空空雷達主動彈的告警探測技術研究

李小龍， 王 星， 程嗣怡， 鄭 坤

(1.空軍工程大學航空航天工程學院，西安 710038; 2.中國人民解放軍95214部隊，長沙 410111;3.電子信息控制重點實驗室，成都 610036)

0 引言

隨著各作戰飛機性能的改進和作戰理論的發展，未來空戰將呈現出全高度、全方位、全頻譜、大縱深、強干擾、立體化等特點。具有“三全”攻擊能力的空空雷達主動彈將在奪取主動權方面發揮越來越重要的作用。

面對超視距空空導彈的出現，如何有效保護本方飛機，遂行戰斗任務，在很大程度上取決于電子對抗技術鉗制敵方武器的能力。

對抗空空雷達主動制導導彈，必須首先發現導彈，這是采取各種后續抗導彈措施的前提［1］。隨著電子戰系統概念的發展，單純的威脅告警已被戰場態勢感知、一體化多功能綜合系統所代替，因而，增加無源探測手段，進行靜寂探測是未來發展的方向。

1 技術可行性分析

現有的告警系統大都處于威脅告警階段，為了能及時消滅威脅源，未來的告警裝置除了能準確判明威脅源的種類外，還必須對其定位，直接向武器系統提供數據，實現隱身打擊或攔截能力［2］。目前，防空反導已成為現代防空作戰的重要作戰樣式，同樣，機載反導也將成為重要的發展方向，機載反導武器將具有摧毀空空導彈的能力，世界上已經有多種型號的空空導彈在作戰試驗過程中成功地攔截了反艦導彈［3］，俄制新型R－77空空導彈甚至具有攻擊AIM－54“不死鳥”和AIM－120的能力。機載激光武器的發展和應用，也將具有較強的反導能力。

機載反導技術的發展，將促使導彈告警探測技術的更新，即新一代的告警設備不僅將成為綜合電子戰的一部分，而且需要在整個航電系統中發揮作用［4］，其作用不僅限于對有威脅輻射源的告警，而且可以為火控系統提供目標識別，減少機載雷達的使用時間，甚至可以直接提供武器發射所需的火控數據，完成類似反輻射導彈一樣的導彈攔截任務。一旦遭敵導彈攻擊，機上無源探測接收機和導彈發射探測器將對威脅做出判斷，對于已構成威脅的導引頭，可在無源探測接收機的引導下或由反輻射導彈進行攔截，實現“電子+火力”綜合作戰能力。

多年來，反輻射攻擊機一直利用機載雷達告警接收機完成單站無源定位、采用反輻射武器攻擊地面雷達目標進行工作。隨著信號處理技術的發展，無源定位技術的研究和應用越來越廣泛，之前用于防御的無源檢測系統，現在也可作為檢測、跟蹤甚至攻擊目標的關鍵設備。與有源定位系統相比，無源定位可增強系統在電子戰環境下的反偵察能力，其在導彈探測告警方面可與紅外、紫外告警結合，也可彌補主動告警的不足。

在空空雷達主動制導導彈飛向目標的過程中，當彈目距離小于或等于主動雷達導引頭的最大作用距離時，主動雷達導引頭便自動打開，實現中末制導交班［5］，轉入“主動雷達末制導階段”。在末制導段，由導引頭發射電磁信號完成對目標信息的探測，因此，可以通過對導引頭輻射信號的探測和快速處理得到導彈的參數信息，從而實現導彈的告警探測，在導彈中制導段，也可利用電視、調頻廣播、通信等外輻射源，對導彈實施無源探測。

2 模型建立

2.1 無源定位模型

在現有的測向體制中，相位干涉儀測向是精度較高的一種測向技術，在電子對抗裝備中獲得廣泛應用。它利用相位嚴格匹配的一對接收機測量同一輻射源的信號相位差和頻率來獲得到達角，從而計算出輻射源的準確方向［6］。為了避免360°相位模糊而造成測向模糊，實際的相位干涉儀測向通常采用多基線的相位干涉儀方法?；谙辔徊钭兓实膯握緹o源定位技術，是通過載機上的相位干涉儀接收目標輻射電磁波的相位差及其變化率信息對目標進行定位的，該技術在機載單站無源定位領域有著巨大的應用潛力，本文也采用此方法。原理如圖1所示。

其中:OA、OB為相互正交的一對干涉儀天線;α、β分別為導彈相對載機坐標系的方位角和俯仰角;r為徑向距離。

為了適應導彈的機動變化，這里采用交互式多模型。在交互式多模型算法中，設導彈有l種運動狀態，對應l種運動模型，對多模型濾波估計，第i個模型表示為［7］

圖1 定位原理Fig.1 Principle of locating

設導彈和機載探測器的相對位置為(xk，yk，zk)，速度為(vxk，vyk，vzk)，加速度為(axk，ayk，azk)，擾動噪聲為(wxk，wyk，wzk)。本文采用勻加速運動模型和Singer運動模型的組合。

各模型之間在不同時刻按照狀態轉移概率矩陣已知的齊次馬爾科夫鏈進行切換，轉移概率可以表示為πij=P{m(k)=mj|m(k－1)=mi}。

2.2 基于無源定位的導彈告警檢測

定位跟蹤法作為定位跟蹤系統的一個核心問題，一直以來都是研究的重點［9］。對于空空雷達主動彈，典型的觀測參數包括方向角、到達時間、頻率、頻率變化率、相位差變化率，利用其中的某個觀測量或者聯合利用多個觀測量，就形成了各種不同的定位跟蹤法。

2.2.1 量測方程

相位差變化率為

多普勒頻率變化率

2.2.2 濾波算法

1)模型條件初始化和重新初始化。

預測模型概率為

多普勒頻率為

混合權重為

混合估計為

混合協方差為

2)模型條件濾波。

測量變換預測

3)模型概率更新。

模型似然

模型概率

4)估計融合。

總體估計

總體協方差

整個流程如圖2所示。

圖2 算法流程圖Fig.2 Flow chart of algorithm

3 仿真結果與分析

導引頭信號頻率為10 GHz，α 為0.01，β 為 2，k為－3，σw為 5，amax為 320 m/s2，Pmax為 0.05，P0為 0.5。導彈第一階段做勻加速運動，第二階段做變加速轉彎運動，最后做變減速轉彎勻速運動。定義相對徑向距離誤差為Δr=dr/r，其中:dr為定位誤差;r為真實徑向距離，仿真結果如圖3～圖4所示。

圖3 徑向距離誤差Fig.3 Radial distance error

圖4 跟蹤定位曲線Fig.4 The tracking and locating curve

從仿真結果可以看出，采用交互式多模算法和UKF濾波算法，在導彈出現機動時，誤差有一定的增加，但是在較短的時間內能夠實現收斂，其誤差穩定在4%左右，具有較高的跟蹤精度。該算法既解決了傳統卡爾曼濾波線性誤差大的缺點，又解決了模型單一、不精確帶來的誤差，因而取得了較好的效果。

當然，對于一般的中遠程空空雷達主動彈，其前半球末制導距離通常為10～20 km，而后半球截獲目標距離往往只有幾千米，如果導彈距離太近，文中算法可能存在定位時間不夠的問題。

改變導彈初始位置(單位為km)為(6，8，1)，其他仿真條件不變，可得到跟蹤定位結果如圖5～圖6所示。

圖5 徑向距離誤差Fig.5 Radial distance error

從圖5～圖6可以看出，當導彈距離較近時，本文算法存在發散現象，因此，對于已經逼近的導彈，特別是從后半球攻擊的導彈，單純依靠無源定位技術難以保證定位跟蹤精度。此時，應該依靠雷達、紅外、紫外等告警信息，進行綜合告警探測，才能達到較理想的效果。

圖6 跟蹤定位曲線Fig.6 The tracking and locating curve

4 結論

本文對空空雷達主動彈的告警探測進行了可行性分析，引入無源引導的思想，采用基于干涉儀的機載無源定位技術進行導彈告警探測，仿真結果表明，該方法具有較高的精度。

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