敵我識別偵察系統(tǒng)性能需求分析

邱宏坤,楊建波,劉 鵬

（空軍航空大學(xué),長春 130022）

0 引 言

敵我識別器（IFF）是對雷達所探測、發(fā)現(xiàn)目標進行敵我屬性識別、形成完整戰(zhàn)場態(tài)勢的主要實戰(zhàn)裝備,在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中起著舉足輕重的作用。敵我識別系統(tǒng)偵察是指通過對敵方IFF信號的偵收、識別與定位,引導(dǎo)敵我識別干擾平臺對敵方IFF系統(tǒng)進行攻擊、干擾或破壞等綜合對抗活動。敵我識別偵察系統(tǒng)性能需求分析,從作戰(zhàn)使用需求出發(fā),依據(jù)現(xiàn)實條件確定對敵我識別偵察系統(tǒng)的能力需求。

1 需求分析的方法

對電子戰(zhàn)系統(tǒng)進行性能需求分析的方法主要分為基于偵察系統(tǒng)功能和基于偵察系統(tǒng)信號的仿真分析方法。

（1）偵察系統(tǒng)功能仿真

功能仿真又稱作系統(tǒng)截獲信號能力仿真或系統(tǒng)方案仿真,它主要用于偵察系統(tǒng)總體方案設(shè)計階段,以尋找最佳偵察系統(tǒng)方案為目的。偵察系統(tǒng)功能仿真僅考慮信號在探測、截獲、存儲等方面能否與實際的輸入信號相匹配,而不涉及各分系統(tǒng)的具體構(gòu)成及具體的處理步驟。以敵我識別偵察系統(tǒng)為例,偵察系統(tǒng)功能仿真是以敵我識別系統(tǒng)信號傳輸方程為理論基礎(chǔ)。

（2）偵察系統(tǒng)信號仿真

偵察系統(tǒng)信號仿真是指通過對裝備的核心部件（比如偵察接收機、信號處理機等）進行仿真,實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)流動與處理的動態(tài)閉環(huán)仿真,較真實地重現(xiàn)了偵察系統(tǒng)的信號工作流程。以敵我識別偵察系統(tǒng)為例,信號仿真需仿真電磁環(huán)境中有可能被偵察接收機截獲到的各種敵我識別信號及其它雷達通信信號（信號特征包括波形、載頻、頻譜、功率強度等）,同時通過對信號的分選、識別和定位算法實現(xiàn)對偵察系統(tǒng)的性能分析。

敵我識別系統(tǒng)性能需求分析主要從偵察系統(tǒng)的截獲能力方面,即從空間、能量和頻率上來考慮,提出系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)及技術(shù)性能指標。在能量上分析偵察系統(tǒng)的偵察靈敏度,采用了基于功能的仿真方法,功能仿真過程中不需要詳細了解每個信號經(jīng)過接收機各級后的幅度、頻率及相位特性,大大簡化了系統(tǒng)建模工作。

2 偵察系統(tǒng)空域覆蓋范圍

敵我識別系統(tǒng)由詢問機和應(yīng)答機組成,詢問機發(fā)射詢問信號,應(yīng)答機接收到詢問信號后,解碼確認后發(fā)射應(yīng)答信號。詢問機和應(yīng)答機之間通過“一問一答”的形式完成一次識別,所以說對敵我識別系統(tǒng)的偵察分為對詢問機信號和應(yīng)答機信號的偵察。

2.1 對詢問機的偵察

詢問機通常同一次雷達配合使用,對一次雷達探測的目標進行詢問和識別,并將識別的“友”、“敵”信息顯示在一次雷達的顯示器上。當(dāng)一次雷達發(fā)現(xiàn)目標后,詢問機向目標發(fā)射一串經(jīng)過加密的詢問信號,如目標是己方的且裝有應(yīng)答機,應(yīng)答機將對詢問信號進行解碼,并自動轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)答信號。詢問機對應(yīng)答信號進行解碼后,輸出一個識別標志給一次雷達顯示器,與該目標回波同時顯示,如圖1所示。

圖1 雷達顯示器上目標回波和識別信號示意圖

由圖1可知詢問機只對雷達已探測到的目標發(fā)射詢問信號,進行詢問和識別。這就給詢問信號的偵察造成了很大的難度,偵察平臺很難對準詢問機主瓣進行偵察,只能通過旁瓣實現(xiàn)偵察,如圖2所示。

圖2 IFF詢問機旁瓣偵察示意圖

對詢問機進行旁瓣偵察,要求偵察系統(tǒng)具有360°的方位覆蓋,采用全向天線進行偵察,以盡可能地偵收到詢問機信號。全向偵察天線增益很小,偵察體制又為旁瓣偵察,對系統(tǒng)偵察靈敏度提出了很高的要求。

2.2 對應(yīng)答機的偵察

敵我識別應(yīng)答機主要有4種工作狀態(tài):關(guān)閉狀態(tài)、值班狀態(tài)、正常工作狀態(tài)和緊急狀態(tài)。

（1）關(guān)閉狀態(tài)。應(yīng)答機置于此狀態(tài)時,控制單元將停止工作,但在一些系統(tǒng)中不支持此狀態(tài)。

（2）值班狀態(tài)。當(dāng)應(yīng)答機處于值班狀態(tài)時,系統(tǒng)電源和發(fā)射機接通,一旦接到手動或自動應(yīng)答指令后,系統(tǒng)將由值班狀態(tài)轉(zhuǎn)入正常應(yīng)答狀態(tài)。

（3）正常工作狀態(tài)。在此狀態(tài)下,系統(tǒng)將對確認后的詢問信號做出應(yīng)答。

（4）緊急狀態(tài)。當(dāng)應(yīng)答機處于此工作狀態(tài)時,系統(tǒng)只對不同模式詢問信號的緊急詢問做出應(yīng)答。

當(dāng)應(yīng)答機工作在正常工作狀態(tài)或緊急狀態(tài)時,才可實現(xiàn)對敵我識別應(yīng)答信號的偵察,由于應(yīng)答機采用全向天線,所以說各個角度很容易實現(xiàn)對應(yīng)答信號的偵察。以空基應(yīng)答機為例,應(yīng)答機可覆蓋方位φ=360°,俯仰 θ=±30°的空間范圍,如圖3所示。

圖4表示的是不同仰角應(yīng)答機天線增益（以dB為單位）,從圖中可以看出應(yīng)答天線俯仰覆蓋大致為θ=±30°的空間范圍,俯仰角大于±30°的情況下,天線增益會出現(xiàn)損耗,仰角越大損耗越大。

圖3 應(yīng)答機應(yīng)答天線空間覆蓋范圍

圖4 不同仰角應(yīng)答機天線增益

為保證偵察平臺的安全,一般情況下對應(yīng)答機信號的偵察需在較遠的距離上進行,也就是做到遠距離偵察。所以偵察平臺很容易落到應(yīng)答天線θ=±30°的空間范圍內(nèi),不會出現(xiàn)天線增益損耗。同時為保證對應(yīng)答機很好的一個空間覆蓋,在偵察天線的設(shè)計中也需要有一定的俯仰空間覆蓋,可設(shè)為θ=±30°。

3 偵察系統(tǒng)靈敏度

實現(xiàn)信號偵收的最基本條件之一就是必須要有足夠強的輻射源信號能量進入偵察系統(tǒng),其中足夠強的含義就是指偵收信號能量要高于偵察系統(tǒng)的靈敏度Prmin。

3.1 偵察鏈路損耗

圖5描述的是從信號的發(fā)射到偵察系統(tǒng)的接收,信號功率鏈路傳輸過程（以dB形式表示）。從圖中可以得到從信號的發(fā)射到偵察系統(tǒng)接收的功率,若使偵察系統(tǒng)能有效地偵測到信號,偵察系統(tǒng)的靈敏度要小于信號從發(fā)射到偵察系統(tǒng)接收的最小功率。

圖5 信號傳輸鏈路傳輸路徑

式中:f為信號頻率；R為偵察距離。

考慮到有關(guān)饋線和裝置損耗條件下,損耗L約為11.7～13.5 dB。具體損耗如下:

（1）從發(fā)射機到發(fā)射天線之間的饋線損耗≈3.5 dB；

（2）發(fā)射天線波束非矩形損失≈1.6～2 dB；

（3）偵察天線波束非矩形損失≈1.6～2 dB；

（4）偵察天線增益在寬頻帶內(nèi)變化所引起的損失≈2～3 dB；

（5）偵察天線與接收信號極化失配損失≈3 dB。

所以可以得到偵察天線對準敵我識別系統(tǒng)天線主瓣進行偵察時,所需偵察系統(tǒng)靈敏度為:

3.2 詢問信號偵察靈敏度

敵我識別系統(tǒng)典型詢問功率為2 000 W,發(fā)射天線增益為 30 dB左右,詢問信號頻率為1 030 MHz,饋線和裝置損耗設(shè)為14 dB,代入式（3）,可得出偵察距離為R主瓣偵察所需系統(tǒng)靈

設(shè)接收到發(fā)射信號的最小功率即為偵察系統(tǒng)的靈敏度,可得系統(tǒng)靈敏度計算:

式中:Prmin為偵察系統(tǒng)靈敏度；Pt為發(fā)射功率；Gt為發(fā)射天線增益；Lf為空間路徑損耗；L為饋線和裝置損耗。

Lf為自由空間傳輸路徑損耗:敏度:

對詢問信號的偵察采用了旁瓣偵察的方法,詢問波束旁瓣的天線增益要比主瓣增益低很多,大約為30 dB左右。

可以得出偵察距離為R,對敵我識別系統(tǒng)實施旁瓣偵察時所需系統(tǒng)靈敏度為:

取偵察距離分別為100 km、200 km、300 km、400 km,對敵我識別系統(tǒng)詢問機實施旁瓣偵察所需系統(tǒng)靈敏度如表1所示。

表1 不同距離詢問信號偵察系統(tǒng)靈敏度

3.3 應(yīng)答信號偵察靈敏度

敵我識別系統(tǒng)典型應(yīng)答發(fā)射功率為500 W,應(yīng)答天線為全向天線（天線增益可設(shè)為0 dB）,詢問信號頻率為1 090 MHz,饋線和裝置損耗設(shè)為14 dB,代入式（3）,可得出偵察距離為R所需系統(tǒng)靈敏度:

取偵察距離分別為100 km、200 km、300 km、400 km,對敵我識別系統(tǒng)應(yīng)答機實施偵察所需系統(tǒng)靈敏度如表2所示。

表2 不同距離應(yīng)答信號偵察系統(tǒng)靈敏度

綜合偵察系統(tǒng)對敵我識別詢問及應(yīng)答信號的系統(tǒng)靈敏度,在設(shè)計敵我識別偵察系統(tǒng)時,偵察系統(tǒng)靈敏度應(yīng)設(shè)為-100 dBm,或更小。

4 偵察接收機工作體制

從第二次世界大戰(zhàn)IFF系統(tǒng)出現(xiàn)以來,IFF系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)歷了60多年的發(fā)展歷程,最具代表性的IFF系統(tǒng)主要有MARK Ⅹ、MARK Ⅻ、MARK ⅫA和S模式,其主要的技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 敵我識別系統(tǒng)及其技術(shù)參數(shù)

從表3可看出,敵我識別系統(tǒng)工作頻率固定:詢問頻率1 030 MHz,應(yīng)答頻率1 090 MHz,但系統(tǒng)工作模式復(fù)雜,信號調(diào)制樣式多樣。

偵察系統(tǒng)若要實現(xiàn)對敵我識別系統(tǒng)的偵察,需要在偵察頻段上覆蓋敵我識別系統(tǒng)的工作頻率。MARK和MARK系統(tǒng)信號調(diào)制方式為PAM調(diào)制,所占頻率帶寬較窄；而Mode S和MARK A系統(tǒng)采用擴頻調(diào)制技術(shù),工作頻段較寬,尤其是MARK A系統(tǒng)Mode 5采用基于Walsh編碼的軟擴頻技術(shù),調(diào)制方式為最小頻移鍵控（MSK）調(diào)制,碼速率為16 MHz,所以需要頻帶較寬的接收機才能實現(xiàn)對信號的完全接收,頻率上達到偵察系統(tǒng)的要求。圖6為采用雙通道體制的偵察系統(tǒng)接收機工作原理框圖。

圖6 偵察接收機工作原理框圖

偵察系統(tǒng)通過天線收到頻率為1 030/1 090 MHz的詢問信號后,通過混頻器把信號頻率降為60 MHz的中頻信號。中頻信號的處理采用雙通道體制,分別為窄帶通道和寬帶通道,窄帶與寬帶通道的運用使得系統(tǒng)具有同時處理所有模式信號的能力。

窄帶通道中,帶通濾波器1的帶寬為10 MHz,用來處理信號調(diào)制方式為PAM的Mode1,2,3/A,4信號和調(diào)制方式為DPSK/PPM的Mode S信號；寬帶通道中,帶通濾波器2的帶寬為20 MHz,用來處理信號調(diào)制方式為MSK的Mode 5信號。

5 結(jié)束語

本文從偵察系統(tǒng)的截獲能力上,提出了敵我識別偵察系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)及技術(shù)指標,對敵我識別偵察系統(tǒng)設(shè)計需求分析有一定的參考價值。但僅從功能上來考慮偵察系統(tǒng)的截獲能力是不夠準確的,基于信號的仿真可更為細致地分析系統(tǒng)的工作流程,可為敵我識別偵察系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)需求提供更為可靠的依據(jù)。

[1] 王雪松,肖順平,馮德軍,等.現(xiàn)代雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)建模與仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

[2] 王國玉,汪連棟.雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真與評估[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004.

[3] 董陽春,莫翠瓊,羅衛(wèi)星.對二次雷達敵我識別系統(tǒng)的高重頻詢問干擾研究[J].電子對抗,2008（2）:30-33.

[4] US.Department of Defense.Technical Standard for the ATCRBS/IFF/Mark XII A Electronic Identification System and Military Implementation of Mode S.AIMS 03-1000A[R].US.DoD,2006.

[5] 馮小平,李鵬,楊紹全.通信對抗原理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2009.

[6] 趙國慶.雷達對抗原理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1999.

[7] Combined Communications-Electronics Board.IFF/SIF Operational Procedures.ACP 160[R].CCEB,2007.

[8] Coniglione Joseph P,Holbrook.Multi-mode IFF Receiver Architecture[P].USA:6885695B1,2005-04-26.