無人機掩護岸艦導彈突防效果仿真分析

李浩民, 趙強, 王光源, 吳一喬, 陳永展

(1.海軍航空大學岸防兵學院, 煙臺 264001; 2.92020部隊, 青島 266000; 3.91827部隊, 威海 264200)

在現代戰爭中,電子干擾技術已呈現多樣化發展趨勢,使得戰場上電磁環境變得日益復雜,交戰雙方的電子對抗與反對抗也愈演愈烈[1]。無人機已被廣泛運用于現代軍事行動中,新的無人化作戰裝備使傳統的作戰樣式慢慢發生變化。無人機可通過攜帶不同任務載荷,具備偵察、干擾、反潛、打擊及評估等多種作戰能力,尤其在對敵實施電子干擾行動中,可與其他兵力協同作戰,進一步提升整體作戰效能[2]。

采用無人機對艦載雷達實施電子壓制干擾,從而掩護空中兵力突防,針對相關問題已經做了大量的研究工作。無人機分布式作戰對組網雷達實施干擾,以組網雷達探測概率作為目標函數,構建關于電子無人機陣位配置模型,并對模型進行求解[3-5]。根據雷達干擾方程,通過仿真算例驗證不同的電子干擾條件下對雷達探測性能的影響[6-11]。現有研究主要針對無人機掩護飛機突防等相關問題進行研究,對于無人機掩護岸艦導彈突防所涉及的相關問題研究甚少。

鑒于此,根據岸艦導彈、無人機和雷達三者之間的空間關系,構建無人機分布式干擾下雷達暴露區計算模型,并對無人機陣位配置情況進行分析。通過仿真驗證無人機分布式干擾作戰,可有效降低敵方艦載雷達作戰效能,從而提升岸艦導彈突防能力的重要結論。未來無人機作為應對艦載雷達的重要對抗手段之一,除自衛式干擾外還可以與其他兵力協同作戰。因此,研究無人機協同岸艦導彈突防敵水面艦艇戰術運用問題具有較強的現實意義,其研究成果可進一步豐富無人機作戰理論。

1 電子壓制下雷達探測性能分析

1.1 無干擾情況下雷達探測距離

雷達探測距離指在無電子干擾的理想狀態下,構建相關因素與雷達探測距離之間的關系式,計算推導出雷達探測距離公式。艦載雷達探測距離的計算公式為[12]

(1)

式(1)中：Pt為雷達發射機輸出功率;假設雷達的收發天線為同一天線,即Gt=Gr,Gt為雷達發射天線增益;Gr為雷達接收天線增益;σ為目標的雷達反射截面積;λ為雷達的波長;Lr為雷達信號的損耗系數;Simin為艦載雷達最小可檢測信號的功率,在只考慮噪聲影響的情況下,艦載雷達能夠探測到目標的距離即雷達自衛距離,對于電子無人機而言,此距離也可稱為雷達燒穿距離[13]。

(2)

雷達探測距離原理實則為雷達接收機接收信號功率大于雷達系統噪聲功率時,雷達才能探測發現到來襲的空中目標。若來襲目標超過雷達有效探測距離,雷達接收功率逐漸衰減,雷達不能有效檢測到目標信號功率,從而導致艦載雷達無法捕獲空中目標。

1.2 干擾情況下雷達探測距離

針對艦載火控雷達,實施噪聲壓制性干擾是當前行之有效的干擾壓制方式之一[14]。相較于有人機干擾壓制,無人機實施電子壓制在隱身性和安全性方面都具有很大優勢。在無人機協同岸艦導彈對海突擊行動中,雷達接收機會同時接收到兩個信號,分別是無人機的電子干擾信號和岸艦導彈回波信號。假設使用相同類型的無人機,單部無人機干擾發射功率為Pj,干擾天線增益為Gj,雷達天線在無人機干擾方向上的增益為G′t(θ),γj為無人機干擾信號對雷達天線的極化系數,Rj為無人機與敵方艦艇雷達之間的距離,θ為無人機和岸艦導彈在水平方向上的夾角。

電子戰無人機實施干擾情況下,干擾信號功率為

(3)

式(3)中：Lj為無人機干擾信號損耗系數。

雷達接收岸艦導彈回波信號功率為

(4)

將式(3)和式(4)相結合,得到無人機干擾信號功率與岸艦導彈雷達回波信號功率的比值,即雷達干擾方程[15],如式(5)所示。

(5)

式(5)中：Br為艦載雷達的帶寬;Bj為電子戰無人機帶寬;Kj為電子壓制系數,該系數是用來衡量干擾是否有效的標準,該系數越小,雷達越容易被干擾,雷達的抗干擾能力就越差;反之,壓制系數越大,為無人機實施干擾越困難,雷達的抗干擾性能就越強。

將式(5)進行變換得到式(6),即

(6)

將式(6)進行變換得到式(7),即

(7)

式(7)為電子干擾壓制情況下雷達探測距離。

2 電子干擾下雷達暴露區計算模型

2.1 單架無人機電子干擾下雷達暴露區模型

如圖1所示,通過建立無人機、岸艦導彈與雷達三者之間的空間關系。電子戰無人機天線主瓣對準雷達,而雷達天線主瓣則對準岸艦導彈,因此,電子戰無人機的干擾能量大部分由旁瓣進入雷達內部。

Rt和Rj分別岸艦導彈、無人機到達作戰目標的距離;Dt和Dj分別為岸艦導彈、無人機到達作戰目標的水平距離;Ht和Hj分別為岸艦導彈、無人機垂直地面的高度;θ為無人機和岸艦導彈在水平方向上的夾角

假設無人機在某一特定范圍內進行機動作戰,將其視為空間中固定一點,岸艦導彈距離水平面的高度為Ht,無人機干擾信號偏離雷達的角度為θ,岸艦導彈距離雷達的水平距離為Dt。因此,岸艦導彈到作戰目標的距離公式需滿足式(8)。

(8)

無人機到作戰目標的距離公式需滿足式(9)。

(9)

雷達天線增益的簡化方程為

(10)

式(10)中：θ0.5為水平方向半功率波瓣寬度;k為常數,取0.04～0.10[16]。

通過對電子戰無人機和雷達作戰參數進行設置,當岸艦導彈飛行高度固定時,將式(8)與式(9)代入式(7)中,即可得到以θ為自變量,Dt為因變量,在θ取不同值時,可求得相應方向上的最小干擾距離Dt,所繪圖形是以雷達為中心點的極坐標掩護區圖形。因此,第i架電子戰無人機對雷達實施干擾的暴露區計算模型如式(11)所示。

(11)

因無人機距離目標的水平距離要遠大于岸艦導彈的飛行高度和無人機的飛行高度,所以在計算干擾壓制區模型時忽略高度因素對雷達暴露區的影響,式(12)為簡化的雷達暴露區模型。

(12)

2.2 多架無人機電子干擾下雷達暴露區模型

在實際作戰行動中,使用不同數量的電子戰無人機所產生的干擾壓制效果不同。若采用單架無人機對敵方艦載雷達實施電子壓制,因其自身載荷限制,導致干擾能力偏弱,如果增加任務載荷勢必會影響無人機的機動性;若采用無人機近距離抵近實施干擾,則極大地增加了無人機被敵方攔截的可能性。因此,可采用多架無人機分布式協同作戰,從多方向對敵方艦載雷達實施電子壓制,從而為岸艦導彈突防提供有利條件。

根據功率疊加原理及單架無人機電子干擾下雷達暴露區模型,當有n架無人機對敵方雷達實施干擾時,n架無人機干擾信號總功率與目標雷達回波率比值為

(13)

式(13)中：Pji為第i架無人機干擾發射功率;Gji為第i架無人機干擾天線增益;γji為第i架無人機干擾信號對艦載雷達天線的極化系數;Rji為第i架無人機與敵方艦載雷達之間的距離;Lji為第i架無人機干擾信號損耗系數。

為簡便計算,除干擾方向外將所有無人機設置相同作戰參數,并將式(8)和式(9)代入式(13)中,即

(14)

根據單架無人機電子干擾下雷達暴露區模型,忽略高度因素的影響,則n架電子戰無人機對雷達實施干擾的暴露區計算模型公式為

(15)

2.3 無人機的陣位配置

無人機的陣位配置與地面干擾機陣位配置不同,一方面需要考慮對艦載雷達的電子壓制效果,另一方面基于無人機自身的技戰術特點和機動性能,從多方面因素考慮陣位配置問題。

2.3.1 無人機最遠配置陣位

無人機最遠配置陣位指為了滿足一定的壓制距離和壓制扇面寬度,無人機距離艦載雷達最大的水平距離。

(16)

式(16)中：Δθ為無人機有效干擾扇面。

L=2Dtsinθ

(17)

式(17)中：L為無人機有效干擾扇面寬度。

將式(16)和式(17)結合得到無人機最遠配置距離公式為

(18)

式(18)中：Dmax為無人機最遠配置距離。

2.3.2 無人機最近配置陣位

如圖2所示,因無人機在垂直面內天線方向的特殊性,當無人機距離目標雷達距離過近時,即無人機的干擾主波束下方就是目標雷達,此時無人機不能對目標雷達實施有效的干擾壓制,在這種情況下無人機距離目標的雷達距離被稱為無人機過頂距離[17]。

圖2 無人機過頂距離示意圖

無人機過頂時,距離目標雷達最小的水平距離為

(19)

式(19)中：φ為無人機在垂直面波束下視角度;φ0.5為無人機在垂直面干擾波束半波寬度;Hj為無人機垂直地面的高度;Dj-min為無人機到作戰目標的水平距離。

除考慮過頂距離外,無人機在保證自身安全的前提下,其陣位配置距離應大于自衛距離。因無人機即是干擾機又是被探測目標,根據干擾功率式(7)和目標回波功率式(8)結合得到無人機自衛距離D0,即

(20)

根據無人機過頂距離和無人機自衛距離,則無人機的最近配置距離為

Dmin=DcD0

(21)

綜上所述,無人機在滿足所需的電子壓制條件下,盡量在敵方艦載雷達探測發現距離和防空武器攔截范圍外對敵實施有效電子壓制,從而能夠有效保證自身安全,更好地掩護空中目標突防。

3 仿真計算與分析

根據不同情況下雷達暴露區計算模型可知,雷達主瓣方向對準來襲目標時,雷達探測目標的能力與雷達本身的作戰性能、無人機的陣位配置、無人機的干擾效能、來襲目標的飛行高度等因素息息相關。在無人機干擾情況下,沿雷達主瓣方向進行360°旋轉,將不同時刻雷達最大探測距離點依次進行連接,從而得到雷達暴露區情況,岸艦導彈或其他突防兵力則可利用電子干擾壓制區實施突防[18]。具體作戰參數設置如表1所示。

表1 作戰參數設置

3.1 單架無人機干擾情況

根據雷達暴露區計算模型,采用極坐標形式進行為,曲線內部為雷達暴露區,曲線外部為雷達的壓制區。電子戰無人機所在位置與雷達之間的連線方向干擾效果最好,當電子壓制產生效果時,雷達暴露區會出現一個明顯的凹陷區域,所以雷達暴露區面積變化的程度與干擾壓制效果之間的關系聯系緊密。

如圖3所示,將單架無人機配置在不同位置,無人機由(0°,50 km)調整至(0°,70 km),經前后對比發現,無人機產生的干擾效果不同,距離雷達越近,干擾效果越好,暴露區面積越小;相反,距離雷達越遠,干擾效果越差,雷達暴露區面積越大。這是因為隨著無人機與作戰目標兩者之間的距離不斷增大,進入雷達接收機的干擾信號能量卻逐漸衰減,從而導致雷達探測目標的信干比增大,使得艦載雷達可以探測到更遠距離的作戰目標,而此時無人機的干擾壓制效果會隨著距離的增大而降低。

圖3 不同干擾距離時雷達暴露區

如圖4所示,當單架無人機配置位置不變,將無人機干擾功率由10 W調提升至30 W時,此時雷達暴露區面積明顯縮小,結果表明：隨著無人機干擾機功率的提升,雷達探測效能也隨之降低。

圖4 不同干擾功率時雷達暴露區

3.2 雙架無人機干擾情況

如圖5所示,當采用兩架無人機實施干擾時,即無人機1位置為(30°,50 km),無人機2位置為(330°,50 km),此時雷達暴露區會出現兩個明顯的凹陷區,說明雙架無人機電子壓制效果明顯,其干擾壓制區覆蓋范圍大于單架無人機干擾壓制范圍。因此,在實際作戰中,可使用多架無人機從不同方向對敵方艦載雷達實施電子干擾,掩護空中兵力突防,增加敵方的攔截難度。

圖5 雙架無人機干擾時雷達暴露區

3.3 無人機陣位配置情況

根據無人機最遠配置距離和最近配置距離公式,在考慮無人機和掩護目標飛行高度影響的情況下,假設無人機飛行高度1 000 m,雷達反射截面積2 m2,岸艦導彈低空掠海飛行高度25 m,岸艦導彈距艦載雷達水平距離[10 km,30 km]內區間變化,壓制扇面寬度為3 km,其他參數不變,此時無人機的可活動范圍如圖6所示。

圖6 無人機活動范圍與掩護距離之間關系

如圖6所示,無人機的活動范圍位于最近及最遠距離之間,當設置的電子壓制扇面寬度一定時,掩護目標的距離越近,無人機的可活動范圍越小,通過增加無人機數量獲取更大的干擾功率,從而能有效延伸無人機的活動范圍。

如圖7所示,當岸艦導彈距離目標15 km時,壓制扇面的寬度為[2 km,20 km]區間內變化,隨著壓制扇面寬度的增大,無人機的活動范圍逐漸遞減。

圖7 無人機活動范圍與壓制扇面之間關系

仿真結果表明：在無人機掩護岸艦導彈突防行動中,無人機距離雷達越近,干擾功率越大,對敵方雷達的干擾壓制效果就越好。無人機雖然易遭受敵方防空火力的攔截打擊,但可通過增加無人機的數量,使用無人機進行分布式作戰,也可配合電子欺騙等其他干擾手段,從而隱瞞真實的作戰企圖,同時也可達到消耗敵方火力的作戰目的,新的作戰樣式能夠更好地掩護岸艦導彈突防水面艦艇,提升整體作戰效能。

4 結論

以電子戰無人機協同岸艦導彈突擊水面艦艇為研究背景,基于雷達探測距離方程和雷達干擾方程,構建無人機分布式干擾條件下的雷達暴露區計算模型,并對無人機陣位配置情況進行分析。結果表明：采用無人機分布式干擾可有效降低雷達作戰效能,為岸艦導彈突防提供有利條件,此外無人機的陣位配置不同,產生的干擾效果也會存在較大差異。上述結論對研究無人機協同其他兵力作戰具有較高的理論參考意義,同時也為指揮員合理使用電子戰無人機掩護空中兵力突防提供重要理論基礎。