空地導彈數據鏈干擾效能仿真與優化研究*

龔 燕,劉雅奇,李 健

(國防科技大學電子對抗學院,合肥 230037)

0 引言

導彈數據鏈是指安裝在導彈及飛機、衛星、等平臺上,實現導彈狀態、戰場態勢、控制指令等信息雙向傳遞的數據通信系統[1]。以數據鏈技術為支撐,現代戰術導彈能夠完成“目標選擇與重瞄”、“戰場殺傷效果評估”等多重任務[2]。而采用通信對抗手段對敵導彈數據鏈進行干擾,破壞其各類作戰信息的傳輸,將能夠有效降低敵導彈的命中精度,削弱其作戰效能。

目前,已有不少文獻對數據鏈的對抗技術進行了研究,例如:針對通用數據鏈,文獻[3]討論了跳頻干擾和直接序列擴頻干擾兩種對抗技術;針對Link16數據鏈,文獻[4]提出了對其消息同步段實施干擾對抗;針對Link11數據鏈,文獻[5]研究了同步音干擾等干擾的效能,等。而對戰術導彈數據鏈對抗的研究卻十分少見,僅文獻[6]針對某型空地導彈數據鏈設想了一種偵干一體對抗設備的技術方案,并對其戰術使用方式做了簡要討論。在此基礎上,文中嘗試對典型空地導彈數據鏈的干擾過程進行建模仿真,進而對其作戰使用做簡要討論。

1 機動模型

目前,公開文獻中常見的導彈數據鏈主要有AN/AXQ-14、AN/AWW-13、Link-16等[7-9]。從通信技術上來看,導彈數據鏈與其他數據鏈相比,導彈的高速機動造成的通信環境快速變化是導彈數據鏈的本質特征。因此,對導彈及戰斗機的運動建模是空地導彈數據鏈干擾仿真的基礎內容。

六自由度建模方法[10]能夠對導彈和戰斗機的質心移動和轉動做出詳細的刻畫,但它需要以大量如空氣動力系數、導彈或戰斗機氣動外形等不易獲得的模型參數為支撐,因此文中決定通過對戰斗機和導彈機動過程的分析,給出一種簡化的機動建模方法。

1.1 戰斗機機動模型

根據文獻[11],戰斗機在空戰中常用7種常規機動方式:最大加速平飛;最大減速平飛;最大過載爬升;最大過載俯沖;最大過載左轉;最大過載右轉;穩定飛行。因此,對戰斗機機動過程可通過指定戰斗機的機動性能和各階段的機動參數進行模擬。表1詳細列舉了這些模型參數:

表1 戰斗機機動模型參數

表1中:

1)最大加速度包括:加速平飛加速度a1、減速平飛加速度a2、爬升轉向加速度a3、俯沖轉向加速度a4和水平轉彎加速度a5。

2)速度極值包括:最大和最小平飛速度v1、v2。

3)機動方式參數應取值于前述7種常見機動方式,其中,當選擇最大過載爬升或最大過載俯沖方式時,還應指定爬升或俯沖的角度φ1、φ2。

4)機動階段的結束可有時間、速度、高度和角度四種觸發條件。其中,時間條件是指階段在指定時間Tend結束;速度條件是指平飛速度達到指定值Vend時階段結束;高度條件是指戰斗機的位置達到指定高度Hend時,爬升或俯沖結束;角度條件是指戰斗機的速度方向達到指定角度θend時,轉彎機動結束。

勻加速直線飛行(包括最大加速平飛、最大減速平飛和穩定飛行)的機動軌跡按下式計算:

(1)

最大過載爬升/俯沖的機動過程分為三個階段,一是改變速度傾角的勻速圓周運動,其運動軌跡按式(2)計算;二是定傾角的爬升或俯沖運動,其軌跡按式(1)計算;三是恢復平飛狀態,該過程是第一階段的逆過程,其運動軌跡仍按式(2)計算。

(2)

最大過載轉彎的機動軌跡按式(3)計算:

(3)

式中：S和v分別為戰斗機的位置矢量和速度矢量;φ表示瞬時俯仰角;θ表示瞬時水平方向角,按式(4)計算;帶有上標“′”的變量表示這些變量在下一仿真步長的取值;a表示平飛、爬升或俯沖、轉彎的過載加速度;ΔT表示仿真步長。

(4)

1.2 導彈機動模型

根據文獻[12],空地導彈的飛行軌跡可分為拋撒段、下滑段、平飛段和俯沖段四個階段。表2列出了空地導彈的機動模型參數。

表2 空地導彈機動模型參數

拋撒段的運動軌跡按式(5)計算,其中g表示重力加速度:

(5)

下滑段的運動軌跡與戰斗機俯沖的過程類似,也可將其分成3個階段,分別用式(2)、式(1)、式(2)計算。平飛段可分為向目標轉向、勻加速直線運動和勻速直線運動三個階段,分別可用式(3)和式(1)計算。俯沖段可分為兩個俯沖轉向和加速直線俯沖兩個階段,其中俯沖轉向段的機動軌跡可按式(2)計算;加速直線俯沖段按式(1)計算。

2 數據鏈干擾模型

文獻[12-13]列舉了數據鏈通信在若干種常見干擾樣式下的誤碼率計算公式,例如在正態白噪聲干擾,相干解調的條件下,2ASK、2FSK、2PSK的誤碼率分別為:

(6)

(7)

(8)

可見,對多數通信樣式來說,信噪比SNR對誤碼率Pe都起到了重要的決定作用,且一般SNR越大,Pe越小。基于以上考慮,文中不再具體討論某一種通信樣式或干擾樣式,而僅對機動條件下數據鏈接收端的信噪比進行分析。

設戰斗機和導彈上搭載的數據鏈終端的發射功率和天線主瓣增益分別為Pa、Pm和Ga、Gm,干擾機的發射功率和天線主瓣增益分別為PJ和GJ,考慮自由空間傳播的簡化情況,則機載數據鏈的通信信號接收功率為:

(9)

式中:Ram表示導彈和戰斗機之間的距離,可通過第2節的導彈機動軌道模型求出;λ表示信號波長。對應的干擾信號接收功率為:

(10)

式中:RaJ表示干擾機與戰斗機之間的距離;ηJ表示對機載和彈載數據鏈的干擾損耗率;Ga(θa)表示機載數據鏈天線在干擾機方向的天線增益;θa表示干擾機方向相對機載數據鏈天線主瓣方向的夾角。

則機載的接收信噪比為:

(11)

同理,可得彈載數據鏈的接收信干比為:

(12)

式中：KTΔfF表示數據鏈接收設備的內部噪聲,它可看作是僅與電子設備技術性能有關的常數。

根據文獻[9],現代導彈數據鏈廣泛采用天線波束控制和自適應調零技術,它能夠將天線波束匯聚成很窄的針狀,并根據戰斗機或導彈的飛行狀態,實時將波束對準通信目標。對此,我們將天線增益簡化為式(13)所示模型:

(13)

而干擾機方向與機載或彈載數據鏈天線主瓣方向的夾角可按下式計算:

(14)

(15)

3 仿真實例

3.1 機動仿真

令戰斗機的初始位置為(0,0,5 000 m),初速度為(800 km/h,0,0),地面目標的位置為(50 km,50 km,0)。0 s時,戰斗機發射一枚空地導彈,其機動模型參數如下:拋撒段持續10 s;俯沖傾角為-30°,俯沖結束高度為1 000 m,俯沖轉向加速度為100 m/s2,爬升轉向加速度為50 m/s2,水平轉彎加速度為2 m/s2,水平直線加速度為30 m/s2,俯沖攻擊距離為5 km。戰斗機的機動過程為:導彈發射后,繼續穩定平飛30 s;然后向目標方向轉彎;再向目標方向穩定平飛10 s;接著,以-20°傾角俯沖下降到4 000 m高度;再向目標方向穩定平飛15 s;然后,左轉彎到與初速相反的方向,即-90°;最后沿該方向穩定平飛至仿真結束。戰斗機的性能參數如下:俯沖轉向加速度為10 m/s2,爬升轉向加速度為5 m/s2,水平轉彎加速度為10 m/s2。則戰斗機與導彈的機動仿真結果如圖1所示。

3.2 數據鏈干擾仿真

圖1 空地導彈與戰斗機的機動軌跡仿真

假設使干擾有效的信噪比門限為SNRmin=10 dB,則由圖可見,在第198 s干擾機對機載數據鏈達成有效干擾,而對彈載數據鏈,則需在第225 s后才能干擾有效,雖然機載終端發射功率相較彈載終端更大,但也距地面更遠,在自由空間波傳播損耗下,機載終端的信噪比始終小于彈載終端。圖2(a)中,信噪比在197 s時有個跳變,這主要是因為隨著導彈逐漸接近目標,干擾信號開始進入機載數據鏈的天線主瓣;圖2(b)中,200 s后信噪比以越來越大的斜率加速減小,這主要是因為隨著導彈接近目標,彈載數據鏈接收到的干擾功率急劇增加。對比圖2(a)、圖2(b)可見,在本例情況下,為了盡早達成對導彈數據鏈的有效干擾,應以導彈發射平臺戰斗機為主要干擾目標。

3.3 配置位置優化

圖3給出了一個直觀形象的空地導彈數據鏈干擾示意圖。由圖可見,通過合理選擇干擾機的配置位置,可使干擾波束進入數據鏈天線主瓣波束的時間提前。顯然,有效干擾的總時間越長,對其空地攻擊的破壞效果也就越大。

圖3 空地導彈數據鏈干擾原理示意圖

圖4 總有效干擾時間與干擾機配置位置的關系

對此,我們以總有效干擾時間T為效能指標,對保衛目標周邊40 km×40 km的區域以5 km為步長做均勻采樣仿真,結果如圖4所示。

由此可見,將干擾機配置在(35 km,65 km,0)位置處能夠取得最大的總有效干擾時間;而從總體上看,將干擾機配置在保衛目標的西北方位能夠取得更好的干擾效果。

4 結論

導彈的高速機動造成的通信環境急劇變化是導彈數據鏈與衛星、艦船等其他平臺數據鏈的主要區別。對此,文中將導彈機動和數據鏈干擾的仿真結合了起來,仿真結果能夠直觀顯示干擾效果在整個作戰過程中的動態變化。通過仿真實例可以看出,相比彈載終端,對機載終端的干擾往往能夠取得更大的總有效干擾時間。

文中的研究重點主要在于將機動仿真與干擾仿真結合起來,但所建立的模型都是理想化的簡化模型。當考慮更細致的實體運動姿態以及干擾信號樣式特征時,則需對這些仿真模型做進一步的深入細化,這將在下一步研究中繼續展開。