对“人在回路”末制导武器的组合干扰技术*

邵 堃，雷迎科

(国防科技大学电子对抗学院，合肥 230037)

0 引言

自古至今，在战争中抓住战场通信的主动权是决定战争胜负的关键因素之一。随着通信科技的发展，数据链[1]技术已经成为军事通信中十分重要的一项技术。它具有实时性好、环境适应能力强、信息传输效率高、抗截获、干扰能力强等特点。通过数据链技术能够实现人与人之间，人与武器之间的信息互通。目前许多武器系统通过数据链技术[2-4]实现“人在回路”，极大地提高了打击固定目标的精度和效率，例如目前美军的F-15、P-3C、F-18等型战斗机上的装备AN/AWW-13武器制导数据链系统，装备在F-111、F-16d等型战斗机上的AN/AXQ-14武器制导数据链系统。武器制导数据链比通用数据链的功能更专一，对抗性更突出，对信息传输的可靠性、实时性、安全性要求更高，这给对抗方实施干扰提出了严峻的考验。

国外对数据链研究的公开报道[5-7]主要集中在Link-11、Link-16、Link-22上，涉及武器制导数据链的文献甚少。国内对武器制导数据链干扰技术的研究也刚刚起步，鲍虎等[2]在分析“人在回路”制导方式的特点后，提出干扰数据链系统和弹载GPS接收机系统的方法。以舰载电子战直升机作为干扰平台对抗反舰导弹为例，初步探索了对武器制导数据链的对抗方法。王小莉等[8]介绍了武器制导数据链应用情况，并讨论了对武器制导数据链链路的干扰策略。金飙[3]提出通过空间功率合成技术增加对武器制导数据链的干扰功率。姚玉山等[9]详细分析了对武器制导数据链干扰可行性，提出通过压制式干扰和欺骗干扰对武器制导数据链前向链路信号进行有效干扰，并设计了一种地面干扰设备。吕卫华等[10]对武器制导数据链的抗干扰性能做了详细的评估，但没有考虑到数据链信号突发性带来的影响。龚燕等[11]为准确反映空地导弹数据链高速变化的信道特征，建立了载机机动模型和导弹机动模型，考虑到运动性和天线零陷的情况，仿真了对前向数据链信号和反向数据链信号的干扰效果。

文中选取“人在回路”武器上搭载的武器制导数据链作为研究对象，针对武器制导数据链的突发性和平台运动性，提出了一种对武器制导数据链的组合干扰技术，解决传统的通信干扰对“人在回路”末制导武器干扰效率低的问题。

1 系统模型

1.1 信号角度

弹载吊舱收到的信号可以由式(1)表示。

r(t)=hs(t)·s(t)+hj(t)·J(t)+n(t)

(1)

式中：r(t)为弹载数据链吊舱接收到的信号;s(t)为机载数据链发射的信号；J(t)为干扰机发出的干扰信号；hs(t)是载机与导弹之间的信道衰减因子；hj(t)是干扰机与导弹之间的信道衰减因子；n(t)为信道的高斯噪声。

1.2 功率角度

空地导弹的接收端接收到的功率可以表示为：

Pr=Pj+Gj+Gr-L

(2)

式中：Pj是干扰机发射功率；Gj是干扰机发射天线在接收方向增益；Gr是接收天线在发射机方向的增益；L是信号电波路径损耗；上述量的单位都用dB表示。武器制导数据链信号在载机与空地导弹间的传播方式是自由空间的视距传播。

当干扰机发射功率为Pj时，在弹载吊舱周围产生的辐射密度为：

(3)

式中：Gj是干扰机天线沿着导弹方向的最大增益；Ar是弹载接收天线的有效孔径；d是干扰机与导弹之间的距离，单位是m。用dB表示路径损耗：

(4)

由电磁场理论得，弹载接收天线的增益Gj与Ar之比为常数。

(5)

式中：λ是通信工作波长，单位是m。将式(5)代入式(4)得到信号电波路径损耗L为：

(6)

Pr=Pj-32-20lgf-20lgd+Gj+Gr

(7)

2 组合干扰技术

2.1 干扰策略

第一阶段，当空地导弹距离目标17 km(t0)时，开启反向数据链，向载机传输地形、目标、方位等信息。此时我方的侦察设备可以截获到弹载数据链吊舱发来的反向数据链信号，通过测向等技术确定空地导弹的位置。由于前、反向链路信号格式不同，此时我方无法对前向链路信号进行分析处理。按照早发现早干扰的原则，充分利用发现信号后的时间，令干扰机产生拦阻式干扰信号，迅速对准空地导弹方位实施宽带干扰。

图1 组合干扰技术时隙分配图

第二阶段，空地导弹距离目标剩t1时，机载数据链吊舱开启前向数据链，向弹载数据链吊舱传输指挥、控制等信号。此时我方侦察设备可以截获到前向数据链路信号，经过分析处理，引导干扰机产生相应干扰信号。此阶段分两部分，侦察设备用较短的时间迅速完成信号建立、载波提取等过程，引导干扰机产生与前向数据链信号频率一致的瞄准式干扰信号，对准导弹吊舱实施干扰，与此同时，侦察设备开始对盲解调后的比特流数据进行帧长估计、同步序列识别和帧关键字段提取等处理，为第三阶段的灵巧式干扰做准备。

第三阶段，导弹距离目标还有t2的时候。由于导弹距离我方目标已经非常近，此时的关键是要确保弹载数据链吊舱完全接收不到来自机载数据链吊舱发来的前向链路信号。这就需要我方集中干扰功率对前向链路的关键位置实施干扰。经过第二阶段充分的干扰引导后，产生最佳干扰信号瞄准武器制导数据链前向链路信号的帧同步位置进行灵巧式干扰。

对于干扰来说，干扰引导所需的时间与成功干扰所需的功率总是相矛盾的两个方面。组合干扰技术的3个关键步骤是针对武器制导数据链重要工作时间节点所设计，准确分析了各个阶段中时间和功率哪个是主要影响因素，巧妙地利用了“时分复用”的干扰接入方式，在灵巧式干扰的引导时间内实施频率瞄准式干扰。相比引导时间与干扰时间分离的传统干扰方式，组合干扰技术可以有效提高时间利用率。

图2 组合干扰技术流程图

2.2 干扰体制

2.2.1 拦阻式干扰

拦阻式干扰[10]就是在某一频段上同时释放干扰信号，对该频段上的所有信道进行全面压制的一种干扰方式。拦阻式干扰按频谱疏密程度可以分为连续拦阻式干扰和梳状拦阻式干扰。

扫频连续拦阻式干扰如式(8)所示。

(8)

式中：v(t)为锯齿波信号：

(9)

式中：J为锯齿波幅值；Ts为锯齿波周期；ω0为载波频率；k为调频灵敏度。

梳状拦阻式干扰如式(10)所示。

(10)

式中：φn在[0,2π]上均匀分布。

从图3可以看出，梳状拦阻式干扰比全频段拦阻式干扰功率更为集中，同时梳状拦阻式干扰具有梳状的干扰间隔。作为干扰方，可以利用预先设定的干扰间隔进行侦察，做到及时发现“人在回路”末制导武器的前向链路信号。

图3 拦阻式干扰仿真图

拦阻式干扰的优点：无需复杂的频率引导设备就能对某一波段范围内的武器制导数据链信号实施压制干扰。

拦阻式干扰的缺点：需要很高的干扰功率，干扰效率不高，造成能量浪费，可能同时阻断己方通信链路，干扰偏离最佳干扰样式。

2.2.2 瞄准式干扰

瞄准式干扰是指干扰的载频与信号频率重合，或者干扰信号和通信信号的频谱宽度相同，因此对于瞄准式干扰来说，要求干扰方掌握目标信号的中心频率。一般频率瞄准式干扰机的每个干扰频率对准相应的一个通信信号频率实施干扰。

图4 频率瞄准式干扰系统的组成示意图

瞄准式干扰的优点：从频谱的角度来说，针对某一信号频率实施的瞄准式干扰是最佳的干扰体制。经过对通信信号的分析处理可以选择最佳干扰样式进行干扰，干扰效率较拦阻式干扰大大提高。

瞄准式干扰的缺点：只能干扰某一确定的通信信道且对侦察处理设备要求高。

2.2.3 灵巧式干扰

武器制导数据链前向链路信号帧结构如图5所示。

武器制导数据链传输信息采用了严格的封装格式，其中同步序列不仅关系着接收方有效实现同步，而且是有效接收数据链传输信息的重要标志之一。作为干扰方可以在干扰引导的基础上选择合适干扰时机，集中干扰功率，瞄准武器制导数据链帧同步发射干扰信号。

图5 武器制导数据链帧结构示意图

灵巧式干扰的优点：只干扰数字序列的关键字段，干扰功率更为集中，干扰效率高、效果好。

灵巧式干扰的缺点：侦察处理阶段不仅需要对通信信号进行滤波、解调，还需要对数字序列进行帧同步盲识别等处理，导致干扰引导时间较长。

2.3 干扰功率分析

干扰功率是决定干扰成功的重要因素。由于实际干扰装置的工程实现和成本等限制，干扰功率不可能做到无限大。集中有限的干扰功率和合理分配干扰功率对干扰的成功实现起着决定性的作用。要想成功实施干扰，需要满足接收端机接收到的干扰机发射功率大于接收端接收到的机载吊舱发射功率。

Prs+10lg(J/S)≤Prj

(11)

式中：Prs是接收端接收到的载机吊舱发射的功率；Prj为接收端接收到的干扰机发射功率；10lg(J/S)是成功干扰的干信比要求。考虑到传输路径损耗和旁瓣干扰等因素。将式(11)代入式(7)中，得到发射功率关系式。

(12)

图6 “人在回路”武器运动模型

载机与空地导弹的实时距离和干扰机与空地导弹实时距离可以由式(13)和式(14)表示。

(13)

(14)

在实际作战中由于开始阶段干扰引导设备提供的数据链信号参数有限，会导致干扰偏离最佳干扰样式，同时拦阻式干扰的干扰频谱不均匀等问题也会增加干扰机的干扰功率，给实时压制性干扰提供难度。值得欣慰的是，对空地导弹数据链干扰时，由于空地导弹的作战任务造成的必然结果是弹载数据链开启时是位于我方防区内，这就给我方对其干扰提供了一定的距离优势，可以节省我方发射功率6 dB，给我方实施梳状拦阻式干扰提供了可能性。

(15)

2.4 干扰波形优化

武器制导数据链前向链路信号的调制方式多为相移键控(PSK)。本节对M进制数字相位调制信号设计最佳干扰波形。

MPSK信号波形可以表示为：

(16)

因为MPSK信号存在正交特性，不失一般性，此处只对I支路信号分析，经过相干解调和低通滤波器后判决信号输出为式(17)，详细过程在文献[12-15]中有详细推导，此处只给出结果。

(17)

(18)

均值为：

(19)

方差为：

(20)

式中n1为噪声单边带功率谱密度。

当发送第一个状态sx1的错误接收概率为：

(21)

当发送最后一个状态sxk的错误接收概率为：

(22)

当发送其他状态sxm的错误接收概率为：

(23)

所以当k个状态数据发送概率相同时：

(24)

同理可得出Q路信号错误接收概率：

(25)

符号传输总的错误接收概率为：

(26)

2.5 干扰时间分析

干扰所需的总时间由下式给出：

t总=t截获+t分析+t干扰+t传输

(27)

时域特性对干扰信号是至关重要的，显然，对不工作的对象发送干扰信号是徒劳无功的。要想成功实现对数据链信号的干扰，必须在其通信的时间进行干扰。干扰信号的时域特性满足下式：

(28)

式中:d1是载机与导弹之间的直线距离；d2是干扰设备与空地导弹之间的直线距离；d3是干扰设备与载机之间的直线距离；Tp是干扰机的反应时间，包含侦察和干扰时间；η为信号周期中未受到干扰的时间所占的比例，数值越小，干扰效果越好；T是信号周期。

要想干扰时域对准，需要根据干扰设备、载机、空地导弹三方之间的位置关系和运动关系，计算出干扰信号相较通信信号的传输时延，以确定发射干扰信号时间的提前量。

灵巧式干扰和频率瞄准式干扰都要求根据数据链信号的变化实时地调整干扰信号。实际情况中，当发射干扰的功率相对较大时，必然会造成频谱泄露，导致接收机接收到的信号全是杂波。为避免侦察处理阶段受到干扰信号的影响，采用时间分割法将侦察和干扰分开，在几百微秒至几毫秒的时间接收信号，在几百毫秒至数秒发射修正过的干扰信号，这样可实现信号实时频率的重合，确保干扰信号与通信信号有效的同步，时间分割法的关键在于干扰时机的选择。

对灵巧式干扰来说，帧周期和同步序列长度的确定直接决定着干扰能否成功实现。假设干扰信号和前向数据链信号之间的时钟偏差为σ，前向数据链信号帧长为L，同步序列长度为Lt，灵巧式干扰脉冲长度为LJ。

帧长估计误差导致干扰维持同步的时间缩短为:

(29)

为避免每过一段时间就要从头开始搜索帧结构中的同步序列，将干扰序列的长度适当加长来增加同步干扰的维持时间。

3 仿真分析

为了验证组合干扰技术的可行性，下面进行仿真实验。

3.1 干扰样式仿真

实验1：不同干扰样式对QPSK信号干扰效果对比实验。

实验参数：调制方式为QPSK调制，解调方式为相干解调，码速率40 kbit/s；图8中信噪比为5 dB;图9中信噪比为10 dB；干信比的范围为[-10 15] dB。

图8和图9的仿真结果说明在不同的信道环境下，相似信号干扰样式对QPSK信号的干扰效果最为显著。虽然在干信比较低的情况下单音干扰产生的误比特率曲线的斜率最大，但是单音干扰的信号单一，不具有随机性，很容易被接收方发现并滤除。相似干扰信号是根据通信信号的调制特点设计产生，在时域上是随机的。因此相似干扰信号具有一定的伪装性，不易被接收机发现。

实验2：相似信号干扰的理论误比特率与仿真误比特率比较实验。

表1 干扰样式幅度向量表

表2 不同干扰环境下的干信比和信噪比

图8 信噪比为5 dB不同干扰样式的干扰效果

图9 信噪比为10 dB不同干扰样式的干扰效果

令相似信号的干信比和信噪比由式(30)和式(31)表示:

(30)

(31)

经计算，相似信号的误比特率为：

(32)

通过图10的仿真结果可以看到，随着干信比的增加，理论误比特率曲线随之上升，最后稳定在0.5；同时仿真误比特率离散点也在理论误比特率曲线周围波动，并随着码元数增多逐渐与理论误比特率曲线重合，说明文中理论推导与实际情况相符。

图10 仿真误比特率曲线与理论误比特率曲线比较

图11 相似信号干扰在不同信道环境下的干扰效果

图11给出了在不同信道环境下相似信号干扰对QPSK信号干扰效果。在不同信噪比下，随着相似信号干扰的功率增加，系统的误比特率不断增加。在相同的干信比下，随着信噪比的增大，系统的误比特率随之减小。从仿真结果中可以直观地发现当接收端干信比达到3 dB时，即达成对系统成功干扰的要求。

经过实验1和实验2的计算仿真，证明相似信号干扰是组合干扰技术的最佳干扰样式。

3.2 干扰功率仿真

实验3:传输损耗、旁瓣干扰、目标运动特性对组合干扰技术发射功率影响实验。

将目标的运动方程(13)、方程(14)代入式(12)中得到组合干扰技术理论发射功率曲线。

实验参数：前向链路工作频段宽度为10 MHz，接收机带宽为50 kHz。前30 s采用梳状拦阻式干扰，干扰样式为直接噪声干扰；30～40 s采用瞄准式干扰，干扰样式为相似信号干扰；40～50 s采用灵巧式干扰，干扰样式为相似信号干扰；干信比要求3 dB。数据链开启时，载机距离空地导弹52.6 km，干扰机距离空地导弹24 km，设导弹运动时导弹的天线始终对准载机方向。导弹速度取亚音速300 m/s。机载数据链吊舱发射功率为50 W。载机发射天线增益为8 dBi，导弹接收天线主瓣增益13 dBi，旁瓣等效增益为-3 dBi。干扰机发射天线主瓣增为16 dBi。

图12 组合干扰技术发射功率随时间的变化曲线

由图12可见，成功干扰所需最小功率曲线随干扰接入时间增加而减小。图中在30 s和40 s时出现的两次跳变，主要是因为新干扰体制的接入极大地降低了成功干扰时对干扰功率的需求。

实验4：灵巧式干扰与频率瞄准式干扰的干扰效果对比实验。

实验参数：信号载频fc为60 MHz；采样率为fs为4fc；码速率为40 kbit/s；调制方式为QPSK；信噪比为10 dB；同步序列选择长度是256 bit的伪随机序列；其他实验参数与实验3一致。

图13 灵巧式干扰与瞄准式干扰的干扰效果

图13给出了在相同发射功率下，频率瞄准式干扰和对同步字段灵巧式干扰的干扰效果对比。除个别点外，随着灵巧式干扰的干扰序列长度增加，灵巧式干扰的干扰效果逐渐变差。

3.3 干扰时间仿真

实验5：干扰机位置对干扰传输时延的影响实验。

根据式(27)和式(28)可以求出干扰信号相对通信信号实时的传输时延。

实验参数：数据链开启时，载机距离空地导弹52.6 km，干扰机距离空地导弹24 km，导弹速度取亚音速300 m/s。设导弹运动时导弹的天线始终对准载机方向。载机在特定位置盘旋，干扰机位置固定，电波传播速度为光速。

图14 干扰信号传输时延随导弹距目标距离变化曲线

图14给出了导弹在不同距离时干扰信号对比通信信号的实时传输时延。由于导弹运动方向始终是对准我方目标，所以随着时间的增加，导弹与载机的距离越来越远，与我方干扰机的距离越来越近，使我方干扰信号传输时延随导弹运动逐渐减小，从而说明我方对比通信方具有一定的距离优势，同时文中的理论推导也是符合实际情况的。

实验6：基于时间分割法的同步干扰维持时间实验

设“人在回路”武器搭载的数据链系统的开始时间为1 min左右，灵巧式干扰持续时间在10 s左右，从图15的仿真结果可以看出，干扰序列长度选择为同步序列长度的1.5倍即可维持足够长的同步干扰时间。有效防止了因为干扰信号失同步，不得不重新搜索帧结构中的同步序列所造成的不必要的时间浪费。对于频率瞄准式干扰来说，时钟的偏差不会造成干扰信号失同步。干扰机只需要在微秒级的时间段内迅速进行频率的校正，在数百毫秒乃至数秒时间对准弹载数据链吊舱发射干扰信号，即可成功达到干扰效果。

图15 灵巧式干扰同步维持时间

4 结论

文中着眼于对“人在回路”末制导武器干扰方法的实现可行性和战场应用性，提出了一种组合干扰技术。在数据链开启初期，针对前向链路信号突发性的特点设计了梳状拦阻式干扰，从而实现了对前向链路信号蹲守式干扰；为了解决干扰引导时间过长的问题，通过“时分复用”的方式接入瞄准式干扰和灵巧式干扰，提高了时间利用率和干扰效率；为了分析目标运动性产生的干扰距离变化和干扰信号旁瓣进入等影响，搭建了系统模型，理论分析证明了干扰的可行性；为了解决基于时间分割法的侦察过程造成灵巧式干扰失同步的问题，设计了灵巧式干扰脉冲长度。最后通过实验仿真验证了组合干扰技术的有效性。