敵我識別偵察系統性能需求分析

邱宏坤,楊建波,劉 鵬

（空軍航空大學,長春 130022）

0 引 言

敵我識別器（IFF）是對雷達所探測、發現目標進行敵我屬性識別、形成完整戰場態勢的主要實戰裝備,在現代戰爭中起著舉足輕重的作用。敵我識別系統偵察是指通過對敵方IFF信號的偵收、識別與定位,引導敵我識別干擾平臺對敵方IFF系統進行攻擊、干擾或破壞等綜合對抗活動。敵我識別偵察系統性能需求分析,從作戰使用需求出發,依據現實條件確定對敵我識別偵察系統的能力需求。

1 需求分析的方法

對電子戰系統進行性能需求分析的方法主要分為基于偵察系統功能和基于偵察系統信號的仿真分析方法。

（1）偵察系統功能仿真

功能仿真又稱作系統截獲信號能力仿真或系統方案仿真,它主要用于偵察系統總體方案設計階段,以尋找最佳偵察系統方案為目的。偵察系統功能仿真僅考慮信號在探測、截獲、存儲等方面能否與實際的輸入信號相匹配,而不涉及各分系統的具體構成及具體的處理步驟。以敵我識別偵察系統為例,偵察系統功能仿真是以敵我識別系統信號傳輸方程為理論基礎。

（2）偵察系統信號仿真

偵察系統信號仿真是指通過對裝備的核心部件（比如偵察接收機、信號處理機等）進行仿真,實現系統內部數據流動與處理的動態閉環仿真,較真實地重現了偵察系統的信號工作流程。以敵我識別偵察系統為例,信號仿真需仿真電磁環境中有可能被偵察接收機截獲到的各種敵我識別信號及其它雷達通信信號（信號特征包括波形、載頻、頻譜、功率強度等）,同時通過對信號的分選、識別和定位算法實現對偵察系統的性能分析。

敵我識別系統性能需求分析主要從偵察系統的截獲能力方面,即從空間、能量和頻率上來考慮,提出系統的戰術及技術性能指標。在能量上分析偵察系統的偵察靈敏度,采用了基于功能的仿真方法,功能仿真過程中不需要詳細了解每個信號經過接收機各級后的幅度、頻率及相位特性,大大簡化了系統建模工作。

2 偵察系統空域覆蓋范圍

敵我識別系統由詢問機和應答機組成,詢問機發射詢問信號,應答機接收到詢問信號后,解碼確認后發射應答信號。詢問機和應答機之間通過“一問一答”的形式完成一次識別,所以說對敵我識別系統的偵察分為對詢問機信號和應答機信號的偵察。

2.1 對詢問機的偵察

詢問機通常同一次雷達配合使用,對一次雷達探測的目標進行詢問和識別,并將識別的“友”、“敵”信息顯示在一次雷達的顯示器上。當一次雷達發現目標后,詢問機向目標發射一串經過加密的詢問信號,如目標是己方的且裝有應答機,應答機將對詢問信號進行解碼,并自動轉發應答信號。詢問機對應答信號進行解碼后,輸出一個識別標志給一次雷達顯示器,與該目標回波同時顯示,如圖1所示。

圖1 雷達顯示器上目標回波和識別信號示意圖

由圖1可知詢問機只對雷達已探測到的目標發射詢問信號,進行詢問和識別。這就給詢問信號的偵察造成了很大的難度,偵察平臺很難對準詢問機主瓣進行偵察,只能通過旁瓣實現偵察,如圖2所示。

圖2 IFF詢問機旁瓣偵察示意圖

對詢問機進行旁瓣偵察,要求偵察系統具有360°的方位覆蓋,采用全向天線進行偵察,以盡可能地偵收到詢問機信號。全向偵察天線增益很小,偵察體制又為旁瓣偵察,對系統偵察靈敏度提出了很高的要求。

2.2 對應答機的偵察

敵我識別應答機主要有4種工作狀態:關閉狀態、值班狀態、正常工作狀態和緊急狀態。

（1）關閉狀態。應答機置于此狀態時,控制單元將停止工作,但在一些系統中不支持此狀態。

（2）值班狀態。當應答機處于值班狀態時,系統電源和發射機接通,一旦接到手動或自動應答指令后,系統將由值班狀態轉入正常應答狀態。

（3）正常工作狀態。在此狀態下,系統將對確認后的詢問信號做出應答。

（4）緊急狀態。當應答機處于此工作狀態時,系統只對不同模式詢問信號的緊急詢問做出應答。

當應答機工作在正常工作狀態或緊急狀態時,才可實現對敵我識別應答信號的偵察,由于應答機采用全向天線,所以說各個角度很容易實現對應答信號的偵察。以空基應答機為例,應答機可覆蓋方位φ=360°,俯仰 θ=±30°的空間范圍,如圖3所示。

圖4表示的是不同仰角應答機天線增益（以dB為單位）,從圖中可以看出應答天線俯仰覆蓋大致為θ=±30°的空間范圍,俯仰角大于±30°的情況下,天線增益會出現損耗,仰角越大損耗越大。

圖3 應答機應答天線空間覆蓋范圍

圖4 不同仰角應答機天線增益

為保證偵察平臺的安全,一般情況下對應答機信號的偵察需在較遠的距離上進行,也就是做到遠距離偵察。所以偵察平臺很容易落到應答天線θ=±30°的空間范圍內,不會出現天線增益損耗。同時為保證對應答機很好的一個空間覆蓋,在偵察天線的設計中也需要有一定的俯仰空間覆蓋,可設為θ=±30°。

3 偵察系統靈敏度

實現信號偵收的最基本條件之一就是必須要有足夠強的輻射源信號能量進入偵察系統,其中足夠強的含義就是指偵收信號能量要高于偵察系統的靈敏度Prmin。

3.1 偵察鏈路損耗

圖5描述的是從信號的發射到偵察系統的接收,信號功率鏈路傳輸過程（以dB形式表示）。從圖中可以得到從信號的發射到偵察系統接收的功率,若使偵察系統能有效地偵測到信號,偵察系統的靈敏度要小于信號從發射到偵察系統接收的最小功率。

圖5 信號傳輸鏈路傳輸路徑

式中:f為信號頻率；R為偵察距離。

考慮到有關饋線和裝置損耗條件下,損耗L約為11.7～13.5 dB。具體損耗如下:

（1）從發射機到發射天線之間的饋線損耗≈3.5 dB；

（2）發射天線波束非矩形損失≈1.6～2 dB；

（3）偵察天線波束非矩形損失≈1.6～2 dB；

（4）偵察天線增益在寬頻帶內變化所引起的損失≈2～3 dB；

（5）偵察天線與接收信號極化失配損失≈3 dB。

所以可以得到偵察天線對準敵我識別系統天線主瓣進行偵察時,所需偵察系統靈敏度為:

3.2 詢問信號偵察靈敏度

敵我識別系統典型詢問功率為2 000 W,發射天線增益為 30 dB左右,詢問信號頻率為1 030 MHz,饋線和裝置損耗設為14 dB,代入式（3）,可得出偵察距離為R主瓣偵察所需系統靈

設接收到發射信號的最小功率即為偵察系統的靈敏度,可得系統靈敏度計算:

式中:Prmin為偵察系統靈敏度；Pt為發射功率；Gt為發射天線增益；Lf為空間路徑損耗；L為饋線和裝置損耗。

Lf為自由空間傳輸路徑損耗:敏度:

對詢問信號的偵察采用了旁瓣偵察的方法,詢問波束旁瓣的天線增益要比主瓣增益低很多,大約為30 dB左右。

可以得出偵察距離為R,對敵我識別系統實施旁瓣偵察時所需系統靈敏度為:

取偵察距離分別為100 km、200 km、300 km、400 km,對敵我識別系統詢問機實施旁瓣偵察所需系統靈敏度如表1所示。

表1 不同距離詢問信號偵察系統靈敏度

3.3 應答信號偵察靈敏度

敵我識別系統典型應答發射功率為500 W,應答天線為全向天線（天線增益可設為0 dB）,詢問信號頻率為1 090 MHz,饋線和裝置損耗設為14 dB,代入式（3）,可得出偵察距離為R所需系統靈敏度:

取偵察距離分別為100 km、200 km、300 km、400 km,對敵我識別系統應答機實施偵察所需系統靈敏度如表2所示。

表2 不同距離應答信號偵察系統靈敏度

綜合偵察系統對敵我識別詢問及應答信號的系統靈敏度,在設計敵我識別偵察系統時,偵察系統靈敏度應設為-100 dBm,或更小。

4 偵察接收機工作體制

從第二次世界大戰IFF系統出現以來,IFF系統已經經歷了60多年的發展歷程,最具代表性的IFF系統主要有MARK Ⅹ、MARK Ⅻ、MARK ⅫA和S模式,其主要的技術參數如表3所示。

表3 敵我識別系統及其技術參數

從表3可看出,敵我識別系統工作頻率固定:詢問頻率1 030 MHz,應答頻率1 090 MHz,但系統工作模式復雜,信號調制樣式多樣。

偵察系統若要實現對敵我識別系統的偵察,需要在偵察頻段上覆蓋敵我識別系統的工作頻率。MARK和MARK系統信號調制方式為PAM調制,所占頻率帶寬較窄；而Mode S和MARK A系統采用擴頻調制技術,工作頻段較寬,尤其是MARK A系統Mode 5采用基于Walsh編碼的軟擴頻技術,調制方式為最小頻移鍵控（MSK）調制,碼速率為16 MHz,所以需要頻帶較寬的接收機才能實現對信號的完全接收,頻率上達到偵察系統的要求。圖6為采用雙通道體制的偵察系統接收機工作原理框圖。

圖6 偵察接收機工作原理框圖

偵察系統通過天線收到頻率為1 030/1 090 MHz的詢問信號后,通過混頻器把信號頻率降為60 MHz的中頻信號。中頻信號的處理采用雙通道體制,分別為窄帶通道和寬帶通道,窄帶與寬帶通道的運用使得系統具有同時處理所有模式信號的能力。

窄帶通道中,帶通濾波器1的帶寬為10 MHz,用來處理信號調制方式為PAM的Mode1,2,3/A,4信號和調制方式為DPSK/PPM的Mode S信號；寬帶通道中,帶通濾波器2的帶寬為20 MHz,用來處理信號調制方式為MSK的Mode 5信號。

5 結束語

本文從偵察系統的截獲能力上,提出了敵我識別偵察系統戰術及技術指標,對敵我識別偵察系統設計需求分析有一定的參考價值。但僅從功能上來考慮偵察系統的截獲能力是不夠準確的,基于信號的仿真可更為細致地分析系統的工作流程,可為敵我識別偵察系統的關鍵技術需求提供更為可靠的依據。

[1] 王雪松,肖順平,馮德軍,等.現代雷達電子戰系統建模與仿真[M].北京:電子工業出版社,2010.

[2] 王國玉,汪連棟.雷達電子戰系統數學仿真與評估[M].北京:國防工業出版社,2004.

[3] 董陽春,莫翠瓊,羅衛星.對二次雷達敵我識別系統的高重頻詢問干擾研究[J].電子對抗,2008（2）:30-33.

[4] US.Department of Defense.Technical Standard for the ATCRBS/IFF/Mark XII A Electronic Identification System and Military Implementation of Mode S.AIMS 03-1000A[R].US.DoD,2006.

[5] 馮小平,李鵬,楊紹全.通信對抗原理[M].西安:西安電子科技大學出版社,2009.

[6] 趙國慶.雷達對抗原理[M].西安:西安電子科技大學出版社,1999.

[7] Combined Communications-Electronics Board.IFF/SIF Operational Procedures.ACP 160[R].CCEB,2007.

[8] Coniglione Joseph P,Holbrook.Multi-mode IFF Receiver Architecture[P].USA:6885695B1,2005-04-26.