單點源模擬多點源誘偏仿真試驗方法的研究＊

王雷鋼 申緒澗 崔建嶺 張曉芬

（63892部隊 洛陽 471003）

1 引言

反輻射導彈是一種硬殺傷的電子戰(zhàn)武器，目前已經(jīng)成為戰(zhàn)場雷達的主要威脅，基于此，多種對抗反輻射導彈技術(shù)措施也相繼被應用。有源誘偏是一種相對簡單有效的抗反輻射導彈方法，能夠使來襲導彈無法瞄準目標或誘餌，從而保護目標雷達。許多國家為保護技術(shù)先進、造價昂貴的雷達系統(tǒng)還研制了專門的誘偏系統(tǒng)，我國自越南戰(zhàn)爭中美軍使用百舌鳥反輻射導彈開始，就開始重視抗ARM技術(shù)的研究，主要集中在雷達關(guān)機和雷達誘偏兩個方面。針對反輻射導彈的抗誘偏能力評估，多采用全數(shù)字仿真方法，同時針對具體的仿真過程，提出了空間分離點概念[1]，但如何在輻射式仿真系統(tǒng)進行半實物仿真試驗，尚未作具體分析。

2 輻射式仿真系統(tǒng)開展誘偏仿真試驗分析

2.1 反輻射導彈閉環(huán)仿真試驗過程

反輻射導彈工作過程是由導引頭獲取目標信息，經(jīng)處理輸出為角度偏差信號，經(jīng)制導裝置形成控制信號來驅(qū)動操縱舵面，從而改變空氣動力和力矩控制導彈的飛行姿態(tài)，通過姿態(tài)的變化來控制飛行軌跡，最終將導彈引向被攻擊目標。

圖1 反輻射導彈半實物閉環(huán)仿真試驗示意圖

在輻射式仿真系統(tǒng)內(nèi)開展仿真試驗時系統(tǒng)構(gòu)成如圖1。根據(jù)設(shè)定的戰(zhàn)情，天線陣列和饋電控制系統(tǒng)輻射出一個包括誘餌的逼真目標信號，三軸轉(zhuǎn)臺模擬反輻射導彈的角度姿態(tài)；反輻射導彈對被攻擊目標進行跟蹤，在該階段由導引頭測量目標的位置，并由制導系統(tǒng)根據(jù)所測雷達位置，產(chǎn)生對舵伺服系統(tǒng)的控制信號，該控制信號經(jīng)I／O適配計算機送入武器計算機，由武器計算機的舵伺服系統(tǒng)、空氣動力學、運動學、動力學及慣性傳感器實體／數(shù)學模型產(chǎn)生反輻射導彈的六自由度運動姿態(tài)數(shù)據(jù)，其姿態(tài)信息送導彈轉(zhuǎn)臺控制計算機。圖2為反輻射導彈半實物閉環(huán)仿真試驗信息流。

圖2 反輻射導彈半實物閉環(huán)仿真試驗信息流

2.2 內(nèi)場開展誘偏仿真試驗局限性

反輻射導引頭既要實現(xiàn)跟蹤又要搜索，所以一般采用超寬帶天線，目前反輻射導引頭覆蓋頻率為2～18GHz，所以靈敏度較低，隨著反輻射導彈逼近目標，視場角在不斷擴大，表現(xiàn)在輻射式仿真系統(tǒng)中就是模擬目標及誘餌的喇叭天線與轉(zhuǎn)臺之間的立體角度越來越大，這就需要很多的喇叭天線參與。目前的輻射式仿真系統(tǒng)多采用天線陣列的三元組天線合成來模擬目標信號／回波，通常導引頭視場角在60°左右，分辨角在12°以內(nèi)[2]，所以就反輻射導彈仿真試驗而言，就要求天線陣的范圍不能過大也不能過小，同時天線陣內(nèi)的天線數(shù)目也不能過?。〞菇悄M精度低），考慮到傳播中的大氣衰減以及饋線、元器件衰減，因此在每個天線后端都需要加功放器，這也將直接增加仿真試驗系統(tǒng)的經(jīng)濟成本。

2.3 單點源實現(xiàn)多點源可行性

反輻射導引頭因受工作模式和體積限制，天線尺寸較小，分辨角大，當在其分辨角范圍內(nèi)有多個有源誘餌時，它將跟蹤輻射源的能量中心而偏離輻射源，所以如果不考慮信號樣式和體制，僅從能量合成的角度來講，反輻射導引頭的瞄準軸總是要指向各個輻射源在反輻射導彈導引頭處合成電場強度的等相位面的法線方向，所以如果假定導引頭動態(tài)角度分辨力處于理想狀態(tài)，對導引頭而言，在每個時刻導彈、雷達之間的方向是確定且惟一的，所以在輻射式仿真系統(tǒng)中用單點源來輻射的雷達及誘餌系統(tǒng)的合成信號是可行的。

在ARM飛行過程中，起初反輻射導彈與目標的距離很遠，各個點源都在導彈的視場角內(nèi)，在運動過程中導彈的分辨角依次將誘餌（或雷達）分辨出，并最終從剩余的兩個輻射源中分辨出一個進行攻擊[1]。在整個過程中描述的要素有：導彈速度矢量、導引頭指向、導彈位置，參與合成的輻射源。導彈當前速度及位置決定過載及下一時刻導彈位置、是否有誘餌被分離，導彈位置與輻射源合成場決定合成場的法線方向，法線方向又與過載量決定下一時刻導彈速度方向。

在輻射仿真系統(tǒng)中以轉(zhuǎn)臺中心、單點源間的固定方向來等效模擬時刻變化合成場在導彈處的法線方向，通過轉(zhuǎn)臺姿態(tài)的變化等效構(gòu)建合成雷達在彈體坐標系位置角度狀態(tài)，可以開展誘偏仿真試驗來考核反輻射導彈性能以及誘餌布局方案效果。

3 內(nèi)場實現(xiàn)方法

導彈逼近目標的運動過程可分解為平動和轉(zhuǎn)動，在輻射式仿真系統(tǒng)中利用單點源開展多點源的誘偏的整個過程中反輻射導彈速度、位置是時刻改變的，但這只能在數(shù)學模型內(nèi)進行這種平動描述；每一時刻，由于安裝反輻射導彈的轉(zhuǎn)臺位置固定，所以內(nèi)場所能模擬的電磁波陣面在導彈處的法線方向是無法改變的，而在實際的導彈飛行過程中這一法線是時刻改變的，而輻射式仿真系統(tǒng)中能改變的只有導彈的姿態(tài)，所以要將所有的改變都轉(zhuǎn)化到轉(zhuǎn)臺的姿態(tài)變化中以構(gòu)成一個相對的位置關(guān)系，導彈的導引頭和制導裝置感知這一角度信息，形成舵機控制指令，經(jīng)過空氣動力學模型，輸出下一時刻導彈姿態(tài)角度。內(nèi)場就是構(gòu)建導引頭實際指向與導引頭實測目標指向之間的一種相對關(guān)系，如圖3所示。

圖3 導引頭方向與合成波面法線方向關(guān)系示意

在整個仿真試驗過程中，每個仿真周期內(nèi)都要完成兩方面仿真要素的解算：

1）計算在每個周期Tk時刻導引頭處合成電場強度等相位面的法線向量λk，并由此確定下一周期時刻速度方向。

（1）合成場的陣面法線λk

合成場法線計算：假定每個點源在ARM導引頭處的電場強度為[3]：

則有源誘餌系統(tǒng)在ARM導引頭處合成電場強度的相位為：

導引頭處合成電場強度等相位面的法線向量為：

空間分離點計算：它與合成場的法線與導彈位置、導彈瞄準軸有關(guān)。假設(shè)雷達（xR，yR，zR）及誘餌站位置（xi，yi，zi）（i為誘餌個數(shù)），反輻射導彈某一時刻Tk位置（xk，yk，zk），以上均為空間大地坐標系內(nèi)坐標，可以由此計算出雷達及誘餌與反輻射導彈之間的空間矢量Li，此時導彈瞄準軸方向為λk，判斷此時的arccos（Li，λk）是否存在小于導引頭分辨角Δθ／2的目標，如果有則剔除并重新合成余下的雷達站和誘餌。

（2）導彈速度方向確定

計算λk與導彈速度方向夾角，如果其大于在當前速度Vk和最大過載Nmax下在仿真周期ΔT內(nèi)的可轉(zhuǎn)動最大角度θmax＝NmaxΔT／Vk，那么在下一時刻的速度方向不能指向λk，而只能以最大過載所能轉(zhuǎn)動角度量靠向λk，作為導彈運動學模型的輸入量，直接關(guān)系下一時刻導彈位置。整個過程與計算流程如圖4。

圖4 空間分離點與導彈速度方向計算流程

2）計算λk在彈體坐標系內(nèi)與三個坐標軸夾角

為了表述這種關(guān)系，將這些元素統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到彈體坐標系進行描述，這就涉及到大地坐標系、空間直角坐標系，地面坐標系。通常雷達、誘餌、導彈的位置在大地坐標系內(nèi)描述，導彈姿態(tài)在地面坐標系內(nèi)描述，描述參數(shù)有偏航角ψ、俯仰角?、橫滾角γ、速度、角速度都是相對于此坐標系來衡量的。

（1）大地坐標系轉(zhuǎn)化到空間大地直角坐標系：

式中：RN為地球曲率半徑，e為第一偏心率，L，B，H為經(jīng)緯度、高程。

（2）空間大地直角坐標系轉(zhuǎn)化到地面坐標系：

假設(shè)地面坐標系原點（B0，L0，H0），坐標系X軸沿水平面指向正北，Y軸沿鉛錘線方向指向地球外，Z軸在水平面內(nèi)與X軸垂直。

式中：

（3）地面坐標系轉(zhuǎn)化到彈體坐標系：

在某一時刻假設(shè)彈體位置M為（Bjti，Ljti，Hjti），在導引頭實測目標方向?qū)б^處合成電場強度等相位面法向線λk上取一點T空間大地坐標系（X0，Y0，Z0），則目標T在彈體坐標系內(nèi)坐標為：

進而可以求出合成場法線方向與導彈彈體坐標系的角度關(guān)系，偏航方向上：Cαi＝atan（Yjt／Xjt），俯仰方向上

在內(nèi)場開展仿真試驗，可以通過轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動來改變導彈的彈體坐標系，如果單點源在轉(zhuǎn)臺初始零位坐標系內(nèi)角度為（Cα0，Cβ0），那么在仿真試驗過程中轉(zhuǎn)臺指令角度為（Cαi－Cα0，Cβi－Cβ0），從而實現(xiàn)導彈姿態(tài)與目標之間角度關(guān)系的模擬構(gòu)建。

4 結(jié)語

通過對輻射式仿真系統(tǒng)內(nèi)場進行誘偏仿真試驗過程及特點分析可知利用單點源模擬多點源進行誘偏仿真試驗是可行的，并提出了具體的實現(xiàn)方法，這種方法是假定導引頭有理想的動態(tài)角度分辨力，它可以用于導彈的制導控制系統(tǒng)以及誘餌布局設(shè)計方案的考核。由于轉(zhuǎn)臺姿態(tài)的變化是為了等效構(gòu)建合成目標在于彈體坐標系內(nèi)的方位俯仰信息，而非導彈在空中的真實相對大地的航向角、俯仰角，這樣如果敏感部件實體也為試驗考核對象，則還要進一步研究解決其在轉(zhuǎn)臺上的安裝問題。

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