ARUAV對移動輻射源目標的攻擊效果仿真分析

蔣偉航，潘英鋒

(空軍預警學院, 武漢 430019)

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ARUAV對移動輻射源目標的攻擊效果仿真分析

蔣偉航，潘英鋒

(空軍預警學院, 武漢 430019)

現代水面艦艇是世界軍事強國爭奪制海權的主要武器裝備之一，為實現運用反輻射無人機(ARUAV)對其有效攻擊和壓制，充分應用ARUAV反輻射作戰特點，研究ARUAV對移動輻射源的攻擊效果顯得尤為重要。基于ARUAV末制導及被動導引頭測向原理，建立了ARUAV攻擊移動目標的仿真模型，探討了無人機攻擊角與攻擊精度之間的關系，對ARUAV攻擊移動目標的作戰研究具有一定的支撐作用。

反輻射無人機；移動輻射源；攻擊角；攻擊精度

0 引 言

反輻射無人機(ARUAV)是一種新興的反輻射硬殺傷武器，具有成本低廉、隱蔽性好、使用機動靈活、自主攻擊能力強等特點，它的研制為現代戰場中直接摧毀輻射源(主要是雷達)開辟了新的途徑，美國、以色列、德國和南非等國已先后研制出多種型號的ARUAV[1]。

現代水面艦艇是世界軍事強國爭奪制海權的主要武器裝備之一，而艦載雷達系統的有效運行是其作戰效能發揮的重要前提[2]。因此，充分利用ARUAV的反輻射作戰特性，研究運用ARUAV對抗水面艦艇具有極大的現實意義。

文獻[3]對ARUAV攻擊靜態輻射源進行了研究，并通過仿真證實無人機對固定目標具有良好的殺傷效果，但對打擊移動目標沒有探討。本文基于采用比相體制導引頭技術的ARUAV，綜合分析其末制導和被動測向原理，結合ARUAV攻擊移動輻射源的運動模型，分析不同攻擊角條件下無人機對移動目標的攻擊精度。

1 ARUAV末制導建模

將ARUAV的末制導過程分為2個階段：搜索目標階段和俯沖攻擊階段。為便于分析說明，本文建立了末制導飛行過程的示意圖，并對模型中涉及的角度進行了定義，如圖1示。其中，垂直面為當前機體運動方向所在的鉛垂面。當目標信號被導引頭截獲時，α為目標方位角，是目標線與天線中軸線在水平面投影的夾角；β為目標俯仰角，是目標線與天線中軸線在垂直面投影的夾角；θKJ為框架角，是天線中軸線與機體中軸線之間的夾角。

圖1 無人機末制導示意圖

具體過程為：搜索階段，無人機在巡航過程中通過被動導引頭(PRS)搜索輻射源信號脈沖；目標信號一旦被截獲并識別，即測量目標輻射源方向與機體軸線的夾角數據，并以此控制機體完成水平姿態和天線指向調整；天線指向同時調整，當框架角大于設定的決策值時，無人機開始俯沖攻擊，俯沖時機體在方位和俯仰面上同時調姿，不斷向目標逼近直至引爆。

無人機的目標測向數據在每個測向周期ΔT內更新一次，本文將其運動控制過程按照圖2所示模型進行設計，考查每次目標測向數據更新后機體姿態的調整變化情況。

圖2 機體飛行控制模型

依據圖2模型，機體運動過程的算法設計為，設tk時刻無人機坐標為Pk(xk,yk,zk)，tk+1時刻無人機坐標為Pk+1(xk+1,yk+1,zk+1)，tk時刻測得目標方位角、俯仰角、框架角分別為αk、βk、θKJk。機體采用水平無傾斜轉彎，因此，可將無人機在ΔT內的運動先簡化分解成橫向和縱向上的2個圓周運動，如圖3所示，而后進行合成。其中，Δαk、Δβk分別為每次測向數據更新后機體在橫向和縱向上需調整的角度。

圖3 機體運動的分解示意圖

機體的飛行控制和過載密切相關，設機體在橫向及縱向上的最大過載分別為n1max、n2max，則ΔT內機體在橫向及縱向上能調整的最大角度分別為：

(1)

(2)

式中：V為無人機飛行速度。

機體實際調整角Δαk、Δβk必須依據目標測向信息，并同時滿足機體過載能力，所以：

Δαk=min{αk,αmax}

(3)

Δβk=min{βk,βmax}

(4)

根據圖3機體坐標系，機體在ΔT內的橫向位移為：

(5)

機體在ΔT內的縱向位移為：

(6)

機體的運動軌跡為橫向和縱向運動的合成，即：

(7)

2 ARUAV導引頭測向模型

2.1 單脈沖比相測向原理

這里ARUAV通過被動雷達導引頭(PRS)采用比相測向法測量目標角度信息[6]，其原理如圖4所示，輻射源信號到達天線Ⅰ和天線Ⅱ的波程差為：

Δr=dsinq

(8)

式中：d為天線Ⅰ、Ⅱ間基線距離；q為來波方向與天線中軸線間夾角。

而波程差Δr對應的相位差為：

(9)

利用式(9)可以確定到達角[7]：

(10)

圖4 比相測角原理圖

2.2 導引頭測向模型

建立天線坐標系，將PRS天線結構簡化如圖5示，天線陣由3個子天線構成，天線A為坐標原點，B、C分別位于兩軸上，坐標分別為(0,d,0)、(0,0,d)。設tk時刻移動目標在天線坐標系中坐標為(xtk,ytk,ztk)。

圖5 天線結構簡化圖

子天線A、B進行方位測量，tk時刻相位差為:

子天線A、C進行俯仰測量，tk時刻相位差：

根據式(10)即可分別計算目標線與橫向基線夾角θ1與縱向基線夾角θ2。

而目標方向與天線陣視軸之間的夾角：

(13)

α=arctan(cosθ1/cosθ)

(14)

目標俯仰角為：

β=arctan(cosθ2/cosθ)

(15)

3 仿真與分析

根據ARUAV工作過程及原理，仿真程序按照設置參數、解算目標角度、調整天線指向、控制機體姿態的順序設計。設置參數包括目標輻射源的頻率、運動軌跡及速度，ARUAV初始位置、飛行速度、過載系數、基線長度、測向周期、引爆高度等。

仿真條件：移動輻射源位于地理坐標系原點，沿Xi軸正向運動，目標信號頻率1.5GHz。ARUAV飛行高度為1 800m，攻擊角定義為ARUAV相對目標與目標前進方向之間的夾角φ，如圖6所示。ARUAV飛行速度恒定為100 m/s，導引頭視場角為60°，天線基線長度為9 cm，測向周期為20 ms，測向誤差小于1°，設無人機引爆高小于4 m。

圖6 攻擊角定義示意圖

(1) 反輻射無人機攻擊角為135°，目標靜止狀態下ARUAV攻擊仿真。

圖7 無人機對靜態目標的攻擊路徑

目標靜止不動時，無人機攻擊的仿真路徑如圖7示。由圖可見，ARUAV先是平飛，待目標俯仰角足夠大時發起俯沖攻擊，仿真結果表明無人機的最終引爆點坐標為(-1.95,-0.68,2.9)，攻擊誤差小，目標將被摧毀。這與實際靶射實驗的數據接近，說明ARUAV對靜態目標的攻擊精度高，驗證了模型的有效性。

(2) 攻擊角不變，設定目標航速10.3m/s時，ARUAV攻擊動目標仿真。

圖8 目標航速10.3 m/s時無人機攻擊路徑

圖9 目標航速10.3 m/s時無人機攻擊路徑在水平面投影

圖8為目標航速10.3m/s時無人機的攻擊路徑，仿真同時還給出了目標和無人機的運動軌跡在水平面投影，如圖9所示。結果表明，無人機引爆點坐標為(317.6,-0.85,2.38)，目標坐標為(323.3,0,0)，對目標仍有一定的毀傷效果。

(3) 目標航速分別為10.3m/s和15.4m/s時，ARUAV分別從不同的攻擊角對目標發起攻擊，并分別進行100次蒙特卡羅實驗，對其平均攻擊精度進行統計，結果如圖10所示。由圖可知，目標航速越高，攻擊精度越低，特別是目標航速為10.3m/s、攻擊角30°和目標航速為15.4m/s、攻擊角20°時的攻擊精度最差。

圖10 不同攻擊角時無人機的攻擊誤差

進一步分析上述2種仿真場景下無人機的末端軌跡投影，如圖11所示。

圖11 2種仿真條件下攻擊路徑在水平面投影

分析可知，ARUAV迎面從目標側方開始攻擊時，跟蹤過程對無人機飛行機動性能要求高，而機體本身飛行過載能力有限，姿態調整不及時，難以實現精確的跟蹤，導致攻擊誤差很大。

因此，ARUAV入侵方向與攻擊精度確實密切相關，在運用無人機攻擊移動目標時，應當注意合理規劃航跡，選擇合適的攻擊角。

4 結束語

本文通過分析ARUAV飛行和測向原理，建立起基于比相體制測向技術的ARUAV攻擊移動輻射源的動態模型，計算機仿真驗證了模型的可行性。對ARUAV攻擊移動目標的攻擊角進行了定義，并主要探討了ARUAV在不同攻擊角條件下對移動輻射源的攻擊效果。

仿真表明，ARUAV受自身機動性能制約，采用不同攻擊角時，攻擊精度相差較大。因此，為了充分發揮無人機的作戰效能，在運用ARUAV攻擊移動輻射源時，合理規劃攻擊路徑、選擇合適的攻擊角度對提高無人機攻擊效能意義重大。

[1] 溫杰.輻射無人機的現狀與發展[J].飛航導彈,2000(7):4-5.

[2] 王龍濤.水面艦艇對抗反輻射無人機對策研究[J].艦船電子對抗，2009，32(4)：12-14.

[3] 潘奎，潘英鋒，陳蓓，冷毅.誘餌誘騙條件下反輻射無人機攻擊過程建模仿真分析[J].艦船電子對抗,2012,35(6)：59-66.

[4] 錢杏芳，林瑞雄，趙亞男.導彈飛行力學 [M].北京：北京理工大學出版社，2000.

[5] 任剛強.雷達有源誘餌系統對抗反輻射武器仿真研究[D].西安：西北工業大學，2005.

[6] 高烽.雷達導引頭概論[M].北京：電子工業出版社，2010.

[7] 司錫才，趙建民.寬頻帶反輻射導彈導引頭技術基礎[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，1996.

Simulation Analysis of Attack Effect of ARUAV to Mobile Emitter Target

JIANG Wei-hang，PAN Ying-feng

(Air Force Early Warning Academy，Wuhan 430019，China)

Modern surface ship is one of the main weapons for world's powerful nations to contest the sea control right.In order to apply the anti-radiation unmanned aerial vehicle (ARUAV) to attack and suppress the ships effectively and take full characteristics of ARUAV's anti-radiation campaign,it is particularly important to research the attack effect of ARUAV to mobile emitter.Based on ARUAV terminal guidance and direction finding (DF) theory of passive seeker,this paper establishes the simulation model of ARUAV attacking mobile targets,discusses the relationship between the attack accuracy and attack angle of ARUAV,which has a certain support function for the campaign research of ARUAV attacking mobile targets.

anti-radiation unmanned aerial vehicle;mobile emitter;attack angle;attack accuracy

2015-03-20

V271.4

A

CN32-1413(2015)04-0076-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.04.020