中国指挥与控制学会会刊 
采用多模复合制导技术是反舰导弹应对日益复杂的战场电磁环境挑战,提高自身武器效能的一种有效途径。参与复合制导的工作模式通常工作频率在频谱上相距较远,这样既能获得更多的目标特征信息,又可以通过多种工作模式在探测和抗干扰性能上的互补,提高导弹武器的攻击精度及抗干扰能力[1]。主动雷达制导模式主要工作在厘米或毫米波段;红外成像制导模式工作在微米波段,易受气候影响,探测距离近,无法获取目标距离信息,但是抗电子干扰能力强,目标跟踪精度高;雷达制导模式容易受到电子干扰,跟踪精度不如红外成像制导模式,但是受天气因素影响较小,探测距离远,能获取目标距离信息[2]。两种制导模式的优势互补,使得在较宽的频段上用一种干扰手段进行有效干扰是很难实现的,舰艇无源干扰使用具有很强的针对性,所以,目前仅靠单一的无源干扰方式无法对复合制导的导弹进行有力的干扰。
文献[3]针对舷外有源诱饵对雷达导引头干扰方法进行了研究,分析了有源诱饵的典型作战模式及干扰效果;文献[4⇓-6]对舷外有源诱饵质心干扰作战使用方法进行了研究,从有源诱饵参数加载、决策反射及机动方式等方面进行了建模仿真;文献[7⇓-9]研究了红外烟幕对抗红外成像导引头的使用方法,从烟幕发射方式、舰艇机动决策等方面进行仿真分析。各研究成果都是从对抗雷达导引头或红外成像导引头单一方向进行的,没有涉及两种制导方式复合之后对干扰方式有何影响,及何时应该实施干扰。本文综合分析雷达导引头与红外成像导引头的基本干扰原理,得出将舷外有源诱饵及烟幕干扰两种干扰方式协同使用对抗雷达/红外成像复合制导反舰导弹的方法。
1 复合制导信息融合分析
导弹复合导引系统信息融合可分为三类:数据层融合、特征层融合和决策层融合[1]。在数据层,雷达导引系统得到目标多普勒信息,红外成像导引系统得到目标图像灰度序列,两者之间不具有可比性,不能进行数据层融合。因此,雷达红外成像复合导引系统数据融合主要在特征层融合和决策层融合。雷达红外成像复合制导数据融合过程如图1 所示。
特征层融合,利用雷达获取的目标特征信息帮助红外成像导引系统对目标识别跟踪,提高红外成像导引系统在远距离上对目标的点红外信息识别,降低红外成像系统对目标成像质量等信息的要求;利用红外成像获取的目标特征信息帮助雷达导引系统对目标识别跟踪,提高雷达导引系统对干扰的识别能力,降低雷达虚警概率,提高目标识别能力。
决策层融合,当导弹距离目标较远时,由雷达导引系统的跟踪决策信息控制导弹飞行,同时控制红外导引系统跟随目标,使目标进入红外导引系统的视场。当导弹距离目标较近时,红外导引系统可以通过目标成像的特征信息跟踪识别目标,利用其跟踪信息精度高的特点,提高复合导引系统对目标的跟踪能力。复合导引系统中,当一方导引系统受到干扰或失去导引能力时,可由另一导引系统矫正跟踪信息,或直接由另一导引系统跟踪目标控制导弹飞行。
2 干扰方法
通过对雷达/红外成像双模导引头制导分析,对其进行有效干扰必须在特征融合层干扰雷达目标和红外成像目标的特征数据融合,在决策融合层阻断雷达导引头和红外成像导引头的联合制导。
干扰方法可以分成二种:一是在远距离上对雷达导引头进行干扰,大角度诱偏导弹,使红外导引头开机时,目标不在红外导引头搜索视角内,红外导引头无法搜索到目标,不能发送制导指令,只能在雷达导引头制导下飞行,远离目标;二是在近距离上同时干扰反舰导弹的雷达导引头和红外导引头,雷达导引头受到电子假目标干扰,跟踪诱饵,接班制导的红外导引头无法提取目标的特征信息,也无法准确跟踪目标,导致导弹在雷达导引头制导下攻击假目标。
反舰导弹由于自身雷达反射面积较小,攻击战术多样,使舰艇对于反舰导弹的预警探测距离一般较近,所以,第一种干扰方法在实际作战时难以实施,第二种干扰方法需要综合使用对抗雷达制导的舷外有源干扰和对抗红外成像制导的烟幕干扰两种干扰方式,这两种干扰方式复合使用的方法直接影响对雷达/红外成像双模导引头干扰效果。
2.1 舷外有源干扰
舷外有源干扰,是指利用降落伞、浮漂和飞行器等技术手段将诱饵布放在船体外,通过放大、转发弹载雷达发射信号,或者主动施放干扰信号,对敌方雷达导引头进行角度欺骗的一种干扰手段[3]。本文研究对象是拖曳式有源诱饵,拖曳式诱饵实施比较方便,不用考虑诱饵布放角度、诱饵与舰艇相对运动等问题,而且,可以提前布放,减弱了对电子支援引导的依赖。舷外有源干扰示意图如图2 所示。
2.2 烟幕干扰
烟幕干扰是对抗红外成像制导导弹的一种有效措施,主要运用了烟幕对目标红外辐射的遮蔽效应。烟幕通过自身燃烧反应产生高强度红外辐射,在较大区域内遮盖目标自身及周边环境的热辐射特征,造成红外成像制导系统无法通过热成像手段看清目标,只能发现一片高亮区域,具有“隐真”和“示假”双重功能[6]。烟幕干扰示意图如图3 所示。
2.3 单一干扰效果分析
导弹来袭方位右舷60°,舷外有源诱饵干扰下雷达红外成像制导导弹攻击仿真轨迹如图4 所示。第一阶段导弹雷达导引头开机工作,由于导弹距离较远,导引头将舰艇和有源诱饵判为一个目标,导弹跟踪舰艇和有源诱饵微波能量中心,逐渐接近舰艇和有源诱饵;第二阶段,由于舰艇已经离开导弹的跟踪波门,有源诱饵距离导弹跟踪点近,且在跟踪波门内,导弹选择跟踪有源诱饵,逐渐接近有源诱饵;第三阶段红外成像导引头开机工作,由于有源诱饵与舰艇红外特性差别较大,红外成像导引头提取图像特征信息,排除有源诱饵干扰,在目标区域搜索,此时舰艇仍未脱离红外导引头搜索范围,最终被红外导引头捕获,导弹跟踪舰艇,最终攻击舰艇。
单一使用拖曳式有源诱饵虽然可以在雷达制导阶段诱骗导弹,但使导弹偏航的横向距离有限,导弹红外成像导引头开机仍能搜索到舰艇目标,使导弹最终攻击舰艇。
单一使用红外烟幕干扰虽然可以有效对抗红外成像导引头,但是对雷达导引头干扰无效,即使红外导引头不工作,导弹最终仍会攻击舰艇。
2.4 协同干扰
3 仿真模型
3.1 导弹运动模型
导弹采用比例导引法制导飞行,导弹与目标的运动关系如图6 所示,q表示目标线方位角;Bt、Bm分别表示目标速度、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后各角度变化后的数值。
导弹采用比例导引法,则有
Bm'-Bm=k×Δq
导弹运动的坐标为:
Bm(t)=Bm(t-1)+k×Δq
Mx(t)=Mx(t-1)+Vm×sin(Bm(t-1))×Δt
My(t)=My(t-1)+Vm×cos(Bm(t-1))×Δt
3.2 导弹过载模型
设导弹最大过载为nx,则导弹飞行所能调整的最大角度av为
av=
设导弹飞行所需调整的角度为ax,如果ax>av,此时,导弹过载不足,导弹在Δt时间段内不能及时修正误差,按最大过载调整角度修正;如果ax≤av,此时,导弹过载充足,导弹在Δt时间段内可以按调整角度修正误差。在Δt足够小的情况下,可认为导弹在飞行方向上做匀速直线运动。导弹在终端将以惯性飞行命中跟踪目标。
3.3 舷外有源诱饵能量模型
假设舷外有源诱饵的功率为Pt,且保持恒定,天线增益为Gt;导弹雷达导引头的功率为Pd,且保持恒定,天线增益为Gd,天线有效孔径面积为Ad,雷达波长为λ;导弹到舰艇的距离为Rd,到有源诱饵的距离为Rt;舰艇的反射面积为σ。
有源诱饵辐射到导弹导引头的功率为
P1=
另有
Ad=
将式(7)代入式(6),得到
P1=
导弹雷达导引头接收舰艇反射功率为
P2=
有源诱饵在质心干扰过程中的干扰压制系数Ka可近似表示为[9]
Ka=
3.4 舰艇溢出判断模型
舰艇、烟幕墙和导弹三者间位置关系如图7 所示,直线M1是导引头与烟幕上端点的连线,直线M2是导引头与烟幕下端点的连线,直线L是烟幕墙的近似中线。
假设直线1的方程为ax+by+1=0,则将点A(Xa,Ya)到直线1的距离表示为
设舰艇首、尾到直线M1的距离为DB1、DS1;舰艇首、尾到直线M2的距离为DB2、DS2;舰艇首、尾到直线L的距离为DBL、DSL;导弹到直线L的距离为DML。
红外烟幕遮蔽舰艇判断准则:
1)当DML≥0时:导弹突破烟幕墙,舰艇不受保护;
2)当DML<0时:
若DBL≤0或DSL≤0,舰艇突破烟幕墙,舰艇不受保护;
若DBL>0且DSL>0,如果DB1≤0或DS1≤0或DB2≤0或DS2≤0,则舰艇从烟幕墙遮蔽区域驶出,舰艇不受保护;如果DB1>0且DS1>0且DB2>0且DS2>0,则舰艇在烟幕墙遮蔽区域,舰艇受保护。
4 仿真分析
协同干扰仿真流程如图8 所示。仿真过程中,导弹来袭方向取右舷10°~170°,按步长5°进行计算。导弹在末制导阶段飞行速度为0.8 Ma,在仿真过程中,导弹的实时位置按此速度计算。导弹微波导引头工作时,舰艇采取直航,有源诱饵拖曳长度分别为500 m、700 m和1 000 m,速度18 kn,导弹红外成像导引头工作时,舰艇作回转机动,假设航速不变。
从图中看出,有源诱饵拖曳长度为500 m时,由于有源诱饵离舰艇较近,直到红外导引系统开机工作,雷达导引头仍在跟踪舰艇与有源诱饵的微波中心,红外成像导引头开机工作,导弹跟踪烟幕中心,由于烟幕离舰艇较近,使导弹逐渐偏向舰艇,在接近过程中,雷达导引头将舰艇与有源诱饵区分为两个辐射源,由于舰艇航控角度小,选择跟踪舰艇;有源诱饵拖曳长度为1 000 m时,导弹在雷达制导阶段,先跟踪舰艇与有源诱饵能量中心,在接近过程中,雷达导引头将舰艇与有源诱饵区分为两个辐射源,由于有源诱饵航控角度小,选择跟踪有源诱饵,当红外导引系统开机工作时,由于舰艇受红外烟幕遮蔽,使红外导引头无法捕捉目标,最后,导弹在目标数据融合条件下,由雷达制导跟踪有源诱饵。
通过建模仿真,分析舷外有源与烟幕复合干扰下导弹攻击轨迹发现,复合干扰成功的条件有三个:
一是有源诱饵拖曳长度足够长,保证导弹在雷达导引头工作阶段可以有效诱骗导弹跟踪有源诱饵;
二是烟幕干扰施放时机,确保烟幕要在导弹红外成像导引系统工作前形成;
三是烟幕要保证对舰艇的遮蔽,适时补充发射烟幕干扰弹。
三个条件同时满足的情况下,导弹从舰艇正横70°~110°左右来袭,采用复合干扰效果好。
5 结束语
本文针对雷达/红外成像复合制导原理,分析了实施舷外有源诱饵+烟幕干扰的对抗方法,通过建模仿真,证明采用舷外有源诱饵+烟幕干扰的方法进行对抗,理论上是可行的,但在具体实施过程中,还要具体考虑气象、海况等环境因素,以及舷外有源诱饵干扰与烟幕干扰协同时机问题。