中国指挥与控制学会会刊 
反舰导弹作为主动探测、跟踪目标的硬杀伤武器,给舰艇平台带来致命的威胁与攻击,因此,舰艇平台采用实施无源干扰的手段破坏反舰导弹雷达导引头的识别与跟踪过程,达到对抗反舰导弹攻击的目的[1]。那么,如何在现代战场中选择最佳时机和策略实施无源干扰,找到最佳作战使用方法就成为当前的现实应用需求。
当前外场试验以性能指标测试为主,对试验数据的分析处理侧重于单项性能指标考核,在装备作战效能评估方面,缺乏对试验数据的深层次挖掘应用,如何综合运用已有试验数据开展装备作战效能评估已成为亟须解决的问题。本文针对某型驱逐舰无源干扰能力评估问题,以试验数据挖掘应用为切入点,收集相关攻防对抗装备情报资料、试验数据,分析装备试验数据特点规律,结合建模与仿真技术探索试验数据的综合应用,提取数据中隐含的试验信息[2],建立无源干扰条件下导引头行为特性模型,重构外场试验场景,将定点架设导引头条件下的试验结果,推演至反舰导弹攻击目标时的动态对抗过程,直观展示无源干扰对抗过程及作战效果,形成贴近实战的舰艇无源干扰对抗来袭反舰导弹的动态推演系统,为全面、客观评判某型驱逐舰作战系统无源干扰能力、末制导雷达抗干扰能力评估提供技术支撑,为优化舰艇无源干扰战术提供参考,达到发挥装备试验数据潜在价值、深化装备试验鉴定内涵、实现对外场试验数据的深度挖掘,为我军无源干扰与反舰导弹攻防对抗能力建设提供有效支撑。
1 雷达导引头抗无源干扰外场试验原理
海战场中水面舰艇面临的主要威胁是反舰导弹的攻击,雷达导引头作为反舰导弹的主要部件,直接影响导弹的识别跟踪结果,且雷达制导具有探测距离远、可全天候使用等优点,成为现代化战争中主流的制导方式[3]。
1.1 反舰导弹雷达导引头制导原理
反舰导弹作为海战场杀伤性硬武器,受指控系统控制,发射前,指控系统为反舰导弹装订目标单元,导弹发射后进入惯导系统自控飞行段,按预定方案调整方向和高度;当进入自导飞行时刻,导引头开机搜索,捕捉目标,并转入跟踪阶段;反舰导弹在搜捕过程中,会面临在多目标以及目标舰船有源/无源干扰设备进行对抗环境下选择预打击目标,根据雷达导引头探测到的目标信息以及识别跟踪结果,导弹开始朝向目标进行自导飞行,最后利用战斗部毁伤目标。反舰导弹攻击舰艇平台示意图如图1 所示。
导引头接收到开机指令后,进入目标搜索状态,伺服系统带动天线在指定的角度范围内进行扫描,同时距离波门在装订范围内扫描,从而实现距离—角度的二维扫描;当搜索到的目标回波能量大于检测门限时,导引头捕捉目标,并按一定的准则转动天线跟踪目标进入跟踪状态。
1.2 舰艇平台无源干扰反导原理
为了保存海上高价值作战单元,制约反舰导弹作战效能发挥,必须采取一定的措施对反舰导弹实施干扰。无源干扰技术是公认的对抗雷达导引头的有效方法之一,其中比较典型的是箔条质心干扰,通过箔条云与目标形成非相干点源的质心干扰效应,对雷达导引头实施距离、角度欺骗,实现引偏反舰导弹既定弹道的目的。以质心箔条为例的舰艇平台防空反导示意图如图2 所示。
箔条质心干扰主要实施于反舰导弹雷达导引头的末制导跟踪阶段,质心式箔条云干扰形成初期与舰船处于相同的雷达分辨单元内,由于反舰导弹的跟踪点是分辨单元内回波的能量质心,箔条云形成后其RCS大于舰船,致使雷达跟踪点沿舰船与箔条云质心连线偏向箔条云,随着舰船远离箔条云及反舰导弹的逼近,导弹的跟踪点渐渐转向箔条云质心,当舰船和箔条云处在不同的雷达分辨单元后,舰船脱离雷达波束,导引头完全跟踪箔条云,使舰船躲避导弹的攻击。
2 无源干扰外场实测试验数据挖掘研究
当前的外场试验以定点架设雷达导引头方法进行试验,具有真实可信的海面背景以及真实舰艇箔条信息等,相对于实弹打靶具有试验组织容易、效费比高的特点,产生了大量的试验数据。本文研究的主要内容就是基于无源干扰外场定点实测试验数据,挖掘其中蕴含的深层多维试验信息,基于Matlab平台开发与导引头实装相一致的雷达信号处理算法模型,对雷达信号处理中的脉冲压缩、相参积累、恒虚警处理、二维检波等核心环节进行仿真复现,利用实测试验数据进行模型校验,研究实测高速回波试验数据,研究试验数据目标与无源干扰分离重构方法,为试验场景重构与动态仿真推演提供数据支撑。
2.1 外场实测试验数据采集
外场数据录取处理系统是由数据采集单元(包括低速采集模块、高速采集模块)、数据处理单元、大容量高速存储单元和显控单元组成,主要具备录取雷达状态、特征参数和回波信号、采集和存储雷达的脉冲时序及外界系统的异步串口信息等功能,试验数据资源构成如图3 所示。
低速采集模块将获取舰艇平台作战系统数据,包括航向、航速、风向、风速、无源干扰发射参数以及GPS记录信息,这些信息能够对外场试验场景进行基本描述;高速采集模块负责将ADC输出的目标回波数据锁存,再传输给存储单元,并接收各种参数信息以及与雷达控制设备进行通信,高速试验数据中包含丰富的目标回波信息,为雷达导引头目标识别与跟踪提供数据支撑。
2.2 基于实测试验数据的仿真模型构建与校验
2.3 雷达导引头目标回波高速试验数据
在舰艇平台无源干扰外场试验中,参试装备雷达导引头获取了大量的高速率采集试验数据,如图5 所示,主要包括目标回波数据及串口数据,通过基于时空一致性解算,可以获取目标多维信息。
经过恒虚警检测和相参积累后的回波数据,包含了雷达导引头分辨角范围内目标的距离信息、速度信息和能量信息,利用刚性物体在多普勒域展宽有限的约束条件,可以得出海面航行目标、中低空飞行目标及掠海飞行小目标的数量,并利用距离域计算出各目标的径向尺寸。雷达导引头通过串口向高速数据采集器输出搜索及跟踪状态下导引头的俯仰角、方位角及波门信息,由于雷达导引头捕捉目标的时机不同,其波门会适时调整,但通过时空一致性,可以将波门数据和目标相对波门距离数据联合解算得出目标的实时径向距离。目标的运动特性对雷达导引头回波特征具有较大影响,研究外场试验过程中舰船、箔条云及其相对舰船的距离域和多普勒域状态,可为回波中目标与箔条的拆分、雷达导引头模型校验、仿真推演和仿真评估提供数据支撑。
2.4 高、低速试验数据综合关联应用的目标拆分方法
通过对雷达导引头采集的高速数据进行处理,可以得出雷达导引头分辨角范围内各目标回波及通过四路回波得出的极化数据,通过舰艇平台作战系统记录的低速数据获取舰船的航向、航速、风向、风速、箔条发射参数等信息以及GPS解析的数据即相对导引头的方位、距离等相关信息的解析,可以得出相对导引头的径向多普勒信息和距离信息并对回波信号中相应目标回波信息进行综合关联,再利用箔条与舰船目标在极化域的区别,实现对目标回波高速试验数据中舰艇与无源干扰的分离。后期可利用数字建模仿真及模型优化,将当前态势条件下的无源干扰回波提升为全作战过程箔条云回波数据库,为后续基于态势重构中回波应用提供数据资源,基于高、低速试验数据综合关联应用的目标拆分方法及推演应用的完整流程如图6 所示。
本文以某型雷达导引头外场定点架设的试验结果作为样本,利用雷达导引头与舰艇平台作战系统记录的高、低速采集数据互相关联,完成回波中目标与箔条的拆分结果如图7 所示,其中图7 a)为雷达导引头高速采集的回波数据,7图b)为回波经关联后对目标的识别,图7 c)和图7 d)分别为拆分后的目标和箔条回波。
3 基于外场实测试验数据的场景重构
外场试验场景重构的基本思路是利用外场GPS记录的位置信息以及舰艇平台作战系统记录的数据,辅以箔条和舰艇平台电磁辐射特性数据,综合目标回波高速试验数据目标箔条分离结果,重构试验场景,构建推演态势下的舰艇平台、箔条的富含多维试验信息运行场景和参数模型。根据推演需求不同,场景重构可分为海上定点外场试验场景重构和动态外场试验场景重构。
3.1 海上定点外场试验场景重构
针对定点架设试验场景的重构能够弥补因气象条件与预期存在差异、个别试验现象难以复现、试验样本量不足的问题。海上定点外场试验场景重构基本思路如图8 所示,首先需要对外场基本试验态势和试验环境的构建要素进行分析整理,根据试验需求,对舰船的航向、航速,箔条发射参数以及能够决定箔条运动状态的风向、风速进行想定,实时生成目标及箔条云质心点相对导引头的方位、距离等信息,充分描述外场试验场景,为海上定点试验场景重构提供依据;再分析雷达导引头面临的试验环境和电磁信号环境,对雷达导引头分辨角范围内拟合目标的四路回波进行仿真计算。
设定雷达导引头初始架设坐标为原点,风向、风速、箔条的发射角度、数量以及舰船平台的初始航向、速度根据态势拟定对各参数进行计算,生成场景重构基本态势如图9 所示。
3.2 弹目逼近的动态推演试验场景重构
利用完备但有限的定点架设外场试验数据资源,推演至弹目距离逼近类似无人机带飞雷达导引头的动态仿真推演试验场景,通过加载弹道,实时解算导引头当前坐标以及箔条、目标的径向速度与距离,综合利用分离后的目标、箔条回波数据构建动态推演场景,形成贴近飞行试验的动态对抗场景,能够为无源干扰效果评判、装备作战使用提供数据支撑。加载弹道后弹目逼近条件下的动态仿真推演态势重构俯视图如图10 所示。
无论是定点场景重构还是动态推演试验场景重构,随着弹目间距离的变化,箔条和舰艇平台电磁辐射特性需按照场景重构后解算的距离信息进行能量域的实时调整[6],根据雷达方程
Pr=
在雷达发射功率Pt、雷达天线增益Gt、信号波长λ等因素不变的条件下,设回波功率系数比为K,当弹目径向距离由R0变为R(τ)时,K= 。图11 为动态试验态势场景重构后某时刻生成的目标回波。
4 基于外场实测试验数据的仿真推演应用
在收集相关装备不同阶段的外场试验数据、试验态势、试验方案等试验数据的基础上,本文利用上述试验数据挖掘与场景重构方法,在完成导引头回波高速数据解析、试验场景重构的基础上,充分利用外场实测试验数据实现仿真模型构建与校验,形成舰艇平台无源干扰对抗反舰导弹末制导雷达的动态仿真推演系统,能够模拟与实战相接近的弹目距离动态逼近条件下攻防对抗效果、模拟不同试验态势、试验背景下的无源干扰试验,推演分析无源干扰和导引头的动态对抗过程,达到对攻防对抗双方作战效能评估的有效评定。
4.1 弹目逼近的动态推演试验场景重构
重构后的场景能够复现舰艇平台、箔条的运行场景以及电磁辐射特性数据,是外场实测数据推演应用的重要内容,拟合场景的逼真度对于推演系统能否满足实战化应用需求具有重要意义。通过对定点场景复现,将场景重构后的结果输出与外场实测结果进行比对,以测试重构场景的逼真度,从而实现对场景重构算法的校验与修正。通过某型雷达导引头外场定点架设的试验态势与记录结果为依据,通过场景重构复现定点架设对抗过程,干扰条件下的仿真推演跟踪距离同外场实测数据处理结果对比如图12 所示,在现有研究成果中,雷达导引头行为特性模型通过航迹关联算法将识别为混合体类型的目标距离跟踪结果置0,而雷达导引头实装会跟踪质心。
根据仿真结果可以看出,利用拆分后的舰艇平台回波和箔条回波,经定点场景重构,在距离跟踪和角度跟踪位置与外场试验中导引头实际测量值的趋势和数值具有一致性,通过对比,能够得出本文所使用的场景重构算法能够满足仿真推演逼真度的应用需求。
4.2 面向作战效能评估的仿真推演应用
本文的研究成果能够以外场无源干扰条件下雷达导引头定点架设录取的试验数据为基础,仿真外推至动态对抗过程,得出动态条件下的无源干扰效果,实现面向作战效能评估的动态仿真推演,对反舰导弹在舰艇平台实施无源干扰情况下的突防能力和无源干扰抗反舰导弹攻击干扰有效性进行评估[7]。
某型雷达导引头在同一飞行航次中,改变箔条飞行方向(或舰船航向)与形成混合体的概率进行统计结果如图13 所示,可以看出在舰船航迹不变化的情况下,箔条飞行方向在192°时,产生混合体的概率最高。在实际试验中,可以根据此关系以及当时测得的风向风速确定舰船的航向,使箔条释放后最可能与舰船形成混合体。
对多航次不同态势、条件试验结果进行统计计算,分别获得相应试验态势下的作战仿真结果,得出形成混合体干扰有效最佳作战使用方案,实现面向作战效能评估的无源干扰试验数据挖掘。通过仿真与统计结果可以看出,根据定点架设试验结果仿真外推动态对抗过程,可以得到不同态势对抗过程目标识别混合体次数,实现基于实测试验数据的弹目逼近动态对抗过程逼真模拟,完成面向作战的无源干扰试验数据作战效能评估。
5 结束语
基于外场实测试验数据的场景重构和动态仿真推演应用,以实测试验数据为系统输入,具有较高的可信性,将定点架设所获取的试验数据通过深度挖掘、场景重构并仿真外推至弹目距离动态变化的对抗过程,形成贴近实战的舰艇无源干扰对抗来袭反舰导弹的动态推演方法,实现了对现有试验数据的深度挖掘与充分应用[8],实现了对装备外场试验数据深度挖掘与关联应用的目的,为全面、客观评判舰艇平台作战系统无源干扰能力、末制导雷达抗干扰能力评估提供技术支撑,为优化舰艇无源干扰战术使用提供参考,达到发挥装备试验数据潜在价值、深化装备试验鉴定内涵的目的。
文章研究成果可为无源干扰效果评判、装备作战使用、装备性能改进等提供指导,为我军舰艇平台无源干扰系统以及反舰导弹雷达导引头攻防双方能力建设提供有效支撑。