飞机航路威胁仿真分析

张萌，邹本振，王朝

(中国电子科技集团公司 第二十九研究所，四川 成都 610036)

0 引言

现代战争中，电子对抗贯穿始终，夺取“制电磁权”就为最终夺取“制信息权”甚至赢得战争创造有利条件。雷达能及时、准确、全面地获取各种目标信息，是信息获取和精确制导领域中最重要的装备[1]，在历次战争中发挥了重要作用[2]，因此也是对方首先打击的目标。雷达探测与目标隐身、雷达侦察与反侦察，成为作战双方博弈的重点。

作战飞机在飞行或突防过程中，欲尽可能不被发现，需要考虑地形、气象等非军事威胁以及地面雷达等探测类军事威胁。若飞机平台搭载雷达，还需考虑被侦察的威胁，其一可被用于无源定位，直接降低生存几率；其二雷达自身的技术参数可被截获、积累、分析，成为对方情报资源。

本文提出了一种航路威胁仿真分析方法，考虑飞机平台雷达散射面积的各向差异性及机载雷达天线的方向性，以直观的方式展现被探测、被侦察的范围，对航路的威胁判断及掩护策略制定有一定辅助作用。

1 雷达探测威胁分析

1.1 雷达方程

根据雷达方程，雷达对目标的最大探测距离为

(1)

式中:Ns为信号处理增益;Pt为雷达发射功率;Gt为雷达天线增益;λ为信号波长;σ为目标雷达截面积(radar cross section,RCS);k为玻尔兹曼常数(1.38×10-23);T0为环境绝对温度(290 K)；Δfr为接收机等效噪声带宽；Fn为噪声系数；(SN)min为雷达的最小检测信噪比；L为总的损耗，包括系统损耗、大气衰减、气象衰减。

1.2 仿真分析

在仿真场景中，蓝方部署一地面警戒雷达，对红方飞机进行探测。雷达发射功率Pt=25 kW，主瓣增益Gt= 38 dB，Δfr=4 MHz，Fn=7 dB，(SN)min=13.2 dB，L=2 dB，Ns=26 dB，方位扫描范围为全向，工作频率为1.5 GHz，部署高度10 m；飞机RCS均值约为3.5 m2。

由式(1)可见，探测距离随目标RCS增大而增大。传统的雷达探测威胁仿真分析中，RCS往往取的单一估计值，探测包络是以雷达为中心的一个圆，认为飞机航路处于探测包络内时即被发现，反之安全，如图1所示。图中，飞机RCS取3.5，整段航迹中有少部分处于探测范围内，大部分安全。

实际上，对于飞机，RCS可认为是方位角的函数，图2是某飞行器的周向散射图，可以看出其周向的RCS值有较大的差异[3]。

一般来讲，飞机头部和尾部RCS较小，而侧向RCS较大[4]。在本场景中，红方飞机各向RCS值见表1。

表1 飞机各向RCS值Table 1 Plane′s RCS from each azimuth angle

在飞行过程中，由于飞机航向的变化，对地面雷达而言目标的RCS也随之变化，探测距离也发生改变，比如飞机处于图1的位置及姿态时，雷达探测RCS可能明显大于3.5，此时会被探测到，而非安全状态。

为了更客观地体现雷达探测威胁范围，本文在仿真分析及态势显示中将探测包络中心由雷达移至飞机，从“探测”角度转变为“被探测”。在任一航路点上，假设飞机不动，而雷达从各角度对飞机进行探测，根据式(1)得到被探测包络，如图3所示。考虑视距限制时，各方向探测距离取Rmax与视距的较小值。当有多部雷达时，被探测范围取并集。

可见，此时雷达在被探测包络内，即飞机平台能被探测，需调整航路，与图1结论相反。相比于传统方法，本方法能更准确地展示飞机受威胁范围。

2 雷达侦察威胁分析

相比于地面侦察装备，机载侦察装备有更大的视距范围，应用更广。目前国外典型的机载侦察装备包括以色列的“使神450”和“苍鹭”、英国的“不死鸟”、美国的RC-135[5],EP-3E[6-7]、“全球鹰”[8]等，这些侦察设备能力强、侦察范围广，平时可搜集各类情报资源，战时更可与其他装备协作完成任务，在历次战争中起到非常重要的作用。

侦察对抗技术目前的研究方向可归纳为2点：隐真、示假[9]。“隐真”是通过各种手段，使对方难以接收到辐射源信号，或者即使接收到也难以进行信号分选和识别，主要方法包括专用电子干扰设备[10-11]、低截获概率[12-14]技术、信号加密、无源或双基地体制[15]。“示假”在国内仍处于起步发展阶段，主要是使用假雷达辐射源发射与真实雷达相近的信号。一类是炮制大量密集信号，使对方电子侦察设备过载;另一类是真假信号交替发射，甚至加大假信号的辐射时间，做到“真中有假，假中有真”，使电子侦察设备无法判断雷达辐射源的真实性，或产生错误的情报信息。

下面将从“隐真”角度出发，介绍一种威胁分析方法，以降低暴露威胁。

2.1 侦察方程

在视距条件下，雷达侦察方程为

(2)

式中：Gt′为雷达天线在侦察设备方向上的增益;Gr为侦察接收天线增益;Prmin为接收机灵敏度;Lr为极化、馈线损耗、大气衰减等各类损耗。Gr,Prmin以及极化、馈线损耗三者可统一考虑成系统灵敏度。

2.2 仿真分析

依据式(2)，估算各波段雷达(参考国外典型雷达参数)被典型侦察设备进行主、副瓣侦察时得到的侦察距离，无副瓣侦察能力的仅考虑主瓣侦察，结果如表2所示。

可见，对处于低频段的雷达(S波段及以下，主要为搜索警戒、预警雷达)而言，其主、副瓣被侦收的距离都比较远，基本可达视距。由于这些雷达大多为方位全向扫描，功率也较大，很难使其在空域上躲避侦察，开机即被发现，已暴露的可能性极大，所以预警机的航线威胁分析不在本小节方法考虑之列。

表2 侦察距离估算表

而对高频段雷达(X波段及以上，主要为火控、制导雷达)，由于发射功率较低，虽然主瓣侦察距离仍然较大，但是副瓣侦察距离明显减小，且该类雷达主瓣扫描覆盖空域有限，对方大多接收到的为雷达副瓣信号，利用该特点，在平时训练或演习时合理做好航路规划，可有效减少机载火控雷达被侦察发现的概率。

与第1小节类似，分析侦察设备对特定高度雷达的侦察范围时，传统方法一般以侦察设备为中心，计算对雷达主瓣的最大侦察距离，未考虑随飞机机动接收到雷达副瓣导致侦察距离收缩的情况。

本文仿真时将侦察范围中心移至雷达，在此暂称为侦察暴露区(指雷达能被侦察设备发现的区域，区别于传统定义的暴露区)如图4所示，其中主瓣侦察暴露区指雷达主瓣扫描区域能被侦察的范围，其他为副瓣侦察暴露区。

下面通过仿真对比2种侦察区的结果：场景中，蓝方包含一侦察机，红方包含一机载火控雷达，飞行高度均为 5 000 m。

侦察机参数如下：

接收天线增益Gr= 30 dB，接收机灵敏度Prmin=-75 dBW，总损耗Lr=3 dB。

雷达参数如下：

发射功率Pt=19 kW，主瓣增益Gt=23 dB，扫描范围为±60°，平均旁瓣增益为-20 dB，工作频率为15 GHz即λ=0.02 m。

传统侦察区如图5所示，在整个飞机飞行过程中，机载雷达几乎都处在侦察区内，需调整航迹。

而以雷达为中心，真实的侦察暴露区如图6所示：在较短时间段内，侦察机处于主瓣侦察暴露区，即雷达可被侦察到；大部分航路上侦察机实际处于雷达副瓣覆盖范围内，且不在副瓣暴露区中，不足以侦察到雷达，所以航线基本安全，可不作调整。

可见，以侦察暴露区的角度进行仿真，指挥员可以更准确、更直观地判断所规划的飞行轨迹是否合理。

3 威胁结论分析

对比1,2小节，可见机头方向被探测概率小但是被侦察可能性大，而机身两侧恰好相反，当同时面临探测威胁及侦察威胁时，情况变得不可调和。

在以下2个场景中，蓝方兵力包含：空中侦察机一架，参数同2.2节，飞行高度5 000 m；地面警戒雷达1部，参数同1.2节，部署高度10 m。红方兵力包含：飞机1架，各向RCS数据见表1，飞行高度10 000 m；机载火控雷达1部，雷达参数同2.2节。

场景1：红方飞机从侧方经过蓝方，结果见图7。因为侦察机处于红方雷达副瓣且距离较远，机载雷达未被侦察到，但载机侧向RCS较大，易被蓝方警戒雷达所探测。

场景2：红方向蓝方飞行，结果见图8。载机未被蓝方警戒雷达探测到，但侦察机处于红方雷达主瓣侦察暴露区，机载雷达会被侦察发现。

在复杂的真实环境下，合理的航线规划能解决部分问题，但不可能保证绝对的安全。在科学、准确的威胁分析基础上，更需辅助以其他策略，如：处于探测威胁时，可增加远支或随队干扰飞机，对对方雷达进行压制或欺骗；处于侦察威胁时，可采取“隐真”、“示假”各种手段，如进行功率管理、控制开关机时间、严格执行日常/战时频谱管控、发射欺骗信号等；另外，还需与其他作战力量协同工作，达到信息共享，并相互掩护。该部分内容待进一步深入研究，本文不展开讨论。

4 结束语

本文针对作战飞机可能遇到的探测威胁及侦察威胁，提出了一种航路威胁仿真分析方法，通过“效能中心转移”，能更准确展示受威胁情况，仿真结果证明了方法的有效性。威胁分析主要用于辅助指挥员进行航路合理性判断及筹划决策，以尽量减少暴露的可能性，该方法已经在真实系统中得到应用验证，展示了一定效果。当然，战场环境复杂，飞机要获得良好的隐蔽效果，还需依赖其他技术以及合理的战法应用，电子对抗博弈还将长期进行下去。