临近空间飞行器对抗反导系统前景展望

2013-10-31王星

通信技术 2013年6期

王星

（西南电子技术研究所，四川成都 610036）

0 引言

从上世纪80年代美国实施“星球大战”计划开始，美国就已经开始弹道导弹防御系统（简称反导系统）的开发和研究，至今持续了将近30年的时间。进入21世纪，俄罗斯和中国也开始建立自己的反导系统，其中部分产品已经服役和部署。从拦截敌方导弹的区域划分，反导系统分为3个子系统:初段反导系统、中段反导系统和末端反导防空系统[1]。

（1）反导系统简介

初段反导系统利用卫星或其他超高空飞行平台通过高分辨光学成像系统、微波侦察系统或光电侦察系统，发现刚发射处于上升阶段的弹道导弹，并将导弹飞行参数（含位置、速度和预测弹道）传给武器攻击平台（含高空高速歼击机、舰载星载高能电磁和激光武器平台），摧毁该目标。在此过程中导弹虽然较容易被反导防御早期预警系统发现，但由于还处于发射方的防空体系中，如果采用歼击机进行拦截，拦截方需突破对方防空网，危险系数较高；采用星载高能武器攻击，由于距离较远且要穿越电离层，攻击效果难以达到；采用舰载高能武器攻击，对方在沿海地区发射，会有一定效果，若在内陆地区发射，由于距离问题以及对流层以下空间对高能武器能量或速度的衰减特性，现有技术条件下攻击效果同样难以达到。因此，现阶段初段反导系统还处于实验阶段，尚未投入实用。

中段反导系统利用星载雷达和弹道导弹地面早期预警雷达发现已进入稳定飞行状态的弹道导弹，计算和预计导弹飞行轨迹，并将这些参数发送给海上或陆基平台的大功率 X频段相控阵对空火控雷达。当导弹经过预计拦截区域时，火控雷达引导超高空防空导弹（如标准-3、GBR）摧毁该导弹，这类防空导弹一般末端还要搭载雷达或光电主动导引头，以提高其命中精度。中段反导系统中具有代表性的系统主要有:美国的“NMD全球导弹防御系统”、“TMD战区导弹防御系统”（现合并为MD反导系统）、海基中段防御系统（Aegis BMD）[2]和中国的陆基中段反导系统。

末端反导系统是在中段反导拦截失败后的最后一种防御手段。现在世界上广泛使用的末端反导系统都是在上世纪 70～90年代拦截空气动力学目标和第一代低超音速弹道导弹的防空系统基础上发展起来的。由于中远程和洲际导弹末端速度非常高（≥6Ma），经过末端反导系统20～100 km的拦截区域的时间较短，要求末端反导系统跟踪和反应时间较高。因此末端反导系统对高超音速导弹的拦截能力一般，一般用来防御近程、中近程弹道导弹或巡航导弹。世界上典型的末端反导系统有:美国的“爱国者PAC3”和THAAD系统[3]、欧洲的“紫苑”、俄罗斯的“S300PMU2”和“S400”以及中国的“红旗-9”。

（2）高超音速临近空间飞行器简介

高超音速临近空间飞行器是一种可重复使用的无人飞行器。其飞行高度可以遍及临近空间 20～100 km内的大部分空域，一般为30～60 km[4]。高超音速巡航飞行器主要用于全球快速打击。

高超音速临近空间飞行器在超燃冲压发动机推动下进行高超音速飞行，速度一般为3～10 Ma。其具有高升阻比的气动外形、重量轻而耐用，可重复使用的高温材料、带有主动冷却的热管理技术、自主飞行控制和基于涡轮喷气的组合循环推进等。

临近空间飞行器载荷可分为信息支援型载荷和作战功能型载荷两大类[5]。信息支援载荷包含:侦察监视载荷、预警探测载荷、通信载荷和导航定位载荷；作战功能载荷分为:信息对抗载荷和实体攻击载荷。

高超音速临近空间飞行器由于飞行高度较高、速度非常快，且飞行航线不固定、机动性好等特点，现有防空武器平台基本上不能对其构成威胁。因此，临近空间飞行器能够在敌方反导区域内的临近空间较为自由的活动，并且由于拥有一定的载荷能力，可以搭载更加复杂的侦察干扰设备以及反辐射主动攻击装备，实现对反导系统的综合对抗。

1 高超音速临近空间飞行器的优势

装载在弹道导弹上的自卫式电子干扰装置是现在比较常用的一种干扰敌方火控雷达，掩护导弹突防的电子对抗设备。由于受体积和功耗的限制，自卫式电子干扰装置一般存在工作时间短、发射功率较小、天线增益较低且不能实现快速灵活指向和干扰算法不能太复杂等特点。因此，自卫式电子干扰装置一般采用比较简单的噪声压制式干扰[6]或相参转发欺骗兼压制式干扰[7]，且欺骗很难做到速度和距离的高准确性，角度欺骗则更加困难。对抗雷达组网目标识别时，面临着严峻的挑战。一般情况下，该装置用来对抗末端反导系统。

高超音速临近空间飞行器，由于其载荷能力远大于自卫式电子干扰装置。因此，相对自卫式电子干扰装置，高超音速临近空间飞行器载荷可以设计高增益窄波束相控阵天线、大动态高灵敏度宽带接收机、高速高性能信号处理和基带干扰激励信号产生模块和大功率功放，导航定位设备以及满足需求的通信设备。因此，可以实现对反导雷达的侦察和定位，实时获取被掩护导弹群的位置，准实时获取地面指挥指令，选择合适的干扰策略；配合飞行器模拟导弹高速机动，可以实现较为真实的角度跟踪欺骗和雷达组网目标识别对抗。

另一方面，高超音速临近空间飞行器还可以携带反辐射无人机，在拦截区域内投放实现对高价值反导雷达（如:“铺路爪”、“丹麦眼镜蛇”弹道导弹早期预警雷达和“宙斯盾”防御系统）的硬杀伤，这一点能力也是自卫式电子干扰装置所不具备的。第三章将详细介绍利用临近空间飞行器对抗和杀伤反导系统的思路和方法。

2 对抗反导系统的总体思路和方法

信息对抗(软杀伤)具有作用空间大、使用耗费小、对抗效果好、能长期多次应用的优点，缺点是只能使目标暂时失效，不能对其造成永久的伤害。而反辐射攻击能使目标永久性失效或被破坏，在现代综合对抗中发挥越来越大的作用。但同软杀伤相比，硬杀伤的技术难度、成本更高。

因此，结合反导系统中不同威胁等级和价值的目标，对整个系统的对抗拟采用综合信息对抗（软杀伤）与反辐射攻击（硬杀伤）相结合的方式进行。

高超音速临近空间飞行器由于航程长、速度快且飞行高度较高，几乎和中远程弹道导弹中段飞行高度一致、最高速度还可大于导弹中段飞行时的速度。因此，利用高超音速临近空间飞行器掩护本方导弹突防的主要思路是:

1）从中段到末端，飞行器某个位置开始与导弹群伴飞，利用具有的侦察能力和飞行机动性，保持和被发现及跟踪的导弹处于一个主瓣波束内，使用压制或欺骗式干扰，使反导雷达（含预警和火控雷达）丢失目标或目标参数判断出现偏差。

2）若中段反导火控雷达已经跟踪上目标，中段拦截弹已发射，则利用飞行器的高机动性飞行到待掩护导弹的周围，利用红外干扰装置干扰拦截弹，使其出现红外定位偏差，无法命中目标。

3）若末端反导雷达已经跟踪上目标，末端拦截弹已发射。在距离目标100 km左右时，由于待掩护导弹已经达到最高速度（6～10 Ma），且以与地面成较大夹角的方式俯冲，飞行器可能已无法通过空中机动飞行到该导弹周围进行掩护。这时，飞行器需飞行到拦截弹雷达主动导引头的波束范围内，利用飞行器载干扰装置大功率的特点，连续发射相参转发及噪声压制信号或产生式密集假目标欺骗信号，将导引头的模拟接收机或信号处理单元推饱和，使其丧失对目标的跟踪定位能力。对于带激光近炸引信的导引头还可以利用大功率激光器对其进行干扰，使其测距出现误差，造成导弹早炸。

4）对高威胁等级和高价值目标，如早期预警雷达和中段反导火控雷达采用反辐射攻击的方法，利用飞行器挂载的反辐射主动攻击装备摧毁该目标或使该目标在导弹突防过程中失去战斗能力。

下面将详细介绍高超音速临近空间飞行器分别对抗早期预警雷达、中段火控雷达、末端火控雷达、红外和雷达主动导引头以及反辐射攻击高威胁和高价值目标的方法。

（1）对抗反导雷达系统

预警雷达一般的工作频率在超高频（UHF）和甚高频（VHF）波段。作用距离可达几千公里，主要用来发现远、中、近程弹道导弹，测定其瞬间位置、速度、发射点和弹着点等关键参数，为最高军事机关提供导弹预警情报。以“铺路爪”预警雷达为例，其探测距离可以达到 4800 km，峰值功率582.4 kW，脉冲宽度80～160 us，带宽5 MHz。其最早发现导弹的时间段一般为初段末期和中段早期，根据这一特性，高超音速临近空间飞行器干扰早期预警雷达的示意图如图1所示。

图1 对抗早期预警雷达示意

对早期预警雷达，飞行器通过高精度测向算法结合窄波束相控阵天线完成对雷达相对位置的精确测量，再根据得到的导弹位置，预计在不同位置上，雷达主瓣与导弹可能的夹角。利用飞行器的高机动性，在导弹群中来回运动掩护导弹。当采用相参转发压制干扰时，为了使其数字信号处理机饱和，需产生200个左右的密集假目标，且由于来回运动要丢掉一些相参脉冲，所以压制系数根据仿真应设置为:Kj=40 dB。则当 Pl=384 kW、Gl/Gj=33 dB时，根据式（1）可求得当目标反射截面积为0.1 m2，最小掩护距离为500 km时所需的发射功率为:-39.1 dBw,考虑高超音速状态下的黑障损失为20 dB，带宽展宽及脉宽判断误差以及数字干扰源带来损失为10 dB，发射功率为-9.1 dBw，即可满足要求。可见高速临近空间平台基于强侦察和全相参干扰时的发射功率要求较小，如式（1）所示[8-10]。式中:Pl为雷达发射功率；Gl为雷达发射天线增益；σ为目标的RCS； Ri为为飞行器与雷达的距离； R0为目标距雷达的距离；Ki为压制系数；Kh为黑障损失；Km为匹配损失（带宽展宽、脉宽判断误差以及数字干扰源等带来损失）； Pi，Gi为干扰发射机功率及发射天线增益。

对于中段火控雷达和末端火控雷达的干扰与早期预警雷达类似，只是由于火控雷达的探测距离更近、发射功率更高、带宽更宽，因此在同样产生200个左右假目标压制时要求的功率更高。当以同样方式对抗X波段中段反导火控雷达时，当雷达峰值功率为10 MW，掩护距离为300 km时，黑障损失为13 dB时，所需发射功率为:16.1 dBW。当对抗 C波段末端反导雷达时，当雷达峰值功率为8 MW，被掩护目标距离雷达为100 km，黑障损失为15 dB，飞行器距离雷达为200 km时，所需发射功率为:23.4 dBW。满足这些发射功率的功放都是可以在高超音速临近空间飞行器上实现的。由于针对频段较宽，不可能在一架飞行器上实现如此宽频段的高增益相控阵天线，因此，可以通过多飞行器搭配的方式实现综合信息对抗，干扰敌方反导系统，掩护导弹突防。针对中段反导雷达和末端反导雷达的突防对抗示意图如图2和图3所示。

图2 对抗中段反导火控雷达示意

图3 对抗末端反导火控雷达示意

（2）综合对抗拦截弹导引头

对抗红外和雷达导引头，虽然离被保护导弹的距离以及干扰对象都不同，但思路大致相同[11-12]。即通过一个强干扰源将对方导引头的方向拉到对准飞行器的方向，将拦截弹拉离目标，当拦截弹被拉离并确保没有反应时间再次找到目标时，关闭干扰机并高速脱离。其干扰方式如图4所示。

（3）对高价值目标进行硬杀伤

高超音速临近空间飞行器除了可以完成反导系统综合信息对抗（软杀伤）外，还可以对反导系统内的高价值目标进行硬杀伤，其思路如下:

当弹道导弹发射后，预计敌方反导雷达开机时间，在临近空间值班的高超音速临近空间飞行器携带反辐射无人机进入敌方防区以上的临近空间区域。先通过侦察载荷高分辨测向定位雷达的相对位置，通过通信系统得知本方导弹可能达到时间，并从数据库中取出敌方反导雷达一旦被摧毁，第二部雷达接管操作和拦截的时间；同时给反辐射无人机导航系统装载目标参数，指示目标位置和重要等级，在预计时间内发射无人机。结合无人机上的自主雷达搜索装置，在高超音速临近空间飞行器规定的范围内寻找反导雷达并实施攻击。

图4 对抗红外或雷达主动导引头示意

一般情况下，为实现有效攻击，需要多架高超音速临近空间飞行器搭载一个编队 12架以上的反辐射无人机，对敌方反导雷达实施饱和攻击。

采用高超音速临近空间飞行器挂载反辐射无人机攻击反导雷达的方式，扩大了反辐射无人机的作战半径，并且从临近空间投放同时也大大增强了无人机的抗摧毁能力。

根据本章所描述的高超音速临近空间飞行器对抗反导系统的思路和方法，在下一章将详细介绍完成上述对抗任务，飞行器需搭载的任务载荷。

3 搭载对抗反导系统的任务载荷

根据第一章介绍的中段末端反导系统探测和预计弹道导弹飞行参数并拦截导弹的过程，以及第三章介绍对抗反导系统的思路和方法，高超音速临近空间飞行器对抗反导系统，根据有效载荷能力和使用范围可以搭载以下部分或全部任务载荷:

（1）通信载荷

通信载荷包括超远距离窄带通信和近距离宽带通信载荷。超远距离窄带通信载荷主要用于完成高速临近空间飞行的飞行控制、对抗或攻击指令获取、关键侦察数据回传等。近距离宽带通信载荷主要用于飞行器与被掩护导弹群间的通信，获取导弹航迹参数，在有可能的情况下控制导弹的机动方式和范围并修正导弹航线。

（2）早期预警雷达侦察及对抗载荷

早期预警雷达侦察及对抗载荷主要用于发现早期预警雷达信号，分析其关键参数，如:中心频率、脉冲宽度、带宽、重复频率和参差方式等。采用压制式干扰或欺骗式干扰模拟与本方导弹群类似的多个目标，使早期预警雷达目标侦察能力丧失或出现较大误差。

（3）中段和末端反导火控雷达侦察及对抗载荷

中段和末端反导火控雷达侦察及对抗载荷主要作用与早期预警雷达侦察及对抗载荷类似，只是可能频段和压制欺骗方式有所不同。对于火控雷达来讲，距离分辨力、速度分辨力更高，同时还具有极强的角跟踪能力；另外由于导弹的大致位置已由早期预警雷达给定，因此其搜索空间一般较小，使其在一条距离线上驻留的时间更长，重复脉冲个数更多，获得的目标回波增益更高。因此对抗火控雷达压制式干扰时，要求的范围更小但是范围内的能量更高，对于欺骗式干扰，则要求假目标更加密集，且速度和角度欺骗等参数需更加真实。

（4）主动雷达导引头侦察及对抗载荷

主动雷达导引头侦察及对抗载荷在目标距离向压制和欺骗干扰方式与上述两种对抗载荷类似，只是由于距离分辨力更高，要求假目标更加密集且能量更高。另一方面，主动雷达导引头一般采用了和差波束比幅或比相高分辨测角，使拦截弹中心始终指向突防导弹，因此需要配合距离欺骗，调整发射天线指向，使拦截弹角跟踪失败或始终指向假目标。

（5）光电对抗载荷

光电对抗载荷主要用于对抗中段和末端反导系统的拦截弹载红外导引头或激光近炸引信[13-15]。

对于红外导引头，干扰机的辐射强度与目标相当或更大，干扰信号的脉冲重频或包络的频率与导引头中红外接收机的扫描频率相近。两个红外信号经导引头调制盘加工后同时进入导弹跟踪回路，跟踪系统受到干扰信号的低频分量的影响，使控制设备产生一个附加的随机误差信号，从而使导弹跟踪不稳而命中率下降。

对于激光近炸引信，干扰机采用转发式距离欺骗干扰。由激光干扰机对来袭目标发射激光干扰信号，使激光干扰信号在远距离上提前进入引信的接收视场，以压制真正的目标回波信号，形成有效的距离欺骗，使引信的信号鉴别与选通系统产生误判，从而提前输出起爆信号，引起拦截弹的早炸，达到掩护突防弹的目的。

（6）反辐射攻击载荷

反辐射攻击载荷主要指挂载的反辐射无人机/导弹。反辐射无人机/导弹由于作战半径较小，很难攻击较远距离的反导预警及火控雷达，掩护中远距离导弹突防。高超音速临近空间飞行器挂载反辐射无人机/导弹进入敌方防区内进行投放能够较好的对敌反导雷达进行硬杀伤。