靶彈突防有源干擾機應(yīng)用及其STK仿真研究

張偉軍,洪 闖,關(guān)寶財,劉海斌,陳永濤,顧 飛

(1.中國人民解放軍 95821部隊，甘肅 酒泉 732750;

2.中國人民解放軍 93145部隊，廣東 深圳 518000)

0 引言

在靶場進行反導(dǎo)武器系統(tǒng)試驗時，需要基于靶彈平臺的突防系統(tǒng)來模擬構(gòu)建彈道導(dǎo)彈突防場景，以考核和評估反導(dǎo)武器系統(tǒng)在干擾條件下的反導(dǎo)性能。有源干擾機是靶彈突防系統(tǒng)中的重要組成部分，它能通過干擾反導(dǎo)武器系統(tǒng)中的雷達，縮短其發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈的距離或者破壞其識別系統(tǒng)，使反導(dǎo)武器系統(tǒng)來不及反應(yīng)，從而使攻擊彈頭順利突防而攻擊預(yù)定的目標(biāo)。目前靶場對有源干擾機的應(yīng)用還缺乏深入研究，主要是因為存在以下問題：1)反導(dǎo)試驗中靶彈的射程遠，地域跨度大，需要對伴隨式干擾機干擾效果分析的區(qū)域大；2)反導(dǎo)試驗中靶彈飛行諸元，如干擾機釋放時刻、釋放角度和釋放速度等因素，對干擾效果影響較大，需要分析的因素多，且直觀顯示干擾效果較難；3)反導(dǎo)試驗中干擾機的參數(shù)，如開機時間、干擾功率等參數(shù)設(shè)置，對干擾效果影響較大，需要分析的參數(shù)多，計算量大；4)電磁態(tài)勢可視化難度大，如雷達威力范圍、干擾機干擾波束、雷達與干擾機相互作用等動態(tài)變化的電磁態(tài)勢展示難。

為解決以上問題，有必要開展針對性理論研究，并采用行之有效的可視化仿真手段，從而為干擾機的應(yīng)用提供支持。經(jīng)過比較分析，由美國Analytical Graphics公司(AGI)開發(fā)的衛(wèi)星工具包STK成為仿真手段的首選，原因是：STK能方便添加雷達、導(dǎo)彈等對象，并能進行相應(yīng)的軌跡與姿態(tài)等參數(shù)設(shè)置，能快速建立相應(yīng)的試驗場景，可提供可視化的二維和三維仿真態(tài)勢，并給出精確的分析結(jié)果，能適用于反導(dǎo)武器系統(tǒng)試驗任務(wù)仿真推演的需要。

本文從有源干擾機結(jié)構(gòu)和工作機理研究與分析入手，重點從干擾機釋放時刻、釋放角度和釋放速度等靶彈飛行諸元方面進行分析，并將STK用于反導(dǎo)試驗突防場景的干擾機應(yīng)用仿真之中，用于驗證分析靶彈飛行諸元與干擾機參數(shù)調(diào)整情況，從而為反導(dǎo)試驗任務(wù)中突防場景模擬構(gòu)建提供技術(shù)支撐。

1 突防有源干擾機結(jié)構(gòu)及工作機理

1.1 突防有源干擾機結(jié)構(gòu)

突防有源干擾機主要由接收天線、微波組件、變頻組件、數(shù)字組件、放大器、發(fā)射天線、電池和二次電源組件等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，除此之外，還包括天線罩、殼體、后端蓋、穩(wěn)定裙、防隔熱層等結(jié)構(gòu)件。

圖1 干擾機結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作過程與原理

突防有源干擾機的工作過程與一般的干擾機不同，但其工作原理基本相同，具體為：在靶彈初始飛行過程中，有源干擾機通過拔銷器銷軸與釋放機構(gòu)鎖緊；在釋放前，彈上控制系統(tǒng)激活干擾裝置熱電池，并通過修正艙氣瓶對干擾機組合件貯氣箱充氣；釋放指令發(fā)出后，拔銷器拔起，有源干擾機在貯氣箱高壓氣體作用下以一定的軸向速度和旋轉(zhuǎn)速度釋放出筒。釋放后，行程開關(guān)由壓緊狀態(tài)變?yōu)獒尫艩顟B(tài)，有源干擾機由此獲得零時啟動信號，有源干擾機開始計時，同時干擾機自毀解保。到達裝訂的開機時刻后有源干擾機開機工作，接收天線接收到雷達輻射信號后，經(jīng)微波組件限幅度、放大、濾波后，送至變頻組件進行下變頻，經(jīng)下變頻的信號經(jīng)數(shù)字組件進行AD采樣，經(jīng)數(shù)字信道化接收機完成高精度測頻及參數(shù)測量，經(jīng)數(shù)字射頻存儲DRFM單元生成壓制、欺騙干擾信號，經(jīng)過變頻組件上變頻和放大器放大后，由發(fā)射天線輻射，對被干擾雷達實施干擾；到達裝訂的自毀時刻，根據(jù)裝訂時序干擾機完成電自毀。

1.3 主要工作特點

突防有源干擾機主要在靶彈彈道中段使用，其主要特點是：1)通過伴飛方式實施主瓣干擾。通過釋放機構(gòu)釋放后，能以一定分離速度和一定的姿態(tài)角與頭艙組合體分離，被釋放的干擾機依靠慣性與彈頭一同在空間伴飛，能夠?qū)走_實施主瓣干擾，在要求功率較小的情況下，能起到良好的干擾效果；2)使用方式靈活。一枚彈道靶彈可攜帶多個不同工作頻段的有源干擾機；干擾機釋放時刻靈活，可在過彈道最高點后釋放，也可在升弧段釋放；單個干擾機在不同彈道飛行段可施放不同樣式、不同強度的干擾；多個干擾機之間可具備協(xié)同偵察、協(xié)同干擾的功能；3)有效輻射功率ERP有限，信號持續(xù)時間短。由于彈上干擾機的體積和重量受限，電池容量也有限，ERP一般不超過百瓦量級，干擾持續(xù)時間為幾百秒量級。為達到較好的干擾效果，有源干擾機的釋放時間和干擾時間能事先裝訂；4)干擾波束覆蓋區(qū)域大。為了使干擾機動態(tài)飛行過程中，方便形成對雷達的干擾，干擾機天線波束很寬，一般可達120°×120°，干擾波束覆蓋區(qū)域很大，能對處于干擾頻段范圍的一個或多個雷達進行干擾；5)干擾樣式多。干擾樣式包括寬帶阻塞噪聲干擾、窄帶瞄準(zhǔn)噪聲干擾、轉(zhuǎn)發(fā)干擾、多假目標(biāo)干擾、間斷干擾和組合干擾等。

1.4 主要工作諸元與參數(shù)

突防有源干擾機在應(yīng)用時，在考慮以上主要特點的基礎(chǔ)上，可根據(jù)試驗方案對干擾機的參數(shù)進行針對性設(shè)置，干擾參數(shù)包括干擾中心頻率、干擾帶寬、干擾樣式、有效輻射功率、干擾啟動時間等，這些參數(shù)影響對制導(dǎo)雷達的干擾效果。此外，需要重點關(guān)注干擾機釋放時刻、釋放角度和釋放速度等靶彈發(fā)射諸元，這些發(fā)射諸元決定了靶彈與干擾機兩者在空間飛行時的相對位置關(guān)系，影響干擾機對彈頭的掩護效果。下面主要對上述靶彈發(fā)射諸元進行分析。

1.4.1 釋放時刻

突防有源干擾機的釋放時刻選擇在靶彈進入彈道中段后，盡可能提前釋放，主要考慮是：1)靶彈頭部由于采用隱身措施RCS較小，在雷達波束向靶彈頭照射時，不容易被雷達截獲，而釋放干擾機時靶彈需要轉(zhuǎn)動調(diào)姿，而調(diào)姿后靶彈側(cè)向和尾部RCS一般較大，容易被雷達截獲與跟蹤。因此盡早釋放干擾機，能減小靶彈被雷達截獲的概率；2)突防有源干擾機以金屬結(jié)構(gòu)件為主體，對雷達入射波具有較強的散射作用，其RCS一般大于彈頭RCS,盡早釋放，能發(fā)揮干擾機的誘餌作用。

1.4.2 釋放角度和釋放速度

當(dāng)突防有源干擾機釋放時刻確定后，需要根據(jù)靶彈的仿真彈道數(shù)據(jù)，以及干擾機投放角度、分離速度進行計算與分析，以達成以下目的：1)使干擾機與彈頭的位置保持在合理的區(qū)間內(nèi)，處于制導(dǎo)雷達同一跟蹤波束內(nèi)；2)使干擾機位于彈頭的前方，確保干擾機能對雷達實施有效干擾。在使用1枚靶彈、1個伴隨式有源干擾機突防包含單部制導(dǎo)雷達的1個防空反導(dǎo)火力單元時，典型的攻防武器位置幾何關(guān)系如圖2所示。

圖2 典型的攻防武器位置幾何關(guān)系

在制導(dǎo)雷達對彈頭進行跟蹤時，一方面干擾機與彈頭應(yīng)同處于一個雷達波束內(nèi)，使得制導(dǎo)雷達觀測彈頭時，干擾機能夠從制導(dǎo)雷達主瓣方向進行干擾，否則，干擾機只能從制導(dǎo)雷達旁瓣方向?qū)嵤└蓴_，干擾功率會損失一個雷達天線主瓣增益與旁瓣增益的差值，導(dǎo)致干擾效果變差。另一方面，干擾機天線主波束寬度β應(yīng)當(dāng)能夠覆蓋地面制導(dǎo)雷達分布區(qū)域(DF段)，否則，從干擾機旁瓣到達制導(dǎo)雷達的干擾功率將有較大損失，為干擾機天線主瓣增益與旁瓣增益的差值。

由于現(xiàn)代干擾機一般采用數(shù)字射頻存儲技術(shù)，在對雷達信號變頻、采樣、存儲、調(diào)制與轉(zhuǎn)發(fā)過程存在一定延時，因此為對制導(dǎo)雷達進行有效干擾，需要通過空間來換取時間的方式，干擾機要位于彈頭前方，其目的是使彈頭的回波信號處于干擾信號中，即兩者距離應(yīng)當(dāng)處于干擾機的掩護距離范圍之內(nèi)。在干擾機采用窄帶瞄頻噪聲、多假目標(biāo)等干擾時，這一要求十分有必要，能使干擾信號在時域上覆蓋彈頭回波信號所在區(qū)域，以達到良好的干擾效果。

1.5 干擾效果評估指標(biāo)

突防有源干擾機對雷達產(chǎn)生的干擾主要分為欺騙干擾和壓制干擾。對于欺騙干擾的干擾效果評估，一般利用概率論方法和模糊綜合評估方法來評估；對于壓制干擾，一般采用功率準(zhǔn)則進行壓制干擾效果評估，可采用壓制系數(shù)、干信比等指標(biāo)來評估。本文主要采用干信比指標(biāo)來評估突防干擾機對雷達的干擾效果。

根據(jù)制導(dǎo)雷達和干擾機的主要工作參數(shù)，以及干擾機運動軌跡數(shù)據(jù)、雷達所在的大地坐標(biāo)，可獲得制導(dǎo)干信比隨時間的變化規(guī)律。

根據(jù)雷達方程可知，制導(dǎo)雷達接收到的彈頭回波信號為：

(1)

式中，R為雷達與彈頭之間的距離；Pt為發(fā)射脈沖峰值功率；Gt為發(fā)射天線增益；Gr為接收天線增益；λ為雷達工作波長；σ為彈頭雷達散射截面積。

此處公式忽略了雷達饋線損耗、大氣對雷達信號的衰減。

通過對公式(1)進行分析，可知制導(dǎo)雷達接收到的彈頭回波信號與雷達的有效輻射功率ERP,接收天線的增益，彈頭RCS，雷達與彈頭之間的距離等因素有關(guān)。

根據(jù)干擾方程可知，制導(dǎo)雷達接收到的干擾信號為：

(2)

式中，Rj為干擾裝置與雷達之間的距離；Ptj為干擾裝置發(fā)射脈沖峰值功率；Gtj為干擾裝置發(fā)射天線增益；Gr為雷達接收天線增益；λ為雷達工作波長；Lp為極化損耗，干擾裝置天線的極化形式為圓極化，雷達天線極化形式為垂直極化，極化損耗為3 dB。

此處公式忽略了干擾裝置饋線損耗、大氣對干擾信號的衰減。

通過對公式(2)進行分析，可知制導(dǎo)雷達接收到的干擾信號與干擾裝置的ERP,雷達接收天線增益,干擾裝置與雷達之間的距離，雷達工作頻率等因素有關(guān)。

考慮到干擾機的干擾帶寬BJ與雷達接收機帶寬Br，可得到制導(dǎo)雷達干信比為：

(3)

通過對公式(3)進行分析，可知干信比與雷達的有效輻射功率ERP、接收機帶寬，干擾機的ERP、干擾帶寬，靶彈的雷達散射截面積，雷達與靶彈之間的距離等因素有關(guān)。

2 仿真分析

為了對有源干擾機釋放時刻、釋放角度、釋放速度等靶彈發(fā)射諸元以及干擾機相關(guān)參數(shù)的合理性進行驗證，我們采用STK來進行仿真分析。

2.1 場景構(gòu)建

以典型的反導(dǎo)試驗場景為例：試驗中利用反導(dǎo)武器系統(tǒng)發(fā)射1枚導(dǎo)彈來攔截1枚靶彈，與靶彈伴飛的有源干擾機為2個，在利用STK構(gòu)建相應(yīng)的場景時，需要確定靶彈彈道和干擾機飛行軌跡和姿態(tài)。

2.1.1 靶彈彈道和干擾機飛行軌跡的確定

靶彈彈道和干擾機飛行軌跡的確定，可在對象屬性的Route中導(dǎo)入外部星歷數(shù)據(jù).e文件，此時Propagator選擇stkExternal模式。本文采用EphemerisLLATimePos生成軌跡文件，其數(shù)據(jù)格式依次為：相對于場景歷元起始時刻的時間增量、大地緯度、經(jīng)度和目標(biāo)海拔高度。具體的軌跡文件格式如圖3所示。

圖3 利用位置數(shù)據(jù)建立的軌跡文件

2.1.2 靶彈彈道和干擾機飛行姿態(tài)的確定

靶彈彈道和干擾機飛行姿態(tài)的確定，可在對象屬性的Attitude中導(dǎo)入外部姿態(tài)數(shù)據(jù).a文件。本文采用AttitudeTimeYPRAngles生成姿態(tài)文件，其數(shù)據(jù)格式依次為：相對于場景歷元起始時刻的時間增量、偏航角、俯仰角、滾動角。具體的姿態(tài)文件格式如圖4所示。

圖4 利用 YPR 建立的姿態(tài)文件

利用靶彈彈道仿真數(shù)據(jù)，并根據(jù)2個干擾機在某一釋放時刻、釋放角度和釋放速度等靶彈發(fā)射諸元計算相應(yīng)干擾機位置的數(shù)據(jù)，結(jié)合制導(dǎo)雷達陣地、靶彈發(fā)射陣地、靶彈彈道、干擾機飛行軌跡、制導(dǎo)雷達波束掃描方式和波束寬度等信息，建立的反導(dǎo)試驗場景，如圖5所示。

圖5 反導(dǎo)試驗場景構(gòu)建(3D、2D)

2.2 仿真流程

仿真的具體流程為：1)依據(jù)反導(dǎo)試驗大綱，編輯與設(shè)置反導(dǎo)區(qū)域場景，并對參與試驗的制導(dǎo)雷達部署位置、雷達波束形狀、波束寬度、掃描方式等參數(shù)進行設(shè)置，導(dǎo)入靶彈彈道數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)；2)設(shè)置干擾機的波束形狀、波束寬度、延時開機時間等參數(shù)，根據(jù)釋放時刻、釋放角度、釋放速度等靶彈發(fā)射諸元，計算干擾機飛行軌跡數(shù)據(jù)以及姿態(tài)數(shù)據(jù)并導(dǎo)入；3)啟動場景仿真，執(zhí)行推演干擾機突防過程，分析干擾效果，判斷與干擾機應(yīng)用相關(guān)的發(fā)射諸元與參數(shù)是否滿足要求，是則結(jié)束，否則重新修訂步驟2)中的發(fā)射諸元和參數(shù)，重新進行仿真推演，直至結(jié)果滿足試驗要求。仿真流程如圖6所示。

圖6 仿真流程

2.3 仿真結(jié)果

2.3.1 干擾機與靶彈動態(tài)分離

通過賦予不同時刻靶彈與干擾機的飛行軌跡與飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)，隨著STK仿真時間的推進，能方便觀察干擾機與靶彈動態(tài)分離的情況。

2.3.2 干擾機的波束覆蓋范圍

通過賦予干擾機一定的波束寬度，當(dāng)干擾機與靶彈分離后，隨著STK仿真時間的推進，能方便觀察2個干擾機波束覆蓋區(qū)域，以及相對于制導(dǎo)雷達的位置關(guān)系，如圖7所示。圖7上顯示的是某一時刻2個干擾機在空間某一位置的立體輻射波束，圖7下顯示的是2個干擾機波束與地面相交部分的投影，可觀察到2個干擾機波束共同覆蓋區(qū)域較大。根據(jù)圖7可從三維與二維角度方便觀察干擾機的波束覆蓋范圍情況，以及是否覆蓋制導(dǎo)雷達所在位置。

圖7 2個干擾機的波束覆蓋范圍

2.3.3 雷達受干擾時間及干擾機對應(yīng)位置

通過使用STK的Access工具，能方便分析干擾機對雷達的干擾時間，以及干擾機對應(yīng)的方位、俯仰和斜距等信息，信息能以圖形或報表兩種形式呈現(xiàn)。以1個干擾機為例，干擾機對制導(dǎo)雷達的干擾時間如圖8所示，從圖中可見干擾機對雷達的干擾時間約4 min，該干擾時間滿足試驗方案要求。制導(dǎo)雷達受到干擾時，不同時刻干擾機所在的方位角、俯仰角和斜距如圖9所示。由于制導(dǎo)雷達與干擾機飛行軌跡不在同一方位，因此當(dāng)干擾機距離雷達越來越近，兩者方位角越來越大， 在考慮干擾機姿態(tài)有變化的情況下，俯仰角也呈越來越小的趨勢，這與試驗場景部署情況相符。

圖8 干擾機對制導(dǎo)雷達的干擾時間

圖9 制導(dǎo)雷達受到干擾時干擾機所在的方位、俯仰和斜距

2.3.4 制導(dǎo)雷達干信比隨時間的變化規(guī)律

根據(jù)彈頭的位置仿真數(shù)據(jù)，可得到不同時刻彈頭與制導(dǎo)雷達的斜距R，通過公式(3)進行計算，可得到制導(dǎo)雷達干信比隨相對T0時間的變化，如圖10所示。從圖中可觀察到：隨著目標(biāo)、干擾機與制導(dǎo)雷達的距離越來越近，即相對T0時間的越來越長，雷達接收到的目標(biāo)回波信號的增長速度比雷達接收到的干擾信號的增長速度要快，因此其干信比越來越小。在T0+210.207 s，干信比為31.24 dB；在T0+419.477 s，干信比為22.22 dB。

圖10 制導(dǎo)雷達干信比隨相對T0時間的變化

仿真結(jié)果表明：1)此次干擾機釋放時刻、釋放角度和釋放速度等靶彈發(fā)射諸元，以及波束寬度、干擾持續(xù)時間等干擾機參數(shù)，設(shè)置合理，能滿足對制導(dǎo)雷達的時間、空間覆蓋要求；2)干擾機的有效輻射功率、干擾帶寬等參數(shù)，設(shè)置合理，能滿足對制導(dǎo)雷達有效壓制的干信比要求。

通過仿真，重點解決了以下問題：1)直觀獲得了在靶彈不同發(fā)射諸元和干擾機不同參數(shù)情況下，干擾機不同時刻的干擾波束覆蓋區(qū)域、覆蓋制導(dǎo)雷達等情況；2)方便獲得干擾機在大區(qū)域突防過程中，對制導(dǎo)雷達形成干擾時干擾機的空間位置信息、對制導(dǎo)雷達的干擾時間段、干信比變化情況等信息；3)獲得了干擾機突防條件下反導(dǎo)試驗的可視化場景與電磁態(tài)勢，如靶彈飛行場景、干擾機干擾釋放場景、靶彈與干擾機在空間相對運動場景、干擾機干擾波束變化場景、干擾機對制導(dǎo)雷達干擾場景等，以上問題的解決為反導(dǎo)試驗順利進行奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語

有源干擾機在彈道靶彈突防場景的構(gòu)建中具有十分重要的作用與地位，需要較為全面的研究靶彈發(fā)射諸元和干擾機參數(shù)設(shè)置等方面的合理性，使用STK為相關(guān)研究提供了良好的仿真途徑。本文首先對干擾機釋放時刻、釋放角度和釋放速度等靶彈發(fā)射諸元的要求做了理論上的分析，然后根據(jù)某一典型的靶彈發(fā)射諸元計算干擾機的軌跡與姿態(tài)等數(shù)據(jù)，并利用STK進行了1靶1彈2干擾機的試驗場景構(gòu)建，干擾機與靶彈分離、干擾機對制導(dǎo)雷達干擾等動態(tài)推演，反導(dǎo)試驗場景與電磁態(tài)勢可視化等仿真。仿真結(jié)果表明：利用STK仿真手段，有利于驗證與優(yōu)化彈道靶彈突防場景的靶彈發(fā)射諸元和干擾機參數(shù)，能為反導(dǎo)試驗突防場景的構(gòu)建提供技術(shù)支撐，具有良好的實用價值。