宋衛(wèi)東,馬 寧,李建華,李 康,李云鑫

(1.上海無(wú)線電設(shè)備研究所,上海 201109；2.上海航天精密機(jī)械研究所,上海 201699)

0 引言

現(xiàn)代作戰(zhàn)中,飛機(jī)在被敵方雷達(dá)跟蹤時(shí)及時(shí)投放出一個(gè)或多個(gè)有源雷達(dá)誘餌,只要保證誘餌特性滿足敵方雷達(dá)跟蹤的要求,敵方雷達(dá)就有可能放棄跟蹤真正的飛機(jī)目標(biāo),轉(zhuǎn)而跟蹤誘餌。這類(lèi)誘餌被稱(chēng)為有源投擲式誘餌。為了對(duì)抗有源投擲式誘餌干擾,在防空導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)研制過(guò)程中,需要進(jìn)行抗有源投擲式誘餌干擾半實(shí)物仿真,驗(yàn)證導(dǎo)引頭抗干擾性能。

王明等研究了轉(zhuǎn)發(fā)式投擲式雷達(dá)干擾機(jī)工作原理,葛悅濤等研究了小型空射誘餌彈(miniature air-launched decoy,MALD)的技術(shù)指標(biāo)及4種作戰(zhàn)樣式,徐剛等研究了MALD 的發(fā)展過(guò)程和使用情況,尹航等介紹了多種國(guó)外MALD 和5種作戰(zhàn)模式,張興利等研究了雷達(dá)型導(dǎo)彈抗拖曳式誘餌干擾半實(shí)物仿真試驗(yàn)技術(shù),趙超等研究了反艦導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭干擾對(duì)抗性能分析評(píng)估的數(shù)學(xué)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)方法,韋宇祥等研究了靜態(tài)導(dǎo)引頭抗干擾半實(shí)物仿真試驗(yàn)方法。上述文獻(xiàn)分別研究了空射及拖曳式誘餌干擾技術(shù)和導(dǎo)引頭半實(shí)物仿真技術(shù),但是在導(dǎo)引頭抗投擲式誘餌干擾半實(shí)物仿真方面沒(méi)有涉及,本文主要展開(kāi)相關(guān)技術(shù)研究。

1 導(dǎo)引頭抗干擾半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)

利用導(dǎo)引頭半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)完成導(dǎo)引頭抗投擲式誘餌干擾半實(shí)物仿真。導(dǎo)引頭半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)主要由仿真總控子系統(tǒng)、陣列饋電子系統(tǒng)及饋電控制設(shè)備、目標(biāo)/干擾模擬源、轉(zhuǎn)臺(tái)及控制設(shè)備、導(dǎo)引頭測(cè)試設(shè)備等組成。導(dǎo)引頭半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 導(dǎo)引頭半實(shí)物仿真系統(tǒng)構(gòu)成圖

目標(biāo)/干擾模擬源接收到仿真總控子系統(tǒng)給出的目標(biāo)回波及干擾信號(hào)的樣式、功率、頻率和延時(shí)等參數(shù),生成相應(yīng)的目標(biāo)回波和干擾信號(hào),然后將信號(hào)傳送到陣列饋電子系統(tǒng)。陣列饋電子系統(tǒng)接收到仿真總控子系統(tǒng)給出的偏航角和俯仰角控制指令后,使線饋進(jìn)來(lái)的目標(biāo)回波和干擾信號(hào)在相應(yīng)的角度輸出。轉(zhuǎn)臺(tái)接收到仿真總控子系統(tǒng)給出的偏航角、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角的控制指令后,帶動(dòng)導(dǎo)引頭轉(zhuǎn)動(dòng)到指定位置。在一般的半實(shí)物仿真中,為便于設(shè)計(jì)仿真和處理結(jié)果數(shù)據(jù),可使轉(zhuǎn)臺(tái)保持零位,僅通過(guò)陣列饋電子系統(tǒng)模擬目標(biāo)和干擾的角度變化。

導(dǎo)引頭測(cè)試設(shè)備給導(dǎo)引頭上電,并向?qū)б^發(fā)送預(yù)裝參數(shù)和控制指令,導(dǎo)引頭接收目標(biāo)回波和干擾信號(hào),通過(guò)信號(hào)處理,得到探測(cè)結(jié)果,并輸出至導(dǎo)引頭測(cè)試設(shè)備,供試驗(yàn)人員分析和保存。

2 導(dǎo)引頭抗干擾半實(shí)物仿真輸入?yún)?shù)計(jì)算

為了開(kāi)展導(dǎo)引頭抗干擾半實(shí)物仿真試驗(yàn),需要在半實(shí)物仿真試驗(yàn)前,通過(guò)數(shù)字仿真計(jì)算出半實(shí)物仿真的輸入?yún)?shù)。

在真實(shí)的作戰(zhàn)場(chǎng)景中,導(dǎo)彈、目標(biāo)和干擾相對(duì)運(yùn)動(dòng),隨著目標(biāo)和干擾相對(duì)導(dǎo)引頭角度的持續(xù)變化,目標(biāo)回波和干擾信號(hào)的功率、頻率等參數(shù)也持續(xù)變化。在防空導(dǎo)彈導(dǎo)引頭抗干擾半實(shí)物仿真過(guò)程中,需要將目標(biāo)和干擾的變化過(guò)程通過(guò)半實(shí)物仿真系統(tǒng)模擬出來(lái),因此需要計(jì)算目標(biāo)和干擾的位置及信號(hào)參數(shù)作為半實(shí)物仿真系統(tǒng)的輸入,模擬干擾釋放過(guò)程中導(dǎo)引頭面臨的動(dòng)態(tài)變化的電磁環(huán)境。

首先需要設(shè)計(jì)干擾場(chǎng)景,干擾場(chǎng)景確定了仿真的基本信息。根據(jù)雷達(dá)導(dǎo)引頭體制的不同,可分為半主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭、主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭、被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭抗干擾場(chǎng)景；根據(jù)作戰(zhàn)環(huán)境不同,可分為地面、海面、空中場(chǎng)景；根據(jù)導(dǎo)彈飛行高度不同,可分為高空、中空、低空?qǐng)鼍?；根?jù)彈目交會(huì)過(guò)程不同,可分為迎頭攻擊、尾追攻擊場(chǎng)景。干擾場(chǎng)景設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)確定導(dǎo)引頭體制、導(dǎo)引頭參數(shù)、作戰(zhàn)環(huán)境、彈目飛行數(shù)據(jù)、彈目交會(huì)方式、目標(biāo)參數(shù)、干擾樣式、干擾釋放過(guò)程、干擾信號(hào)參數(shù)等干擾場(chǎng)景參數(shù),明確試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

確定干擾場(chǎng)景后,設(shè)計(jì)數(shù)字仿真程序計(jì)算半實(shí)物仿真系統(tǒng)的輸入?yún)?shù),并將彈道數(shù)據(jù)作為數(shù)字仿真輸入。彈道數(shù)據(jù)是指通過(guò)仿真或者外場(chǎng)試驗(yàn)得到的導(dǎo)彈和目標(biāo)在每一時(shí)刻的坐標(biāo)。設(shè)導(dǎo)引頭坐標(biāo)為((),(),()),目標(biāo)坐標(biāo)為((),(),())。根據(jù)干擾場(chǎng)景確定干擾釋放時(shí)機(jī)、位置及干擾后續(xù)運(yùn)動(dòng)特征,結(jié)合彈道數(shù)據(jù)中目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡,通過(guò)數(shù)字仿真,計(jì)算得到干擾在每一時(shí)刻的坐標(biāo)((),(),())。根據(jù)目標(biāo)與導(dǎo)引頭每一時(shí)刻的坐標(biāo),可以計(jì)算出目標(biāo)相對(duì)導(dǎo)引頭的距離。同理,可得干擾相對(duì)導(dǎo)引頭的距離。

目標(biāo)相對(duì)導(dǎo)引頭的偏航角()和俯仰角()計(jì)算式為

根據(jù)式(1)和式(2)可計(jì)算出目標(biāo)相對(duì)導(dǎo)引頭每一時(shí)刻的俯仰角和偏航角。同理,可計(jì)算干擾相對(duì)導(dǎo)引頭的俯仰角和偏航角。對(duì)目標(biāo)和干擾的俯仰角及偏航角進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,可得到半實(shí)物仿真系統(tǒng)陣列饋電子系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)。

根據(jù)雷達(dá)方程,半實(shí)物仿真中導(dǎo)引頭接收到的陣列天線發(fā)射的功率

對(duì)半主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭,設(shè)定地面照射雷達(dá)的發(fā)射功率和發(fā)射天線增益,以及導(dǎo)引頭接收天線的增益和目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積(RCS),根據(jù)雷達(dá)方程可得到半主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭接收到的目標(biāo)回波功率

式中:為地面雷達(dá)發(fā)射功率；為地面雷達(dá)發(fā)射天線增益；為目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積；為目標(biāo)與地面雷達(dá)之間的距離。

半實(shí)物仿真中用陣列天線模擬目標(biāo),根據(jù)式(3)和式(4),有

化簡(jiǎn)式(5),得到模擬半主動(dòng)制導(dǎo)模式下目標(biāo)回波時(shí)的陣列饋電天線發(fā)射功率

對(duì)主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭,設(shè)定導(dǎo)引頭發(fā)射功率、天線增益、目標(biāo)RCS,根據(jù)雷達(dá)方程可得到主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭接收到的目標(biāo)回波功率

半實(shí)物仿真中用陣列天線模擬目標(biāo),根據(jù)式(5)和式(7),有

化簡(jiǎn)式(8),得到模擬主動(dòng)制導(dǎo)模式下目標(biāo)回波時(shí)的陣列饋電天線發(fā)射功率

針對(duì)干擾,設(shè)定干擾機(jī)發(fā)射功率、發(fā)射天線增益,再結(jié)合導(dǎo)引頭接收增益,可計(jì)算出導(dǎo)引頭接收到的干擾信號(hào)功率

式中:為干擾機(jī)的發(fā)射功率；為干擾機(jī)的發(fā)射天線增益；為干擾機(jī)與導(dǎo)引頭之間的距離。

半實(shí)物仿真中用陣列天線模擬干擾機(jī),根據(jù)式(3)和式(10),有

化簡(jiǎn)式(11),得到模擬干擾信號(hào)時(shí)的陣列饋電天線發(fā)射功率

根據(jù)目標(biāo)與導(dǎo)引頭每一時(shí)刻的坐標(biāo),可以計(jì)算出目標(biāo)相對(duì)導(dǎo)引頭的徑向速度,根據(jù)多普勒頻率計(jì)算公式

可計(jì)算目標(biāo)相對(duì)導(dǎo)引頭的多普勒頻率。同理,可計(jì)算干擾相對(duì)導(dǎo)引頭的多普勒頻率。

對(duì)主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭,已知目標(biāo)與導(dǎo)引頭之間的距離,根據(jù)距離與延時(shí)的關(guān)系,可以計(jì)算目標(biāo)回波信號(hào)到達(dá)導(dǎo)引頭的延時(shí)

式中:為電磁波傳播速度。同理,可計(jì)算干擾信號(hào)到達(dá)導(dǎo)引頭的延時(shí)。

對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)和干擾信號(hào)的功率、頻率、延時(shí)等信息進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,可得到目標(biāo)/干擾模擬源的輸入?yún)?shù)。

3 導(dǎo)引頭抗投擲式誘餌干擾半實(shí)物仿真輸入?yún)?shù)設(shè)計(jì)

3.1 場(chǎng)景設(shè)計(jì)

投擲式誘餌干擾的干擾場(chǎng)景設(shè)計(jì)需確定投擲式誘餌干擾的運(yùn)動(dòng)模型。載機(jī)自衛(wèi)是投擲式誘餌干擾的常用場(chǎng)景,主要用于載機(jī)已被對(duì)方雷達(dá)跟蹤的場(chǎng)景。載機(jī)投擲出有源雷達(dá)誘餌干擾,對(duì)方雷達(dá)轉(zhuǎn)而跟蹤誘餌,載機(jī)擺脫雷達(dá)跟蹤。為了確保誘餌剛剛投擲出去時(shí),和目標(biāo)同在雷達(dá)速度跟蹤波門(mén)內(nèi),誘騙雷達(dá)跟蹤誘餌,使雷達(dá)速度波門(mén)跟著誘餌速度變化,一般是向前或向側(cè)前方投擲。誘餌的初始速度與載機(jī)速度一致,有的誘餌會(huì)裝置火箭助推器,用以保持誘餌速度,有的誘餌則做無(wú)助推的拋物運(yùn)動(dòng)。

有源投擲式誘餌發(fā)射的干擾信號(hào),通常是由載機(jī)或誘餌接收到的敵方雷達(dá)發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制,生成的假目標(biāo)信號(hào)。該信號(hào)由干擾發(fā)射機(jī)釋放,且保證干擾信號(hào)到達(dá)導(dǎo)引頭接收機(jī)的功率大于目標(biāo)回波信號(hào)到達(dá)導(dǎo)引頭接收機(jī)的功率。

假設(shè)干擾場(chǎng)景為單個(gè)有源投擲式誘餌干擾。誘餌干擾投放方向與載機(jī)飛行方向一致,投放后沒(méi)有助推,初始速度與載機(jī)速度一致,僅考慮氣動(dòng)力和重力做拋物運(yùn)動(dòng),載機(jī)和導(dǎo)彈呈迎頭攔截狀態(tài)。

3.2 位置參數(shù)計(jì)算

以某一典型彈道參數(shù)作為數(shù)字仿真輸入,計(jì)算半實(shí)物仿真位置參數(shù)。首先通過(guò)仿真給出導(dǎo)彈、目標(biāo)和干擾的位置量,這些量與導(dǎo)引頭探測(cè)體制無(wú)關(guān),是導(dǎo)彈相對(duì)目標(biāo)和干擾的物理位置的量,包括目標(biāo)相對(duì)導(dǎo)彈的距離、角度,干擾相對(duì)導(dǎo)彈的距離、角度。

在典型彈道中,導(dǎo)彈從地面發(fā)射,先高拋,然后下扎,導(dǎo)彈與目標(biāo)呈迎頭攔截狀態(tài),目標(biāo)沿方向做水平運(yùn)動(dòng)。設(shè)仿真時(shí)間為,目標(biāo)載機(jī)在時(shí)刻向前施放投擲式誘餌干擾。干擾初始位置即為目標(biāo)在時(shí)刻的位置,干擾初速度方向與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向一致,即方向。設(shè)目標(biāo)速度在三個(gè)方向上的分量分別為,,,干擾速度在三個(gè)方向上的分量分別為,,,干擾加速度在三個(gè)方向上的分量分別為,,。 干擾在方向受運(yùn)動(dòng)方向的空氣阻力,方向空氣阻力可以忽略,在方向受重力和氣動(dòng)浮力合力。則干擾在三個(gè)方向上的速度為

在干擾的初始位置基礎(chǔ)上,加上三個(gè)方向上干擾的速度分量對(duì)時(shí)間的積分,即可得到干擾在每一時(shí)刻的坐標(biāo)。通過(guò)仿真得到導(dǎo)彈、目標(biāo)及干擾的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示。

圖2 導(dǎo)彈、目標(biāo)及干擾的運(yùn)動(dòng)軌跡

根據(jù)導(dǎo)彈、目標(biāo)和干擾的實(shí)時(shí)坐標(biāo),通過(guò)數(shù)字仿真,可得到目標(biāo)及干擾相對(duì)導(dǎo)彈在每一時(shí)刻的俯仰角和偏航角,分別如圖3和圖4所示。

圖3 目標(biāo)相對(duì)導(dǎo)彈的俯仰角及偏航角

圖4 干擾相對(duì)導(dǎo)彈的俯仰角和偏航角

根據(jù)導(dǎo)彈、目標(biāo)和干擾的實(shí)時(shí)坐標(biāo),通過(guò)數(shù)字仿真,可得到每一時(shí)刻導(dǎo)彈相對(duì)目標(biāo)及干擾的距離,分別如圖5和圖6所示。

圖5 導(dǎo)彈相對(duì)目標(biāo)的距離

圖6 導(dǎo)彈相對(duì)干擾的距離

下面針對(duì)不同體制的導(dǎo)引頭,進(jìn)一步分析半實(shí)物仿真參數(shù)。

3.3 主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭半實(shí)物仿真參數(shù)計(jì)算

設(shè)主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭發(fā)射天線功率為300 W,發(fā)射接收天線增益為30 dB,發(fā)射信號(hào)頻率為30 GHz,目標(biāo)RCS 為1 m；干擾機(jī)發(fā)射功率為50 W,發(fā)射天線增益為5 dB。主動(dòng)模式下彈目多普勒頻率如圖7所示。

圖7 主動(dòng)模式下彈目多普勒頻率

主動(dòng)模式下導(dǎo)引頭接收目標(biāo)回波功率及回波延時(shí)分別如圖8和圖9所示。

圖8 主動(dòng)模式下導(dǎo)引頭接收目標(biāo)回波功率

圖9 主動(dòng)模式下導(dǎo)引頭接收目標(biāo)回波延時(shí)

3.4 半主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭半實(shí)物仿真參數(shù)計(jì)算

設(shè)地面照射雷達(dá)發(fā)射功率和發(fā)射天線增益積為100 dBm,發(fā)射信號(hào)頻率為10 GHz,目標(biāo)RCS為1 m；干擾機(jī)發(fā)射功率為50 W,干擾機(jī)發(fā)射天線增益為5 dB。半主動(dòng)模式下彈目多普勒頻率和目標(biāo)回波功率如圖10和圖11所示。

圖10 半主動(dòng)模式下彈目多普勒頻率

圖11 半主動(dòng)模式下導(dǎo)引頭接收目標(biāo)回波功率

3.5 干擾信號(hào)半實(shí)物仿真參數(shù)計(jì)算

半主動(dòng)模式和主動(dòng)模式導(dǎo)引頭接收到的干擾信號(hào)都是干擾機(jī)主動(dòng)輻射的信號(hào),與導(dǎo)引頭體制無(wú)關(guān)。干擾信號(hào)多普勒頻率及功率分別如圖12和圖13所示。

圖12 干擾相對(duì)導(dǎo)彈多普勒頻率

圖13 導(dǎo)引頭接收到的干擾功率

3.6 半實(shí)物仿真輸入?yún)?shù)分析

數(shù)字仿真結(jié)果包含了半實(shí)物仿真需要的目標(biāo)和干擾的信息,通過(guò)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換,即可得到半實(shí)物仿真的輸入?yún)?shù)。其中,目標(biāo)和干擾相對(duì)導(dǎo)彈的俯仰角和偏航角的數(shù)字仿真結(jié)果經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,作為陣列饋電子系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)；目標(biāo)和干擾信號(hào)的多普勒頻率、功率、主動(dòng)模式下的延時(shí)等參數(shù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,作為模擬源的輸入?yún)?shù)。

仿真過(guò)程中,仿真總控系統(tǒng)給各個(gè)子系統(tǒng)的控制指令如表1所示。

表1 仿真總控系統(tǒng)發(fā)送的仿真控制參數(shù)

在半實(shí)物仿真中,測(cè)試設(shè)備模擬彈上計(jì)算機(jī)的功能,為導(dǎo)引頭提供控制指令,導(dǎo)引頭將探測(cè)到的目標(biāo)信息回送給測(cè)試設(shè)備,供試驗(yàn)人員觀察和保存。通過(guò)對(duì)比導(dǎo)引頭探測(cè)到的目標(biāo)信息與半實(shí)物仿真系統(tǒng)輸入的目標(biāo)參數(shù),分析導(dǎo)引頭抗干擾性能。

4 結(jié)論

根據(jù)投擲式誘餌干擾與對(duì)空導(dǎo)引頭對(duì)抗原理,研究了導(dǎo)引頭抗投擲式誘餌干擾半實(shí)物仿真方法,分析了導(dǎo)引頭抗投擲式誘餌干擾半實(shí)物仿真輸入?yún)?shù)計(jì)算方法,并設(shè)計(jì)數(shù)字仿真場(chǎng)景,計(jì)算了導(dǎo)引頭抗投擲式誘餌干擾半實(shí)物仿真的輸入?yún)?shù),最后分析了數(shù)字仿真結(jié)果與半實(shí)物仿真輸入?yún)?shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。研究結(jié)果為對(duì)空導(dǎo)引頭抗投擲式誘餌干擾半實(shí)物仿真提供了參考,為導(dǎo)引頭抗干擾技術(shù)驗(yàn)證提供了支撐。