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Command Control and Simulation

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2017 , Vol. 39 >Issue 5: 113 - 119

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-3819.2017.05.024

Research on the Method of Chaff-screen Jamming Anti-ship Missile With Track-while-scan Terminal Guidance

  • BAI Shuang 1, 2 ,
  • JIANG Ning 1
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  • 1. Dalian Naval Academy, Dalian 116018
  • 2. Unit 92896 of PLA, Dalian 116000,China

Received date: 2017-07-07

  Revised date: 2017-08-11

  Online published: 2022-04-29

Fold

Abstract

According to the problem that traditional passive jamming could not interfere with missile with track-while-scan terminal guidance effectively, this paper analyzed a method of chaff-screen jamming and the factors affecting the effects of inference, studied the decision method applied on projecting chaff-screen. Through modeling and simulation, the method of chaff-screen jamming can effectively counter anti-ship missile with track-while-scan terminal guidance. The result has certain reference value for related passive jamming operational use.

Key words： track-while-scan; chaff-screen; passive jamming

Cite this article

BAI Shuang , JIANG Ning . Research on the Method of Chaff-screen Jamming Anti-ship Missile With Track-while-scan Terminal Guidance[J]. Command Control and Simulation, 2017 , 39(5) : 113 -119 . DOI: 10.3969/j.issn.1673-3819.2017.05.024

具有边搜索边跟踪功能的导弹末制导雷达,在保持对干扰源或假目标跟踪的同时,继续在干扰源或假目标附近搜索真实的目标,这使得箔条冲淡式干扰和质心式干扰失效,对舰艇生存造成极大威胁[1]。文献[2-3]论证了箔条幕干扰具有边搜索边跟踪功能的导弹末制导雷达的可行性,并给出了箔条幕防御反舰导弹的战术使用原则和方法。文献[4]在舰艇近程防御反舰导弹时,研究了舰艇运动过程中放射箔条弹布设干扰走廊的干扰方式。两种方法都是利用箔条云遮蔽舰艇位置信息,使导弹末制导雷达始终保持对舰艇目标的搜索状态,最终选择跟踪箔条云的原理。基于箔条弹损耗量及干扰实施时间考虑,箔条幕干扰方式具有优势。本文在综合分析影响箔条幕干扰效果的诸多因素的基础上,得出了在不同环境下,舰艇箔条幕发射决策和机动决策方法。

1 箔条幕干扰原理及发射原则

1.1 箔条幕干扰原理分析

箔条幕干扰是当敌导弹末制导雷达开机时,在导弹和舰艇之间一定距离和高度上,形成一个具有足够长度和厚度的箔条幕墙,用以衰减和散射导弹末制导雷达电磁波及舰艇的反射回波,使得雷达不能有效地捕捉和跟踪到箔条幕墙另一侧的舰艇,迫使导弹跟踪箔条幕能量中心的一种无源干扰方式[1-2]。箔条幕干扰过程示意图如图1所示。
图1 箔条幕干扰过程示意图
通过分析箔条幕干扰过程可知,箔条幕干扰分为两个过程。第一个过程箔条幕墙对舰艇进行有效遮蔽。箔条幕遮蔽过程需要保持足够的遮蔽时间,由于舰艇、箔条幕、导弹三者不停地运动,舰艇为保证遮蔽态势应适时作转向机动。第二过程导弹跟踪箔条幕能量中心。导弹进入预定目标一定范围内仍未发现目标,末制导雷达停止搜索,转而跟踪假目标。此时,在保持有效遮蔽态势下,导弹将一直跟踪箔条幕的能量中心。

1.2 箔条幕发射原则

箔条幕发射决策的内容包括:箔条弹发射的时机、舷向(或舷角),舰艇的机动等。
1)确定干扰弹发射时机的原则
箔条幕与质心干扰一样都是对导弹末制导雷达跟踪段进行干扰,所以箔条幕干扰弹的发射时机和质心干扰的发射时机相同。
箔条幕干扰的引导可以运用舰载雷达侦察告警设备对导弹末制导信号告警来进行,使用时机可以由下列原则确定:
①舰载雷达电子侦察设备发现并判明敌导弹末制导雷达信号,应立即发射干扰弹;
②舰上其他侦察手段发现敌导弹时,立即发射干扰弹;
③舰载雷达电子侦察设备发现并判明敌导弹攻击雷达信号。
2)确定干扰弹发射方向决策原则
箔条幕墙的轴线应与舰艇和来袭导弹连线垂直或在垂直方向上偏转一定角度,目的是为了充分发挥箔条幕墙对电磁波的衰减和散射作用[2],所以每发干扰弹的发射方向,要依据不同态势确定。
3)舰艇机动决策
在发射干扰弹的同时,指挥员要分析威胁态势,判断舰艇是否进行机动。机动的原则有两点:一是使舰艇在反导对抗过程中保持在箔条幕墙有效遮挡范围内;二是当反导对抗结束时,导弹与舰艇的距离大于安全距离。在特定态势下,舰艇机动方向,需要通过仿真计算给出正确决策。舰艇机动航速应采取常速机动,航速太大或太小都不利于干扰的成功[4]。

2 仿真模型

2.1 仿真坐标系

以初始时刻舰艇位置为原点,舰艇直航方向为Y轴方向,平行海平面右旋90°为X轴方向,建立坐标系。此坐标系作为绝对坐标系,用于解算对抗过程中舰艇、箔条幕、导弹的相对位置关系。

2.2 舰艇回转运动模型

在建立舰艇运动模型时,将舰艇抽象为一段长度为2L的线段,舰艇回转运动时速率为常量。
如图2所示,Vs0、Vst-1、Vst表示0,t-1,t时刻舰艇速度矢量,t-1时刻舰艇航向为C(t-1),从t-1到t时刻舰艇转过角度为ΔC。设时间步长Δt,舰回转战术半径R。
ΔC= V s × Δ t R
C(t)=C(t-1)+ΔC
图2 舰艇回转运动示意图
舰艇质心坐标为
S x - c e n t e r ( t ) = S x - c e n t e r ( t - 1 ) + 　 V s × Δ t × s i n ( C ( t - 1 ) ) S y - c e n t e r ( t ) = S y - c e n t e r ( t - 1 ) + 　 V s × Δ t × c o s ( C ( t - 1 ) )
舰艏的坐标为
S x - b o w ( t ) = S x - c e n t e r ( t ) + L × c o s ( C ( t - 1 ) ) S y - b o w ( t ) = S y - c e n t e r ( t - 1 ) + L × s i n ( C ( t - 1 ) )
舰艉的坐标为
S x - s t e r n ( t ) = S x - c e n t e r ( t ) - L × c o s ( C ( t - 1 ) ) S y - s t e r n ( t ) = S y - c e n t e r ( t ) - L × s i n ( C ( t - 1 ) )

2.3 导弹运动模型

导弹与目标的运动关系如图3所示,q表示目标瞄准线与攻击平面内某一基准线 M Y ¯之间的夹角,称为目标线方位角;Bt、Bm分别表示目标速度矢量、导弹速度矢量与基准线之间的夹角;q'、Bt'、Bm'表示经过时间步长Δt后各角度变化后数值。
图3 导弹与目标相对位置
导弹采用比例导引法[3],则有

B m ' - B m Δ t= k × ( q ' - q ) Δ t

变化得
Bm'-Bm=k×Δq
导弹运动的坐标为:
Mx(t)=Mx(t-1)+Vm×sin(Bm(t-1))×Δt
My(t)=My(t-1)+Vm×cos(Bm(t-1))×Δt
Bm(t)=Bm(t-1)+k×Δq

2.4 箔条幕布放模型

箔条幕在空间中的形状是不规则的,而且随着时间和风的作用不停变化,为了便于仿真,将箔条幕等效成一个垂直于海平面且具有固定长、宽、高的规则立方体。由于导弹与舰艇的距离远大于箔条幕的厚度,所以在海平面坐标系中,箔条幕可以进一步简化成一条线段。
箔条幕布放样式如图4所示。导弹来袭方向为左舷θm,直线L0、L1是布放箔条幕的轴线,直线L0垂直于导弹与舰艇的连线,直线L1与直线L0成偏角α(向左偏为正,向右偏为负)。箔条弹C0发射角度与导弹来袭方向相同,为θm,设箔条弹C0发射距离为R0,则箔条弹C0爆炸点坐标为
X c 0 = - R 0 s i n θ m Y c 0 = R 0 c o s θ m
图4 箔条幕布放样式示意图
设相邻两个箔条弹爆炸点距离为D,箔条弹C1~C4的发射角度和发射距离依次为 θ 1 , R 1、 θ 2 , R 2、 θ 3 , R 3、 θ 4 , R 4。
C1的发射角度和发射距离可以由以下方程组求出:
D s i n ( θ m - θ 1 ) = R 0 s i n θ m - θ 1 + π 2 + α R 1 = D 2 + R 0 2 - 2 D R 0 c o s π 2 - α
整理得到
θ 1 = θ m - a r c c o t R 0 D c o s α + t a n α R 1 = D 2 + R 0 2 + 2 D R 0 s i n ( α )
同理,可得到箔条弹C2~C4的发射角度和发射距离:
θ 2 = θ m - a r c c o t R 0 2 D c o s α + t a n α R 2 = 4 D 2 + R 0 2 + 4 D R 0 s i n ( α )
θ 3 = θ m - a r c c o t R 0 D c o s α - t a n α R 3 = D 2 + R 0 2 - 2 D R 0 s i n ( α )
θ 4 = θ m - a r c c o t R 0 2 D c o s α - t a n α R 4 = 4 D 2 + R 0 2 - 4 D R 0 s i n ( α )
箔条幕首端初始坐标为
C x - h e a d ( 0 ) = X c 0 + 2 D 1 + t a n 2 ( θ m + α ) × 　 　 t a n ( θ m + α ) | t a n ( θ m + α ) | C y - h e a d ( 0 ) = Y c 0 + 2 D 1 + t a n 2 ( θ m + α ) × 　 　 t a n ( θ m + α ) | t a n ( θ m + α ) |
箔条幕末端初始坐标为
C x - e n d ( 0 ) = X c 0 - 2 D 1 + t a n 2 ( θ m + α ) × 　 　 t a n ( θ m + α ) | t a n ( θ m + α ) | C y - e n d ( 0 ) = Y c 0 - 2 D 1 + t a n 2 ( θ m + α ) × 　 　 t a n ( θ m + α ) | t a n ( θ m + α ) |

2.5 箔条幕运动模型

箔条幕是由5发箔条弹相继发射形成的,由于发射间隔非常短暂,可以认为箔条幕是一次形成的。因为把箔条幕看作一个整体。可以通过箔条幕首端、质心点和末端的运动方程来描述箔条幕的空间运动规律。假设在风力作用下箔条幕运动形状保持不变。
箔条幕首端运动坐标:
C x - h e a d ( t ) = C x - h e a d ( t - 1 ) - V w × s i n ( C w ) × Δ t C y - h e a d ( t ) = C y - h e a d ( t - 1 ) - V w × c o s ( C w ) × Δ t
箔条幕末端运动坐标:
C x - e n d ( t ) = C x - e n d ( t - 1 ) - V w × s i n ( C w ) × Δ t C y - e n d ( t ) = C y - e n d ( t - 1 ) - V w × c o s ( C w ) × Δ t
箔条幕质心运动坐标:
C x - c e n t e r ( t ) = C x - h e a d ( t ) + C x - e n d ( t ) 2 C y - c e n t e r ( t ) = C y - h e a d ( t ) + C y - e n d ( t ) 2

2.6 舰艇溢出判断模型

导弹、箔条幕墙和舰艇三者间运动关系如图5所示,直线M1是任意时刻导弹与箔条幕首部端点的连线,直线M2是任意时刻导弹与箔条幕尾部端点的连线,直线L是任意时刻箔条幕轴线。
图5 箔条幕遮蔽判断图
假设直线l的方程为ax+by+1=0,则将点A(Xa,Ya)到直线l的距离表示为
DA= a X a + b Y a + 1 a 2 + b 2
设舰艇艏艉到直线M1的距离为DB1、DS1;舰艇艏艉到直线M2的距离为DB2、DS2;舰艇艏艉到直线L的距离为DBL、DSL;导弹到直线L的距离为DML。
箔条幕遮蔽舰艇判断准则:
1)当DML≥0时:导弹突破箔条幕,舰艇不受保护;
2)当DML<0时:
①若DBL≤0或DSL≤0,舰艇突破箔条幕,舰艇不受保护;
②若DBL>0且DSL>0,如果DB1≤0或DS1≤0或DB2≤0或DS2≤0,则舰艇从箔条幕遮蔽区域溢出,舰艇不受保护;如果DB1>0且DS1>0且DB2>0且DS2>0,则舰艇在箔条幕遮蔽区域,舰艇受保护。

3 仿真与结果分析

风速5m/s,风向变化范围0~360°,间隔10°;导弹飞行速度290m/s,末制导雷达开机后,在搜索区内边搜索边跟踪,导弹攻击末端搜索角度为±30°;舰艇长度160m,航速10m/s,舰艇转向机动角度范围-70°~70°(向左转向为正,向右转向为负),间隔10°;布放箔条幕轴线偏转角度-40°~40°(向右为正,向左为负),间隔10°。舰艇侦察到导弹末制导雷达信号时导弹与舰艇距离15km。假设导弹杀伤半径为50m,所以仿真结果导弹距离舰艇最近距离大于130m,可认为干扰成功,否则干扰失败[5]。
仿真过程中,力求减小舰艇转向机动角度,通过改变箔条幕轴线偏转角度,达到干扰成功条件。仿真结果,得到导弹距离舰艇最近距离,干扰实施决策中箔条弹发射角度和发射距离,舰艇的转向机动角度。
本文只考虑导弹从舰艇左舷来袭,导弹从舰艇右舷来袭的结果与左舷相对。

3.1 箔条幕干扰发射决策分析

图6表示导弹来袭方位,风向变化下,箔条弹发射角度情况。分析发现,导弹左舷来袭,但干扰弹不一定都左舷发射,导弹从舰首尾部来袭,箔条弹C2和C4会右舷发射。
图6 箔条弹发射角度
图7表示导弹来袭方位,风向变化下,箔条弹发射距离情况。
图7 箔条弹发射距离
图8表示导弹来袭方位、风向变化时,舰艇转向机动角度情况。分析发现,当导弹来袭方向为左舷10°~45°,风向为170~360°时,舰艇需要转向机动,风向为0~170°时,舰艇不需要转向机动;导弹来袭方向为左舷135°~170°,风向为0~190°时,舰艇需要转向机动,风向为190°~350°时,舰艇不需要转向机动。最大转向角度为左右舷40°。当导弹来袭方向为左舷50°~130°时,舰艇不需要转向机动。
图8 舰艇机动角度
值得指出的是,当导弹从左舷舰艏一定角度来袭,同时舰艇左舷迎风时,导弹从左舷舰艉一定角度来袭,同时舰艇右舷迎风时,舰艇应向左机动。

3.2 箔条幕发射效果分析

图9表示导弹来袭方位、风向变化时,舰艇实施箔条幕干扰后导弹与舰艇的最近距离情况。观察发现,导弹与舰艇的最近距离距大于130m,说明箔条幕干扰能对边搜索边跟踪末制导导弹进行有效干扰。
总体趋势上,导弹来袭方向左舷10°~55°,风向为0~170°时干扰效果较好,说明此时舰艇右舷迎风对箔条幕干扰实施更有利;导弹来袭方向左舷55°~120°,风向0~60°、300°~360°时干扰效果最好,风向160°~210°时干扰效果最差,说明此时舰艏迎风对箔条幕干扰实施更有利,舰艉迎风箔条幕干扰效果较差;导弹来袭方向左舷120°~170°,风向为190°~350°时干扰效果较好,说明此时舰艇左舷舷迎风对箔条幕干扰实施更有利。

3.3 风向风速对箔条幕干扰效果的影响

另在风速2m/s、10m/s、15m/s,其他条件不变,对箔条幕干扰效果进行仿真。
如图10所示,选取导弹来袭方位左舷30°、60°、90°、120°、150°时,箔条幕干扰在不同风向、风速下对导弹的干扰效果进行分析。研究发现:
图10 导弹与舰艇最近距离曲线图
1)风速2m/s和5m/s时,在导弹来袭方位左舷30°、60°、90°、120°上,曲线比较平滑,呈现出相同正弦曲线特性,风速越大曲线变化幅度越大。导弹来袭方位左舷30°时,风向0~150°、270°~360°风速大干扰效果好,风向150°~270°风速对干扰效果影响不大;导弹来袭方位左舷60°时,风向0~120°、300°~360°风速大干扰效果好,风向120°~300°风速小干扰效果好;导弹来袭方位左舷90°时,风向0~90°、270°~360°风速大干扰效果好,风向90°~270°风速小干扰效果好;导弹来袭方位左舷120°时,风向0~50°、240°~360°风速大干扰效果好,风向50°~240°风速小干扰效果好。在导弹来袭方位左舷150°上,风向0~210°风速对干扰效果影响不大,风向210°~360°风速大干扰效果好。
2)风速2m/s和5m/s时,导弹来袭方位左舷30°上,在风向为0~180°情况下要优于风向为180°~360°时,即舰艇右舷受风更有利于实施箔条幕干扰;导弹来袭方位左舷150°上,在风向为180°~360°情况下要优于风向为0~180°时,即舰艇左舷受风更有利于实施箔条幕干扰;导弹来袭方位左舷60°、90°、120°上,舰艇左舷或是右舷受风,对箔条幕干扰效果差别不大,但正横前受风,箔条幕干扰效果要比正横后受风时好。
3)风速10m/s和15m/s时,曲线起伏增大,不具有正弦曲线特性,出现导弹与舰艇最近距离小于安全距离的情况。
以导弹来袭方位左舷60°为例,当风向0~120°、300°~360°时干扰效果并不像前面论述的风速大干扰效果好,在风向0~40°、300°~360°,风速15m/s,干扰效果很差,箔条幕干扰失败;当风向120°~300°时干扰效果也不像前面论述的风速小干扰效果好,在170°~250°时,风速15m/s的干扰效果要好于风速10m/s的效果。
这说明,在某一风向上存在一个风速的临界值,在这个临界值两侧导弹与舰艇最近距离随风速的变化而单调变化,但单调性相反。
4)风速10m/s和15m/s时,导弹来袭方位30°、60°、90°,风向50°~120°干扰效果较好,导弹来袭方位120°,风向0~50°、280°~360°干扰效果较好,导弹来袭方位150°,风向250°~340°干扰效果较好。
图11显示不同风速下,箔条幕干扰不成功时,风向和导弹来袭方向的对应关系。
图11 干扰失败态势
分析发现,风速变化对箔条幕干扰的效果有较大影响,随着风速增大,箔条幕成功的条件越苛刻。风速较大时,导弹来袭方位左舷10°~100°,风向50°~230°,箔条幕干扰有效;导弹来袭方位左舷100°~170°,风向0~170°、290°~360°,箔条幕干扰有效。
舰艇威胁态势如图12所示。阴影区域Ⅰ为导弹来袭方位左舷10°~100°时,箔条幕干扰失败的风向带,处于同环的空白区域为干扰成功的风向带。阴影区域Ⅱ为导弹来袭方位左舷100°~170°时,箔条幕干扰失败的风向带,处于同环的空白区域为干扰成功的风向带。
图12 舰艇威胁态势图
对比发现导弹从舰艇正横后来袭,比从舰艇正横前来袭,更容易被箔条幕有效干扰;风向为50°~170°时,对舰艇实施箔条幕干扰最有利,对左舷任意方向导弹都能有效干扰。
综上所述,当风速小于5m/s,导弹左舷舰首附近方向来袭,舰艇右舷受风更有利于实施箔条幕干扰;导弹左舷舰尾附近方向来袭,舰艇左舷受风更有利于实施箔条幕干扰;导弹左舷正横附近方向来袭,舰艇正横前受风更有利于实施箔条幕干扰。随着风速增大,箔条幕干扰成功的条件限制增多,但总体趋势上,导弹从正横后来袭,箔条幕干扰更容易成功。同时,在风向50°~170°范围内,较大风速下(小于15m/s),舰艇可以对左舷任意方向来袭导弹实施有效的箔条幕干扰。

4 结束语

本文考虑了影响箔条幕干扰效果的诸多因素,并对综合态势进行了仿真模拟和数据的初步分析,从而得到一些箔条幕干扰使用方法。需要指出的是,箔条幕的干扰效果与箔条幕布放样式、舰艇航向、机动方向、导弹来袭方位、风向、风速等因素综合作用有关,战时必须综合考虑各要素,进行合理决策,只有这样才能真正发挥冲箔条幕干扰的作用。

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