利用窄波束實現反輻射無人機攻擊閃爍誘餌研究

潘 奎 楊海峰 邊文昆 葉 宏 王路瑤

(1.空軍預警學院雷達士官學校 武漢 430019;2.中核戰略規劃研究總院 北京 100048)

0 引言

近幾次局部地區軍事沖突中,大量無人機參戰成為作戰焦點,引發世界各國對無人機作戰應用的關注[1]。反輻射無人機是反輻射武器的一種,是近年來無人機在電磁對抗領域重點發展的方向之一[2]。反輻射無人機導引頭通常采用平面螺旋天線或曲折臂天線,這兩種天線的波束寬度在頻域范圍內達60°～100°[3]。由于波束較寬,在攻擊密集目標或帶有誘餌站的制導雷達時,不能及時分辨出雷達目標和干擾誘餌,難以準確攻擊目標。當雷達和誘餌之間的布陣距離適當,反輻射導引頭不僅不易分辨出雷達或誘餌,導彈落點對雷達和誘餌威脅都比較小,如果誘餌工作在閃爍模式,能達到顯著的誘偏效果[4-5]。但有源誘偏系統抗反輻射導彈的結果不僅與各誘餌的布局形式、雷達和誘餌的功率比有關,ARM速度、機動過載、分辨角等,也是直接影響誘騙效果的重要因素[6]。因此,窄波束技術可以減小導引頭分辨角,是對抗有源誘偏的有效手段[7]。本文綜合考慮無人機飛行和反輻射導引頭工作的特點,研究波束寬度這個技術參數對反輻射無人機攻擊配閃爍誘餌雷達陣的影響,為導引頭技術改進提供參考。

1 無人機末制導攻擊航跡分析

反輻射無人機通常通過組合導航方式飛至目標雷達區域上空,為導引頭搜索識別目標雷達提供合適的作戰距離。確定攻擊目標雷達后,無人機進入導引頭制導,也就是末制導階段過程,首先導引頭測向偏差值引導無人機調整機體對準目標雷達,然后再根據俯仰偏差角引導無人機俯沖攻擊,末制導攻擊過程如圖1所示。假設無人機在空間A處,導引頭分辨角為ΔθR,雷達及誘餌相對導引頭的張角為Δθ,導引頭天線指向角為β。

圖1 無人機末制導攻擊過程示意圖

當Δθ小于ΔθR/2時,導引頭存在目標分辨模糊區域,將無法分辨出雷達和誘餌,最終導致無人機難以命中任一輻射源。分辨模糊區S大小為

(1)

考慮雷達導引頭攻防對抗場景,隨著無人機接近目標,張角Δθ不斷增大,H減小,分辨模糊區減小。當Δθ大于ΔθR/2時,輻射源將陸續脫離導引頭視場,導引頭將失去對該輻射源的跟蹤攻擊。如圖2所示,以雷達配備單誘餌為例,誘餌分離無人機攻擊航跡。

圖2 誘餌分離后無人機攻擊航跡示意圖

假設雷達與誘餌的距離為R,無人機橫向過載為n,俯沖攻擊速度為V。誘餌分離后,無人機橫向移動的距離與導引頭波速寬度關系式為

(2)

其中,R1=V2/(ng)。無人機橫向移動距離與導引頭分辨角關系如圖3所示。

圖3 無人機橫向移動距離與導引頭分辨角關系

當雷達和誘餌距離一定時,導引頭分辨角越小,輻射源分離越早,橫向移動距離越大。當OD≥R/2時,目標分離后,無人機能夠繼續跟蹤輻射源,如圖4所示,曲線與橫軸交點為橫向移動距離,可以看出無人機橫向移動距離隨著分辨角的減小而增大,當橫向移動距離大于雷達與誘餌的距離R時,無人機飛控系統可以控制實現對誘餌的命中。而導引頭分辨角ΔθR≈(0.8～0.9)θ0.5,即取決于導引頭天線的波速寬度。因此,導引頭可以采用窄波束技術對抗雷達誘餌誘偏。

圖4 無人機橫向移動落點與導引頭分辨角關系

2 波束約束條件下無人機攻擊航線建模

2.1 坐標系定義

反輻射無人機攻擊配閃爍誘餌的雷達時,機體將隨著誘餌閃爍而偏轉,導引頭指向也將始終跟蹤對準目標。為了準確建模仿真,需在大地坐標系的基礎上,引入機體坐標系和天線坐標系。如圖5所示。

圖5 機體及導引頭天線坐標系

機體坐標系O-XmYmZm:坐標原點O取機體質心。OXm軸與ARUAV機體縱對稱軸一致,指向頭部為正,OYm軸在機體縱向對稱面內,垂直于OXm軸,向上為正,OZm軸垂直于縱向對稱面OXmYm平面,指向右翼,構成右手直角坐標系,其中在機體坐標系中點的坐標表示為:D(m)=[x(m)y(m)z(m)]T。

天線坐標系O-XpYpZp:坐標原點O取天線陣中心,OYp軸位于俯仰面天線子陣線上,OZp軸位于方位面天線子陣線上,指向長基線上陣元天線單元為正,OXp軸垂直于天線陣面,向外為正,構成右手直角坐標系,其中在天線坐標系中點的坐標表示為:D(p)=[x(p)y(p)z(p)]T。

2.2 導引頭跟蹤模型

無人機在調整姿態跟蹤攻擊目標雷達過程中,導引頭天線根據測得偏差角,將以ω的偏轉角速度調整導引頭天線指向,使得天線始終對準目標雷達。因此,無人機視場內輻射源數量,必須考慮天線指向角這個因素。

經過ΔT時間,導引頭天線調整角度為

ΔθP=ωΔT

(3)

k+1時刻,導引頭天線指向角為

θ(P)(k+1)=θ(P)(k)±ΔθP

(4)

(5)

導引頭天線存在波束分辨角ΔθR限制,雷達和誘餌脫離天線視場的臨界位置條件為

Δθki=ΔθR/2

(6)

2.3 無人機末制導飛行模型[8]

無人機根據導引頭測得目標偏差角調整姿態進行跟蹤攻擊。在tk導引頭測得目標相對無人機機體橫向偏差角和縱向偏差角分別為αt和βt,在跟蹤周期ΔT時間內,無人機橫向調整位移為

(7)

無人機縱向調整位移為

(8)

其中:R1=V2/(n1g);R2=V2/(n2g)。

反輻射無人機要想實現對目標雷達的有效攻擊,必須首先截獲目標雷達信號在跟蹤攻擊雷達配備誘餌的誘偏場過程中,當Δθki>ΔθR/2時,輻射源脫離天線視場,無人機將失去對該目標的跟蹤,飛行航線將發生改變。因此,導引頭制導飛行航線必須考慮飛行姿態、導引頭天線偏轉等對各輻射源相對導引頭指向張角的影響,導引頭天線波束寬度這個因素尤為關鍵。

3 仿真分析

雷達誘餌陣參數:雷達誘餌陣采用菱形布陣方式,相互間距設置為300m,雷達與誘餌均在安全范圍之內[9]。誘餌工作在閃爍模式,閃爍周期為3s。

無人機參數:飛行高度為2500m,飛行速度為80m/s,橫向過載3,殺傷半徑為30m。

圖7為導引頭波束角分別為60°、40°和20°條件下,無人機從垂直于誘餌1、3連線的方向入侵時,導引頭制導攻擊航線;表1為不同波束角條件下,無人機分離點和落點位置。

表1 無人機分離點和落點與導引頭分辨角關系

圖7 無人機攻擊閃爍誘餌航線

從圖7和表1可以看出:

1)在窄波束約束下,如果目標雷達概略位置已知,反輻射無人機仍能完成對目標的跟蹤和俯沖攻擊。

2)無人機制導飛行航線是一條來回擺動的曲線,這是因為在多誘餌閃爍誘偏下,導引頭測得的制導角度數據不斷跳動。

3)在俯沖攻擊過程中,三誘餌將脫離天線視場,脫離點的高度直接影響無人機最終落點位置。

4)隨著導引頭天線波束變窄,第一分離點高度增加,無人機落點逐漸靠近誘餌2。當波束角為20°時,無人機落點在殺傷半徑內,實現對誘餌2的摧毀。

因此,多誘餌閃爍誘餌誘偏下,窄波速導引頭可以從空間盡早分離出誘餌,為無人機機動提高足夠的高度,進而實現對誘餌的摧毀。在逐一摧毀誘餌后,最終實現對雷達摧毀。

4 結束語

為有效對抗雷達閃爍誘餌陣,本文在導引頭天線波束視場約束條件下,考慮到天線跟蹤指向對視場內誘偏場影響,建立了無人機導引頭制導飛行模型,在不同波束角下無人機對雷達配3部閃爍誘餌的攻擊效果進行仿真分析。結果表明,使用窄波束導引頭可以實現無人機對雷達配備閃爍誘餌陣實施有效攻擊。