沈振華 姚景順 陳曉曦 羅育洪

(海軍大連艦艇學(xué)院研究生2隊(duì)1) 大連 116018)(海軍大連艦艇學(xué)院作戰(zhàn)指揮系2) 大連 116018)

1 引言

現(xiàn)代海戰(zhàn)中,水面艦艇作戰(zhàn)依賴海戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)的程度提高,交戰(zhàn)雙方艦艇均使用各種電磁輻射裝備獲取戰(zhàn)場(chǎng)?？涨閼B(tài)勢(shì),除此之外軍用偵察衛(wèi)星系統(tǒng)也已成為戰(zhàn)爭(zhēng)中直接支援戰(zhàn)場(chǎng)行動(dòng)的情報(bào)來(lái)源,并逐步發(fā)展為作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的重要組成部分。軍用偵察衛(wèi)星系統(tǒng)主要包括電子偵察衛(wèi)星、成像偵察衛(wèi)星、海洋監(jiān)視衛(wèi)星、導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星和核爆炸探測(cè)衛(wèi)星等,星上主要載荷為光電傳感器、雷達(dá)或無(wú)線電信號(hào)偵察接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理和分發(fā)裝備等。其中電子偵察衛(wèi)星具有覆蓋空間范圍大、接收頻域范圍寬、軌道機(jī)動(dòng)和組網(wǎng)偵察能力強(qiáng)、靈敏度高、偵察行動(dòng)不受地理和國(guó)界的限制,能夠全天候、全時(shí)段的對(duì)敏感海域的海上艦艇實(shí)施偵察監(jiān)視的特點(diǎn),已成為獲取海戰(zhàn)場(chǎng)電磁情報(bào)的重要手段,對(duì)水面艦艇作戰(zhàn)行動(dòng)及電磁情報(bào)安全造成較大影響[1]。反電子偵察衛(wèi)星已成為確保水面艦艇作戰(zhàn)訓(xùn)練行動(dòng)隱蔽性和安全性的重要課題。

2 電子偵察衛(wèi)星工作原理分析

2.1 衛(wèi)星工作原理

電子偵察衛(wèi)星主要通過(guò)星載高靈敏度電磁信號(hào)接收機(jī)偵察截獲地面或海上的各種雷達(dá)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的輻射源信號(hào),探測(cè)和鑒別其電磁信號(hào)參數(shù)、體制和工作模式等信息,并獲取目標(biāo)位置、航向和航速等戰(zhàn)術(shù)情報(bào),以監(jiān)視各種電磁輻射源的活動(dòng)。從當(dāng)前實(shí)際部署情況看,電子偵察衛(wèi)星分為普查型和詳查型兩種。普查型電子偵察衛(wèi)星主要用于大范圍偵察,對(duì)各種無(wú)線電和雷達(dá)信號(hào)輻射源進(jìn)行概略定位,確定其頻段、脈沖重復(fù)周期、工作體制和掃描方式,覆蓋范圍一般可達(dá)2000km以上。詳查型電子偵察衛(wèi)星主要用于精確核定普查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的敏感目標(biāo),獲取雷達(dá)和通信信號(hào)的特性和參數(shù)并判別輻射源的位置、速度、航向、型號(hào)等高價(jià)值情報(bào)。電子偵察衛(wèi)星偵察海上艦船的主要方法是偵察海上艦艇的雷達(dá)和通信等信號(hào),探測(cè)和鑒別海上艦船型號(hào)并確定其位置、航向和航速等,以監(jiān)視水面艦艇活動(dòng),并及時(shí)為本方攻擊編隊(duì)提供海上目標(biāo)的遠(yuǎn)程目標(biāo)指示。

截至目前,美國(guó)電子偵察衛(wèi)星已經(jīng)發(fā)展了5代9型,前后共發(fā)射80余顆,第5代正在逐步部署之中。目前美國(guó)在空間中共部署有十余顆電子偵察衛(wèi)星,其中低軌道衛(wèi)星4顆、大橢圓軌道3顆、地球同步軌道4顆,其中主要包括2顆組網(wǎng)工作的“流紋巖”、1顆“漩渦”、4顆“大酒瓶”、4顆“喇叭”衛(wèi)星等,衛(wèi)星軌道覆蓋地球橢圓軌道、大橢圓軌道、極地軌道等,頻域覆蓋范圍為100MHz～40GHz。上述偵察衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋及重點(diǎn)敏感區(qū)域的定點(diǎn)全時(shí)段覆蓋,主要偵察監(jiān)視洲際導(dǎo)彈遙測(cè)及發(fā)射信號(hào)、核潛艇活動(dòng)情況、軍用雷達(dá)信號(hào)、各波段的通信和廣播信號(hào)等。

對(duì)水面艦艇威脅較大的是美海軍海洋監(jiān)視系統(tǒng)的“高級(jí)白云”電子情報(bào)衛(wèi)星(SSU-Ⅱ)。該系統(tǒng)衛(wèi)星為低軌道,軌道傾角為63.4°,由4組星座共16顆衛(wèi)星(4顆主星,12顆子星)組網(wǎng)工作,每組衛(wèi)星由一顆主星和三顆伴星構(gòu)成,標(biāo)準(zhǔn)星座由彼此相隔120°的3個(gè)軌道面組成,每個(gè)軌道面上都部署一組衛(wèi)星,衛(wèi)星之間間距為30～110km,采用三角時(shí)差定位法(TDOA)對(duì)海上目標(biāo)進(jìn)行定位。該系統(tǒng)衛(wèi)星瞬時(shí)地面覆蓋幅寬可達(dá)3500km,工作頻率0.5～10GHz,電子偵察定位精度可達(dá)2～3km,靈敏度45～97dbm。由4組衛(wèi)星組成的系統(tǒng)能夠?qū)Φ厍?0～60°緯度范圍內(nèi)的任何區(qū)域每天監(jiān)視30次以上,即過(guò)頂某區(qū)域時(shí)間分辨率可達(dá)48分鐘。該衛(wèi)星系統(tǒng)的偵收、處理和傳輸能力較強(qiáng),每組衛(wèi)星的瞬時(shí)偵察區(qū)域可達(dá)7000km2。新“白云”海洋監(jiān)視衛(wèi)星的主衛(wèi)星裝載了紅外掃描儀和毫米波輻射儀,子衛(wèi)星上有射頻天線。利用星載全向射頻天線陣及石英晶體視頻接收機(jī)來(lái)偵收海上艦艇發(fā)射的雷達(dá)和通信信號(hào);利用無(wú)源雷達(dá)干涉測(cè)量法來(lái)測(cè)定這些艦艇的位置、航向和航速等運(yùn)動(dòng)要素,并對(duì)其進(jìn)行全天候跟蹤,還運(yùn)用星載紅外探測(cè)器和毫米波輻射計(jì),通過(guò)探測(cè)熱尾流來(lái)發(fā)現(xiàn)并跟蹤低空飛行的導(dǎo)彈,可為裝備有“戰(zhàn)斧”反艦巡航導(dǎo)彈的美艦提供超視距偵察和目標(biāo)指示。

2.2 偵察水面艦艇能力分析

2.2.1 衛(wèi)星空間覆蓋水面艦艇判別方法

設(shè)水面艦艇當(dāng)前經(jīng)、緯度分別為 φ0,λ0,衛(wèi)星星下點(diǎn)的當(dāng)前緯度、經(jīng)度分別為 φs,λs,衛(wèi)星的覆蓋角為d,衛(wèi)星星下點(diǎn)與地面點(diǎn)的大圓弧長(zhǎng)為d*(0≤d*≤π)。當(dāng) d≤d*,即滿足式(1)時(shí),該艦艇在衛(wèi)星傳感器覆蓋范圍內(nèi)。

2.2.2 衛(wèi)星載荷覆蓋特性分析

1)瞬時(shí)視場(chǎng)

假定衛(wèi)星偵察天線具有圓形截面,其視角寬度為θ,則瞬時(shí)視場(chǎng)的長(zhǎng)度LF由下式?jīng)Q定:

式中:KL為常數(shù),KL=111.319543km;α的單位為°。式(2)中的近似關(guān)系式在ε很小(即地平附近)時(shí)誤差很大,不能使用此計(jì)算式。

衛(wèi)星過(guò)頂目標(biāo)區(qū)域時(shí)的瞬時(shí)視場(chǎng)寬度WF為:

假定波束在地面的投影是一橢圓,由瞬時(shí)視場(chǎng)寬度推導(dǎo)出瞬時(shí)視場(chǎng)區(qū)域的面積FA為:

如果天線波束偵察區(qū)域?yàn)橐孕窍曼c(diǎn)方向?yàn)橹行牡腻F形區(qū)域,那么瞬時(shí)視場(chǎng)的面積將由更簡(jiǎn)單的公式給出:

式中:KA=2.55604187×108km2,α對(duì)應(yīng)于波束半張角θ/2的地心角。

2)可用偵察時(shí)間

假定目標(biāo)位置距星下點(diǎn)軌跡的偏差角為ξ的某一點(diǎn)上,而天線波束能偵察的最大偏差角為ξmax,則能偵察該目標(biāo)的軌道弧段為:Fv=Ψ/180°。

上式中 :cosΨ=cosξmax/cosξ,則在該圈軌道中對(duì)目標(biāo)的覆蓋偵察時(shí)間為:t=TFv,式中T為軌道周期。

2.2.3 偵察設(shè)備完全截獲輻射源信號(hào)的功率條件

式中:Gi(θ,f)為輻射源 I個(gè)發(fā)射波束序列中第i號(hào)波束的增益(dB);Pj(θ,f)為輻射源J個(gè)發(fā)射功率組合中第j種功率的強(qiáng)度(dBW);Sk為偵察設(shè)備K個(gè)偵察模式中第k種偵察模式的系統(tǒng)靈敏度(dBW/m2);R為偵察設(shè)備距離輻射源的距離,dB(m);θ為輻射源相對(duì)于偵察設(shè)備的角位置;f為輻射源信號(hào)頻率。

功率條件分析:同步軌道的電子偵察衛(wèi)星位于36000km高的軌道上,而低軌電子偵察衛(wèi)星一般部署在500～600km高的軌道上,前者接收到的功率大小為低軌衛(wèi)星的1/5100,同步軌道衛(wèi)星的偵察靈敏度可達(dá)-117～-169dBW/m2。而現(xiàn)代艦載雷達(dá)都采用了低副瓣天線技術(shù),降低了衛(wèi)星偵察的概率,當(dāng)衛(wèi)星過(guò)頂針對(duì)這類雷達(dá)進(jìn)行偵察時(shí),衛(wèi)星感知的雷達(dá)平均副瓣增益Gi(θ,f)＜0。

2.3 電子偵察衛(wèi)星偵察效能分析

根據(jù)工作原理,電子偵察衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率與其攜帶的偵察載荷的頻率范圍、空間覆蓋范圍、探測(cè)靈敏度以及輻射源情況相關(guān)。若目標(biāo)使用的頻段不在偵察載荷覆蓋范圍內(nèi),及在衛(wèi)星過(guò)頂期間目標(biāo)保持無(wú)線電靜默,則探測(cè)概率均為0。鑒于艦載雷達(dá)一般不關(guān)機(jī)的工作特點(diǎn),可不考慮無(wú)線電靜默影響,需要對(duì)其他情況進(jìn)行計(jì)算分析。論文假定電子偵察衛(wèi)星載荷靈敏度極高,且可覆蓋艦載雷達(dá)信號(hào)的所有頻段。

設(shè)電子偵察衛(wèi)星可接收n個(gè)頻段,探測(cè)到第i個(gè)頻段的概率為pdi,對(duì)于輻射脈沖信號(hào)的目標(biāo)pdi可統(tǒng)一采用下式計(jì)算:

式中:RSN為信噪比,主要表征傳感器靈敏度的影響;β=ln(1/pfa);pfa為星載傳感器的虛警概率,一般可取為10-6。

誤差函數(shù)為:

表1 典型艦載雷達(dá)頻段分類

上述分析說(shuō)明電子偵察衛(wèi)星對(duì)不同頻段的偵察、截獲和識(shí)別概率不同,在處理分析星載傳感器截獲的電磁信息并結(jié)合輻射源平臺(tái)情報(bào)后,建立對(duì)當(dāng)前偵察海區(qū)的目標(biāo)識(shí)別矩陣,衛(wèi)星能以一定經(jīng)驗(yàn)概率確定偵察目標(biāo)的類型。具體識(shí)別經(jīng)驗(yàn)概率如表2所示。

表2 電子偵察衛(wèi)星識(shí)別典型雷達(dá)目標(biāo)經(jīng)驗(yàn)概率估計(jì)值

3 水面艦艇反電子偵察衛(wèi)星措施分析[6～8]

電子偵察衛(wèi)星對(duì)水面艦艇作戰(zhàn)行動(dòng)及電磁情報(bào)安全造成了嚴(yán)重影響,針對(duì)海上作戰(zhàn)需求和電子偵察衛(wèi)星特點(diǎn),論文從戰(zhàn)術(shù)和技術(shù)兩個(gè)方面探討水面艦艇對(duì)抗電子偵察衛(wèi)星措施。

3.1 戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗電子偵察衛(wèi)星

1)輻射源控制,電磁靜默

盡管美軍海洋監(jiān)視系統(tǒng)的電子衛(wèi)星數(shù)量較多且每天可對(duì)敏感目標(biāo)和區(qū)域進(jìn)行多次偵測(cè),但由于其衛(wèi)星運(yùn)行軌道可預(yù)測(cè),由此可推算出衛(wèi)星在艦艇機(jī)動(dòng)區(qū)上空的滯留時(shí)間,所以在海軍日常訓(xùn)練和演習(xí)中,水面艦艇必須嚴(yán)格控制輻射源的發(fā)射,當(dāng)艦艇在其過(guò)頂前后5分鐘內(nèi)位于電子偵察衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)時(shí)關(guān)閉所有雷達(dá)和無(wú)線電設(shè)備,保持電磁靜默可有效反偵察。

2)假目標(biāo)迷惑欺騙

根據(jù)不同作戰(zhàn)意圖,在電子偵察衛(wèi)星過(guò)頂時(shí),用與我現(xiàn)役艦載雷達(dá)和無(wú)線電頻率相仿甚至相同的假輻射源或虛假信號(hào)開(kāi)機(jī)運(yùn)行或真假同時(shí)開(kāi)機(jī)、輪流開(kāi)機(jī)等,將假目標(biāo)輻射源故意暴露給敵電子偵察衛(wèi)星。由于假目標(biāo)能以主瓣對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星偵察設(shè)備,可能會(huì)將弱真實(shí)信號(hào)抑制掉,降低其截獲概率。

3)實(shí)施干擾壓制偵察

利用艦載噪聲干擾機(jī)或欺騙干擾機(jī)有意施放電磁干擾或有意輻射干擾信號(hào)以干擾欺騙星載設(shè)備。適當(dāng)調(diào)整干擾信號(hào)對(duì)準(zhǔn)偵察衛(wèi)星,加重其偵察設(shè)備信號(hào)處理負(fù)擔(dān),使其截獲概率降低。該方法既抑制衛(wèi)星對(duì)真實(shí)信號(hào)的偵測(cè)能力,也不至于對(duì)我方電磁設(shè)備的使用造成太大影響。實(shí)施噪聲干擾的信號(hào)強(qiáng)度一般應(yīng)比被保護(hù)雷達(dá)的最大旁瓣電平高20dB左右,干擾機(jī)功率須在400kW 以上。

3.2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)抗電子偵察衛(wèi)星[8]

由于美軍電子偵察衛(wèi)星經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,其技術(shù)手段已經(jīng)非常成熟,加之多年來(lái)對(duì)艦艇電磁裝備持續(xù)不斷的偵察,以基本掌握重要戰(zhàn)技術(shù)參數(shù),必須改進(jìn)對(duì)抗的技術(shù)手段。具體如下:

1)破壞星載偵察設(shè)備完全截獲輻射源信號(hào)的功率條件

艦載雷達(dá)系統(tǒng)采用低、極低或超低副瓣天線、窄波束天線、旁瓣消隱、隨機(jī)波束和低雷達(dá)發(fā)射峰值功率技術(shù),通信系統(tǒng)采用微波通信體制,使偵察衛(wèi)星完全截獲雷達(dá)信號(hào)的功率條件難以滿足。

2)破壞星載偵察設(shè)備完全截獲輻射源信號(hào)的測(cè)量條件

采用類似于信息加密原理,使由雷達(dá)參數(shù)(發(fā)射峰值功率、發(fā)射頻率、脈沖寬度、信號(hào)波形、波束寬度、波束位置等參數(shù))構(gòu)成的信息空間遠(yuǎn)大于偵察衛(wèi)星對(duì)雷達(dá)參數(shù)的可測(cè)空間,且工作模式的變化速度快于偵察截獲反應(yīng)時(shí)間。同時(shí),雷達(dá)系統(tǒng)工作模式的智能化、隨機(jī)化應(yīng)使衛(wèi)星獲取的偵察情報(bào)難以相關(guān)融合,致使偵察衛(wèi)星截獲雷達(dá)信號(hào)的測(cè)量條件難以滿足。

3)破壞星載偵察設(shè)備完全截獲輻射源信號(hào)的分析條件

采用電子欺騙和電子偽裝,使完全截獲電磁信號(hào)的分析條件難以滿足。電子欺騙是電磁設(shè)備自身在發(fā)射有用的脈沖信號(hào)的同時(shí)有意將無(wú)用的假脈沖摻入一并發(fā)射,如利用“脈沖多載頻率調(diào)制信號(hào)”實(shí)施雷達(dá)反偵察。電子偽裝是在電磁設(shè)備之外配置電磁信號(hào)發(fā)射裝置(如誘餌雷達(dá)),同時(shí)向外發(fā)射信號(hào)。電子欺騙和電子偽裝的目的是減少被偵察截獲信號(hào)的鑒別信息,使電磁偵察方程難以聯(lián)立,或偵察結(jié)果難以收斂,增大衛(wèi)星偵察系統(tǒng)處于病態(tài)偵察狀態(tài)的可能性,從而減小衛(wèi)星偵察系統(tǒng)的信息檢測(cè)概率。

4 結(jié)語(yǔ)

海軍作戰(zhàn)中,水面艦艇對(duì)抗電子偵察衛(wèi)星以隱藏戰(zhàn)術(shù)意圖及獲取電磁情報(bào)安全已刻不容緩,采取相應(yīng)措施防止無(wú)形中的電磁泄密和暴露戰(zhàn)術(shù)意圖。應(yīng)當(dāng)清醒看到隨著技術(shù)的進(jìn)步,主要作戰(zhàn)對(duì)手的電子偵察衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展迅猛,比如多顆電子偵察衛(wèi)星與數(shù)顆成像偵察衛(wèi)星組網(wǎng)、多星多類型軌道組合偵察及單星多功能偵察的方法,實(shí)現(xiàn)全時(shí)段反復(fù)覆蓋敏感海域,使水面艦艇遠(yuǎn)洋作戰(zhàn)面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。論文的研究為水面艦艇對(duì)抗電子偵察衛(wèi)星提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)方法,但今后需更進(jìn)一步研究以尋求水面艦艇對(duì)抗電子偵察衛(wèi)星的制勝之策,以有效保護(hù)水面艦艇的電磁信息安全,掌握海戰(zhàn)場(chǎng)制電磁權(quán)。

[1]總裝備部衛(wèi)星有效載荷及應(yīng)用技術(shù)專業(yè)組應(yīng)用技術(shù)分組.衛(wèi)星應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展[M].北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,2001

[2]陶本仁.戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境信息分析技術(shù)[J].航天電子對(duì)抗,2004(2):2～3

[3]焦遜,陳永光.電子偵察衛(wèi)星對(duì)抗技術(shù)研究[J].電子對(duì)抗技術(shù),2004(1)

[4]羅群.雷達(dá)系統(tǒng)分析與建模[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007:123～125

[5]齊歡,王小平.系統(tǒng)建模與仿真[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004,11

[6]朔渭焰,楊波.雷達(dá)反衛(wèi)星偵察方法[J].現(xiàn)代雷達(dá),2004(2)

[7]王柏杉,楊連洪.脈沖多載頻調(diào)制的雷達(dá)反偵察[J].艦船電子對(duì)抗,2006(10)

[8]趙國(guó)慶.雷達(dá)對(duì)抗原理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2006:198～200