前置點(diǎn)比例導(dǎo)引制導(dǎo)律對(duì)抗拖曳誘餌研究*1

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前置點(diǎn)比例導(dǎo)引制導(dǎo)律對(duì)抗拖曳誘餌研究*1

劉德忠，石德平，林萬(wàn)菁，張維剛

(北京電子工程總體研究所，北京100854)

摘要：以典型拖曳式誘餌干擾模式為設(shè)計(jì)對(duì)象，結(jié)合導(dǎo)引頭跟蹤誘餌的工作模式和前置點(diǎn)比例導(dǎo)引制導(dǎo)律的設(shè)計(jì)，對(duì)末制導(dǎo)抗拖曳干擾導(dǎo)引方法進(jìn)行了理論推導(dǎo)與分析，為導(dǎo)引頭抗拖曳誘餌干擾措施的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)主動(dòng)導(dǎo)引頭；拖曳誘餌；前置點(diǎn)比例導(dǎo)引；制導(dǎo)律；拖曳式雷達(dá)有源誘餌；視線角

0引言

機(jī)載拖曳式誘餌對(duì)地面跟蹤雷達(dá)和彈上導(dǎo)引頭的干擾作用十分有效,可對(duì)武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能造成重大影響，典型的拖曳誘餌有AN/ALE-50、AN/ALE-55和光線拖曳式誘餌(FOTD)。1998年1月，ALE-50(V)開始空投試驗(yàn)，其射頻誘餌在1999

年科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)中由聯(lián)軍首次實(shí)戰(zhàn)使用，當(dāng)時(shí)誘餌裝備在F-16和B-1B戰(zhàn)斗機(jī)上，導(dǎo)致南聯(lián)盟發(fā)射的10枚實(shí)際上已經(jīng)跟蹤到目標(biāo)的地空導(dǎo)彈無(wú)法擊中目標(biāo)[1]。本文在分析拖曳式誘餌特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出雷達(dá)主動(dòng)導(dǎo)引頭對(duì)抗拖曳式誘餌的末制導(dǎo)導(dǎo)引技術(shù)方法,供導(dǎo)引頭對(duì)抗拖曳式誘餌設(shè)計(jì)參考。

1典型干擾威脅及抗干擾措施

1.1復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的主要干擾模式

主動(dòng)導(dǎo)引頭典型干擾威脅環(huán)境包括遠(yuǎn)距支援干擾(stand-off jamming,SOJ)、隨隊(duì)支援干擾(escort support jamming,ESJ)和自衛(wèi)干擾(self-screening jamming,SSJ),自衛(wèi)干擾包括噪聲壓制類干擾、距離和速度欺騙干擾、多假目標(biāo)欺騙干擾、箔條干擾和機(jī)載拖曳式誘餌干擾，下面以ALQ-184電子干擾吊艙和ALE-50拖曳誘餌系統(tǒng)為重點(diǎn)介紹拖曳式誘餌干擾。

ALQ-184電子干擾吊艙的關(guān)鍵是使用了Raytheon公司的多波束技術(shù)，用一組可靠的微型管取代老式吊艙的高功率發(fā)射管為高增益天線陣饋電。新系統(tǒng)具有更高的靈敏度，更快的響應(yīng)時(shí)間，更大的有效輻射功率，它可檢測(cè)威脅信號(hào)并對(duì)多部敵方雷達(dá)發(fā)射大功率干擾信號(hào)。電子干擾吊艙通常只偵收導(dǎo)引頭波形，然后拖曳誘餌復(fù)制波形后以幾十W的固定功率輻射干擾導(dǎo)引頭跟蹤。1998年美國(guó)國(guó)會(huì)計(jì)劃為最終裝備的600架F/A-18E/F射頻對(duì)抗系統(tǒng)，采購(gòu)費(fèi)為250億美元，約18 000個(gè)誘餌，其中ALE-50采購(gòu)費(fèi)為120億美元；預(yù)計(jì)為美國(guó)空軍437架F-16戰(zhàn)斗機(jī)和95架B-1轟炸機(jī)17 000多個(gè)誘餌。

2001年，Raytheon公司簽訂了一個(gè)5 460萬(wàn)美元的合同為F-16提供2 477枚AN/ALE-50(V)拖曳式誘餌。2003年，Raytheon公司贏得了為美國(guó)空軍生產(chǎn)1 012個(gè)AN/ALE-50(V)拖曳式誘餌和為美國(guó)海軍生產(chǎn)300個(gè)單元的2 790萬(wàn)美元的合

同。從1996年12月到2006年7月，位于美國(guó)加州Goleta的Raytheon空間與機(jī)載系統(tǒng)(space and airborne system，SAS)商業(yè)部電子戰(zhàn)系統(tǒng)單位(electronic warfare systems)已為美國(guó)空軍位于佐治亞州的華納羅賓斯(Warner Robins)空軍后勤中心(air logistics center，ALC)電子戰(zhàn)產(chǎn)品空軍大隊(duì)(electronic warfare product group)完成2萬(wàn)個(gè)AN/ALE-50拖曳誘餌的投產(chǎn)。2010年5月7日，Raytheon(Goleta)贏得了為美國(guó)空軍第542戰(zhàn)斗維護(hù)部隊(duì)采購(gòu)空軍中隊(duì)生產(chǎn)947枚先進(jìn)機(jī)載電子誘餌ALE-50系統(tǒng)的2 310萬(wàn)美元的合同。

從圖1和圖2可以看出，AN/ALE-50拖曳式誘餌系統(tǒng)有3種主要的作戰(zhàn)使用平臺(tái)，分別為F/A-18E/F的3枚裝發(fā)射器、B-1B的4枚裝發(fā)射器和F-16的2枚裝發(fā)射器[2-3]。

參照?qǐng)D1和圖2的說明可以確認(rèn)圖3上圖圓圈處為F-16裝備的2枚拖曳誘餌的ALE-50發(fā)射器，圖4中圖為B-1B裝備的4枚拖曳誘餌ALE-50發(fā)射器[4-6]。

1.2典型拖曳誘餌干擾目標(biāo)特性

AN/ALQ-184(V)9作戰(zhàn)使用單元由多平臺(tái)發(fā)射控制器、發(fā)射器、儲(chǔ)存發(fā)射筒和誘餌組成，其中誘餌儲(chǔ)存發(fā)射筒的質(zhì)量為1.1 kg(2.5 lb),尺寸為48.9 cm×6.9 cm×6.9 cm,誘餌重2.9 kg,尺寸為40 cm×6.1 cm,系統(tǒng)質(zhì)量<27.2 kg,主電源(prime power)由800 W/115 V/400 Hz交流電源和140 W/28 V 直流電源(DC)組成，可提供100 ms脈沖寬度峰值240 W的輻射功率[7]。

圖1　AN/ALE-50誘餌系統(tǒng)展示圖Fig.1　AN/ALE-50 towed decoy system showing chart

圖2　AN/ALE-50發(fā)射及發(fā)射控制器Fig.2　AN/ALE-50 towed decoy system launch controller

圖3　AN/ALE-50拖曳式誘餌裝備F-16戰(zhàn)斗機(jī)Fig.3　AN/ALE-50 towed decoy system for F-16 warcraft

圖4　AN/ALE-50裝備B-1B轟炸機(jī)Fig.4　AN/ALE-50 towed decoy system for B-1B bomber

拖曳線纜的長(zhǎng)度L首先要確保誘餌到載機(jī)的作用距離足夠遠(yuǎn)，當(dāng)導(dǎo)彈在誘餌與載機(jī)之間爆炸時(shí)，不傷及載機(jī)，一般選取范圍為L(zhǎng)>2D,D由具體型號(hào)導(dǎo)彈的有效殺傷半徑?jīng)Q定。TRAD拖曳線的長(zhǎng)度一般選取90～150 m，波音767軍用運(yùn)輸機(jī)的拖曳線長(zhǎng)度為91～122 m，其他戰(zhàn)斗機(jī)通常在100 m左右。

從表1可以方便的確認(rèn)目標(biāo)和拖曳誘餌在給定視場(chǎng)角內(nèi)的理論分辨和分開的彈目距離,以半波束寬度為1°為例,拖曳線視在長(zhǎng)度為50 m時(shí),角度上分開距離約3 km, 拖曳線視在長(zhǎng)度為100 m時(shí),角度上分開距離約6 km, 拖曳線視在長(zhǎng)度為150 m時(shí),角度上分開距離約9 km。當(dāng)彈目接近速度為1 000 m/s時(shí)，表中角偏差的幅值變化值即為前置角變化率的幅值。

表1　拖曳誘餌與目標(biāo)在導(dǎo)引頭視場(chǎng)內(nèi)的視在角偏差

1.3雷達(dá)主動(dòng)導(dǎo)引頭末制導(dǎo)對(duì)抗策略

針對(duì)雷達(dá)型拖曳式誘餌可以采取的末制導(dǎo)對(duì)抗策略大致有目標(biāo)檢測(cè)選擇性跟蹤策略、雷達(dá)紅外雙模導(dǎo)引頭信息融合策略、彈地信息融合策略和末制導(dǎo)偏置導(dǎo)引策略。鑒于誘餌的裝備數(shù)量較多和對(duì)作戰(zhàn)費(fèi)效比的考慮，暫不主動(dòng)使用先擊落誘餌再打擊載機(jī)的策略。

目標(biāo)檢測(cè)選擇性跟蹤抗拖曳誘餌干擾策略主要通過導(dǎo)引頭距離分辨、前沿跟蹤策略實(shí)現(xiàn)，該策略只有在高空或上視、小于一定干信比、干擾信號(hào)雜散不高等條件下有效，存在較大局限性。

拖曳式誘餌的干擾功率通常遠(yuǎn)大于目標(biāo)的反射功率,導(dǎo)致雷達(dá)導(dǎo)引頭跟蹤拖曳式誘餌,但拖曳式雷達(dá)有源誘餌(TRAD)短期內(nèi)還不具備對(duì)毫米波導(dǎo)引頭形成干擾，也不能夠?qū)t外導(dǎo)引頭形成干擾，還可以采用X,Ku，K多頻段復(fù)合導(dǎo)引頭或不同頻段導(dǎo)引頭導(dǎo)彈共架齊射來對(duì)抗拖曳干擾。但這種策略只能解決類似于AN/ALE-50這類單純雷達(dá)主動(dòng)拖曳誘餌，但后續(xù)AN/ALE-50(V)將具備紅外載荷、寬頻帶同時(shí)偵測(cè)同時(shí)干擾和對(duì)毫米波的干擾能力，這時(shí)復(fù)合制導(dǎo)策略對(duì)于雷達(dá)紅外復(fù)合式拖曳誘餌將失去意義[8-15]。

如果拖曳式雷達(dá)有源誘餌只是針對(duì)雷達(dá)導(dǎo)引頭工作頻段進(jìn)行干擾，未對(duì)地面制導(dǎo)雷達(dá)進(jìn)行干擾，則在中高空、中近程上可以考慮利用雷達(dá)和慣導(dǎo)的位置速度信息進(jìn)行計(jì)算濾波，提高中制導(dǎo)的制導(dǎo)精度，在脫靶量指標(biāo)要求范圍內(nèi)利用中末制導(dǎo)信息融合或中制導(dǎo)到底實(shí)現(xiàn)攻擊誘餌載機(jī)。還有一種在跟蹤干擾源的情況下，利用地面信息控制導(dǎo)彈沿誘餌與載機(jī)連線逆向攻擊，在命中誘餌的過程中擊中靶機(jī)。

最后可以在制導(dǎo)控制策略上改進(jìn)設(shè)計(jì)，一般誘餌的有效雷達(dá)反射面積是載機(jī)雷達(dá)反射面積的1-10倍以上，拖曳式雷達(dá)有源干擾(TRAD)的高轉(zhuǎn)發(fā)功率可以保證導(dǎo)引頭輸出起伏誤差很小的角偏差，理論上提高了導(dǎo)引頭的測(cè)角精度，只要保證了導(dǎo)彈導(dǎo)引軌跡比誘餌提前一個(gè)合適角度，就可以偏置探測(cè)導(dǎo)引，正中目標(biāo)。本文主要就是這種考慮下的前置比例導(dǎo)引制導(dǎo)律進(jìn)行設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

2前置點(diǎn)比例導(dǎo)引制導(dǎo)律設(shè)計(jì)

前置點(diǎn)比例導(dǎo)引最早在紅外制導(dǎo)的空空(地空)導(dǎo)彈中有所應(yīng)用，紅外導(dǎo)引頭正常會(huì)鎖定飛機(jī)引擎噴口的紅外輻射源，發(fā)動(dòng)機(jī)噴口處與飛機(jī)易損部位或最佳起爆位置還有一段距離，為此采用前置點(diǎn)比例導(dǎo)引鎖定期望命中部位[15]。

修正的比例導(dǎo)引制導(dǎo)律指令加速度aC表達(dá)式如下：

(1)

式中：N為有效導(dǎo)航比；vI為導(dǎo)引頭多普勒速度回路跟蹤輸出的彈目接近速度;qT為載機(jī)相對(duì)攔截導(dǎo)彈的視線角。

圖5　前置點(diǎn)比例導(dǎo)引攔截幾何關(guān)系示意圖Fig.5　Lead point proportional navigation (PN) geometry

如圖5所示角度關(guān)系有

qTRAD=qT+Δq，

(2)

(3)

3抗機(jī)載拖曳式干擾的前置點(diǎn)比例導(dǎo)引制導(dǎo)律設(shè)計(jì)

前置點(diǎn)比例導(dǎo)引制導(dǎo)律的設(shè)計(jì)基于如下2個(gè)幾何關(guān)系：

Δq·R=LsinσT，

(4)

vTsinσT=vMsinσM，

(5)

vI=vTcosσT-vMcosσM，

(6)

(7)

則可實(shí)現(xiàn)的前置點(diǎn)比例導(dǎo)引表達(dá)式為

(8)

式中：vT,vM可由雷達(dá)和慣導(dǎo)量測(cè)數(shù)據(jù)融合濾波獲得；R可由雷達(dá)主動(dòng)導(dǎo)引頭中重頻測(cè)距獲得；拖曳線長(zhǎng)度L可由雷達(dá)給出或取典型經(jīng)驗(yàn)值，若雷達(dá)主動(dòng)導(dǎo)引頭具有距離高分辨能力，則可提供m級(jí)精度的L量測(cè)值;σM可近似為位標(biāo)器框架角，至此實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)律的所有必要的物理量均已具備。

3.1前置角速度對(duì)拖曳線長(zhǎng)度等的敏感度分析

導(dǎo)引頭多普勒速度跟蹤回路彈目接近速度vI測(cè)量誤差可小于20 m/s，而vI本身一般大于1 000 m/s，vI測(cè)量精度的影響小于2%。

導(dǎo)引頭距離跟蹤回路彈目距離測(cè)量誤差可小于10 m，在彈目距離1 km以外，其影響小于1%。

若導(dǎo)引頭采用距離高分辨模式，導(dǎo)引頭對(duì)拖曳線的視在長(zhǎng)度分辨率可優(yōu)于2 m，拖曳線視在長(zhǎng)度取100 m，則其影響小于2%。若按雷達(dá)測(cè)距最大系統(tǒng)誤差15 m計(jì)算，其影響達(dá)15%，但其在中高空中近程上雷達(dá)量測(cè)拖曳線長(zhǎng)度可以提高很多，有望使其影響控制在10%以內(nèi)。

由圖6可以看出，在標(biāo)稱條件下，導(dǎo)彈速度矢量前置角σM的估計(jì)誤差為2°時(shí)，可導(dǎo)致0.01(°)/s的視線轉(zhuǎn)率計(jì)算誤差，σM的計(jì)算誤差對(duì)視線前置角變化率影響不大。

圖6　前置點(diǎn)比例導(dǎo)引視線前置角變化率曲線Fig.6　Lead angle rate due to the lead path angle

3.2三維空間攔截前置點(diǎn)比例導(dǎo)引制導(dǎo)律的推導(dǎo)

三維空間攔截前置點(diǎn)比例導(dǎo)引的實(shí)現(xiàn)主要是把前置角Δq在導(dǎo)引頭天線量測(cè)坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行二維分解，設(shè)由雷達(dá)和慣導(dǎo)量測(cè)值解算的彈目連線相對(duì)于彈體的方位角俯仰角分別為φy，φz，表征誘餌與導(dǎo)彈連線矢量方向的導(dǎo)引頭跟蹤誘餌實(shí)測(cè)框架角分別為φy1，φz1，導(dǎo)彈誘餌視線系到彈目視線系的方位角俯仰角分別為Δqy，Δqz，則

σM=arccos(cosφy1cosφz1)，

(9)

(10)

(11)

(12)

4結(jié)束語(yǔ)

本文以典型的ALE-50拖曳式誘餌干擾模式為設(shè)計(jì)對(duì)象，結(jié)合雷達(dá)主動(dòng)導(dǎo)引頭跟蹤誘餌的工作模式和前置點(diǎn)比例導(dǎo)引制導(dǎo)律的設(shè)計(jì)，對(duì)末制導(dǎo)抗拖曳干擾導(dǎo)引方法進(jìn)行了理論推導(dǎo)與分析，可供雷達(dá)主動(dòng)導(dǎo)引頭抗拖曳誘餌干擾措施的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證參考。

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Countermeasures to Airborne TRAD Jamming with Lead Point PN

LIU De-zhong , SHI De-ping, LIN Wan-jing, ZHANG Wei-gang

(Beijing Institute of Electronic System Engineering, Beijing 100854, China)

Abstract:Considering the decoytracking mode of active radar seekers and the design of lead point proportional navigation(PN) guidance law, a theory derivation and analysis of the terminal guidance law is done. It is also a reference for the designing process and conclusion in some RFCM practical application.

Key words:active radar seeker; towed decoy; lead point proportional navigation(PN); guidance law; towed radar active decoy(TRAD)；line of sight(LOS) angle

中圖分類號(hào)：TJ765.3;TJ760.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-086X(2015)-06-0001-06

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.06.001

通信地址：100854北京142信箱30分箱E-mail：9889702@qq.com

作者簡(jiǎn)介：劉德忠(1978-)，男，吉林永吉人。高工,博士生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線電主動(dòng)探測(cè)末制導(dǎo)總體技術(shù)。

基金項(xiàng)目：有

*收稿日期：2014-10-01；修回日期：2015-01-28

編者按：“2014年復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境與精確制導(dǎo)技術(shù)研討會(huì)”成功舉行。會(huì)議得到了國(guó)內(nèi)從事空天防御的軍方、軍工單位、科研院所、高校等的積極響應(yīng)和大力支持，共征集到近70篇論文，《現(xiàn)代防御技術(shù)》特開辟專欄陸續(xù)分期刊登此次會(huì)議的部分優(yōu)秀論文，供讀者參考。