基于雷達(dá)對(duì)抗原理的攜帶載荷無人機(jī)理論計(jì)算

焦玉超

(中國(guó)人民解放軍91404部隊(duì),河北 秦皇島 066000)

近年來,隨著小型化和智能化不斷發(fā)展,小型無人機(jī)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用技術(shù)日趨成熟。在戰(zhàn)術(shù)組織運(yùn)用的形式上,網(wǎng)絡(luò)化集群作戰(zhàn)的新模式被更多地采用,由此產(chǎn)生了小型無人機(jī)集群[1]。無人機(jī)集群作戰(zhàn)的主要優(yōu)勢(shì)是數(shù)量多，成本低，可以掛載不同類型的任務(wù)載荷參與作戰(zhàn)。雖然無人機(jī)集群有很多作戰(zhàn)樣式,但是,目前主要的作戰(zhàn)方式是無人機(jī)集群平臺(tái)掛載電子干擾載荷對(duì)水面艦艇實(shí)施電子干擾,削弱破壞水面艦艇預(yù)警探測(cè)系統(tǒng),誘導(dǎo)水面艦艇使用防空武器實(shí)施攔截抗擊,消耗其防空資源[2]。要想讓無人機(jī)掛載的電子干擾載荷可以有效地發(fā)揮作用,需要規(guī)定無人機(jī)距離水面艦艇的距離和高度。因此,應(yīng)用雷達(dá)對(duì)抗原理進(jìn)行理論計(jì)算能為無人機(jī)所攜帶的電子干擾載荷發(fā)揮有效作用提供保障。

無人機(jī)集群在戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作上,有蜂擁和分散隊(duì)形,隊(duì)形的變化在水面艦艇上的顯示與水面艦艇雷達(dá)分辨范圍密切相關(guān)。因此,依據(jù)雷達(dá)對(duì)抗原理對(duì)無人機(jī)集群作戰(zhàn)重要參數(shù)的計(jì)算尤其重要。

1 理論公式

無人機(jī)集群作戰(zhàn)樣式為對(duì)水面艦艇的雷達(dá)進(jìn)行電子干擾,則無人機(jī)平臺(tái)上需掛載干擾機(jī),干擾機(jī)能夠有效地破壞敵方水面艦艇雷達(dá)對(duì)我方目標(biāo)監(jiān)測(cè)、跟蹤[3]。要想讓干擾機(jī)有效發(fā)揮干擾能力,必須對(duì)干擾機(jī)的干擾原理進(jìn)行分析。根據(jù)《雷達(dá)對(duì)抗原理》中干擾機(jī)的有效干擾空間理論,雷達(dá)天線以其主瓣指向目標(biāo),干擾發(fā)射天線以其主瓣指向雷達(dá)[4]。干擾機(jī)、目標(biāo)與雷達(dá)的相對(duì)波束張角為θ。

雷達(dá)收到的目標(biāo)回波信號(hào)功率Prs和干擾信號(hào)功率Prj分別為：

(1)

(2)

其中,Pt為雷達(dá)發(fā)射功率,Gt為雷達(dá)天線在干擾方向上的增益,σ為目標(biāo)的雷達(dá)截面積,A為雷達(dá)天線的有效面積,λ為波長(zhǎng),Rt為雷達(dá)與目標(biāo)之間的距離,PJ為干擾發(fā)射功率,GJ為干擾發(fā)射天線增益,Gt(θ)為雷達(dá)天線在干擾方向上的增益,νJ為干擾信號(hào)與雷達(dá)信號(hào)的極化失配損失系數(shù),通常干擾信號(hào)為圓極化,雷達(dá)天線為線極化,γ=0.5;RJ為雷達(dá)與干擾機(jī)之間的距離。由此得到雷達(dá)接收機(jī)輸入端的干擾和目標(biāo)回波信號(hào)功率比J/S為

(3)

要想實(shí)現(xiàn)干擾機(jī)的有效干擾，基本條件就是保證J/S≥KJ。KJ為在雷達(dá)接收機(jī)輸入端有效干擾的壓制系數(shù),簡(jiǎn)稱為壓制系數(shù)。它是與干擾信號(hào)、調(diào)制參數(shù)和雷達(dá)信號(hào)參數(shù)相關(guān)的復(fù)雜函數(shù)。將此條件代入式(3)可得

(4)

將式(4)進(jìn)行整理,可得干擾機(jī)的有效干擾空間為

(5)

不難看出,對(duì)于特定的雷達(dá)、干擾機(jī)和目標(biāo)參數(shù),式(5)的右邊是一個(gè)常數(shù),其數(shù)值越小,則有效干擾空間越大;雷達(dá)天線的旁瓣電平越低,則在旁瓣方向的有效干擾空間越小[7]。

(6)

Rt為雷達(dá)與目標(biāo)之間的距離,RJ為雷達(dá)與干擾機(jī)之間的距離,因此研究為干擾機(jī)安裝在無人機(jī)目標(biāo)上,此時(shí)Rt與RJ相等,都用R表示,則式(6)也可以改寫為對(duì)有效輻射功率的要求:

(7)

為找到無人機(jī)平臺(tái)掛載的干擾機(jī)所能產(chǎn)生干擾效果的最小功率,對(duì)式(7)作臨界處理,取等號(hào)得

(8)

對(duì)確定的水面艦艇雷達(dá)來說,Pt、Gt、γJ是確定值,將干擾機(jī)功率PJGJ視為函數(shù)因變量,其值的大小主要與無人機(jī)平臺(tái)的雷達(dá)截面積σ和水面艦艇雷達(dá)與無人機(jī)平臺(tái)的距離R有關(guān)[5]。

2 結(jié)果分析

取Pt=150 kW、Gt=104、γJ=0.5,無人機(jī)的雷達(dá)截面積σ分別取0.1 m2、0.3 m2、0.5 m2和1 m2。雷達(dá)接收機(jī)輸入端有效干擾的壓制系數(shù)KJ分別為10、50、70和100。取水面艦艇雷達(dá)與無人機(jī)平臺(tái)所掛干擾機(jī)之間的距離R在5～100 km之間,基于理論公式得到不同σ和KJ取值時(shí)干擾機(jī)最小功率與干擾距離之間的關(guān)系,如圖1所示。由此確定在不同距離R時(shí)干擾機(jī)所能產(chǎn)生干擾效果的最小功率[6]。

取水面艦艇雷達(dá)與無人機(jī)平臺(tái)所掛干擾機(jī)之間的距離R分別為10 km、20 km、30 km、40 km和50 km,根據(jù)圖1得PJGJ的精確值分別如表1、表2、表3和表4所示。

表1 當(dāng)σ=0.1時(shí)PJGJ的值

表2 當(dāng)σ=0.3時(shí)PJGJ的值

表3 當(dāng)σ=0.5時(shí)PJGJ的值

表4 當(dāng)σ=1.0時(shí)PJGJ的值

圖1 不同σ和KJ時(shí)干擾機(jī)最小功率與干擾距離的關(guān)系

根據(jù)圖表分析可知:當(dāng)無人機(jī)的雷達(dá)截面積σ和水面艦艇雷達(dá)與無人機(jī)平臺(tái)所掛干擾機(jī)之間的距離R確定時(shí),所需干擾機(jī)的最小功率PJGJ隨著雷達(dá)接收機(jī)輸入端有效干擾的壓制系數(shù)KJ的增大而增大;當(dāng)目標(biāo)的雷達(dá)截面積σ和壓制系數(shù)KJ確定時(shí),所需干擾機(jī)的最小功率PJGJ隨著雷達(dá)與目標(biāo)之間的距離R的增大而減小;當(dāng)雷達(dá)與目標(biāo)之間的距離R和壓制系數(shù)KJ確定時(shí),所需干擾機(jī)的最小功率PJGJ隨著目標(biāo)的雷達(dá)截面積σ的增大而增大。

水面艦艇雷達(dá)的分辨率受其波束寬度影響。取其方位角為1.0°、1.5°、1.7°和2°,分別得到在不同角度下雷達(dá)分辨范圍與無人機(jī)所掛干擾機(jī)距離水面艦艇雷達(dá)徑向距離的關(guān)系[8],如圖2所示。

圖2 不同角度時(shí)雷達(dá)分辨范圍與距離的關(guān)系

取水面艦艇雷達(dá)與無人機(jī)所掛干擾機(jī)之間的距離R分別為10 km、20 km、30 km、40 km和50 km,根據(jù)圖2計(jì)算得到不同角度時(shí)水面艦艇雷達(dá)分辨范圍的精確值,如表5所示。

由圖2和表5表可知:當(dāng)角度確定時(shí),雷達(dá)分辨范圍隨著干擾機(jī)距離目標(biāo)物徑向距離的增大而增大;當(dāng)干擾機(jī)距離目標(biāo)物徑向距離確定時(shí),雷達(dá)分辨范圍也隨著角度增大而增大。

表5 雷達(dá)的分辨范圍

為確定無人機(jī)的飛行高度范圍,根據(jù)干擾機(jī)的安裝角度和天線的俯仰角度范圍確定干擾機(jī)具有干擾效果時(shí)的最大高度和干擾機(jī)距離目標(biāo)物的徑向距離的函數(shù)關(guān)系式。取干擾機(jī)的安裝角度為5°,天線俯仰角度范圍為±30°,根據(jù)函數(shù)公式繪得圖3。

圖3 最大高度和距離的函數(shù)關(guān)系圖

由圖3可知,干擾機(jī)具有干擾效果時(shí)的最大高度隨著干擾機(jī)距離目標(biāo)物的徑向距離的增大而增大。取干擾機(jī)距離目標(biāo)物的徑向距離分別為10 km、20 km、30 km、40 km和50 km,得到干擾機(jī)具有干擾效果時(shí)的最大高度的精確值如表6所示。

表6 最大高度與距離的關(guān)系表

取無人機(jī)的雷達(dá)截面積σ為0.1 m2,雷達(dá)接收機(jī)輸入端有效干擾的壓制系數(shù)KJ為100,雷達(dá)與目標(biāo)之間的距離R為30 km,可得干擾機(jī)所能產(chǎn)生干擾效果的最小功率PJGJ為2.65 W。

當(dāng)干擾機(jī)距目標(biāo)物距離為30 km,雷達(dá)方向角為2°,可得雷達(dá)的分辨范圍為1.05 km。

當(dāng)干擾機(jī)距離目標(biāo)物的徑向距離分別為30 km時(shí),攜帶干擾機(jī)的無人機(jī)要想產(chǎn)生干擾效果所能飛行的最大高度為21 km。

圖1和圖2中得到不同角度和不同距離下的雷達(dá)分辨范圍，作用就是可以根據(jù)無人機(jī)集群的作戰(zhàn)方式選擇合適的無人機(jī)集群編隊(duì)方式,尤其是決定編隊(duì)內(nèi)單架無人機(jī)彼此之間的距離,以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)集群的蜂擁和分散變化,迷惑敵方水面艦艇雷達(dá)上的顯示。

3 結(jié)束語

無人機(jī)集群能夠在提高作戰(zhàn)能力的同時(shí)降低作戰(zhàn)成本,極有可能為未來裝備發(fā)展模式帶來深刻變革。無人機(jī)集群將不斷補(bǔ)充并支撐傳統(tǒng)飛機(jī)在近距離空中支援、偵察、防空、通信以及補(bǔ)給任務(wù)方面的能力。無人機(jī)集群要想發(fā)揮這些能力,必須進(jìn)行理論計(jì)算為無人機(jī)提供航路規(guī)劃的依據(jù)。通過本文的分析：明確了無人機(jī)的不同雷達(dá)截面積和不同的壓制系數(shù)對(duì)無人機(jī)攜帶電子干擾載荷對(duì)水面艦艇雷達(dá)產(chǎn)生干擾效果時(shí)距離與電子干擾載荷功率的函數(shù)關(guān)系;為無人機(jī)與水面艦艇的徑向距離和電子干擾載荷有干擾效果時(shí)的無人機(jī)飛行最大高度關(guān)系提供了理論計(jì)算方法;得出了波速寬度對(duì)雷達(dá)分辨范圍影響的趨勢(shì),為無人機(jī)編隊(duì)選擇合適的間隔距離提供支撐。