前置點比例導引制導律對抗拖曳誘餌研究*1

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前置點比例導引制導律對抗拖曳誘餌研究*1

劉德忠，石德平，林萬菁，張維剛

(北京電子工程總體研究所，北京100854)

摘要：以典型拖曳式誘餌干擾模式為設計對象，結合導引頭跟蹤誘餌的工作模式和前置點比例導引制導律的設計，對末制導抗拖曳干擾導引方法進行了理論推導與分析，為導引頭抗拖曳誘餌干擾措施的設計與驗證提供了理論依據。

關鍵詞：雷達主動導引頭；拖曳誘餌；前置點比例導引；制導律；拖曳式雷達有源誘餌；視線角

0引言

機載拖曳式誘餌對地面跟蹤雷達和彈上導引頭的干擾作用十分有效,可對武器系統的作戰效能造成重大影響，典型的拖曳誘餌有AN/ALE-50、AN/ALE-55和光線拖曳式誘餌(FOTD)。1998年1月，ALE-50(V)開始空投試驗，其射頻誘餌在1999

年科索沃戰爭中由聯軍首次實戰使用，當時誘餌裝備在F-16和B-1B戰斗機上，導致南聯盟發射的10枚實際上已經跟蹤到目標的地空導彈無法擊中目標[1]。本文在分析拖曳式誘餌特點的基礎上,提出雷達主動導引頭對抗拖曳式誘餌的末制導導引技術方法,供導引頭對抗拖曳式誘餌設計參考。

1典型干擾威脅及抗干擾措施

1.1復雜戰場環境下的主要干擾模式

主動導引頭典型干擾威脅環境包括遠距支援干擾(stand-off jamming,SOJ)、隨隊支援干擾(escort support jamming,ESJ)和自衛干擾(self-screening jamming,SSJ),自衛干擾包括噪聲壓制類干擾、距離和速度欺騙干擾、多假目標欺騙干擾、箔條干擾和機載拖曳式誘餌干擾，下面以ALQ-184電子干擾吊艙和ALE-50拖曳誘餌系統為重點介紹拖曳式誘餌干擾。

ALQ-184電子干擾吊艙的關鍵是使用了Raytheon公司的多波束技術，用一組可靠的微型管取代老式吊艙的高功率發射管為高增益天線陣饋電。新系統具有更高的靈敏度，更快的響應時間，更大的有效輻射功率，它可檢測威脅信號并對多部敵方雷達發射大功率干擾信號。電子干擾吊艙通常只偵收導引頭波形，然后拖曳誘餌復制波形后以幾十W的固定功率輻射干擾導引頭跟蹤。1998年美國國會計劃為最終裝備的600架F/A-18E/F射頻對抗系統，采購費為250億美元，約18 000個誘餌，其中ALE-50采購費為120億美元；預計為美國空軍437架F-16戰斗機和95架B-1轟炸機17 000多個誘餌。

2001年，Raytheon公司簽訂了一個5 460萬美元的合同為F-16提供2 477枚AN/ALE-50(V)拖曳式誘餌。2003年，Raytheon公司贏得了為美國空軍生產1 012個AN/ALE-50(V)拖曳式誘餌和為美國海軍生產300個單元的2 790萬美元的合

同。從1996年12月到2006年7月，位于美國加州Goleta的Raytheon空間與機載系統(space and airborne system，SAS)商業部電子戰系統單位(electronic warfare systems)已為美國空軍位于佐治亞州的華納羅賓斯(Warner Robins)空軍后勤中心(air logistics center，ALC)電子戰產品空軍大隊(electronic warfare product group)完成2萬個AN/ALE-50拖曳誘餌的投產。2010年5月7日，Raytheon(Goleta)贏得了為美國空軍第542戰斗維護部隊采購空軍中隊生產947枚先進機載電子誘餌ALE-50系統的2 310萬美元的合同。

從圖1和圖2可以看出，AN/ALE-50拖曳式誘餌系統有3種主要的作戰使用平臺，分別為F/A-18E/F的3枚裝發射器、B-1B的4枚裝發射器和F-16的2枚裝發射器[2-3]。

參照圖1和圖2的說明可以確認圖3上圖圓圈處為F-16裝備的2枚拖曳誘餌的ALE-50發射器，圖4中圖為B-1B裝備的4枚拖曳誘餌ALE-50發射器[4-6]。

1.2典型拖曳誘餌干擾目標特性

AN/ALQ-184(V)9作戰使用單元由多平臺發射控制器、發射器、儲存發射筒和誘餌組成，其中誘餌儲存發射筒的質量為1.1 kg(2.5 lb),尺寸為48.9 cm×6.9 cm×6.9 cm,誘餌重2.9 kg,尺寸為40 cm×6.1 cm,系統質量<27.2 kg,主電源(prime power)由800 W/115 V/400 Hz交流電源和140 W/28 V 直流電源(DC)組成，可提供100 ms脈沖寬度峰值240 W的輻射功率[7]。

圖1　AN/ALE-50誘餌系統展示圖Fig.1　AN/ALE-50 towed decoy system showing chart

圖2　AN/ALE-50發射及發射控制器Fig.2　AN/ALE-50 towed decoy system launch controller

圖3　AN/ALE-50拖曳式誘餌裝備F-16戰斗機Fig.3　AN/ALE-50 towed decoy system for F-16 warcraft

圖4　AN/ALE-50裝備B-1B轟炸機Fig.4　AN/ALE-50 towed decoy system for B-1B bomber

拖曳線纜的長度L首先要確保誘餌到載機的作用距離足夠遠，當導彈在誘餌與載機之間爆炸時，不傷及載機，一般選取范圍為L>2D,D由具體型號導彈的有效殺傷半徑決定。TRAD拖曳線的長度一般選取90～150 m，波音767軍用運輸機的拖曳線長度為91～122 m，其他戰斗機通常在100 m左右。

從表1可以方便的確認目標和拖曳誘餌在給定視場角內的理論分辨和分開的彈目距離,以半波束寬度為1°為例,拖曳線視在長度為50 m時,角度上分開距離約3 km, 拖曳線視在長度為100 m時,角度上分開距離約6 km, 拖曳線視在長度為150 m時,角度上分開距離約9 km。當彈目接近速度為1 000 m/s時，表中角偏差的幅值變化值即為前置角變化率的幅值。

表1　拖曳誘餌與目標在導引頭視場內的視在角偏差

1.3雷達主動導引頭末制導對抗策略

針對雷達型拖曳式誘餌可以采取的末制導對抗策略大致有目標檢測選擇性跟蹤策略、雷達紅外雙模導引頭信息融合策略、彈地信息融合策略和末制導偏置導引策略。鑒于誘餌的裝備數量較多和對作戰費效比的考慮，暫不主動使用先擊落誘餌再打擊載機的策略。

目標檢測選擇性跟蹤抗拖曳誘餌干擾策略主要通過導引頭距離分辨、前沿跟蹤策略實現，該策略只有在高空或上視、小于一定干信比、干擾信號雜散不高等條件下有效，存在較大局限性。

拖曳式誘餌的干擾功率通常遠大于目標的反射功率,導致雷達導引頭跟蹤拖曳式誘餌,但拖曳式雷達有源誘餌(TRAD)短期內還不具備對毫米波導引頭形成干擾，也不能夠對紅外導引頭形成干擾，還可以采用X,Ku，K多頻段復合導引頭或不同頻段導引頭導彈共架齊射來對抗拖曳干擾。但這種策略只能解決類似于AN/ALE-50這類單純雷達主動拖曳誘餌，但后續AN/ALE-50(V)將具備紅外載荷、寬頻帶同時偵測同時干擾和對毫米波的干擾能力，這時復合制導策略對于雷達紅外復合式拖曳誘餌將失去意義[8-15]。

如果拖曳式雷達有源誘餌只是針對雷達導引頭工作頻段進行干擾，未對地面制導雷達進行干擾，則在中高空、中近程上可以考慮利用雷達和慣導的位置速度信息進行計算濾波，提高中制導的制導精度，在脫靶量指標要求范圍內利用中末制導信息融合或中制導到底實現攻擊誘餌載機。還有一種在跟蹤干擾源的情況下，利用地面信息控制導彈沿誘餌與載機連線逆向攻擊，在命中誘餌的過程中擊中靶機。

最后可以在制導控制策略上改進設計，一般誘餌的有效雷達反射面積是載機雷達反射面積的1-10倍以上，拖曳式雷達有源干擾(TRAD)的高轉發功率可以保證導引頭輸出起伏誤差很小的角偏差，理論上提高了導引頭的測角精度，只要保證了導彈導引軌跡比誘餌提前一個合適角度，就可以偏置探測導引，正中目標。本文主要就是這種考慮下的前置比例導引制導律進行設計與驗證。

2前置點比例導引制導律設計

前置點比例導引最早在紅外制導的空空(地空)導彈中有所應用，紅外導引頭正常會鎖定飛機引擎噴口的紅外輻射源，發動機噴口處與飛機易損部位或最佳起爆位置還有一段距離，為此采用前置點比例導引鎖定期望命中部位[15]。

修正的比例導引制導律指令加速度aC表達式如下：

(1)

式中：N為有效導航比；vI為導引頭多普勒速度回路跟蹤輸出的彈目接近速度;qT為載機相對攔截導彈的視線角。

圖5　前置點比例導引攔截幾何關系示意圖Fig.5　Lead point proportional navigation (PN) geometry

如圖5所示角度關系有

qTRAD=qT+Δq，

(2)

(3)

3抗機載拖曳式干擾的前置點比例導引制導律設計

前置點比例導引制導律的設計基于如下2個幾何關系：

Δq·R=LsinσT，

(4)

vTsinσT=vMsinσM，

(5)

vI=vTcosσT-vMcosσM，

(6)

(7)

則可實現的前置點比例導引表達式為

(8)

式中：vT,vM可由雷達和慣導量測數據融合濾波獲得；R可由雷達主動導引頭中重頻測距獲得；拖曳線長度L可由雷達給出或取典型經驗值，若雷達主動導引頭具有距離高分辨能力，則可提供m級精度的L量測值;σM可近似為位標器框架角，至此實現制導律的所有必要的物理量均已具備。

3.1前置角速度對拖曳線長度等的敏感度分析

導引頭多普勒速度跟蹤回路彈目接近速度vI測量誤差可小于20 m/s，而vI本身一般大于1 000 m/s，vI測量精度的影響小于2%。

導引頭距離跟蹤回路彈目距離測量誤差可小于10 m，在彈目距離1 km以外，其影響小于1%。

若導引頭采用距離高分辨模式，導引頭對拖曳線的視在長度分辨率可優于2 m，拖曳線視在長度取100 m，則其影響小于2%。若按雷達測距最大系統誤差15 m計算，其影響達15%，但其在中高空中近程上雷達量測拖曳線長度可以提高很多，有望使其影響控制在10%以內。

由圖6可以看出，在標稱條件下，導彈速度矢量前置角σM的估計誤差為2°時，可導致0.01(°)/s的視線轉率計算誤差，σM的計算誤差對視線前置角變化率影響不大。

圖6　前置點比例導引視線前置角變化率曲線Fig.6　Lead angle rate due to the lead path angle

3.2三維空間攔截前置點比例導引制導律的推導

三維空間攔截前置點比例導引的實現主要是把前置角Δq在導引頭天線量測坐標系內進行二維分解，設由雷達和慣導量測值解算的彈目連線相對于彈體的方位角俯仰角分別為φy，φz，表征誘餌與導彈連線矢量方向的導引頭跟蹤誘餌實測框架角分別為φy1，φz1，導彈誘餌視線系到彈目視線系的方位角俯仰角分別為Δqy，Δqz，則

σM=arccos(cosφy1cosφz1)，

(9)

(10)

(11)

(12)

4結束語

本文以典型的ALE-50拖曳式誘餌干擾模式為設計對象，結合雷達主動導引頭跟蹤誘餌的工作模式和前置點比例導引制導律的設計，對末制導抗拖曳干擾導引方法進行了理論推導與分析，可供雷達主動導引頭抗拖曳誘餌干擾措施的設計與驗證參考。

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Countermeasures to Airborne TRAD Jamming with Lead Point PN

LIU De-zhong , SHI De-ping, LIN Wan-jing, ZHANG Wei-gang

(Beijing Institute of Electronic System Engineering, Beijing 100854, China)

Abstract:Considering the decoytracking mode of active radar seekers and the design of lead point proportional navigation(PN) guidance law, a theory derivation and analysis of the terminal guidance law is done. It is also a reference for the designing process and conclusion in some RFCM practical application.

Key words:active radar seeker; towed decoy; lead point proportional navigation(PN); guidance law; towed radar active decoy(TRAD)；line of sight(LOS) angle

中圖分類號：TJ765.3;TJ760.1

文獻標志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-06-0001-06

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.06.001

通信地址：100854北京142信箱30分箱E-mail：9889702@qq.com

作者簡介：劉德忠(1978-)，男，吉林永吉人。高工,博士生，主要研究方向為無線電主動探測末制導總體技術。

基金項目：有

*收稿日期：2014-10-01；修回日期：2015-01-28

編者按：“2014年復雜戰場環境與精確制導技術研討會”成功舉行。會議得到了國內從事空天防御的軍方、軍工單位、科研院所、高校等的積極響應和大力支持，共征集到近70篇論文，《現代防御技術》特開辟專欄陸續分期刊登此次會議的部分優秀論文，供讀者參考。