复杂电磁环境中海军作战对抗电子侦察卫星研究*

沈振华 姚景顺 陈晓曦 罗育洪

(海军大连舰艇学院研究生2队1) 大连 116018)(海军大连舰艇学院作战指挥系2) 大连 116018)

1 引言

现代海战中,水面舰艇作战依赖海战场情报的程度提高,交战双方舰艇均使用各种电磁辐射装备获取战场海空情态势,除此之外军用侦察卫星系统也已成为战争中直接支援战场行动的情报来源,并逐步发展为作战指挥系统的重要组成部分。军用侦察卫星系统主要包括电子侦察卫星、成像侦察卫星、海洋监视卫星、导弹预警卫星和核爆炸探测卫星等,星上主要载荷为光电传感器、雷达或无线电信号侦察接收机、数据处理和分发装备等。其中电子侦察卫星具有覆盖空间范围大、接收频域范围宽、轨道机动和组网侦察能力强、灵敏度高、侦察行动不受地理和国界的限制,能够全天候、全时段的对敏感海域的海上舰艇实施侦察监视的特点,已成为获取海战场电磁情报的重要手段,对水面舰艇作战行动及电磁情报安全造成较大影响[1]。反电子侦察卫星已成为确保水面舰艇作战训练行动隐蔽性和安全性的重要课题。

2 电子侦察卫星工作原理分析

2.1 卫星工作原理

电子侦察卫星主要通过星载高灵敏度电磁信号接收机侦察截获地面或海上的各种雷达系统和通信系统的辐射源信号,探测和鉴别其电磁信号参数、体制和工作模式等信息,并获取目标位置、航向和航速等战术情报,以监视各种电磁辐射源的活动。从当前实际部署情况看,电子侦察卫星分为普查型和详查型两种。普查型电子侦察卫星主要用于大范围侦察,对各种无线电和雷达信号辐射源进行概略定位,确定其频段、脉冲重复周期、工作体制和扫描方式,覆盖范围一般可达2000km以上。详查型电子侦察卫星主要用于精确核定普查过程中发现的敏感目标,获取雷达和通信信号的特性和参数并判别辐射源的位置、速度、航向、型号等高价值情报。电子侦察卫星侦察海上舰船的主要方法是侦察海上舰艇的雷达和通信等信号,探测和鉴别海上舰船型号并确定其位置、航向和航速等,以监视水面舰艇活动,并及时为本方攻击编队提供海上目标的远程目标指示。

截至目前,美国电子侦察卫星已经发展了5代9型,前后共发射80余颗,第5代正在逐步部署之中。目前美国在空间中共部署有十余颗电子侦察卫星,其中低轨道卫星4颗、大椭圆轨道3颗、地球同步轨道4颗,其中主要包括2颗组网工作的“流纹岩”、1颗“漩涡”、4颗“大酒瓶”、4颗“喇叭”卫星等,卫星轨道覆盖地球椭圆轨道、大椭圆轨道、极地轨道等,频域覆盖范围为100MHz～40GHz。上述侦察卫星可实现全球覆盖及重点敏感区域的定点全时段覆盖,主要侦察监视洲际导弹遥测及发射信号、核潜艇活动情况、军用雷达信号、各波段的通信和广播信号等。

对水面舰艇威胁较大的是美海军海洋监视系统的“高级白云”电子情报卫星(SSU-Ⅱ)。该系统卫星为低轨道,轨道倾角为63.4°,由4组星座共16颗卫星(4颗主星,12颗子星)组网工作,每组卫星由一颗主星和三颗伴星构成,标准星座由彼此相隔120°的3个轨道面组成,每个轨道面上都部署一组卫星,卫星之间间距为30～110km,采用三角时差定位法(TDOA)对海上目标进行定位。该系统卫星瞬时地面覆盖幅宽可达3500km,工作频率0.5～10GHz,电子侦察定位精度可达2～3km,灵敏度45～97dbm。由4组卫星组成的系统能够对地球40～60°纬度范围内的任何区域每天监视30次以上,即过顶某区域时间分辨率可达48分钟。该卫星系统的侦收、处理和传输能力较强,每组卫星的瞬时侦察区域可达7000km2。新“白云”海洋监视卫星的主卫星装载了红外扫描仪和毫米波辐射仪,子卫星上有射频天线。利用星载全向射频天线阵及石英晶体视频接收机来侦收海上舰艇发射的雷达和通信信号;利用无源雷达干涉测量法来测定这些舰艇的位置、航向和航速等运动要素,并对其进行全天候跟踪,还运用星载红外探测器和毫米波辐射计,通过探测热尾流来发现并跟踪低空飞行的导弹,可为装备有“战斧”反舰巡航导弹的美舰提供超视距侦察和目标指示。

2.2 侦察水面舰艇能力分析

2.2.1 卫星空间覆盖水面舰艇判别方法

设水面舰艇当前经、纬度分别为 φ0,λ0,卫星星下点的当前纬度、经度分别为 φs,λs,卫星的覆盖角为d,卫星星下点与地面点的大圆弧长为d*(0≤d*≤π)。当 d≤d*,即满足式(1)时,该舰艇在卫星传感器覆盖范围内。

2.2.2 卫星载荷覆盖特性分析

1)瞬时视场

假定卫星侦察天线具有圆形截面,其视角宽度为θ,则瞬时视场的长度LF由下式决定:

式中:KL为常数,KL=111.319543km;α的单位为°。式(2)中的近似关系式在ε很小(即地平附近)时误差很大,不能使用此计算式。

卫星过顶目标区域时的瞬时视场宽度WF为:

假定波束在地面的投影是一椭圆,由瞬时视场宽度推导出瞬时视场区域的面积FA为:

如果天线波束侦察区域为以星下点方向为中心的锥形区域,那么瞬时视场的面积将由更简单的公式给出:

式中:KA=2.55604187×108km2,α对应于波束半张角θ/2的地心角。

2)可用侦察时间

假定目标位置距星下点轨迹的偏差角为ξ的某一点上,而天线波束能侦察的最大偏差角为ξmax,则能侦察该目标的轨道弧段为:Fv=Ψ/180°。

上式中 :cosΨ=cosξmax/cosξ,则在该圈轨道中对目标的覆盖侦察时间为:t=TFv,式中T为轨道周期。

2.2.3 侦察设备完全截获辐射源信号的功率条件

式中:Gi(θ,f)为辐射源 I个发射波束序列中第i号波束的增益(dB);Pj(θ,f)为辐射源J个发射功率组合中第j种功率的强度(dBW);Sk为侦察设备K个侦察模式中第k种侦察模式的系统灵敏度(dBW/m2);R为侦察设备距离辐射源的距离,dB(m);θ为辐射源相对于侦察设备的角位置;f为辐射源信号频率。

功率条件分析:同步轨道的电子侦察卫星位于36000km高的轨道上,而低轨电子侦察卫星一般部署在500～600km高的轨道上,前者接收到的功率大小为低轨卫星的1/5100,同步轨道卫星的侦察灵敏度可达-117～-169dBW/m2。而现代舰载雷达都采用了低副瓣天线技术,降低了卫星侦察的概率,当卫星过顶针对这类雷达进行侦察时,卫星感知的雷达平均副瓣增益Gi(θ,f)＜0。

2.3 电子侦察卫星侦察效能分析

根据工作原理,电子侦察卫星发现目标的概率与其携带的侦察载荷的频率范围、空间覆盖范围、探测灵敏度以及辐射源情况相关。若目标使用的频段不在侦察载荷覆盖范围内,及在卫星过顶期间目标保持无线电静默,则探测概率均为0。鉴于舰载雷达一般不关机的工作特点,可不考虑无线电静默影响,需要对其他情况进行计算分析。论文假定电子侦察卫星载荷灵敏度极高,且可覆盖舰载雷达信号的所有频段。

设电子侦察卫星可接收n个频段,探测到第i个频段的概率为pdi,对于辐射脉冲信号的目标pdi可统一采用下式计算:

式中:RSN为信噪比,主要表征传感器灵敏度的影响;β=ln(1/pfa);pfa为星载传感器的虚警概率,一般可取为10-6。

误差函数为:

表1 典型舰载雷达频段分类

上述分析说明电子侦察卫星对不同频段的侦察、截获和识别概率不同,在处理分析星载传感器截获的电磁信息并结合辐射源平台情报后,建立对当前侦察海区的目标识别矩阵,卫星能以一定经验概率确定侦察目标的类型。具体识别经验概率如表2所示。

表2 电子侦察卫星识别典型雷达目标经验概率估计值

3 水面舰艇反电子侦察卫星措施分析[6～8]

电子侦察卫星对水面舰艇作战行动及电磁情报安全造成了严重影响,针对海上作战需求和电子侦察卫星特点,论文从战术和技术两个方面探讨水面舰艇对抗电子侦察卫星措施。

3.1 战术对抗电子侦察卫星

1)辐射源控制,电磁静默

尽管美军海洋监视系统的电子卫星数量较多且每天可对敏感目标和区域进行多次侦测,但由于其卫星运行轨道可预测,由此可推算出卫星在舰艇机动区上空的滞留时间,所以在海军日常训练和演习中,水面舰艇必须严格控制辐射源的发射,当舰艇在其过顶前后5分钟内位于电子侦察卫星覆盖范围内时关闭所有雷达和无线电设备,保持电磁静默可有效反侦察。

2)假目标迷惑欺骗

根据不同作战意图,在电子侦察卫星过顶时,用与我现役舰载雷达和无线电频率相仿甚至相同的假辐射源或虚假信号开机运行或真假同时开机、轮流开机等,将假目标辐射源故意暴露给敌电子侦察卫星。由于假目标能以主瓣对准卫星侦察设备,可能会将弱真实信号抑制掉,降低其截获概率。

3)实施干扰压制侦察

利用舰载噪声干扰机或欺骗干扰机有意施放电磁干扰或有意辐射干扰信号以干扰欺骗星载设备。适当调整干扰信号对准侦察卫星,加重其侦察设备信号处理负担,使其截获概率降低。该方法既抑制卫星对真实信号的侦测能力,也不至于对我方电磁设备的使用造成太大影响。实施噪声干扰的信号强度一般应比被保护雷达的最大旁瓣电平高20dB左右,干扰机功率须在400kW 以上。

3.2 技术实现对抗电子侦察卫星[8]

由于美军电子侦察卫星经过多年的发展,其技术手段已经非常成熟,加之多年来对舰艇电磁装备持续不断的侦察,以基本掌握重要战技术参数,必须改进对抗的技术手段。具体如下:

1)破坏星载侦察设备完全截获辐射源信号的功率条件

舰载雷达系统采用低、极低或超低副瓣天线、窄波束天线、旁瓣消隐、随机波束和低雷达发射峰值功率技术,通信系统采用微波通信体制,使侦察卫星完全截获雷达信号的功率条件难以满足。

2)破坏星载侦察设备完全截获辐射源信号的测量条件

采用类似于信息加密原理,使由雷达参数(发射峰值功率、发射频率、脉冲宽度、信号波形、波束宽度、波束位置等参数)构成的信息空间远大于侦察卫星对雷达参数的可测空间,且工作模式的变化速度快于侦察截获反应时间。同时,雷达系统工作模式的智能化、随机化应使卫星获取的侦察情报难以相关融合,致使侦察卫星截获雷达信号的测量条件难以满足。

3)破坏星载侦察设备完全截获辐射源信号的分析条件

采用电子欺骗和电子伪装,使完全截获电磁信号的分析条件难以满足。电子欺骗是电磁设备自身在发射有用的脉冲信号的同时有意将无用的假脉冲掺入一并发射,如利用“脉冲多载频率调制信号”实施雷达反侦察。电子伪装是在电磁设备之外配置电磁信号发射装置(如诱饵雷达),同时向外发射信号。电子欺骗和电子伪装的目的是减少被侦察截获信号的鉴别信息,使电磁侦察方程难以联立,或侦察结果难以收敛,增大卫星侦察系统处于病态侦察状态的可能性,从而减小卫星侦察系统的信息检测概率。

4 结语

海军作战中,水面舰艇对抗电子侦察卫星以隐藏战术意图及获取电磁情报安全已刻不容缓,采取相应措施防止无形中的电磁泄密和暴露战术意图。应当清醒看到随着技术的进步,主要作战对手的电子侦察卫星技术发展迅猛,比如多颗电子侦察卫星与数颗成像侦察卫星组网、多星多类型轨道组合侦察及单星多功能侦察的方法,实现全时段反复覆盖敏感海域,使水面舰艇远洋作战面临更加严峻的挑战。论文的研究为水面舰艇对抗电子侦察卫星提供了理论依据和指导方法,但今后需更进一步研究以寻求水面舰艇对抗电子侦察卫星的制胜之策,以有效保护水面舰艇的电磁信息安全,掌握海战场制电磁权。

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