龔 燕,劉雅奇,李 健

(國防科技大學電子對抗學院,合肥 230037)

0 引言

導彈數(shù)據(jù)鏈是指安裝在導彈及飛機、衛(wèi)星、等平臺上,實現(xiàn)導彈狀態(tài)、戰(zhàn)場態(tài)勢、控制指令等信息雙向傳遞的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)[1]。以數(shù)據(jù)鏈技術(shù)為支撐,現(xiàn)代戰(zhàn)術(shù)導彈能夠完成“目標選擇與重瞄”、“戰(zhàn)場殺傷效果評估”等多重任務(wù)[2]。而采用通信對抗手段對敵導彈數(shù)據(jù)鏈進行干擾,破壞其各類作戰(zhàn)信息的傳輸,將能夠有效降低敵導彈的命中精度,削弱其作戰(zhàn)效能。

目前,已有不少文獻對數(shù)據(jù)鏈的對抗技術(shù)進行了研究,例如:針對通用數(shù)據(jù)鏈,文獻[3]討論了跳頻干擾和直接序列擴頻干擾兩種對抗技術(shù);針對Link16數(shù)據(jù)鏈,文獻[4]提出了對其消息同步段實施干擾對抗;針對Link11數(shù)據(jù)鏈,文獻[5]研究了同步音干擾等干擾的效能,等。而對戰(zhàn)術(shù)導彈數(shù)據(jù)鏈對抗的研究卻十分少見,僅文獻[6]針對某型空地導彈數(shù)據(jù)鏈設(shè)想了一種偵干一體對抗設(shè)備的技術(shù)方案,并對其戰(zhàn)術(shù)使用方式做了簡要討論。在此基礎(chǔ)上,文中嘗試對典型空地導彈數(shù)據(jù)鏈的干擾過程進行建模仿真,進而對其作戰(zhàn)使用做簡要討論。

1 機動模型

目前,公開文獻中常見的導彈數(shù)據(jù)鏈主要有AN/AXQ-14、AN/AWW-13、Link-16等[7-9]。從通信技術(shù)上來看,導彈數(shù)據(jù)鏈與其他數(shù)據(jù)鏈相比,導彈的高速機動造成的通信環(huán)境快速變化是導彈數(shù)據(jù)鏈的本質(zhì)特征。因此,對導彈及戰(zhàn)斗機的運動建模是空地導彈數(shù)據(jù)鏈干擾仿真的基礎(chǔ)內(nèi)容。

六自由度建模方法[10]能夠?qū)椇蛻?zhàn)斗機的質(zhì)心移動和轉(zhuǎn)動做出詳細的刻畫,但它需要以大量如空氣動力系數(shù)、導彈或戰(zhàn)斗機氣動外形等不易獲得的模型參數(shù)為支撐,因此文中決定通過對戰(zhàn)斗機和導彈機動過程的分析,給出一種簡化的機動建模方法。

1.1 戰(zhàn)斗機機動模型

根據(jù)文獻[11],戰(zhàn)斗機在空戰(zhàn)中常用7種常規(guī)機動方式:最大加速平飛;最大減速平飛;最大過載爬升;最大過載俯沖;最大過載左轉(zhuǎn);最大過載右轉(zhuǎn);穩(wěn)定飛行。因此,對戰(zhàn)斗機機動過程可通過指定戰(zhàn)斗機的機動性能和各階段的機動參數(shù)進行模擬。表1詳細列舉了這些模型參數(shù):

表1 戰(zhàn)斗機機動模型參數(shù)

表1中:

1)最大加速度包括:加速平飛加速度a1、減速平飛加速度a2、爬升轉(zhuǎn)向加速度a3、俯沖轉(zhuǎn)向加速度a4和水平轉(zhuǎn)彎加速度a5。

2)速度極值包括:最大和最小平飛速度v1、v2。

3)機動方式參數(shù)應(yīng)取值于前述7種常見機動方式,其中,當選擇最大過載爬升或最大過載俯沖方式時,還應(yīng)指定爬升或俯沖的角度φ1、φ2。

4)機動階段的結(jié)束可有時間、速度、高度和角度四種觸發(fā)條件。其中,時間條件是指階段在指定時間Tend結(jié)束;速度條件是指平飛速度達到指定值Vend時階段結(jié)束;高度條件是指戰(zhàn)斗機的位置達到指定高度Hend時,爬升或俯沖結(jié)束;角度條件是指戰(zhàn)斗機的速度方向達到指定角度θend時,轉(zhuǎn)彎機動結(jié)束。

勻加速直線飛行(包括最大加速平飛、最大減速平飛和穩(wěn)定飛行)的機動軌跡按下式計算:

(1)

最大過載爬升/俯沖的機動過程分為三個階段,一是改變速度傾角的勻速圓周運動,其運動軌跡按式(2)計算;二是定傾角的爬升或俯沖運動,其軌跡按式(1)計算;三是恢復平飛狀態(tài),該過程是第一階段的逆過程,其運動軌跡仍按式(2)計算。

(2)

最大過載轉(zhuǎn)彎的機動軌跡按式(3)計算:

(3)

式中：S和v分別為戰(zhàn)斗機的位置矢量和速度矢量;φ表示瞬時俯仰角;θ表示瞬時水平方向角,按式(4)計算;帶有上標“′”的變量表示這些變量在下一仿真步長的取值;a表示平飛、爬升或俯沖、轉(zhuǎn)彎的過載加速度;ΔT表示仿真步長。

(4)

1.2 導彈機動模型

根據(jù)文獻[12],空地導彈的飛行軌跡可分為拋撒段、下滑段、平飛段和俯沖段四個階段。表2列出了空地導彈的機動模型參數(shù)。

表2 空地導彈機動模型參數(shù)

拋撒段的運動軌跡按式(5)計算,其中g(shù)表示重力加速度:

(5)

下滑段的運動軌跡與戰(zhàn)斗機俯沖的過程類似,也可將其分成3個階段,分別用式(2)、式(1)、式(2)計算。平飛段可分為向目標轉(zhuǎn)向、勻加速直線運動和勻速直線運動三個階段,分別可用式(3)和式(1)計算。俯沖段可分為兩個俯沖轉(zhuǎn)向和加速直線俯沖兩個階段,其中俯沖轉(zhuǎn)向段的機動軌跡可按式(2)計算;加速直線俯沖段按式(1)計算。

2 數(shù)據(jù)鏈干擾模型

文獻[12-13]列舉了數(shù)據(jù)鏈通信在若干種常見干擾樣式下的誤碼率計算公式,例如在正態(tài)白噪聲干擾,相干解調(diào)的條件下,2ASK、2FSK、2PSK的誤碼率分別為:

(6)

(7)

(8)

可見,對多數(shù)通信樣式來說,信噪比SNR對誤碼率Pe都起到了重要的決定作用,且一般SNR越大,Pe越小?；谝陨峡紤],文中不再具體討論某一種通信樣式或干擾樣式,而僅對機動條件下數(shù)據(jù)鏈接收端的信噪比進行分析。

設(shè)戰(zhàn)斗機和導彈上搭載的數(shù)據(jù)鏈終端的發(fā)射功率和天線主瓣增益分別為Pa、Pm和Ga、Gm,干擾機的發(fā)射功率和天線主瓣增益分別為PJ和GJ,考慮自由空間傳播的簡化情況,則機載數(shù)據(jù)鏈的通信信號接收功率為:

(9)

式中:Ram表示導彈和戰(zhàn)斗機之間的距離,可通過第2節(jié)的導彈機動軌道模型求出;λ表示信號波長。對應(yīng)的干擾信號接收功率為:

(10)

式中:RaJ表示干擾機與戰(zhàn)斗機之間的距離;ηJ表示對機載和彈載數(shù)據(jù)鏈的干擾損耗率;Ga(θa)表示機載數(shù)據(jù)鏈天線在干擾機方向的天線增益;θa表示干擾機方向相對機載數(shù)據(jù)鏈天線主瓣方向的夾角。

則機載的接收信噪比為:

(11)

同理,可得彈載數(shù)據(jù)鏈的接收信干比為:

(12)

式中：KTΔfF表示數(shù)據(jù)鏈接收設(shè)備的內(nèi)部噪聲,它可看作是僅與電子設(shè)備技術(shù)性能有關(guān)的常數(shù)。

根據(jù)文獻[9],現(xiàn)代導彈數(shù)據(jù)鏈廣泛采用天線波束控制和自適應(yīng)調(diào)零技術(shù),它能夠?qū)⑻炀€波束匯聚成很窄的針狀,并根據(jù)戰(zhàn)斗機或?qū)椀娘w行狀態(tài),實時將波束對準通信目標。對此,我們將天線增益簡化為式(13)所示模型:

(13)

而干擾機方向與機載或彈載數(shù)據(jù)鏈天線主瓣方向的夾角可按下式計算:

(14)

(15)

3 仿真實例

3.1 機動仿真

令戰(zhàn)斗機的初始位置為(0,0,5 000 m),初速度為(800 km/h,0,0),地面目標的位置為(50 km,50 km,0)。0 s時,戰(zhàn)斗機發(fā)射一枚空地導彈,其機動模型參數(shù)如下:拋撒段持續(xù)10 s;俯沖傾角為-30°,俯沖結(jié)束高度為1 000 m,俯沖轉(zhuǎn)向加速度為100 m/s2,爬升轉(zhuǎn)向加速度為50 m/s2,水平轉(zhuǎn)彎加速度為2 m/s2,水平直線加速度為30 m/s2,俯沖攻擊距離為5 km。戰(zhàn)斗機的機動過程為:導彈發(fā)射后,繼續(xù)穩(wěn)定平飛30 s;然后向目標方向轉(zhuǎn)彎;再向目標方向穩(wěn)定平飛10 s;接著,以-20°傾角俯沖下降到4 000 m高度;再向目標方向穩(wěn)定平飛15 s;然后,左轉(zhuǎn)彎到與初速相反的方向,即-90°;最后沿該方向穩(wěn)定平飛至仿真結(jié)束。戰(zhàn)斗機的性能參數(shù)如下:俯沖轉(zhuǎn)向加速度為10 m/s2,爬升轉(zhuǎn)向加速度為5 m/s2,水平轉(zhuǎn)彎加速度為10 m/s2。則戰(zhàn)斗機與導彈的機動仿真結(jié)果如圖1所示。

3.2 數(shù)據(jù)鏈干擾仿真

圖1 空地導彈與戰(zhàn)斗機的機動軌跡仿真

假設(shè)使干擾有效的信噪比門限為SNRmin=10 dB,則由圖可見,在第198 s干擾機對機載數(shù)據(jù)鏈達成有效干擾,而對彈載數(shù)據(jù)鏈,則需在第225 s后才能干擾有效,雖然機載終端發(fā)射功率相較彈載終端更大,但也距地面更遠,在自由空間波傳播損耗下,機載終端的信噪比始終小于彈載終端。圖2(a)中,信噪比在197 s時有個跳變,這主要是因為隨著導彈逐漸接近目標,干擾信號開始進入機載數(shù)據(jù)鏈的天線主瓣;圖2(b)中,200 s后信噪比以越來越大的斜率加速減小,這主要是因為隨著導彈接近目標,彈載數(shù)據(jù)鏈接收到的干擾功率急劇增加。對比圖2(a)、圖2(b)可見,在本例情況下,為了盡早達成對導彈數(shù)據(jù)鏈的有效干擾,應(yīng)以導彈發(fā)射平臺戰(zhàn)斗機為主要干擾目標。

3.3 配置位置優(yōu)化

圖3給出了一個直觀形象的空地導彈數(shù)據(jù)鏈干擾示意圖。由圖可見,通過合理選擇干擾機的配置位置,可使干擾波束進入數(shù)據(jù)鏈天線主瓣波束的時間提前。顯然,有效干擾的總時間越長,對其空地攻擊的破壞效果也就越大。

圖3 空地導彈數(shù)據(jù)鏈干擾原理示意圖

圖4 總有效干擾時間與干擾機配置位置的關(guān)系

對此,我們以總有效干擾時間T為效能指標,對保衛(wèi)目標周邊40 km×40 km的區(qū)域以5 km為步長做均勻采樣仿真,結(jié)果如圖4所示。

由此可見,將干擾機配置在(35 km,65 km,0)位置處能夠取得最大的總有效干擾時間;而從總體上看,將干擾機配置在保衛(wèi)目標的西北方位能夠取得更好的干擾效果。

4 結(jié)論

導彈的高速機動造成的通信環(huán)境急劇變化是導彈數(shù)據(jù)鏈與衛(wèi)星、艦船等其他平臺數(shù)據(jù)鏈的主要區(qū)別。對此,文中將導彈機動和數(shù)據(jù)鏈干擾的仿真結(jié)合了起來,仿真結(jié)果能夠直觀顯示干擾效果在整個作戰(zhàn)過程中的動態(tài)變化。通過仿真實例可以看出,相比彈載終端,對機載終端的干擾往往能夠取得更大的總有效干擾時間。

文中的研究重點主要在于將機動仿真與干擾仿真結(jié)合起來,但所建立的模型都是理想化的簡化模型。當考慮更細致的實體運動姿態(tài)以及干擾信號樣式特征時,則需對這些仿真模型做進一步的深入細化,這將在下一步研究中繼續(xù)展開。