集群協同對抗雷達制導導彈方法探索

魏旭鴻,陳舒思

(中國船舶集團有限公司第七○八研究所,上海 200011)

0 引 言

目前國際形勢發生了巨大變革,海軍存在多樣化建設的強烈需求,軍用艦船擔負的任務類型、任務規模與過去存在巨大差別,從單艦船、小規模、簡單任務逐漸轉向集群化、多節點、協同執行復雜任務[1];艦船執行作戰任務時,需要通過電子對抗等防御手段保障平臺安全:因此,面向集群任務的電子對抗防御能力建設也變得愈加重要,成為了影響艦船執行任務效能的重要因素。為了應對復雜耦合的電子對抗防御任務,加強自防御能力,需要在自防御任務中融合數字化、信息化管理手段,通過區域信息共享,合理分配對抗資源,提升集群對來襲目標的防御能力。

隨著信息技術的長足進步,區域信息共享在工業生產和日常生活的方方面面都得到了廣泛的研究和應用。電子對抗手段的發展正適應信息化能力的提升,以管理學、運籌學、控制論和行為科學為基礎,數值模擬[2]和信息技術為手段,為防御決策提供了決策所需要的數據、信息和背景資料,幫助防御決策者明確決策目標,提供各種決策備選方案,并對各種戰術方案進行評價和選優,為正確決策提供有益幫助[3]。

艦船電子對抗中常用無源干擾技術手段對雷達制導導彈進行干擾。隨著艦船任務系統的復雜程度逐步升高,如何精準構建以無源干擾手段為主要方式的協同對抗模型,如何構建協同防御傳遞數據信息,并實施戰術決策以便及時響應已經成為了嚴峻的考驗。

本文首先從雷達制導導彈的特性開展分析,結合一般無源干擾對抗手段,開展單平臺無源干擾原理分析,根據目標特性和干擾原理,衍生出協同對抗防御的實施思路,對集群協同模式進行探討。

1 雷達制導導彈搜索跟蹤過程

1.1 雷達制導導彈的搜索跟蹤

雷達導引頭通常有搜索和跟蹤2種狀態。搜索就是在導引頭發射電磁波的同時利用雷達天線的掃描在各個距離門內以及各個俯仰角和方位角單元進行檢測,一旦檢測到的電平超過門限,就認為發現目標或者開始積累;如果發現目標雷達隨即進入跟蹤狀態,否則就繼續進行搜索。

雷達進入跟蹤階段后,利用搜索階段獲得的目標粗略位置(距離和角度)或者其他信息進行信號和數據處理,借以對目標信息進行較為精確的測量和跟蹤,實現對目標的鎖定。如果雷達在跟蹤狀態下丟失目標,則會轉入到搜索狀態重新尋找目標。

1.2 雷達制導導彈距離門檢測

在搜索狀態下,天線系統將不斷調整天線的指向,在經過匹配濾波之后進行檢測。如果未超越門限,則繼續令天線進行掃描;如果超越門限,則進入積累檢測狀態。

在積累檢測狀態下,當到達一定的脈沖積累數時,如果超越門限的脈沖數超過了設定的二進制檢測門限,則進行距離信息和角度信息的測量,并轉入跟蹤狀態。如果積累失敗,那么重置天線和距離門,重新開始搜索。如果采用的是相參積累,還要在匹配濾波之前或者之后進行多普勒濾波,對進行了多普勒濾波和匹配濾波之后的信號進行積累檢測。一旦檢測到目標,還要對多普勒信息也就是速度信息進行測量,為跟蹤系統提供初始的目標相對雷達運動速度的信息。

在跟蹤狀態下,每個脈沖的回波信號同樣要經過天線接收、射頻濾波、采樣等等步驟,在經過匹配濾波(或者還要進行多普勒濾波)之后判斷是否越過門限。如果低于門限的脈沖數到達一定次數則認為目標丟失,轉入搜索狀態。如果匹配濾波的輸出超越門限,那么對距離誤差信息和角度誤差信息以及速度信息進行測量,并將距離誤差信息送入采樣系統,調整在距離上采樣的起始點,將角度信息送入天線系統,以調整天線從而跟蹤目標的角度,并將速度信息傳遞給多普勒濾波器,實現對目標相對雷達運動速度的跟蹤。

2 雷達波束覆蓋集群陣型范圍

2.1 雷達波束覆蓋范圍

設來襲雷達體制目標[4]的飛行高度約為h,距離目標約R,雷達天線主波束寬度(3 dB處)為θ3 dB,雷達波入射余角為φg,則方位面覆蓋寬度近似為R·θ3 dB,俯仰面覆蓋寬度為R·θ3 dB·cscφg,其中φg=arctan(h/R),雷達波照射海面范圍如圖1所示。

圖1 雷達波束投影示意圖

一般而言φg值較小,故俯仰面覆蓋長度較大而方位面覆蓋較小,雷達波照射到編隊的范圍如圖2所示。

2.2 集群協同對抗

集群協同對抗一般包含協同偵察和協同干擾2個主要部分。協同偵察主要實施多平臺、多節點偵察傳感器的信息融合及綜合處理,通過集群信息共享,形成相對多個獨立偵察傳感器效果更好的偵察效果,提升偵察能力;協同對抗主要實施集群級別對抗干擾,相比于單平臺只負責自身對抗干擾的模式,協同對抗可協調減少集群內干擾效果沖突,優化對抗資源配置。

2.2.1 協同偵察

集群編隊陣形假設為密集陣型,當編隊中的某一艘艦船被雷達體制目標選擇、截獲、跟蹤后,其附近多艘艦船目標同樣會被雷達天線主瓣波束照射(如圖2所示),艦船搭載的被動接收傳感器能夠偵測到目標雷達信號,甚至在來襲目標雷達功率較大的情況下,艦艇平臺偵收到其雷達副瓣波束信號。另一方面,當艦船配備主動搜索雷達時,來襲目標抵近后,可被多個搜索雷達鎖定。因此,必須將登陸艦艇編隊看成一個有機整體,通過協同偵察的方式,將集群內每艘艦船的雷達偵察信息進行融合處理,從而滿足以下2點要求:

(1) 確定目標來襲方向和打擊范圍

通過集群協同偵察和雷達偵察信息融合處理,可進行去副瓣處理,降低副瓣的影響;可以較為精準地確定來襲目標的方向,同時確定目標的打擊范圍,從而為電子干擾提供比較可靠的引導信息。

(2) 降低密集陣形下雷達偵察增批的影響

密集的編隊陣形會導致雷達偵察出現比較嚴重的增批現象。增批現象主要是由于海面、艦上建筑等多次反射造成,通常在作戰艦艇上也是存在的。增批目標信息中,其測角信息通常誤差非常大,甚至是錯誤的,可通過雷達偵察信息和艦載搜索警戒雷達探測信息的融合處理,有效降低增批的影響。

2.2.2 協同干擾

通過集群協同偵察,確定目標來襲方向和打擊范圍后,艦船可實施干擾決策和干擾釋放。

對于單平臺而言,來襲目標的波束范圍、距離波門范圍內一般僅存在一艘艦船,因此單平臺以實施自身防御為主。

對于集群而言,當集群中的某一艘艦船被雷達體制目標跟蹤后,其周圍多艘艦船均會受到雷達波束照射,由于無法判斷集群內被跟蹤的具體艦船,所有偵察到雷達波信號的艦船均要求對來襲目標實施干擾,避免遭受打擊;同時,集群內單艦船對來襲目標的干擾引偏還需考慮編隊陣型,要求避免將來襲目標引偏到集群內其他艦船。綜合上述分析,單平臺對于來襲目標的電子對抗防御與集群協同對抗防御在原理上存在很大的差異。

目前,常用對臨近艦船的雷達制導導彈進行無源干擾的方式為制造干擾物,并實現對來襲目標的引偏。

2.3 質心干擾原理

導彈末制導雷達的波束寬度決定了探測范圍,最小距離分辨單元決定了導彈發現目標的分辨能力,如圖3所示。艦艇需向波束范圍內與艦艇自身處于相同和相鄰的雷達分辨單元區域發射干擾物,形成雷達回波功率比艦艇更強的干擾物,使得來襲目標無法區分目標真假,且更傾向于跟蹤回波更強的干擾物。與此同時,艦艇駛離,通過艦船與干擾物整體質心偏離艦船質心,實施引偏。

圖3 雷達波束寬度和距離分辨單元

根據雷達原理,為使來襲目標無法區分艦船和干擾物,要求干擾物與艦船處于相同和相鄰的雷達距離分辨單元內,如圖4所示,一般而言干擾物質心與艦船質心連線方向與來襲方向垂直時干擾效果最好[5-6]。

艦船在最優方向布設干擾物后,需綜合風向、航向等因素駛離當前區域,通過艦船與干擾物整體的質心偏離艦船本體的質心,引偏來襲目標。

3 集群協同無源干擾雷達制導導彈方法

來襲目標搜索時,雷達波可能會照射到編隊內所有艦船。在偵收到雷達信號時,應確定本艦確實是被跟蹤后再采取干擾措施,并通過集群協同的方式節約對抗資源,否則單枚來襲目標將耗費集群的全部對抗資源。

根據雷達波束范圍分析,在來襲目標一個雷達波束寬度內被跟蹤/照射的編隊內艦船數量有限,因此僅有被跟蹤的艦艇有實施對抗干擾的必要性。

另一方面,集群內艦船可能同時觸發告警并實施干擾,但多艘艦艇在實施對抗干擾時,可能存在互相影響的情況,因此集群內的干擾應形成統一態勢,共享來襲目標信息,共享集群航行狀態數據,綜合處理后形成干擾計劃并統一執行[7]。

如果設置集群集中式指揮,存在2類風險:一是集群內信息需要有“收集—處理—分發—確認”的過程,環節多且耗時;二是如果集群中心遭遇戰損,則集群失去電子對抗能力,代價較高。因此,考慮采用分布式構架,集群內通過寬帶組網共享信息,每個艦船節點自行開展計算,根據艦船在集群內的位置,綜合決策自身無源干擾實施方式,通過各個節點分布式處理自身信息,執行局部干擾,統籌考慮周圍態勢,最終達到全局干擾的合理解決方案[8]。

假設有矩形整列集群陣型,當雷達制導導彈在跟蹤鎖定艦船方位后,接收到相應的雷達回波,通過確定回波的功率大小和時序,來判斷艦船的距離,雷達回波如圖5所示。

圖5 雷達跟蹤期間回波圖

在雷達波束照射范圍內,假設存在N艘艦船。考慮到雷達在搜索跟蹤時,均會在艦船附近進行小范圍搜索,所以在波束內N艘艦船同時釋放干擾物時,對位于雷達波束邊沿的相鄰M艘艦船,也需要同時釋放干擾物,如圖6所示。這樣才能確保末制導雷達在干擾后,可以以較大概率最終跟蹤干擾物。

此時,干擾物剛剛釋放,干擾能量較小,所以雷達繼續跟蹤艦船目標;當干擾物逐漸形成后,很快和艦船目標在距離上重合,形成了質心干擾,雷達將艦船、干擾物的混合體識別為目標進行跟蹤。

隨著艦船運動,干擾物在距離上逐漸與艦船分離。此時由于雷達通過徑向尺寸將回波能量大的目標識別為艦船目標,所以雷達選擇跟蹤干擾物,如圖7所示。回波能量大的干擾物完全覆蓋了艦船回波信號。

隨著時間推移,目標距離跟蹤目標越來越近,雷達波束照射范圍越來越小,雷達波束照射范圍內只有干擾物,來襲目標將一直穩定跟蹤干擾物,直至抵近。

4 結束語

本文通過分析雷達制導導彈搜索跟蹤過程,論證了目標雷達波的照射范圍與特點,根據典型集群陣型樣式,分析了協同偵察和協同探測的必要性。通過對集群對抗協同對抗方案分析,通過仿真手段,驗證當某雷達制導導彈抵近時,有針對性地實施協同對抗,從而優化了對抗資源,同時具備一定的協同對抗效果。

本文通過集群協同對抗方法探索,針對典型無源干擾/質心干擾手段開展分析,后續可針對多種干擾樣式與集群多樣化干擾手段配置作進一步分析、驗證、研究,面向未來戰爭需求,繼續發揮集群協同信息優勢和決策優勢。