復雜電磁環(huán)境中海軍作戰(zhàn)對抗電子偵察衛(wèi)星研究*

沈振華 姚景順 陳曉曦 羅育洪

(海軍大連艦艇學院研究生2隊1) 大連 116018)(海軍大連艦艇學院作戰(zhàn)指揮系2) 大連 116018)

1 引言

現(xiàn)代海戰(zhàn)中,水面艦艇作戰(zhàn)依賴海戰(zhàn)場情報的程度提高,交戰(zhàn)雙方艦艇均使用各種電磁輻射裝備獲取戰(zhàn)場海空情態(tài)勢,除此之外軍用偵察衛(wèi)星系統(tǒng)也已成為戰(zhàn)爭中直接支援戰(zhàn)場行動的情報來源,并逐步發(fā)展為作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的重要組成部分。軍用偵察衛(wèi)星系統(tǒng)主要包括電子偵察衛(wèi)星、成像偵察衛(wèi)星、海洋監(jiān)視衛(wèi)星、導彈預警衛(wèi)星和核爆炸探測衛(wèi)星等,星上主要載荷為光電傳感器、雷達或無線電信號偵察接收機、數(shù)據處理和分發(fā)裝備等。其中電子偵察衛(wèi)星具有覆蓋空間范圍大、接收頻域范圍寬、軌道機動和組網偵察能力強、靈敏度高、偵察行動不受地理和國界的限制,能夠全天候、全時段的對敏感海域的海上艦艇實施偵察監(jiān)視的特點,已成為獲取海戰(zhàn)場電磁情報的重要手段,對水面艦艇作戰(zhàn)行動及電磁情報安全造成較大影響[1]。反電子偵察衛(wèi)星已成為確保水面艦艇作戰(zhàn)訓練行動隱蔽性和安全性的重要課題。

2 電子偵察衛(wèi)星工作原理分析

2.1 衛(wèi)星工作原理

電子偵察衛(wèi)星主要通過星載高靈敏度電磁信號接收機偵察截獲地面或海上的各種雷達系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的輻射源信號,探測和鑒別其電磁信號參數(shù)、體制和工作模式等信息,并獲取目標位置、航向和航速等戰(zhàn)術情報,以監(jiān)視各種電磁輻射源的活動。從當前實際部署情況看,電子偵察衛(wèi)星分為普查型和詳查型兩種。普查型電子偵察衛(wèi)星主要用于大范圍偵察,對各種無線電和雷達信號輻射源進行概略定位,確定其頻段、脈沖重復周期、工作體制和掃描方式,覆蓋范圍一般可達2000km以上。詳查型電子偵察衛(wèi)星主要用于精確核定普查過程中發(fā)現(xiàn)的敏感目標,獲取雷達和通信信號的特性和參數(shù)并判別輻射源的位置、速度、航向、型號等高價值情報。電子偵察衛(wèi)星偵察海上艦船的主要方法是偵察海上艦艇的雷達和通信等信號,探測和鑒別海上艦船型號并確定其位置、航向和航速等,以監(jiān)視水面艦艇活動,并及時為本方攻擊編隊提供海上目標的遠程目標指示。

截至目前,美國電子偵察衛(wèi)星已經發(fā)展了5代9型,前后共發(fā)射80余顆,第5代正在逐步部署之中。目前美國在空間中共部署有十余顆電子偵察衛(wèi)星,其中低軌道衛(wèi)星4顆、大橢圓軌道3顆、地球同步軌道4顆,其中主要包括2顆組網工作的“流紋巖”、1顆“漩渦”、4顆“大酒瓶”、4顆“喇叭”衛(wèi)星等,衛(wèi)星軌道覆蓋地球橢圓軌道、大橢圓軌道、極地軌道等,頻域覆蓋范圍為100MHz～40GHz。上述偵察衛(wèi)星可實現(xiàn)全球覆蓋及重點敏感區(qū)域的定點全時段覆蓋,主要偵察監(jiān)視洲際導彈遙測及發(fā)射信號、核潛艇活動情況、軍用雷達信號、各波段的通信和廣播信號等。

對水面艦艇威脅較大的是美海軍海洋監(jiān)視系統(tǒng)的“高級白云”電子情報衛(wèi)星(SSU-Ⅱ)。該系統(tǒng)衛(wèi)星為低軌道,軌道傾角為63.4°,由4組星座共16顆衛(wèi)星(4顆主星,12顆子星)組網工作,每組衛(wèi)星由一顆主星和三顆伴星構成,標準星座由彼此相隔120°的3個軌道面組成,每個軌道面上都部署一組衛(wèi)星,衛(wèi)星之間間距為30～110km,采用三角時差定位法(TDOA)對海上目標進行定位。該系統(tǒng)衛(wèi)星瞬時地面覆蓋幅寬可達3500km,工作頻率0.5～10GHz,電子偵察定位精度可達2～3km,靈敏度45～97dbm。由4組衛(wèi)星組成的系統(tǒng)能夠對地球40～60°緯度范圍內的任何區(qū)域每天監(jiān)視30次以上,即過頂某區(qū)域時間分辨率可達48分鐘。該衛(wèi)星系統(tǒng)的偵收、處理和傳輸能力較強,每組衛(wèi)星的瞬時偵察區(qū)域可達7000km2。新“白云”海洋監(jiān)視衛(wèi)星的主衛(wèi)星裝載了紅外掃描儀和毫米波輻射儀,子衛(wèi)星上有射頻天線。利用星載全向射頻天線陣及石英晶體視頻接收機來偵收海上艦艇發(fā)射的雷達和通信信號;利用無源雷達干涉測量法來測定這些艦艇的位置、航向和航速等運動要素,并對其進行全天候跟蹤,還運用星載紅外探測器和毫米波輻射計,通過探測熱尾流來發(fā)現(xiàn)并跟蹤低空飛行的導彈,可為裝備有“戰(zhàn)斧”反艦巡航導彈的美艦提供超視距偵察和目標指示。

2.2 偵察水面艦艇能力分析

2.2.1 衛(wèi)星空間覆蓋水面艦艇判別方法

設水面艦艇當前經、緯度分別為 φ0,λ0,衛(wèi)星星下點的當前緯度、經度分別為 φs,λs,衛(wèi)星的覆蓋角為d,衛(wèi)星星下點與地面點的大圓弧長為d*(0≤d*≤π)。當 d≤d*,即滿足式(1)時,該艦艇在衛(wèi)星傳感器覆蓋范圍內。

2.2.2 衛(wèi)星載荷覆蓋特性分析

1)瞬時視場

假定衛(wèi)星偵察天線具有圓形截面,其視角寬度為θ,則瞬時視場的長度LF由下式決定:

式中:KL為常數(shù),KL=111.319543km;α的單位為°。式(2)中的近似關系式在ε很小(即地平附近)時誤差很大,不能使用此計算式。

衛(wèi)星過頂目標區(qū)域時的瞬時視場寬度WF為:

假定波束在地面的投影是一橢圓,由瞬時視場寬度推導出瞬時視場區(qū)域的面積FA為:

如果天線波束偵察區(qū)域為以星下點方向為中心的錐形區(qū)域,那么瞬時視場的面積將由更簡單的公式給出:

式中:KA=2.55604187×108km2,α對應于波束半張角θ/2的地心角。

2)可用偵察時間

假定目標位置距星下點軌跡的偏差角為ξ的某一點上,而天線波束能偵察的最大偏差角為ξmax,則能偵察該目標的軌道弧段為:Fv=Ψ/180°。

上式中 :cosΨ=cosξmax/cosξ,則在該圈軌道中對目標的覆蓋偵察時間為:t=TFv,式中T為軌道周期。

2.2.3 偵察設備完全截獲輻射源信號的功率條件

式中:Gi(θ,f)為輻射源 I個發(fā)射波束序列中第i號波束的增益(dB);Pj(θ,f)為輻射源J個發(fā)射功率組合中第j種功率的強度(dBW);Sk為偵察設備K個偵察模式中第k種偵察模式的系統(tǒng)靈敏度(dBW/m2);R為偵察設備距離輻射源的距離,dB(m);θ為輻射源相對于偵察設備的角位置;f為輻射源信號頻率。

功率條件分析:同步軌道的電子偵察衛(wèi)星位于36000km高的軌道上,而低軌電子偵察衛(wèi)星一般部署在500～600km高的軌道上,前者接收到的功率大小為低軌衛(wèi)星的1/5100,同步軌道衛(wèi)星的偵察靈敏度可達-117～-169dBW/m2。而現(xiàn)代艦載雷達都采用了低副瓣天線技術,降低了衛(wèi)星偵察的概率,當衛(wèi)星過頂針對這類雷達進行偵察時,衛(wèi)星感知的雷達平均副瓣增益Gi(θ,f)＜0。

2.3 電子偵察衛(wèi)星偵察效能分析

根據工作原理,電子偵察衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)目標的概率與其攜帶的偵察載荷的頻率范圍、空間覆蓋范圍、探測靈敏度以及輻射源情況相關。若目標使用的頻段不在偵察載荷覆蓋范圍內,及在衛(wèi)星過頂期間目標保持無線電靜默,則探測概率均為0。鑒于艦載雷達一般不關機的工作特點,可不考慮無線電靜默影響,需要對其他情況進行計算分析。論文假定電子偵察衛(wèi)星載荷靈敏度極高,且可覆蓋艦載雷達信號的所有頻段。

設電子偵察衛(wèi)星可接收n個頻段,探測到第i個頻段的概率為pdi,對于輻射脈沖信號的目標pdi可統(tǒng)一采用下式計算:

式中:RSN為信噪比,主要表征傳感器靈敏度的影響;β=ln(1/pfa);pfa為星載傳感器的虛警概率,一般可取為10-6。

誤差函數(shù)為:

表1 典型艦載雷達頻段分類

上述分析說明電子偵察衛(wèi)星對不同頻段的偵察、截獲和識別概率不同,在處理分析星載傳感器截獲的電磁信息并結合輻射源平臺情報后,建立對當前偵察海區(qū)的目標識別矩陣,衛(wèi)星能以一定經驗概率確定偵察目標的類型。具體識別經驗概率如表2所示。

表2 電子偵察衛(wèi)星識別典型雷達目標經驗概率估計值

3 水面艦艇反電子偵察衛(wèi)星措施分析[6～8]

電子偵察衛(wèi)星對水面艦艇作戰(zhàn)行動及電磁情報安全造成了嚴重影響,針對海上作戰(zhàn)需求和電子偵察衛(wèi)星特點,論文從戰(zhàn)術和技術兩個方面探討水面艦艇對抗電子偵察衛(wèi)星措施。

3.1 戰(zhàn)術對抗電子偵察衛(wèi)星

1)輻射源控制,電磁靜默

盡管美軍海洋監(jiān)視系統(tǒng)的電子衛(wèi)星數(shù)量較多且每天可對敏感目標和區(qū)域進行多次偵測,但由于其衛(wèi)星運行軌道可預測,由此可推算出衛(wèi)星在艦艇機動區(qū)上空的滯留時間,所以在海軍日常訓練和演習中,水面艦艇必須嚴格控制輻射源的發(fā)射,當艦艇在其過頂前后5分鐘內位于電子偵察衛(wèi)星覆蓋范圍內時關閉所有雷達和無線電設備,保持電磁靜默可有效反偵察。

2)假目標迷惑欺騙

根據不同作戰(zhàn)意圖,在電子偵察衛(wèi)星過頂時,用與我現(xiàn)役艦載雷達和無線電頻率相仿甚至相同的假輻射源或虛假信號開機運行或真假同時開機、輪流開機等,將假目標輻射源故意暴露給敵電子偵察衛(wèi)星。由于假目標能以主瓣對準衛(wèi)星偵察設備,可能會將弱真實信號抑制掉,降低其截獲概率。

3)實施干擾壓制偵察

利用艦載噪聲干擾機或欺騙干擾機有意施放電磁干擾或有意輻射干擾信號以干擾欺騙星載設備。適當調整干擾信號對準偵察衛(wèi)星,加重其偵察設備信號處理負擔,使其截獲概率降低。該方法既抑制衛(wèi)星對真實信號的偵測能力,也不至于對我方電磁設備的使用造成太大影響。實施噪聲干擾的信號強度一般應比被保護雷達的最大旁瓣電平高20dB左右,干擾機功率須在400kW 以上。

3.2 技術實現(xiàn)對抗電子偵察衛(wèi)星[8]

由于美軍電子偵察衛(wèi)星經過多年的發(fā)展,其技術手段已經非常成熟,加之多年來對艦艇電磁裝備持續(xù)不斷的偵察,以基本掌握重要戰(zhàn)技術參數(shù),必須改進對抗的技術手段。具體如下:

1)破壞星載偵察設備完全截獲輻射源信號的功率條件

艦載雷達系統(tǒng)采用低、極低或超低副瓣天線、窄波束天線、旁瓣消隱、隨機波束和低雷達發(fā)射峰值功率技術,通信系統(tǒng)采用微波通信體制,使偵察衛(wèi)星完全截獲雷達信號的功率條件難以滿足。

2)破壞星載偵察設備完全截獲輻射源信號的測量條件

采用類似于信息加密原理,使由雷達參數(shù)(發(fā)射峰值功率、發(fā)射頻率、脈沖寬度、信號波形、波束寬度、波束位置等參數(shù))構成的信息空間遠大于偵察衛(wèi)星對雷達參數(shù)的可測空間,且工作模式的變化速度快于偵察截獲反應時間。同時,雷達系統(tǒng)工作模式的智能化、隨機化應使衛(wèi)星獲取的偵察情報難以相關融合,致使偵察衛(wèi)星截獲雷達信號的測量條件難以滿足。

3)破壞星載偵察設備完全截獲輻射源信號的分析條件

采用電子欺騙和電子偽裝,使完全截獲電磁信號的分析條件難以滿足。電子欺騙是電磁設備自身在發(fā)射有用的脈沖信號的同時有意將無用的假脈沖摻入一并發(fā)射,如利用“脈沖多載頻率調制信號”實施雷達反偵察。電子偽裝是在電磁設備之外配置電磁信號發(fā)射裝置(如誘餌雷達),同時向外發(fā)射信號。電子欺騙和電子偽裝的目的是減少被偵察截獲信號的鑒別信息,使電磁偵察方程難以聯(lián)立,或偵察結果難以收斂,增大衛(wèi)星偵察系統(tǒng)處于病態(tài)偵察狀態(tài)的可能性,從而減小衛(wèi)星偵察系統(tǒng)的信息檢測概率。

4 結語

海軍作戰(zhàn)中,水面艦艇對抗電子偵察衛(wèi)星以隱藏戰(zhàn)術意圖及獲取電磁情報安全已刻不容緩,采取相應措施防止無形中的電磁泄密和暴露戰(zhàn)術意圖。應當清醒看到隨著技術的進步,主要作戰(zhàn)對手的電子偵察衛(wèi)星技術發(fā)展迅猛,比如多顆電子偵察衛(wèi)星與數(shù)顆成像偵察衛(wèi)星組網、多星多類型軌道組合偵察及單星多功能偵察的方法,實現(xiàn)全時段反復覆蓋敏感海域,使水面艦艇遠洋作戰(zhàn)面臨更加嚴峻的挑戰(zhàn)。論文的研究為水面艦艇對抗電子偵察衛(wèi)星提供了理論依據和指導方法,但今后需更進一步研究以尋求水面艦艇對抗電子偵察衛(wèi)星的制勝之策,以有效保護水面艦艇的電磁信息安全,掌握海戰(zhàn)場制電磁權。

[1]總裝備部衛(wèi)星有效載荷及應用技術專業(yè)組應用技術分組.衛(wèi)星應用現(xiàn)狀與發(fā)展[M].北京:中國科學技術出版社,2001

[2]陶本仁.戰(zhàn)場電磁環(huán)境信息分析技術[J].航天電子對抗,2004(2):2～3

[3]焦遜,陳永光.電子偵察衛(wèi)星對抗技術研究[J].電子對抗技術,2004(1)

[4]羅群.雷達系統(tǒng)分析與建模[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007:123～125

[5]齊歡,王小平.系統(tǒng)建模與仿真[M].北京:清華大學出版社,2004,11

[6]朔渭焰,楊波.雷達反衛(wèi)星偵察方法[J].現(xiàn)代雷達,2004(2)

[7]王柏杉,楊連洪.脈沖多載頻調制的雷達反偵察[J].艦船電子對抗,2006(10)

[8]趙國慶.雷達對抗原理[M].西安:西安電子科技大學出版社,2006:198～200