導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星對抗及其效能評估仿真研究

沈 陽，李修和，李 勇

（解放軍電子工程學(xué)院，安徽 合肥230037）

0 引言

導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星是導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的重要組成部分，它擔(dān)負(fù)著彈道導(dǎo)彈早期預(yù)警的重任，歷來是導(dǎo)彈攻防雙方關(guān)注的焦點。預(yù)警衛(wèi)星通過星載紅外傳感器對導(dǎo)彈尾焰的探測，經(jīng)通信鏈路將探測信息傳輸給地面站，地面站在信息處理后發(fā)出導(dǎo)彈預(yù)警信號和戰(zhàn)術(shù)參數(shù)估計，從而啟動引導(dǎo)防御系統(tǒng)的后續(xù)攔截行動［1-2］。

導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星的薄弱環(huán)節(jié)在哪、如何降低預(yù)警衛(wèi)星對彈道導(dǎo)彈的威脅，成為亟待解決的問題。本文針對預(yù)警衛(wèi)星的作戰(zhàn)過程，分析了對抗預(yù)警衛(wèi)星的方法手段，建立了預(yù)警衛(wèi)星對抗效能評估模型，并構(gòu)建了預(yù)警衛(wèi)星對抗仿真系統(tǒng)。導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星對抗的建模仿真，對于研究預(yù)警衛(wèi)星對抗手段和彈道導(dǎo)彈突防均具有十分重要的意義。

1 導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星對抗分析

1.1 導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星紅外對抗分析

導(dǎo)彈發(fā)射中主動段的尾焰輻射強烈，是預(yù)警衛(wèi)星探測的基礎(chǔ)。導(dǎo)彈尾焰發(fā)出的電磁波包含紅外、可見光、紫外等電磁波譜，但三者中紅外是主要的輻射成分，紫外譜段比例較小，可見光譜段能量較小，對后兩者的探測主要是綜合起來降低虛警率。預(yù)警衛(wèi)星上的有效載荷主要有紅外探測系統(tǒng)，另外還有核爆炸探測器、紫外跟蹤探測系統(tǒng)等。短波紅外用于探測處于助推段的導(dǎo)彈，中波紅外探測處于飛行中段的導(dǎo)彈。

鑒于預(yù)警衛(wèi)星的紅外探測原理，預(yù)警衛(wèi)星對抗可考慮紅外對抗手段，包括激光有源干擾和煙幕無源干擾［3］。在導(dǎo)彈突防過程中，可利用強激光武器對星載紅外探測器進(jìn)行干擾：強激光照射到紅外探測器，使探測器飽和，超過其線性工作范圍，使光電探測器暫時失效。當(dāng)激光輻照能量密度足夠大或者照射時間足夠長，則會對紅外探測器產(chǎn)生永久的損傷。上述對抗手段的使用一方面可降低探測器的探測概率，延遲對突防導(dǎo)彈的首次探測時間，縮短預(yù)警衛(wèi)星的預(yù)警時間；另一方面還可徹底毀壞紅外探測器，使預(yù)警衛(wèi)星喪失早期預(yù)警功能。

當(dāng)目標(biāo)發(fā)出的紅外輻射入射到煙幕時，煙幕對其產(chǎn)生吸收和散射，紅外輻射遭到衰減。煙幕可分為輻射遮蔽型和衰減遮蔽型兩類，由于輻射遮蔽型煙幕本身較強的紅外輻射，一旦被識別就很容易暴露目標(biāo)，所以目前的研究主要集中在衰減遮蔽型煙幕上。衰減遮蔽型煙幕是靠煙幕對紅外輻射的吸收、散射和反射作用來實現(xiàn)遮蔽，其中反射的作用相當(dāng)微弱，一般情況下可以忽略不計。對預(yù)警衛(wèi)星的煙幕干擾，除了衰減遮蔽干擾還有紅外誘餌和紅外偽裝。

1.2 導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星通信鏈路對抗分析

預(yù)警衛(wèi)星在工作過程中需要經(jīng)過下行通信鏈路對地面站不斷傳輸星上探測信息。導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星的下行通信鏈路主要是將星上的探測數(shù)據(jù)信息傳送到地面站進(jìn)行初步的信息處理。在沒有發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時，每隔30秒與地面站聯(lián)絡(luò)，進(jìn)行鏈路鏈接和狀態(tài)信息的傳輸；一旦探測器發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，則連續(xù)以每秒1～2幀的速率將目標(biāo)尾焰圖像傳遞到地面站。因此，預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)的下行通信鏈路也是對抗目標(biāo)之一。

通信鏈路對抗就是通過干擾預(yù)警衛(wèi)星與地面站之間的下行通信鏈路，達(dá)到降低星地間信息交換的成功率，延長通信時間，使預(yù)警探測數(shù)據(jù)無法有效傳輸?shù)降孛嬲具M(jìn)行處理［4］。考慮到地面站接收天線波束寬度、地球曲率和地物障礙等因素，對下行通信鏈路的對抗，可采用伴星干擾方式干擾地面站接收部分。對下行鏈路的干擾是建立在對上行鏈路偵察的基礎(chǔ)之上，主要目的是割斷預(yù)警衛(wèi)星與地面站之間聯(lián)系，降低信息傳輸質(zhì)量并延遲數(shù)據(jù)傳輸時間。

2 導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星對抗效能評估建模

2.1 天基激光干擾效能評估模型

鑒于激光干擾的窄視場特性，對導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星的激光干擾需采用預(yù)警衛(wèi)星伴星干擾方式。對于激光干擾，通過研究探測距離和探測概率與激光干擾之間的變化關(guān)系，來評估激光干擾的效能。

設(shè)衛(wèi)星紅外敏感探測器光電成像焦面的干擾功率密度為p3，脈沖激光的脈沖周期為τ，探測器飽和閾值為E1，損壞閾值為E2。

當(dāng)p3τ＜E1時，DSP預(yù)警衛(wèi)星的作用距離為［5］：

式中，Vs為紅外敏感探測器探測到的目標(biāo)紅外輻射信號電壓，Vn為進(jìn)入紅外敏感探測器的均方根噪聲電壓值，（Vs／Vn）min為紅外探測系統(tǒng)正常工作所需的最小信噪比，Ro為紅外探測系統(tǒng)的理想作用距離［5］。

式中，D0為光學(xué)系統(tǒng)入射孔徑的直徑；光學(xué)系統(tǒng)數(shù)值孔徑（NA）為D0／2f，f 為光學(xué)系統(tǒng)等效焦距；D＊為探測器單位面積、單位帶寬的探測度；Iλ1～λ2為目標(biāo)的紅外輻射強度；τa為工作波段內(nèi)的大氣紅外透過率；τ0為光學(xué)系統(tǒng)紅外透過率；γ 為脈沖能見度系數(shù)；C 為單個探測器元件的數(shù)目；Ω 為掃描探測視場大小；T 為紅外探測掃描幀時間。

探測概率為［6］：

式中，Vs／Vn為信噪比；α、β、c為常數(shù)，參考取值分別為0.001、4.5997、0.44825。

當(dāng)E1＜p3τ＜E2時，預(yù)警衛(wèi)星的作用距離和探測概率分別為：

當(dāng)E2＜p3τ時，預(yù)警衛(wèi)星的紅外探測功能失效，作用距離和探測概率均為0。

2.2 煙幕遮蔽干擾效能評估模型

在對預(yù)警衛(wèi)星的對抗技術(shù)中，通過伴星或其他方式施放紅外煙幕是一種行之有效的手段［7］。對于煙幕遮蔽干擾，通過研究探測距離和探測概率與煙幕干擾條件下大氣透過率之間的變化關(guān)系，來評估煙幕遮蔽干擾的效能。

紅外煙幕的消光性能主要是由粒子的吸收和散射引起的，假定煙幕粒子為實心剛性球形粒子，且其粒徑參數(shù)（2πr／λ）較大，此時可采用米氏理論計算其對紅外光線的消光性能。當(dāng)煙幕厚度為L，由朗伯—比爾定律可得到煙幕的透過率τ的近似表達(dá)式為：

其中：

式中，N 為煙幕的顆粒濃度，ae為粒子的質(zhì)量消光截面，L 為煙幕路徑的長度，c為煙幕的質(zhì)量濃度，r為介質(zhì)微粒的半徑，ρ為粒子質(zhì)量密度，Qe為介質(zhì)衰減效率因子。

則煙幕干擾條件下預(yù)警衛(wèi)星接收的導(dǎo)彈尾焰紅外輻射強度為：

得到煙幕衰減后的紅外輻射強度后，預(yù)警衛(wèi)星的探測距離和概率計算公式為式（1）、（2）和（3）。

2.3 通信鏈路干擾效能評估模型

對于預(yù)警衛(wèi)星通信鏈路的干擾，采取基于天基干擾平臺對預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)下行數(shù)據(jù)鏈路的手段。對于通信鏈路干擾，可以研究通信誤碼率與鏈路干擾之間的關(guān)系，來評估干擾效能。

對預(yù)警衛(wèi)星通信鏈路有效干擾的條件為：

式中，fjmin為干擾頻率下限，fd為衛(wèi)星地面站工作頻率，fjmax為干擾頻率上限，hj為干擾平臺高度，hjmin為保證有效干擾的平臺高度下限，（J／S）d為衛(wèi)星地面站接收的干信比，（J／S）max為保證有效干擾的最大干信比。

其中：

式中，Re為地球半徑；hr為天線架高；αmin為衛(wèi)星地面站通信接收機天線波束抑制仰角；βjr為地面站與星載干擾設(shè)備在地球表面上投影間的地心角；φr、θr為地面站的經(jīng)度和緯度；φj、θj為干擾設(shè)備的經(jīng)度和緯度。

干擾條件下的數(shù)字通信誤碼率與通信調(diào)制和解調(diào)方式以及通信接收機輸入端信干比有關(guān)。2DPSK 系統(tǒng)采用相干解調(diào)和差分相干解調(diào)時，誤碼率分別為［8］：

3 導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星對抗仿真系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成

導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星對抗系統(tǒng)仿真成員主要由仿真管理控制模塊、數(shù)據(jù)接收與分發(fā)模塊、作戰(zhàn)實體平臺模塊、衛(wèi)星有效載荷模塊、數(shù)傳鏈路通信模塊、預(yù)警信息處理模塊、衛(wèi)星對抗仿真模塊和干擾效能分析模塊以及數(shù)據(jù)庫和模型庫組成，如圖1所示［9］。

圖1 預(yù)警衛(wèi)星對抗系統(tǒng)仿真成員組成框圖

3.2 仿真流程

根據(jù)上述的預(yù)警衛(wèi)星對抗分析與建模，預(yù)警衛(wèi)星對抗系統(tǒng)的仿真流程如圖2所示，包括五大部分：一是系統(tǒng)初始化與想定加載；二是衛(wèi)星對抗仿真；三是預(yù)警衛(wèi)星視場判斷與探測概率計算；四是衛(wèi)星下行鏈路狀態(tài)與通信質(zhì)量計算；五是地面站信息處理與發(fā)布。

圖2 預(yù)警衛(wèi)星對抗系統(tǒng)仿真流程圖

3.3 仿真實驗

實驗中對導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星紅外敏感探測器進(jìn)行干擾，采取衛(wèi)星載強激光器和紅外遮蔽煙幕干擾裝備完成；利用通信干擾衛(wèi)星，對預(yù)警衛(wèi)星通信下行鏈路中的導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星地面站進(jìn)行干擾。仿真結(jié)果如圖3～5所示。

圖3 激光干擾效能仿真評估結(jié)果

圖4 煙幕干擾效能仿真評估結(jié)果

圖5 通信干擾效能仿真評估結(jié)果

由圖3分析可知：激光干擾條件下，對探測距離和概率的干擾影響機理相同，因此，二者的效能仿真評估結(jié)果曲線類似，都體現(xiàn)了飽和閾值和損壞閾值的分段性。

由圖4分析可知：煙幕干擾條件下，探測距離隨煙幕透過率變化，透過率越大，相對探測距離越大，當(dāng)透過率為1即無煙幕干擾時，就是無干擾條件下的探測距離。

由圖5分析可知：通信干擾條件下，誤碼率隨信干比增大而減小，相同信干比時，不同通信解調(diào)方式下的誤碼率不同。

4 結(jié)束語

預(yù)警衛(wèi)星是導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的重要組成部分，建立其對抗仿真系統(tǒng)對于導(dǎo)彈突防研究具有十分重要的意義。本文從分析預(yù)警衛(wèi)星對抗手段入手，建立相應(yīng)的對抗效能評估模型，最后構(gòu)建了預(yù)警衛(wèi)星對抗系統(tǒng)仿真平臺并進(jìn)行了實驗分析。■

［1］時家明，路遠(yuǎn).紅外對抗原理［M］.北京：解放軍出版社，2002.

［2］張樂，邵銘，王冰，等.天基紅外系統(tǒng)及空間光電對抗裝備進(jìn)展［J］.航天電子對抗，2012，28（2）：16-19.

［3］樊祥，張國良，馬東輝，等.光電攻擊在反衛(wèi)星偵察、預(yù)警方面的應(yīng)用［J］.航天電子對抗，2000（4）：33-37.

［4］路遠(yuǎn)，李玉波，凌永順，等.衛(wèi)星信息對抗研究［J］.現(xiàn)代防御技術(shù)，2007，35（5）：86-91.

［5］邵立，李雙剛，孫曉泉.導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星探測原理及其攻防技術(shù)探討［J］.紅外技術(shù)，2006，28（1）：43-46.

［6］喬永杰，孫亮，陳興波，等.導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)作戰(zhàn)活動的效能評估［J］.火力與指揮控制，2011，36（6）：120-123.

［7］劉風(fēng)林，高桂清，劉剛.紅外煙幕對預(yù)警衛(wèi)星的干擾效能評估［J］.現(xiàn)代防御技術(shù)，2007，35（1）：14-17.

［8］羅小明.彈道導(dǎo)彈攻防對抗的建模與仿真［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2009.

［9］沈陽.導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)功能仿真建模［J］.電子信息對抗技術(shù)，2012，27（1）：55-59.