電子對抗偵察衛(wèi)星對警戒雷達(dá)偵察效能分析*

付本龍，宗思光

(海軍工程大學(xué),湖北 武漢 430033)

0 引言

電子對抗偵察衛(wèi)星是指利用星載電子對抗偵察載荷，捕獲接收空間電磁信號，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及存儲轉(zhuǎn)發(fā)的偵察衛(wèi)星系統(tǒng)。電子對抗偵察衛(wèi)星在對海上雷達(dá)信號偵察上有其獨特優(yōu)勢：首先，大海范圍廣闊，電磁信號的干擾很少，噪聲環(huán)境單一，信噪比較高；其次，艦船特別是軍艦因自衛(wèi)或攻擊需要，對空對海警戒雷達(dá)經(jīng)常向空間輻射電磁信號，極易被星載雷達(dá)對抗偵察設(shè)備截獲；再次，與成像衛(wèi)星相比有優(yōu)勢，比如光學(xué)成像衛(wèi)星受制于天氣影響，易于被云層阻擋，雷達(dá)成像衛(wèi)星的瞬時視場受分辨率的制約，瞬時視場不夠?qū)挘瑐刹旆秶邢蓿话阈枰谄渌麄刹煸O(shè)備的引導(dǎo)下工作，相比較而言，電子對抗偵察衛(wèi)星覆蓋的范圍更大，發(fā)現(xiàn)概率更高，技術(shù)也較成熟，且具有全天時、全天候的能力。

電子對抗偵察衛(wèi)星是作為情報體統(tǒng)中的一個重要信息來源，衛(wèi)星的主要工作是截取信號，并進(jìn)行星上數(shù)據(jù)處理和存儲轉(zhuǎn)發(fā)。實現(xiàn)偵察目的的前提是對電磁信號進(jìn)行有效的捕獲接收，這就要求偵察衛(wèi)星必須從空域、頻域、時域和能量域上對目標(biāo)信號實施有效覆蓋。文獻(xiàn)[1]主要從空域和時域覆蓋的因素出發(fā)，采用數(shù)據(jù)仿真的方法，從瞬時偵察覆蓋范圍、偵察覆蓋區(qū)域、飛行周期、重復(fù)偵察周期、偵察有效時間等方面對電子偵察衛(wèi)星的情報偵察能力進(jìn)行分析，分析結(jié)果可為電子偵察衛(wèi)星的作戰(zhàn)使用研究提供一定的理論依據(jù)。但是如何從能量域和頻域上分析，還沒有進(jìn)行研究。本文通過構(gòu)建電子對抗偵察衛(wèi)星偵察模型，再通過分析典型艦載雷達(dá)特性，對其電子對抗偵察衛(wèi)星的偵察效能進(jìn)行仿真，得出電子對抗偵察衛(wèi)星對艦載對空警戒雷達(dá)、對海搜索雷達(dá)信號的捕獲能力、條件、跟蹤時長，分析得到其偵察效能。

1 電子對抗偵察衛(wèi)星對艦船雷達(dá)信號的偵收模型

1.1 艦船雷達(dá)信號到達(dá)衛(wèi)星時的功率密度計算方法

電子對抗偵察衛(wèi)星在偵察能力上的核心指標(biāo)之一是靈敏度，如相關(guān)資料顯示，美國軌道高度1 000 km左右的“白云”電子對抗偵察衛(wèi)星的靈敏度大概為-45～-97 dbW/m2，美國“大酒瓶”地球同步軌道電子對抗偵察衛(wèi)星，軌道高度36 000 km,靈敏度大概為-117～-169 dbW/m2。因此，通過計算雷達(dá)到達(dá)衛(wèi)星時的功率密度，再對比電子對抗偵察衛(wèi)星的靈敏度，就能計算該型號雷達(dá)能否被此衛(wèi)星偵測到。

本文以地球同步軌道衛(wèi)星為例，計算其偵察效能。設(shè)電子偵察衛(wèi)星軌道高度為H，由于電子偵察衛(wèi)星對固定目標(biāo)的偵收持續(xù)時間內(nèi)運行距離遠(yuǎn)小于地球軌道半徑和衛(wèi)星高度，因此可以認(rèn)為，電子偵察衛(wèi)星在對海面艦船目標(biāo)進(jìn)行偵察時，其相對于海面目標(biāo)的運行軌跡近似于一條直線，如圖1所示。

設(shè)電子偵察衛(wèi)星和雷達(dá)的直線距離為R，則根據(jù)圖1可得

(1)

式中:φ為雷達(dá)天線的仰角;θ為衛(wèi)星與雷達(dá)連線偏移雷達(dá)天線最大增益方向的角度。

根據(jù)圖1，衛(wèi)星過頂時θ最大，衛(wèi)星與雷達(dá)連線對準(zhǔn)主瓣時，θ為0，衛(wèi)星繼續(xù)轉(zhuǎn)動，則θ為負(fù)值。

假設(shè)空間沒有介質(zhì)損耗干擾，設(shè)某型號雷達(dá)地面發(fā)射功率為Pt，發(fā)射天線主瓣增益為Gt，旁瓣增益為隨θ變化的值G(θ)，則根據(jù)雷達(dá)方程，在距離雷達(dá)R遠(yuǎn)處，該雷達(dá)的功率密度為

(2)

(3)

式中：Gt為雷達(dá)的主瓣增益；K為經(jīng)驗常數(shù)，對于低旁瓣增益天線K=0.04～0.06；θ0.5為雷達(dá)主瓣方位波束寬度。

將G(θ)的相應(yīng)部分的值帶入式(1)中，再結(jié)合雷達(dá)相關(guān)參數(shù)，即可得出相應(yīng)型號雷達(dá)在空間的功率密度Sr隨角度θ的變化關(guān)系。

1.2 典型美海軍艦載搜索警戒雷達(dá)情況

受制于接收頻率，衛(wèi)星一般能接收到的信號為艦載對海和對空搜索警戒雷達(dá)。為了便于分析，選取較有代表性的3型雷達(dá)進(jìn)行分析，就是目前美國海軍典型的3型艦載雷達(dá)：超遠(yuǎn)程兩坐標(biāo)的AN/SPS-49對空搜索雷達(dá)、遠(yuǎn)程三坐標(biāo)的AN/SPS-48對空搜索雷達(dá)、AN/SPS-67對海警戒雷達(dá)。根據(jù)已披露的相關(guān)資料顯示，AN/SPS-49雷達(dá)目前代表型號為AN/SPS-49(V)型，該型雷達(dá)主要裝備在提康德羅加巡洋艦、佩里級導(dǎo)彈護(hù)衛(wèi)艦、惠德貝島級兩棲船塢登陸艦以及黃蜂級兩棲攻擊艦上。AN/SPS-48雷達(dá)目前代表型號為AN/SPS-48(E/F),該型雷達(dá)工作時發(fā)射9個俯仰上疊加的筆形波速覆蓋5.6°，8組波束形成45°俯仰角覆蓋，主要裝備航空母艦、大多數(shù)導(dǎo)彈巡洋艦和驅(qū)逐艦以及兩棲指揮艦，并出口德、日、奧等多國。AN/SPS-67雷達(dá)目前代表型號為AN/SPS-67(V2)，該型雷達(dá)主要裝備航空母艦、阿利伯克級導(dǎo)彈驅(qū)逐艦等艦船。將相關(guān)數(shù)據(jù)對應(yīng)式(3)，并匯總?cè)绫?所示。

1.3 空間傳播損耗問題

對電磁波在空間傳播的損耗問題，主要分析對流層和電離層的影響[4]。根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]中的計算，工作頻率在10 000 MHz以下，仰角在30°～90°內(nèi)的電磁波穿透整個對流層吸收損耗小于0.1 dB，當(dāng)電磁波頻率高于30 MHz時，即可穿越電離層，當(dāng)電磁波頻率高于100 MHz，且當(dāng)云的密度為0.032 g/m3時,電磁波穿越電離層損失小于1 dB，且頻率越高，電離層損失越小。本文分析的3型雷達(dá)頻率都在100～10 000 MHz之內(nèi)，在大氣層內(nèi)都有很強大穿透力，衰減并不大[6-10]，可忽略不計。

2 電子對抗偵察衛(wèi)星對三型雷達(dá)的偵察仿真

電子對抗偵察衛(wèi)星從接近發(fā)現(xiàn)雷達(dá)到過頂偵察再到離開雷達(dá)目標(biāo)，整個過程是對稱的，故仿真計算時僅考慮從衛(wèi)星過頂?shù)叫l(wèi)星遠(yuǎn)離這段偵察過程。因為電子對抗偵察衛(wèi)星的參數(shù)是靈敏度，單位是dBW/m2，故需將式(2)取對數(shù)[7]，單位轉(zhuǎn)化為dBW/m2。

(4)

假設(shè)現(xiàn)有某型電子對抗偵察衛(wèi)星,其軌道高度為1 000 km,靈敏度為-150 dBW/m2,現(xiàn)將AN/SPS-49V(V),AN/SPS-48(E),AN/SPS-67(V2)3型雷達(dá)以及衛(wèi)星的相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式(4)中，利用Matlab進(jìn)行仿真，計算功率密度dBW/m2隨的變化如圖2所示。

根據(jù)計算結(jié)果,電子對抗偵察衛(wèi)星對對空搜索雷達(dá)可實現(xiàn)有效偵察,對對海警戒雷達(dá)的發(fā)現(xiàn)概率較低[11-12]。據(jù)圖2，當(dāng)衛(wèi)星靈敏度是-150 dBW/m2時，對AN/SPS-49V(V)實現(xiàn)有效偵察的臨界偏離角為20.57°，對AN/SPS-48(E)實現(xiàn)有效偵察的臨界偏離角為27.53°，對AN/SPS-67(V2)實現(xiàn)有效偵察的臨界偏離角為8.56°。

表1 美海軍三種典型型號雷達(dá)部分參數(shù)Table 1 Some parameters of three typical radars of the US Navy

圖2 電子對抗偵察衛(wèi)星對3型典型雷達(dá)實現(xiàn) 偵察靈敏度需求隨ω的變化情況Fig.2 Sensitivity requirements of ECM reconnaissance satellite for three radars change with ω

3 電子對抗偵察衛(wèi)星對海上搜索警戒雷達(dá)的偵察有效時間分析

圖3 電子對抗偵察衛(wèi)星運行中的相關(guān)幾何關(guān)系示意圖Fig.3 Geometric sketch of ECM reconnaissance satellite in service

據(jù)Matlab的仿真結(jié)果，電子偵察衛(wèi)星可以實現(xiàn)要實現(xiàn)對這3型雷達(dá)的有效偵察，但需要實現(xiàn)天線的有效對準(zhǔn)，要求衛(wèi)星天線方向與與雷達(dá)主瓣的偏移角度都在有效角度以內(nèi)。因為一般電子對抗偵察衛(wèi)星軌道高度為1 000 km時，為了實現(xiàn)對全球的有效偵察，一般都在經(jīng)過兩極的近似圓軌道上運行[13]。根據(jù)天體運行規(guī)律，其運行周期為

(5)

將相關(guān)參數(shù)代入，得衛(wèi)星的運行周期大約為105 min。為得出衛(wèi)星對某型雷達(dá)的有效偵察時間，需計算在有效偵察范圍內(nèi)衛(wèi)星運行的圓周角度。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入，可知電子對抗偵察衛(wèi)星在一次有效覆蓋時，對3型美軍艦載雷達(dá)的偵察時間如表2所示。

表2 假定型號的電子對抗偵察衛(wèi)星對三型 艦載雷達(dá)的有效偵察時間Table 2 Effective reconnaissance satellite for three shipborne radars

4 結(jié)束語

通過上述分析，可知電子對抗偵察衛(wèi)星可對一般對海對空搜索警戒雷達(dá)進(jìn)行有效偵察接收，且偵察有效持續(xù)時間較長，具備實現(xiàn)偵察、定位等條件。但由于受制于重訪問周期等條件影響，電子對抗偵察衛(wèi)星更多的是用于戰(zhàn)略偵察，其支援海上作戰(zhàn)的戰(zhàn)術(shù)運用功能、機制和方法還有待進(jìn)一步研究，比如采用多星組網(wǎng)縮短重訪周期、與其他偵察方式協(xié)同偵察等等[14-15]，這些還需要進(jìn)一步開展研究，以充分發(fā)揮電子對抗偵察衛(wèi)星的作戰(zhàn)效能。