎo)彈擊中目標(biāo)之后，飛機(jī)向后方轉(zhuǎn)彎并飛離作戰(zhàn)區(qū)域，其中武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈末制導(dǎo)過程如圖1 所示。

圖1 末制導(dǎo)過程

1.2 載機(jī)軌跡建模

對搭載武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈的載機(jī)和導(dǎo)彈建模的主要目的是為了反映因載機(jī)和導(dǎo)彈高速機(jī)動造成通信環(huán)境的變化。因此，對搭載武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈載機(jī)與導(dǎo)彈軌跡分析多采取簡化建模［9-12］方法。載機(jī)模型參數(shù)見表1 和表2 所示。

表1 載機(jī)機(jī)動階段

表2 載機(jī)性能參數(shù)

其中，最大過載左轉(zhuǎn)和最大過載右轉(zhuǎn)的軌跡方程組為：

最大過載爬升和最大過載俯沖分為改變速度傾角的過程、定傾角的爬升或俯沖過程和恢復(fù)平飛過程，其軌跡方程組為：

載機(jī)的最大加速平飛、最大減速平飛和穩(wěn)定飛行的軌跡如式（16）和式（17）所示：

式中，S 為載機(jī)的瞬時(shí)位置，v 表示載機(jī)速度矢量，θ表示瞬時(shí)水平方向角，φ 表示瞬時(shí)俯仰角，a 表示各階段的加速度，Δt 表示時(shí)間間隔。

1.3 導(dǎo)彈軌跡建模

導(dǎo)彈模型參數(shù)如表3 所示。

其中，拋撒段導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)未工作，導(dǎo)彈運(yùn)動軌跡如式（18）和式（19）所示：

下滑段和俯沖段與載機(jī)俯沖/爬升段運(yùn)動過程類似，其軌跡可由式（8）～式（17）表示。平飛段可分為平飛轉(zhuǎn)向、勻加速直線運(yùn)動和勻速直線運(yùn)動3 個(gè)階段，其中平飛轉(zhuǎn)向階段可由式（1）～式（7）表示。

表3 導(dǎo)彈模型參數(shù)

2 干擾場景

2.1 干擾策略分析

根據(jù)情報(bào)支撐分為兩種干擾策略：一是有雷達(dá)情報(bào)提供數(shù)據(jù)鏈載機(jī)方位的情況；二是沒有載機(jī)方位的情況。兩種干擾策略示意圖如圖2 所示。

圖2 干擾策略流程圖

2.1.1 有雷達(dá)情報(bào)提供數(shù)據(jù)鏈載機(jī)方位的情況

在前期有雷達(dá)情報(bào)提供數(shù)據(jù)鏈載機(jī)方位的情況下，干擾思路為：“偵收反向鏈路-干擾反向鏈路（載機(jī)接收）-偵收前向鏈路-干擾前向鏈路（導(dǎo)彈接收）”，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)崿F(xiàn)對前向鏈路和反向鏈路的封鎖；不足之處在于需要提供數(shù)據(jù)鏈載機(jī)方位的先驗(yàn)信息，而且需要偵察設(shè)備能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)前/反向鏈路信號。

下面針對上述干擾流程進(jìn)行詳細(xì)描述。當(dāng)搭載武器數(shù)據(jù)鏈的導(dǎo)彈距離目標(biāo)還剩t0時(shí)間，反向鏈路開啟，此時(shí)我方偵察設(shè)備偵察其反向鏈路，經(jīng)過數(shù)據(jù)的處理之后，迅速開啟干擾裝置對機(jī)載數(shù)據(jù)鏈吊艙實(shí)施干擾。

圖3 對反向鏈路干擾示意圖

敵方飛機(jī)因受到我方干擾機(jī)的干擾，導(dǎo)致其數(shù)據(jù)鏈的信號丟失，此時(shí)飛機(jī)因?yàn)榻邮詹坏綄?dǎo)彈通過反向鏈路傳回的信號，敵方載機(jī)將通過前向鏈路發(fā)射一個(gè)改變反向鏈路信號接收區(qū)域的信息，因?yàn)槲曳降膫墒諑挿秶赏瑫r(shí)覆蓋其前向和反向鏈路，當(dāng)我方偵收到敵方的前向鏈路的時(shí)候，迅速切換干擾天線、干擾樣式和干擾頻點(diǎn)對準(zhǔn)導(dǎo)彈方向?qū)嵤└蓴_。

圖4 對前向鏈路干擾示意圖

圖5 對最終軌跡修正信號干擾示意圖

當(dāng)導(dǎo)彈距離目標(biāo)還有t1時(shí)間，此時(shí)載機(jī)開啟數(shù)據(jù)鏈前向鏈路，發(fā)送指令修正導(dǎo)彈軌跡，此時(shí)我方偵察設(shè)備偵收到其前向鏈路信號，迅速對準(zhǔn)導(dǎo)彈空域，實(shí)施干擾，達(dá)到壓制其前向鏈路通信，使導(dǎo)彈接收不到載機(jī)發(fā)來的修正指令信息，致使導(dǎo)彈偏離目標(biāo)。

2.1.2 沒有載機(jī)方位的情況

在沒有載機(jī)方位的情況下，干擾整體思路為“偵收反向鏈路-干擾前向鏈路”，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)崿F(xiàn)對前向鏈路全程封鎖干擾；不足之處在于無法對其返向鏈路實(shí)施干擾。其基本的干擾流程如下：

1）偵察設(shè)備偵收武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈反向鏈路信號。

2）根據(jù)測得的方位信息，在偵察設(shè)備引導(dǎo)下啟動干擾機(jī)干擾前向鏈路。

2.2 干擾時(shí)間分析

干擾信號到達(dá)通信端機(jī)所需的總時(shí)間由下式給出：

我方需要在導(dǎo)彈進(jìn)入慣導(dǎo)階段前完成信號偵收截獲、分析識別、干擾引導(dǎo)和信號傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)。

圖6 對武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈干擾示意圖

在實(shí)際的偵察干擾中，相比于t傳輸和t干擾引導(dǎo)，對武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈分析時(shí)間占據(jù)主要的時(shí)間開銷。因此，從干擾時(shí)間的角度看，在高效的分析識別處理的基礎(chǔ)上，完全可實(shí)現(xiàn)對武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈的干擾。

2.3 干擾波束范圍分析

武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈廣泛采用定向窄波束天線［13］，它能夠?qū)⑻炀€波束匯聚成很窄的針狀，并根據(jù)戰(zhàn)斗機(jī)或?qū)椀娘w行狀態(tài)，實(shí)時(shí)將波束對準(zhǔn)通信目標(biāo)。其中機(jī)載天線多采用全向天線，彈載天線多采用定向天線。對于定向天線，其天線增益簡化模型為：

若我方干擾信號能進(jìn)入武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈天線主瓣，將極大地提高干擾效率。干擾機(jī)與彈載數(shù)據(jù)鏈天線主瓣方向夾角可由式（22）計(jì)算。

考慮到最差的情況，若我方干擾信號不能進(jìn)入武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈天線主瓣，提出旁瓣注入概念，由于導(dǎo)彈在不斷朝目標(biāo)運(yùn)動，導(dǎo)致dTR和dRJ不斷變化，經(jīng)計(jì)算可以得到我方干擾天線的參數(shù)，同時(shí)對我方干擾波形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步對旁瓣注入策略進(jìn)行引導(dǎo)，由于對前向鏈路進(jìn)行干擾我方設(shè)備具有距離優(yōu)勢，距離優(yōu)勢可由式（23）計(jì)算，從而給旁瓣注入方案帶來了可行性。

2.4 干擾發(fā)射功率估算

要想成功實(shí)施干擾，需要滿足干擾設(shè)備發(fā)射功率到達(dá)接收端機(jī)的功率應(yīng)大于目標(biāo)發(fā)射設(shè)備發(fā)射功率到達(dá)接收端機(jī)時(shí)的功率。

其中，P1為目標(biāo)發(fā)射端機(jī)發(fā)射功率，P2為干擾機(jī)發(fā)射功率，G1為目標(biāo)發(fā)射端機(jī)發(fā)射天線增益，G2為干擾機(jī)干擾天線增益，d1為目標(biāo)發(fā)射端機(jī)到接收端機(jī)的通信距離，d2為干擾機(jī)到接收端機(jī)間的通信距離。

3 實(shí)驗(yàn)仿真

武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈干擾技術(shù)應(yīng)用場景的仿真主要包括載機(jī)與導(dǎo)彈運(yùn)動軌跡仿真、我方防空武器的威脅區(qū)域仿真、不同戰(zhàn)術(shù)條件下干擾機(jī)部署仿真、干擾機(jī)部署在不同位置的干擾效果仿真。

3.1 載機(jī)與導(dǎo)彈典型軌跡仿真

搭載武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈的載機(jī)初始位置為（0，0，10 000 m），載機(jī)先平飛60 s；然后進(jìn)入最大過載轉(zhuǎn)彎階段；再向目標(biāo)方向穩(wěn)定平飛28 s；接著俯沖下降到8 700 m 高度；再平飛至預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)鏈吊艙接收信號區(qū)域；當(dāng)導(dǎo)彈擊中目標(biāo)之后，飛機(jī)向后方轉(zhuǎn)彎到與初速相反的方向即-180°，飛離作戰(zhàn)區(qū)域。我方防空武器的威脅半徑為40 km。載機(jī)的典型速度值為265.2 m/s，水平轉(zhuǎn)彎加速度為10 m/s2，俯沖轉(zhuǎn)向加速度為12 m/s2，爬升轉(zhuǎn)向加速度為5 m/s2。

導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)刻為0 s，導(dǎo)彈的典型速度值為298.35 m/s，拋撒段持續(xù)10 s；俯沖傾角為-30°，俯沖結(jié)束高度為800 m，俯沖轉(zhuǎn)向加速度為38 m/s2，爬升轉(zhuǎn)向加速度為53 m/s2，水平轉(zhuǎn)彎加速度為2 m/s2，導(dǎo)彈在距目標(biāo)1 min 時(shí)開啟反向數(shù)據(jù)鏈路，導(dǎo)彈在距目標(biāo)25 s 時(shí)開啟前向數(shù)據(jù)鏈路，慣性制導(dǎo)階段持續(xù)時(shí)間為6 s。

圖7 載機(jī)與導(dǎo)彈典型軌跡

3.2 不同戰(zhàn)術(shù)條件下干擾機(jī)部署

3.2.1 可以獲得導(dǎo)彈攻擊方向的情況

由于機(jī)載數(shù)據(jù)鏈天線多采用全向天線，彈載數(shù)據(jù)鏈天線多采用定向天線，因此，干擾機(jī)的部署位置直接決定著干擾信號能否進(jìn)入彈載數(shù)據(jù)鏈天線主瓣范圍內(nèi)。以前向數(shù)據(jù)鏈路開啟時(shí)刻為典型時(shí)刻，此時(shí)導(dǎo)彈距離目標(biāo)還剩25 s。以5 km 為步長對保衛(wèi)目標(biāo)周圍50 km×50 km 的區(qū)域做干擾機(jī)部署仿真。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)：彈載數(shù)據(jù)鏈天線主瓣增益為13 dBi；旁瓣增益為-3 dBi；天線半波束寬度為20°。

下頁圖8 中顏色欄表示干擾機(jī)與彈載數(shù)據(jù)鏈天線主瓣方向夾角，單位角度。如仿真結(jié)果所示，以保衛(wèi)目標(biāo)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以導(dǎo)彈入射方向?yàn)閥 軸正半軸方向，干擾機(jī)布置在x 坐標(biāo)-5 km～0 km，y 坐標(biāo)10 km～25 km 之間的范圍和x 坐標(biāo)-10 km～-5 km；y坐標(biāo)20 km～25 km 之間的范圍，干擾信號可以進(jìn)入彈載數(shù)據(jù)鏈天線主波束范圍。

圖8 可以獲得導(dǎo)彈攻擊方向時(shí)的干擾機(jī)部署方法

3.2.1 無法獲得導(dǎo)彈攻擊方向的情況

由于戰(zhàn)場環(huán)境的復(fù)雜性，在我方不能及時(shí)獲得敵方導(dǎo)彈攻擊方向時(shí)，增加了從干擾波束角度部署干擾機(jī)的難度。因此，根據(jù)本文提出的旁瓣注入方案，結(jié)合2.4 節(jié)的干擾發(fā)射功率估算方法，從干擾發(fā)射功率角度對干擾機(jī)部署進(jìn)行優(yōu)化。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)：機(jī)載數(shù)據(jù)鏈吊艙發(fā)射功率為50 W，機(jī)載數(shù)據(jù)鏈天線增益為8 dBi，彈載數(shù)據(jù)鏈天線主瓣增益為13 dBi，旁瓣增益為-3 dBi，天線半波束寬度為20°，導(dǎo)彈干擾機(jī)發(fā)射天線主瓣增為13 dBi，成功干擾的干信比要求為3 dB。

圖9 中顏色欄表示成功干擾時(shí)所需最小的干擾發(fā)射功率，以dB 表示?？紤]到路基干擾機(jī)的機(jī)動性較差，為及時(shí)應(yīng)對不同攻擊方向的數(shù)據(jù)鏈制導(dǎo)武器，如仿真結(jié)果所示，干擾機(jī)應(yīng)布置在目標(biāo)周圍5 km 范圍內(nèi)。

圖9 無法獲得導(dǎo)彈攻擊方向時(shí)的干擾機(jī)部署方法

4 結(jié)論

本文提出針對武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈的典型干擾場景建模方法，首先介紹了武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈在作戰(zhàn)過程中的應(yīng)用，在典型作戰(zhàn)場景中對搭載武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈的載機(jī)導(dǎo)彈的運(yùn)動軌跡進(jìn)行了分析與建模。然后在結(jié)合武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈各通信階段特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際作戰(zhàn)中情報(bào)支撐提出了兩種干擾策略。針對武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈通信開啟時(shí)間短的特點(diǎn)，開展了干擾時(shí)間的分析；針對武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈窄波束性和定向性的特點(diǎn)，開展了干擾波束范圍的分析，提出旁瓣注入的概念；根據(jù)武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈和干擾機(jī)的技術(shù)指標(biāo)估算了干擾功率。最后通過仿真實(shí)驗(yàn)給出了不同戰(zhàn)術(shù)條件下干擾機(jī)的部署方法。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該方法能較全面地描述武器制導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈典型干擾場景。