機動式誘偏系統抗ARM可行性仿真研究

左文博, 趙英俊

(空軍工程大學防空反導學院, 西安 710051)

0 引言

反輻射導彈(ARM)對地面雷達構成嚴重威脅,雷達關機是早期對抗ARM的手段之一,但由于現代ARM普遍具有抗雷達關機技術,使之該措施逐步失效[1-2]。當前主要采用多個固定式誘偏系統來對抗ARM,取得了一些研究成果[3-4],但由于誘偏系統位置固定,在實戰中也容易遭受ARM打擊。文中基于ARM基本工作原理,借鑒文獻[5-6]的研究基礎,提出了一種“告警+機動誘鉺”的綜合措施對抗ARM的方案。該方案既可以保護雷達,又能使誘餌免受攻擊,實現相對簡單,造價較低,是一種新的對抗ARM的思路。

1 機動式誘餌抗ARM方案設計

1.1 基本設想

機動式誘餌抗ARM方案是采用“告警+機動誘鉺”的綜合措施對抗ARM的方案。具體方案為:在被保護雷達附近布置ARM告警裝置和一臺小型化誘餌,誘餌的輻射信號能近似模擬被保護雷達的電磁輻射。在誘餌機動的方向上建好幾條滑軌,以確保誘餌在開機輻射電磁信號情況下可以沿滑軌快速移動到較遠的區域。

初始時,雷達正常工作,誘餌不工作。當ARM來襲時,告警裝置發出ARM告警信息,在誘餌快速開機的同時雷達關機,當誘餌開機雷達關機后,誘餌系統沿預先準備好的滑軌快速移動并輻射電磁信號,誘餌可以接替雷達的信號并被ARM識別跟蹤。當誘餌移動到一定距離后,誘餌關機并沿著相反的方向返回。誘餌關機時刻ARM失去誘餌目標,但由于ARM有抗關機位置記憶功能,仍能朝誘餌關機時刻的位置飛行,將落在機動式誘餌關機時刻的位置。

1.2 工作原理

該方案是基于ARM的被動雷達導引頭對電磁信號的跟蹤能力,以及現代ARM具有抗關機記憶功能而設計提出的,機動式誘餌工作過程如圖1所示。

圖1中,M為ARM,T為目標雷達,T1為誘餌源。圖1(a)中,當ARM來襲時,告警裝置發出告警信號,這時誘餌開機,雷達迅速關機,由于誘餌同被保護的雷達布置在一起,ARM無法區分出雷達與誘餌信號,ARM將跟蹤誘餌源;圖1(b)中,ARM繼續跟蹤輻射電磁信號并不斷機動的誘餌源;圖1(c)中,誘餌機動到一定距離后關機,由于ARM具有記憶功能,將朝著關機時刻的預測命中點飛去;圖1(d)中,誘餌源關機后迅速沿原路返回,ARM命中誘餌源關機時刻的位置,雷達和誘餌源均未被毀傷。

圖1 機動誘餌抗ARM工作過程

2 ARM攻擊雷達彈道數學建模

2.1 基本假設及坐標系定義

1)ARM以“哈姆”為例,假設為一個可操縱質點。

2)地表面為水平面,誘餌做勻速直線運動。

3)建立地面直角坐標系,取ARM發射點在地面上的投影點為坐標原點,OX軸與地球表面相切,并指向ARM攻擊地面雷達的方向;OY軸垂直于地面,向上為正;OZ軸垂直于XOY平面,構成右手直角坐標系。

2.2 ARM飛行彈道數學模型

由機動式誘餌抗擊ARM工作原理可知,ARM的整個飛行分為初始加速段、雷達單獨工作時ARM導引頭跟蹤雷達信號引導段、雷達關機后誘餌工作時ARM導引頭跟蹤誘餌源信號引導段、誘餌關機后捷聯慣導引導段4個階段。將ARM在空間的三維運動分解為水平面和垂直面內的平面運動,如圖2所示?？紤]到雷達和誘餌均關機后,ARM落地點的不確定性較大,為保險起見,通過預判ARM的大致來襲方向,在其來襲方向的夾角內(45°≤α≤135°)沿某一方向移動。

圖2 ARM及誘餌運動示意圖

運用時間差分法對ARM的飛行彈道進行建模,其基本思想是采用逐步逼近的方式得到ARM飛行航跡,這樣既可以簡化模型,又不致使結論失真。具體建模步驟如下:

1)發射ARM時刻為t0,ARM坐標為(0,ym0,0),雷達坐標為(xt0,0,zt0),K為比例導引系數。

2)當告警裝置發出告警信息,雷達關機并且誘餌源開機機動時,ARM開始跟蹤誘餌。開始引導時刻為t1,ARM、誘餌坐標分別為(xm1,ym1,zm1)、(xt1,0,zt1),假定開始引導時,ARM的速度與彈目視線方向一致。

3)若在t2-t1=Δt時間段內ARM的速度方向保持不變,t2時刻ARM的坐標為:

(1)

彈目視線方向:

(2)

ARM的速度矢量方向:

(3)

4)若在t3-t2=Δt時間段內ARM的速度方向保持不變,則在t3時刻ARM的坐標為:

(4)

在誘餌關機返回后,ARM進入捷聯慣導引導段,朝向誘餌關機時刻所在的位置飛行。

3 ARM彈道仿真及可行性分析

3.1 仿真初始條件及仿真流程

1)ARM參數。ARM發射的高度取10 000 m。ARM的初速取340 m/s,發動機工作6 s中以120 m/s2加速飛行,發動機關機后保持勻速飛行。ARM比例導引系數[7]K=3。ARM殺傷半徑rk=30 m,自毀時間tsd=60 s。

2)誘餌相關參數。誘餌與雷達初始坐標為(39 000 m,0 m,20 000 m)。誘餌平均速度分別取10 m/s、20 m/s。誘餌的移動方向分別取α=45°、90°、135°。誘餌的換接時間(雷達開機轉化為誘餌開機的時間)T1=16 s。

誘餌源其輻射頻率、波形等與雷達信號近似一致,與雷達站的功率比選取為1,以確保雷達關機誘餌開機時ARM穩定跟蹤誘餌系統。設專用的ARM告警系統能約在距雷達44 km處提供告警信息,告警時間約為41 s[8]。

3)仿真流程。采用蒙特卡羅法對ARM飛行彈道進行仿真,仿真時間步長Δt取0.01 s,仿真次數取500次,仿真流程如圖3所示。

圖3 ARM運動過程仿真流程圖

3.2 仿真結果及分析

1)ARM落點距離雷達及誘餌的位置。通過仿真,ARM落點距離雷達及誘餌的距離如表1所示。

表1 ARM落點距離雷達及誘餌的距離

從表1可以看出,ARM的落點與雷達站的距離為135.7～315.2 m;ARM的落點與誘餌的距離為85.9～226.7 m,ARM的殺傷半徑僅為30 m左右,落點偏差均遠大于ARM的殺傷半徑?？梢?機動誘餌抗ARM方案可以很好地將ARM誘偏,起到了保護雷達的目的。

2)ARM的視場角變化。通過仿真,α=45°、90°、135°時,ARM攻擊方向與輻射源輻射波束夾角在水平平面和垂直平面的變化如圖4所示。

圖4 ARM攻擊方向與輻射源輻射波束夾角變化(水平平面、垂直平面)

從圖4中可以看出,在ARM整個飛行過程中,ARM攻擊方向與誘餌輻射波束夾角絕對值變化均小于2°?！肮贰北粍訉б^的視場角為±2°[9],誘餌源的機動始終處于ARM導引頭視場角范圍內。當誘餌機動時,ARM可以穩定對其進行跟蹤,從而將ARM引偏,保護了雷達和機動誘餌。

3)ARM的飛行彈道。當誘餌以速度為20 m/s,45°、90°、135° 3個不同方向機動時,ARM的三維彈道仿真圖如圖5所示。

圖5 ARM三維彈道仿真圖

從圖5中可以看出,誘餌從不同方向機動時,對ARM的彈道影響變化不大,彈道均近似為一條直線,說明誘餌從不同方向機動時對ARM的過載要求很小,ARM完全可以朝著誘餌關機時刻的位置飛去。

4 結束語

綜合仿真結果,機動式誘餌抗對抗ARM是一種行之有效的方案。當告警時間為41 s時,誘餌以20 m/s的速度、沿45°方向機動,機動至400 m處返回時,ARM落點距雷達的距離為315.2 m,距誘餌的距離為215.4 m,誘偏效果最佳。對于考慮ARM從不同方向來襲的可能,以被保護雷達中心附近布置3條各間隔60°的滑軌,根據具體來襲方向選擇與彈道方向接近45°的滑軌方向移動;同時,若有某個滑軌遭到毀壞,可以選擇備選滑軌再次機動,保證再次實施有效誘偏。

后續研究的重點是當兩枚或多枚ARM連續攻擊時,機動誘餌方案的實施。同時,誘餌輻射參數的選取是ARM能否穩定跟蹤誘餌的關鍵因素,也是裝備能否技術實現的重要條件。

參考文獻::

[1] LOFFLER T, NIELSON J. International HARM precision navigation upgrade-a GPS/INS missile upgrade that improves effectiveness and minimizes friendly-fire accidents [J]. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 2003, 18(5): 26-31.

[2] 裴云, 劉利利. 對雷達對抗反輻射導彈作戰效能的評估 [J]. 現代雷達, 2004, 26(9): 26-28.

[3] SHI Zhen, LI Yan, YUAN Wenliang. Modeling of guidance signal of anti-radiation missile in the case of multiple sources [C]∥Henan University of Science and Technology. Proceedings of the 2006 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation. [S.l.]: IEEE Press, 2006: 2264-2268.

[4] 鄭木生. 有源誘偏抗反輻射導彈技戰術及布站方式研究 [D]. 長沙: 國防科學技術大學, 2005.

[5] 彭飛, 錢建剛. 雷達機動軌道抗ARM打擊可行性研究 [J]. 空軍雷達學院學報, 2004, 18(3): 51-53.

[6] 史震, 劉濤, 王慧. 沿軌移動輻射源誘偏抗ARM的仿真研究 [J]. 哈爾濱工程大學學報, 2008, 29(1): 35-39.

[7] CHEN Baixiao, WANG Yongtian, ZHANG Shouhong. Detection and recognition of high-speed anti-radiation missiles with simple multi-antenna VHF radar [C]∥Chinese Institute of Electronics (CIE). 2006 CIE International Conference on Radar. [S.l.]: IEEE Press, 2006: 1-4.

[8] 劉石泉. 彈道導彈突防技術導論 [M]. 北京: 中國宇航出版社, 2003: 237-239.

[9] 呂彤光. 被動雷達導引頭抗干擾技術研究 [D]. 長沙: 國防科學技術大學, 2001.