舷外有源誘餌對反艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能影響分析?

李尚生 張軍濤，2 但 波

（1.海軍航空大學(xué) 煙臺 264001）（2.中國人民解放軍92407部隊 煙臺 264001）

1 引言

舷外有源雷達(dá)誘餌以其方便靈活、假目標(biāo)逼真、干擾成功率高的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于艦艇的反導(dǎo)防御作戰(zhàn)［1］。典型的舷外有源誘餌有Nulka有源誘餌，AN/SSQ-95（V）系列，“海妖”系列，TOAD系統(tǒng)等［2］。為提高舷外有源誘餌的作戰(zhàn)效能，各軍事強(qiáng)國都在下大力氣研究舷外有源誘餌對反艦導(dǎo)彈效能影響及其作戰(zhàn)使用特點(diǎn)［3～5］。

典型的反艦導(dǎo)彈攻擊的階段主要分為發(fā)射前準(zhǔn)備階段，自控飛行階段和自導(dǎo)飛行階段。為對抗反艦導(dǎo)彈不同攻擊階段影響，舷外有源誘餌的作戰(zhàn)使用方式主要包括假目標(biāo)干擾、沖淡干擾和質(zhì)心干擾等，其中對反艦導(dǎo)彈威脅最大的是質(zhì)心干擾樣式。文獻(xiàn)［6～7］研究了舷外有源誘餌的發(fā)射功率、發(fā)射角及布設(shè)距離對干擾效果的影響；文獻(xiàn)［8～9］研究了艦船與舷外有源誘餌運(yùn)動速度對舷外有源誘餌干擾效果的影響；文獻(xiàn)［10］研究了舷外有源誘餌的有效干擾功率和舷外有源誘餌布放距離對干擾效果的影響；文獻(xiàn)［11］研究了舷外有源誘餌布放角度和布放距離對干擾效果的影響，但綜合考慮舷外有源誘餌的布設(shè)距離、干擾有效功率、艦船機(jī)動速度的研究較少。本文通過分析舷外有源誘餌質(zhì)心式干擾的作戰(zhàn)使用，定量分析舷外有源誘餌的干擾效果，得到在不同突防對抗態(tài)勢下，舷外有源誘餌質(zhì)心干擾的使用要求，從而為實(shí)戰(zhàn)中舷外有源誘餌的使用提供參考。

2 舷外有源誘餌的質(zhì)心干擾原理

舷外有源誘餌的質(zhì)心式干擾機(jī)理與箔條基本相同，都是質(zhì)心效應(yīng)。當(dāng)反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)開機(jī)并穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)艦船后，利用艦船的電子支援系統(tǒng)對來襲反艦導(dǎo)彈進(jìn)行跟蹤與偵察，選擇合適的時機(jī)，按照一定的距離和方位發(fā)射舷外有源誘餌。距離上要求誘餌產(chǎn)生的假目標(biāo)和艦船處于同一距離分辨單元，方位上要求誘餌產(chǎn)生的假目標(biāo)和艦船處于同一雷達(dá)波束范圍內(nèi)，從而使反艦導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭跟蹤艦船與假目標(biāo)的等效能量中心（即質(zhì)心）。隨著反艦導(dǎo)彈的逼近，當(dāng)目標(biāo)和舷外有源誘餌對反艦導(dǎo)彈的張角θ大于導(dǎo)引頭天線波束寬度2θ0.5時，艦船目標(biāo)將偏出雷達(dá)的波束范圍，使得反艦導(dǎo)彈轉(zhuǎn)而跟蹤有源誘餌假目標(biāo)，從而保護(hù)目標(biāo)艦船免受攻擊。如圖1所示。

圖1 舷外有源誘餌質(zhì)心干擾示意圖

3 仿真模型

3.1 坐標(biāo)系建立

假設(shè)末制導(dǎo)雷達(dá)開機(jī)并穩(wěn)定跟蹤艦船目標(biāo)后，艦船向垂直于導(dǎo)彈來襲方向一定距離處釋放舷外有源誘餌，并假設(shè)有源誘餌釋放后的位置不動，艦船向有源誘餌相反的方向機(jī)動。以反艦導(dǎo)彈剛捕捉目標(biāo)時的初始位置作為坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0），導(dǎo)彈與艦船目標(biāo)的連線方向?yàn)閤軸方向，沿x軸方向逆時針旋轉(zhuǎn)90°為y軸方向，如圖2所示。則艦船的x軸坐標(biāo)為彈目距離R，y軸坐標(biāo)為0；誘餌的x軸坐標(biāo)為R，y軸坐標(biāo)為誘餌布放的距離L。

圖2 仿真坐標(biāo)系的建立

3.2 艦船運(yùn)動模型

在不考慮艦船的切割效應(yīng)時，把艦船當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)，仿真步長為h，則tk時刻艦船的位置為

式中，xsk和 ysk為當(dāng)前時刻的位置；xsk-1和 ysk-1為前一時刻的位置；v0為艦船運(yùn)動速度。

3.3 舷外有源誘餌的等效RCS模型及質(zhì)心干擾過程

假設(shè)舷外有源誘餌工作在恒功率狀態(tài)下，有源誘餌的發(fā)射功率為Prj，則反艦導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭接收到的有源誘餌干擾信號功率為［12］

式中，Gj表示有源誘餌發(fā)射天線增益；Gt表示雷達(dá)導(dǎo)引頭天線增益；λ表示工作波長；Rj表示導(dǎo)彈與有源誘餌的距離；δ表示電磁波在空間傳輸時的大氣衰減，單位dB/km；Fj(θ ,φ)表示舷外有源誘餌發(fā)射天線在導(dǎo)引頭方向上的歸一化方向性函數(shù)；Ft(θ ,φ)表示雷達(dá)天線在有源誘餌方向上的歸一化方向性函數(shù)；γj表示極化損失因子，當(dāng)舷外有源誘餌發(fā)射天線與雷達(dá)接收天線極化匹配時為1，極化隔離時為0，一個為線極化另一個為圓極化時為0.5。

反艦導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭接收到的來自RCS數(shù)值為σ的目標(biāo)回波功率為

式中，Pt表示雷達(dá)導(dǎo)引頭的發(fā)射功率；Rt表示導(dǎo)彈與目標(biāo)的距離。

綜合式（2）、式（3），得出舷外有源誘餌的等效RCS：

舷外有源誘餌在質(zhì)心式干擾過程中，發(fā)射天線主瓣一般對準(zhǔn)來襲導(dǎo)彈，即Fj(θ,φ) =1；且舷外有源誘餌必須處于雷達(dá)天線波束范圍內(nèi)，即Ft(θ,φ)≈1；有源誘餌一般位于艦船目標(biāo)一側(cè)的近距離L處，且遠(yuǎn)小于與導(dǎo)彈之間的距離R，令Rt=Rj=R，則式（4）簡化為

由式（5）可以看出，距離越遠(yuǎn)，R越大，舷外有源誘餌的等效RCS數(shù)值越大。在導(dǎo)彈實(shí)際跟蹤過程中，當(dāng)距離R較大時，目標(biāo)和有源誘餌相對導(dǎo)彈的張角θ小于導(dǎo)引頭天線波束寬度2θ0.5，導(dǎo)引頭跟蹤目標(biāo)和舷外有源誘餌的質(zhì)心。設(shè)當(dāng)R=R0時，σj與目標(biāo)的RCS數(shù)值σ相等（σj=σ），此時質(zhì)心點(diǎn)為目標(biāo)與有源誘餌連線的中點(diǎn)；當(dāng)RR0時，σj>σ，質(zhì)心點(diǎn)將偏向舷外有源誘餌一側(cè)。

在導(dǎo)彈實(shí)際跟蹤過程中，隨著距離R的減小，舷外有源誘餌和目標(biāo)對導(dǎo)引頭的張角θ逐漸增大，質(zhì)心點(diǎn)與目標(biāo)對導(dǎo)引頭的張角θ和質(zhì)心點(diǎn)與舷外有源誘餌對導(dǎo)引頭的張角θ2也同時增大。設(shè)當(dāng)R=R1時θ1和θ2中的數(shù)值較大者將大于導(dǎo)引頭波束寬度的一半，目標(biāo)和有源誘餌中與質(zhì)心點(diǎn)對導(dǎo)引頭張角較大的一個將首先移出導(dǎo)引頭天線波束（若θ1>θ2，目標(biāo)首先移出天線波束；若θ1<θ2，舷外有源誘餌首先移出天線波束），導(dǎo)引頭將由跟蹤質(zhì)心點(diǎn)轉(zhuǎn)向跟蹤目標(biāo)和有源誘餌中與質(zhì)心點(diǎn)對導(dǎo)引頭張角較小的一個（若θ1>θ2，導(dǎo)引頭將轉(zhuǎn)向跟蹤舷外有源誘餌；若θ1<θ2，導(dǎo)引頭將轉(zhuǎn)向跟蹤目標(biāo)）。

若R0>R1，則導(dǎo)引頭跟蹤過程中舷外有源誘餌首先移出導(dǎo)引頭波束范圍，導(dǎo)引頭將轉(zhuǎn)向跟蹤目標(biāo)，質(zhì)心干擾失??；若R0

3.4 導(dǎo)彈跟蹤模型

導(dǎo)彈跟蹤艦船與舷外有源誘餌的質(zhì)心時，導(dǎo)彈跟蹤點(diǎn)的坐標(biāo)為

式中，（xs，ys）為艦船的位置坐標(biāo)，（xj，yj）為舷外有源誘餌的位置坐標(biāo)。

根據(jù)導(dǎo)彈位置和質(zhì)心位置，可計算導(dǎo)彈當(dāng)前時刻跟蹤方向與x軸夾角為

則下一時刻，導(dǎo)彈的位置為

式中，xdk，ydk為當(dāng)前時刻的位置；xdk+1，ydk+1為下一時刻的位置；v0為艦船機(jī)動速度。

4 仿真結(jié)果及分析

當(dāng)導(dǎo)彈的攻擊角和舷外有源誘餌的布放角垂直時，能夠?qū)ε灤凶罴训谋Ｗo(hù)效果［6］。有源誘餌對反艦導(dǎo)彈的質(zhì)心式干擾能否成功，取決于在導(dǎo)引頭在跟蹤質(zhì)心過程中，是誘餌還是目標(biāo)首先移出導(dǎo)引頭天線波束。因此，質(zhì)心干擾的效果與導(dǎo)引頭的性能參數(shù)、有源誘餌的性能參數(shù)、有源誘餌的布設(shè)距離、目標(biāo)艦船的RCS及其運(yùn)動參數(shù)等有關(guān)。下面對不同場景下舷外有源誘餌的質(zhì)心干擾效果進(jìn)行仿真分析。

仿真時假設(shè)舷外有源誘餌的發(fā)射天線與雷達(dá)導(dǎo)引頭天線極化匹配（γj=1），導(dǎo)引頭為X波段的微波雷達(dá)，在晴天時可以忽略電磁波傳輸?shù)拇髿馑p（δ=0）。在仿真過程中，不考慮導(dǎo)引頭跟蹤后導(dǎo)彈調(diào)整飛行方向的過程，即近似認(rèn)為導(dǎo)彈飛行方向與導(dǎo)引頭跟蹤方向一致。

仿真參數(shù)設(shè)置：反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭發(fā)射功率Pt=30kW，天線增益Gt=20dB，天線波束寬度2θ0.5=10°，導(dǎo)彈飛行速度vm=300m/s，導(dǎo)彈初始跟蹤距離R=8000m；目標(biāo)艦船的RCS數(shù)值σ=3000m2，航速v0=10m/s；舷外有源誘餌的有效輻射功率PjGj=200W，布設(shè)距離L=200m～300m。

圖3和圖4所示分別為舷外有源誘餌布設(shè)距離L=280m和279m時導(dǎo)彈飛行軌跡仿真結(jié)果。可以看出，當(dāng)L≥280m時，隨著導(dǎo)彈距離的接近，目標(biāo)首先移出導(dǎo)引頭天線波束，導(dǎo)彈最終跟蹤舷外有源誘餌，質(zhì)心干擾成功；當(dāng)L≤279m時，舷外有源誘餌首先移出導(dǎo)引頭天線波束，導(dǎo)彈最終跟蹤目標(biāo)，質(zhì)心干擾失敗。因此，在此場景下舷外有源誘餌的最小布設(shè)距離為Lmin=280m。

圖3 舷外有源誘餌布放距離L=280m時的導(dǎo)彈飛行

圖4 舷外有源誘餌布放距離L=279m時的導(dǎo)彈飛行軌跡

圖5所示為R=8000m質(zhì)心干擾有效時，舷外有源誘餌最小布設(shè)距離Lmin與舷外有源誘餌的有效輻射功率PjGj、艦船機(jī)動速度v0關(guān)系的仿真結(jié)果。可以看出，當(dāng)舷外有源誘餌的有效功率PjGj一定時，艦船移動速度越快，舷外有源誘餌的最小布設(shè)距離越小，目標(biāo)越容易擺脫導(dǎo)彈的跟蹤。當(dāng)艦船機(jī)動速度v0一定時，舷外有源誘餌的有效功率PjGj越大，所需的舷外有源誘餌最小布設(shè)距離Lmin越小，質(zhì)心干擾效果越好。

圖5 R=8000m時Lmin與PJGJ和v0關(guān)系曲線

圖6所示為PjGj=200W時，質(zhì)心干擾有效時舷外有源誘餌的最小布設(shè)距離Lmin與目標(biāo)機(jī)動速度v0、導(dǎo)彈距離R之間關(guān)系的仿真結(jié)果?？梢钥闯?，當(dāng)R一定時，目標(biāo)機(jī)動速度越快，所需舷外有源誘餌的最小布設(shè)距離Lmin越小，目標(biāo)越容易擺脫導(dǎo)彈跟蹤；當(dāng)目標(biāo)機(jī)動速度v0一定時，導(dǎo)彈距離R越大，所需舷外有源誘餌的最小布設(shè)距離Lmin越小。即越早發(fā)現(xiàn)艦船被導(dǎo)彈跟蹤實(shí)施質(zhì)心干擾，干擾的效果越好。

圖6 PJGJ=200W時Lmin與R和v0關(guān)系曲線

表1～4分別給出了舷外有源誘餌的有效功率PjGj分別為200W、300W、400W和500W時，舷外有源誘餌的最小布設(shè)距離Lmin與導(dǎo)彈距離R、目標(biāo)機(jī)動速度v0關(guān)系的仿真結(jié)果?？梢钥闯?，舷外有源誘餌的有效功率PjGj越大，導(dǎo)彈距離R越遠(yuǎn)（越早發(fā)現(xiàn)艦船被導(dǎo)彈跟蹤釋放舷外有源誘餌），對導(dǎo)彈的質(zhì)心干擾效果越好；艦船機(jī)動速度v0越大，越容易擺脫導(dǎo)彈的跟蹤，質(zhì)心干擾的效果越好。

表1 PJGJ=200W時，Lmin與R和v0關(guān)系仿真結(jié)果

表2 PJGJ=300W時，Lmin與R和v0關(guān)系仿真結(jié)果

表3 PJGJ=400W時，Lmin與R和v0關(guān)系仿真結(jié)果

表4 PJGJ=500W時，Lmin與R和v0關(guān)系仿真結(jié)果

5 結(jié)語

本文從實(shí)際作戰(zhàn)需求出發(fā)，通過分析舷外有源誘餌對導(dǎo)引頭質(zhì)心干擾機(jī)理，建立了舷外有源誘餌的雷達(dá)截面積模型、導(dǎo)彈跟蹤模型、艦船運(yùn)動模型，仿真計算了有源誘餌對抗反艦導(dǎo)彈的干擾過程。對舷外有源誘餌的干擾有效功率、艦船速度、雷達(dá)導(dǎo)引頭開機(jī)距離和誘餌布設(shè)距離等條件對干擾效果的影響進(jìn)行定量分析，得到了不同作戰(zhàn)態(tài)勢下，要使得舷外有源誘餌干擾成功，誘餌要求布放的最短距離，可為舷外有源誘餌的戰(zhàn)術(shù)使用提供參考，也可為水面艦艇規(guī)避反艦導(dǎo)彈的威脅提供借鑒。