典型環境下有源通信干擾彈作戰使用研究*

張 杰,陳 棟,房施東

(陸軍炮兵防空兵學院高過載彈藥制導控制與信息感知實驗室, 合肥 230031)

0 引言

有源干擾彈是用常規火炮、火箭炮發射,以彈藥作為運載工具,將干擾機快速運載到敵目標區域,完成通信干擾任務的特種炮彈,分為扎地式和滯空式兩種。其中滯空式干擾彈的簡要工作過程如圖1所示[1]。

圖1 滯空式干擾彈簡要工作過程

滯空式干擾彈能懸浮在敵目標上空,對目標進行升空抵近干擾,不受地形限制,與扎地式干擾相比可獲得距離優勢和升空增益,實現以較小的功率獲得較大的干擾范圍和強度,同時由于彈丸體積小且高速飛行,敵方無法攔截,突防能力和生存能力強,和同類干擾裝備相比,便于大量裝備使用,并且無人操作,可避免人員傷亡,符合現代戰爭理念[1]。

1 有源通信干擾彈的工作頻段

有源通信干擾彈主要以干擾敵跳頻電臺為主[1-2],表1列舉了外軍部分典型短波(超短波)跳頻電臺的性能指標[3]。

由表1可知,低VHF頻段是軍事部隊地面移動通信使用最頻繁的頻段,而且大多數戰術無線電臺都工作在該頻段[4],因此軍用超短波頻段一般為30～88 MHz[5];與此同時,外軍的通信干擾彈的工作頻段基本上在1.5～120 MHz之間[6-8],因此文中討論的有源通信干擾彈的工作頻段為1.5～120 MHz,即涵蓋1.5～30 MHz的整個短波波段和30～120 MHz的部分超短波波段,也就是說被干擾的敵跳頻電臺的工作頻段在1.5～120 MHz之間。

表1 外軍典型短波(超短波)跳頻電臺性能指標

2 被干擾跳頻電臺的特點

2.1 被干擾跳頻電臺使用的天線類別

超短波通信因為使用頻率高,波長短,天線可以做得很小,通常為直立鞭狀天線。而短波通信因使用頻率較低,天線必須足夠大才能有效工作。根據車載通信或個人通信中通常選擇小型鞭狀天線的原則,作為戰術短波跳頻電臺,通常采用小型鞭狀天線[9]。因此,一般意義上,被干擾跳頻電臺均使用鞭狀天線。

2.2 被干擾跳頻電臺的信號傳播方式

短波天波頻率具有很強的時變性,不同時間、不同地點、不同方向可用頻率的相關性差[5],同時由于在短波天波傳播模式中,干擾機會受到與通信機一樣的限制,且發射機與接收機之間的傳播路徑一般與干擾機鏈路不同[2],所以戰術短波跳頻電臺不考慮天波傳播方式,只考慮地波傳播方式。為簡化起見,一般在跳頻電臺的研究中,只將地面繞射波或直射波作為通信信號的主要能量載體,并且在戰術級使用的戰場范圍內,地面繞射波完全可以用直射波近似代替。因此文中考慮的短波或超短波傳播方式均以直射波傳播方式為主[2-3],即地波傳播中的直射波傳播方式。

3 通信干擾彈的典型工作環境

由于不考慮短波的天波傳播模式,因此不考慮電離層受氣象條件的影響,即氣象因素不考慮。

3.1 東南沿海

地形方面,東南沿海地區主要以丘陵和水網稻田地形為主,主要特點為:地形平坦開闊,河渠、池塘密布交織如網;土質松軟泥濘,抗壓力差。即東南沿海作戰地域海洋廣闊、湖泊眾多,植被茂密、山脈連綿。

因此,東南沿海的地面性質主要以海水、潮濕地、沿海沙地為主。

3.2 西南邊境

西南邊境地區,具有典型的高原高寒山地特征。此處山勢險要,地形復雜,自然地理環境極其惡劣,主要體現在:

一是主要分布在邊境中段和部分東段地區的高山深谷區,山體高大險峻,地勢起伏劇烈,溝谷深且狹窄,植被稀少、凍土層厚。

二是主要分布在邊境東段地區的峽谷密林區,溝谷縱橫、河多橋少、路少崎嶇曲半徑小,該地域地表植被繁茂、林內陰暗潮濕。

因此,西南邊境的地面性質主要以淡水、干燥地、山區為主。

4 典型環境對有源通信干擾彈作戰使用的影響

當不考慮地表面狀況對信號傳輸帶來的影響時,通常認為干擾彈的信號傳輸環境以及被干擾電臺的信號傳輸環境均為自由空間,即自由空間傳播條件下的路徑損耗[10]:

Lf=32.45+20lgf+20lgr

(1)

式中：r為信號傳播距離(km);f為信號頻率(MHz);Lf為損耗(dB)。

但是實際工作環境中的電波總是在有能量損耗的媒質中傳播,由于不同的地表面,其電參數也不相同,如表2所示。

表2 地面電參數

因此,考慮典型環境對有源通信干擾彈作戰使用的影響問題,總共分兩種情況,即電臺天線低架、電臺天線高架,而每種情況按東南沿海和西南邊境進行區分。

4.1 天線低架

當天線架設高度小于波長(更小于通信距離)時稱為天線低架。在天線低架條件下,且最大輻射方向沿著地面時,電波傳播中起主要作用的是地面波。

由上面分析可知,東南沿海的地面性質主要以海水、潮濕地、沿海沙地為主;西南邊境的地面性質主要以淡水、干燥地、山區為主。

1)東南沿海

(a)海水地面

①海-海電波傳播

海-海電波傳播采用電波沿海面傳播的表面波較多,此時可看作地面波傳播的特例。路徑損耗為：

Lb=29.45+20lgf+20lgr-20lg|W|

(2)

②陸-海電波傳播

陸-海電波傳播經常用于陸地與艦艇的無線電通信,并且應用地面波傳播最多。在此,把陸地當作光滑平面地處理,電波的傳播路徑包括陸地和海平面兩部分,陸地部分的距離為r1,單位為km,相應的地面電參數(即沿海沙地)為εr1=10,σ1=2×10-3,海平面部分的距離為r2,單位為km,相應的電參數為εr2=80,σ2=4,而電波的傳播距離為r=r1+r2。

當發射機在A點(陸地),接收機在C點(海洋)時,則:

當發射機在C點(海洋),接收機在A點(陸地)時,則:

路徑損耗:

Lb=29.45+20lgf+20lgr-b

(3)

當接收點在海洋時:

當接收點在陸地時:

(b)潮濕地環境電波傳播

其中λ為波長,單位為m;r為電波傳播距離,單位為m,下同。路徑損耗Lb按式(2)求得。

(c)沿海沙地環境電波傳播

路徑損耗Lb按式(2)求得。

2)西南邊境

(a)淡水環境電波傳播

路徑損耗Lb按式(2)求得。

(b)干燥地環境電波傳播

路徑損耗Lb按式(2)求得。

(c)山區環境電波傳播

路徑損耗Lb按式(2)求得。

4.2 天線高架

當發射天線高度h1和接收天線高度h2大于波長λ或與λ相比擬時,稱為天線高架。路徑損耗:

Lb=120+40lgr-20lgh1·h2

(4)

由于天線高架條件下,電波傳播的路徑損耗與地表面參數無關,因此天線高架條件下的路徑損耗就不需要考慮具體工作環境了。

4.3 舉例說明

1)自由空間下的有效壓制發射功率

通信干擾方程用分貝表示[11],則為:

PTj≥k+PTS+[(GTS+GRS)-(GTj+GRj)]+(Lj-Ls)

(5)

式中:k為干擾壓制系數(dB);PTS為發射機輸出功率(dBm);GTS為發射天線在接收機方向的天線增益(dB);GRS為接收天線在發射機方向的天線增益(dB);Ls為通信發射機到接收機的路徑損耗(dB)；PTj為干擾機輸出功率(dBm);GTj為干擾天線在接收機方向的天線增益(dB);GRj為接收天線在干擾機方向的天線增益(dB);Lj為干擾機到接收機的路徑損耗(dB)。

由于干擾彈為滯空工作方式,因此干擾信號的傳播方式為自由空間傳播方式。

自由空間傳播條件下,電波傳播的路徑損耗為:

(6)

因此式(5)可以轉換為:

PTj+GTj+GRj-20lgRj≥10lgk+
PTS+GTS+GRS-20lgRt

(7)

式中:Rj和Rt分別為干擾機與通信接收機間的距離(km)和通信電臺間的距離(km)。

一般情況下,背負電臺使用鞭狀天線,所以GRj=GRS[12];設計背負電臺的發射功率PTS為6 W左右時,GTj取-15 dB,GTS=2 dB,干擾壓制系數取1。

當Rj取3 km,Rt取20 km時：

PTj-15-20lg3≥38+2-20lg20

PTj≥38.52 dBm

即只要干擾機發射功率≥38.52 dBm,即可保證在距離通信電臺3 km處能把相距20 km的通信電臺壓制住。

2)天線低架條件下西南邊境淡水環境的有效壓制發射功率

干擾方程用分貝表示,則為:

PTj≥k+PTS+[(GTS+GRS)-(GTj+GRj)]+(Lj-Ls)

(8)

Lj為自由空間傳播條件下干擾信號電波傳播的路徑損耗;被干擾跳頻電臺的信號傳播的路徑損耗為

Ls=29.45+20 lgf+20lgr-20lg|W|

(9)

因此上式可以轉換為(干擾壓制系數取1):

PTj+GTj-20lgRj≥PTS+GTS+(3-20lgRt+20lg|W|)

(10)

式中：Rj和Rt分別為干擾機與通信接收機間的距離，(km)和通信電臺間的距離(km)。

設計背負電臺的發射功率PTS為6W左右時,GTj取-15 dB,GTS取2 dB。

當Rj取3 km,Rt取20 km時：

PTj-15-20lg3≥38+2+3-20lg20+20lg|W|

以超短波為例,取超短波跳頻電臺的天線長度為2 m,由于頻段范圍為30～120 MHz,則上式中的2.5 m≤λ≤10 m。經計算,干擾機為達到有效壓制所需的發射功率與波長間的關系如圖2所示。

圖2 天線低架條件下西南邊境淡水環境中的30～120 MHz波段彈載干擾機所需發射功率與波長關系

由圖2可知,當波長在[2.5 m,10 m]范圍內時,干擾機發射功率PTj需相應地分布在[-14.31 dBm,-1.88 dBm]范圍內,才能保證在距離通信電臺3 km處能把相距20 km的通信電臺壓制住。

5 結論

由以上分析可知,當考慮被干擾跳頻電臺的天線架設高度不同時,或干擾彈的工作環境不同時,被干擾電臺的實際傳播路徑損耗是不相同的,即相同的發射功率下,接收電臺的接收信號功率是不一樣的,導致彈載通信干擾機傳播干擾信號到接收電臺從而達到有效干擾所需的干擾功率也是不一樣的。