無人機干擾雷達作戰仿真系統研究*

魏海永 羅 航

(海裝武漢局駐景德鎮軍事代表室 景德鎮 333002)

無人機干擾雷達作戰仿真系統研究*

魏海永 羅 航

(海裝武漢局駐景德鎮軍事代表室 景德鎮 333002)

論文建立了雷達模型、雷達檢測模型和雷達威脅模型,并在此基礎上設計了無人機與敵方雷達的交互系統,最后設定具體作戰背景,完成了無人機干擾雷達作戰系統仿真，為部隊使用無人機提供了一定的依據。

無人機; 雷達; 作戰仿真

Class Number TP391

1 引言

作戰仿真,就是用模擬的方式,再現戰場上作戰雙方的作戰行為和戰斗的進程和結局,以檢驗各種參戰兵器的效能和戰術運用的成敗得失,作為改進兵器性能和戰術的依據。在仿真中,根據其仿真試驗采取的手段的不同,可以分為實物物理仿真,半實物物理仿真以及計算機仿真幾種類型。在計算機仿真中,試驗環境和參試設備的性能和工作機理,都是由數學模型和各種數據表示的,試驗過程則是由計算機軟件控制,并通過計算機的演算得到試驗結果。

現代無人機主要執行戰場偵察與監視、目標截獲、火力校正,摧毀評估以及電子誘騙與電子干擾等任務,發揮著日益重要的作用。

本文旨在無人機干擾敵方雷達系統作戰仿真系統方面做出一定的研究,為部隊無人機使用提供一定的依據。

2 模型的建立

2.1 無人機運動學模型

通常研究飛行器的運動時,假定飛行器的質量集中在質心上,從而研究飛行器的質心移動規律,因此飛機的六自由度包括決定質心瞬時位置的三個自由度和決定瞬時姿態的三個自由度。這里采用通用無人機六自由運動學動力學方程組。

2.2 雷達威脅模型

1) 雷達模型

雷達方程是描述雷達系統特性的最基本的數學方程。在雷達方程的完整形式中,考慮了雷達系統參量、目標參量、背景雜波和干擾影響、傳播影響、傳播介質等各種因素對雷達作用距離的影響,雷達方程對目標探測問題的分析十分必要。常見的雷達方程如式(1)。

(1)

式中,PR為雷達接收機收到的回波信號功率,PT為

雷達發射機輸出功率,GT為發射天線增益,GR為接收天線增益,λ為雷達的工作波長,σ為目標的雷達散射截面積,FT為發射方向圖傳播因子,FR為接收方向圖傳播因子,RT為發射機到目標的距離,RR為接收機到目標的距離,CB為濾波器與信號波形匹配程度系數,在匹配情況下,CB=1,不匹配情況下,CB>1,LT為發射損耗因子,LR為接收損耗因子。式(1)中考慮了方向圖傳播因子和損耗因子,未考慮大氣衰減問題。對于收發合置的單基地雷達,由于RT=RR=R,GT=GR=G,LR=LT=L,FR=FT=F,所以,式(1)可以簡化為

(2)

2) 雷達檢測模型

雷達接收機從載波中排除噪聲和雜波并檢測出有用信號的過程稱為檢波[1]。檢波器通常有兩種類型,一種是要利用回波信號的相位信息,采用相位檢波(又稱為相干檢波);另一種不用回波相位信息,而是以載波包絡的幅度來分辨信號的,也稱為包絡檢波器。包絡檢波器雖然要損失信噪比,但簡單實用,常規雷達大多采用包絡檢波器,因而本文計算中使用的也是包絡檢波器。

雷達的檢測過程可以用門限檢測來描述,它首先對單個脈沖信號進行匹配濾波,然后進行包絡檢波,n個脈沖加權積累以后與某一門限電壓進行比較,如果接收機輸出的電壓包絡超過了預置的門限,就認為有目標出現,否則認為沒有目標。

由門限檢測的概念知道這種檢測方式會有錯誤:(1)無目標出現情況可能會判定目標存在;(2)確有目標出現時可能會判定無目標。這兩種情況分別稱為虛警和漏檢,在統計檢測理論上稱為第Ⅰ類和第Ⅱ類錯誤。出現這兩種錯誤的概率與噪聲、干擾的波動,目標的波動以及門限的設定有關。在雷達探測領域,選擇門限的原則是在虛警概率不超過某一值的情況下,使探測概率最大,即固定第Ⅰ類錯誤前提下使第Ⅱ類錯誤最小,該原則稱為Neyman-Pearson原則[2]。圖1給出了探測概率、虛警概率和門限之間的關系。

圖1 探測概率計算示意圖

圖1中p(y,x=0)表示雷達感興趣目標不存在時,接收機檢波器輸出信噪比的概率密度分布,而P(y,x)表示目標、噪聲(可能的干擾)同時存在時,檢波器輸出的信噪比概率密度分布情況。設門限為T,由概率論知識可知:

(3)

(4)

在門限檢測技術中,門限值的確定與雜波和干擾的存在情況密切相關。如果假設有雜波分布保持不變的情況,則由式(3)可以得到對應于某一虛警概率的門限是一個定值,將得到的固定門限代入式(4)計算可以得到雷達的探測概率。在實際中,由于雜波和干擾的存在以及雜波均值的變化,固定門限檢測有可能錯誤估計雜波水平,如果固定門限值偏高,則降低雷達對目標的探測概率;固定門限值偏低則又使虛警概率增加,兩者都降低了雷達的探測性能,所以在雷達接收機信號處理系統中最重要的環節就是恒虛警(Constant False Alarm Rate,CFAR)處理技術。恒虛警處理技術[3]的實質就是通過實時地對雜波水平進行估值、對被檢測單元處于雜波中的位置進行判斷以及消除干擾單元的影響,從而實時設定檢測門限,保證虛警概率不變。

3) 雷達網威脅計算

對于假定的敵方分布式雷達網探測系統,其探測性能與組成該系統的各個探測器的探測性能密切相關,探測概率可以寫為如下形式。

Pd=f[K·Pfa·(Pfa1·Pa1)·…·(PfaN·PaN)]

(5)

式(5)中,Pfa為探測系統給定的虛警概率,K為數據融合準則參數,N為組成探測系統的探測單元數,(Pfai,Pdi)表示第i個探測單元的虛警概率和探測概率,f(·)表示探測系統的優化配置過程。本文采用的數據融合準則簡單地規定為:所有探測單元中最大的探測發現概率即為整個探測系統的探測發現概率。

求解分布式雷達網探測系統的探測性能隨距離變化時,首先需要得到給定距離Ri和RCS為σ的目標的(Pfat,Pat),即各探測單元對目標的探測性能。求解過程如下:首先給定N個探測單元的特征探測性能,這N個探測單元的特征探測性能可以相同或不同,然后得到N個探測單元的探測性能(Pfai,Pai),再利用式(5)得到整個探測系統的探測概率。如果無人機的航路己知,則可以無人機的任務目標點(無人機執行任務需要到達的位置)為坐標原點建立坐標系。圖5表示無人機朝向任務目標點直線飛行時的情況。

圖2 無人機-威脅示意圖

圖2中,R為無人機到任務點的平面水平距離,Rhl為飛機到第1個探測單元的平面水平距離,RN為雷達波在第N個探測單元與目標之間的傳播距離。

3 無人機與雷達交互設計

圖3 無人機與雷達交互的系統流程圖

進行仿真時,無人機開始按照預定的路徑飛行,并實時地進行探測判斷,圖形界面需實時顯示了無人機的位置。雷達實時計算與無人機的距離,進行探測判斷。雷達在無人機進入其有效探測范圍之后開始工作。在無人機接受到雷達的信號以后,將探測結果輸出給無人機模型,控制飛機的運動姿態,并使飛機進入攻擊狀態。雷達模型計算出對無人機的探測結果,并將計算結果實時傳遞給數據庫,并啟動所定計時器。如果計時器超過10s,則向無人機發出命中數據信息,包括命中的時間、命中時的坐標、命中的距離等;此時則停止該無人機的仿真,發送被摧毀消息,并退出本次仿真,從二維顯示圖上消失。如果無人機在攻擊過程中沒有被摧毀,則直至無人機航程結束或攻擊過程完畢。若攻擊過程被執行,無人機使用落地點與雷達的距離來判斷是否擊中雷達,向雷達發出攻擊信息,包括落點與雷達的距離,是否命中等,并退出仿真。雷達根據無人機最后發出的攻擊信息,判斷自身是否被摧毀。如果接收到的攻擊信息中包含雷達被摧毀,則退出仿真,否則繼續進行仿真直到整個仿真結束。圖3是該系統的流程圖。

4 案例仿真

戰術背景:紅方某機群將轟炸藍方某重要目標,在藍方該目標周邊設有防空系統對空警戒,防空系統由防空雷達和防空導彈部隊等組成,為配合紅方機群成功突破藍方防空系統,現派出9架無人機與戰斗機編隊飛行(或在轟炸機群之前),運用無人機群來干擾壓制藍方雷達,使其在探測距離和/或探測精度上下降,從而降低敵方雷達的發現概率,達到掩護紅方機群成功突防、順利完成轟炸的目的。

根據任務,9架無人機在紅方基地按順序發射,根據轟炸機群的任務航線和事先已獲得藍方地面雷達站的大概方位,無人機機群初始飛行方向就是航線附近的藍方雷達站的方位。進攻開始前敵方只有值班雷達開機,如圖4所示。

圖4 藍方只有值班雷達開機(進攻前)

在向目標飛行過程中,敵方值班雷達發現無人機后,通知防空雷達網中的所有雷達開機,對空搜索(如圖5所示)。

無人機根據事先偵察的敵情分配任務,結合當時搜索到的具體雷達位置信息,進行任務分配的修正,有重點的實施干擾,從雷達分布與當前任務航線的關系,確定威脅最大的雷達,將關鍵位置的雷達摧毀。各飛機通過機載自導導引頭搜索雷達目標(搜索雷達的發射波的頻率),然后搜索發射波的波源(雷達),攻擊雷達目標。

圖5 藍方雷達全部開機探測范圍(無人機干擾前)

反復推演采用不同的編隊方式、采用不同作戰手段(反輻射無人機摧毀、箔條干擾或制造假目標等),從而產生的不同情況(如采用無人機群利用箔條進行干擾時,開辟“干擾走廊”,掩護空中突擊編隊飛抵目標區。如圖6所示)。根據結果的比較來確定無人機群的最佳的戰術運用方式,確保為突擊機群提高突防概率。

圖6 藍方雷達探測范圍(無人機干擾條件下)

5 結語

本文采用無人機通用模型,建立了雷達威脅模型,并進行了無人機與地方雷達系統的交互設計,最后通過仿真進行了無人機干擾雷達作戰仿真系統的研究。未來在戰場環境的設置應該更加具體,氣象條件就是一個重要因素,本文限于時間條件限制,在此未做深入探討,但這是一個不容忽視的問題。在不同氣象條件,不同敵情,不同數量,不同的戰術運用的會產生不同結果,統計仿真結果可用來做指導部隊訓練的重要參考。

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UAV Interference Radar Combat Simulation System

WEI Haiyong LUO Hang

(Navy Representative Office in Jingdezhen, Jingdezhen 333000)

In this paper, the model of radar, radar detection model and radar threat model are established. Based on that, the UAV and enemy radar intercation system is designed. Finally, by setting specific operational background, UAV interference radar combat system sumulation is completed, which provides the certain reference for the army using UAV.

unmanned air vehicle(UAV), radar, combat simulation

2014年5月10日,

2014年6月20日 作者簡介:魏海永,男,助理工程師,研究方向:航空機械。羅航,男,助理工程師,研究方向:航空機械。

TP391

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.025