主-伴随弹协同抗干扰系统∗

刘子威 赵珊珊 张 弦 施君南

（1.南京邮电大学 南京 210003）（2.上海无线电设备研究所 上海 201109）

1 引言

导弹作为精确制导武器在现代战争中的作用日益重要，已成为决定战争胜败的关键［1］。雷达导引头安装在导弹头部，可以对目标进行探测与跟踪，是末制导雷达系统的关键［2］。末制导雷达可以完成对目标的搜索和精密跟踪，但在其工作过程中，会面临极其复杂的电子战环境［3］。反导防御体系的重要组成部分是电子干扰，针对导弹的不同攻击阶段，实施层次防御，通常分为有源和无源干扰，包括随队压制式干扰、距离欺骗干扰、速度欺骗干扰和箔条质心干扰等。因此，雷达精确制导武器面临严峻的挑战，提高导引头的综合抗干扰能力，是其在复杂电磁环境下发挥有效打击能力的重要前提。

雷达导引头常用的抗干扰措施主要是采用超低旁瓣天线、频率捷变、单脉冲角度跟踪、毫米波技术、高分辨距离像、极化抗干扰等措施，或者利用地面导引雷达提供的先验信息对虚假及欺骗信息进行鉴别［4］。然而，若利用上述技术提高导引头的抗干扰性能，需要增加导引头所占体积，成本较高，与雷达导引头小型化的应用需求相矛盾。另一方面，导引头自身的抗干扰措施往往只能针对某些特定的干扰手段，很难达到末制导系统抗干扰能力的最优化设计。因此，虽然可以在一定程度上提高单部雷达导引头的抗干扰性能，但是，在提高作战效费比、使用灵活性等方面仍具有一定的局限性。

随着未来战场信息化程度的不断提高以及多弹协同等技术的发展，雷达末制导系统抗干扰设计需要在武器系统设计时进行综合考虑，通过将总体应用级抗干扰策略和单部雷达导引头的抗干扰手段进行结合，可有效提高其综合抗干扰能力。反舰导弹中一般利用伴随技术提高其在饱和攻击条件下的突防能力，在发射反舰导弹时，同时发射多个伴随飞行诱饵（伴随弹）以迷惑舰船反导防御体系。根据协同作战的思想，多部雷达链接成网或多基地系统是提高抗干扰的有效途径，可以利用信息共享与融合大幅提高其抗干扰能力。因此，可以利用在伴随弹上携带接收站，通过接收主弹发射信号工作在双基模式下，与主弹协同构成多基地雷达系统［5］。这种协同对抗系统可大幅提高反舰导弹的综合抗干扰能力，在复杂电子攻防环境下的生存和精确制导能力。除其提高抗干扰能力方面的优势外，还可以利用冗余探测提高对目标的定位精度，及目标打击准确度，甚至可以实现对舰艇目标的特殊部位进行准确攻击。

2 主-伴随弹协同抗干扰系统

海战环境下主-伴随弹协同抗干扰系统的示意图如图1所示，主弹工作在收发模式下（T/R站），在其附近存在多枚伴随弹，工作在仅接收模式下（R站）。各伴随弹观测信息通过数据链传送到在主弹上的系统融合中心（Fusion Central，FC），从而达到协同作战中数据共享的目的。在融合中心，通过利用信息融合技术对主弹和所有伴随弹的观测信息进行关联和融合处理，对有源电子干扰进行有效抑制，并提高对打击目标的定位精度。此外，根据对战场环境的感知，融合中心可以对各伴随弹发送控制指令，协同控制整个系统达到最优的抗干扰效能。因此，主-伴随弹协同系统是一个闭环抗干扰系统，其数据处理流程如图2所示。

图1 海战环境下主-伴随弹协同抗干扰系统

图2 主-伴随弹协同抗干扰系统数据处理流程

主-伴随弹协同抗干扰系统的核心是融合中心，关键是信息融合算法，前提是各传感器同步问题。主弹和各伴随弹的探测信息是在不同平台上对目标进行观测得到的，因此，在进行关联与融合之前，首先要进行系统同步：非相参处理模式下，包括空间配准与时间对齐；相参处理模式下，需要进一步进行相位同步。时间对齐和相位同步是多站雷达和多基地雷达中的热点研究方向，现有文献中已提出很多实用有效的方［6～7］。利用GPS定位技术可实现对导弹的准确定位，根据各传感器的空间位置，可实现各平台的空间配准：对于数据级信息，空间配准就是将各传感器探测信息变换到统一坐标系下；对于信号级信息，空间配准就是对整个探测空间进行网格划分，并通过网格扫描完成对整个空间的探测信息融合。

强大的信息交互能力是主-伴随弹系统实现有效协同的有效保障。数据链在主弹和各伴随弹之间，通过无线信道构成一体化的数据通信网络，按照规定的信息格式，实时、自动、保密地传输探测数据，实现情报资源共享［8～9］。无论是主弹与伴随弹之间信息融合进行干扰协同对抗，还是融合中心协调管理各伴随弹以达到最优抗干扰性能，都需要以稳定的数据链作为保障。因此，通信数据链带宽很大程度上限制了系统的协同抗干扰能力。在通信数据链带宽不足的情况下，只能在数据级上进行信息融合，在数据链带宽足够大的情况下，才可能进行信号级融合。随着无线电技术的不断发展，通信数据链系统的传输能力也得到很大提高。

3 系统抗干扰能力分析

相比于普通弹载雷达，主-伴随弹协同构成一个单发多收的多基地雷达系统，具有良好的抗干扰性能，主要原因在于多基地雷达系统的两个特点：一是多个空间分开的量测站；二是接收信息的融合处理［5，10］。针对不同干扰样式，抗干扰的方法也是各不相同的，但是，其本质都是利用干扰和目标信号的某种差异性对干扰进行抑制，并尽可能地保留目标信号，关键是找到两者之间的差异。在主-伴随弹系统中，各接收站从不同探测方向对打击目标进行探测和跟踪，因此，各雷达的接收到目标回波、探测点迹或航迹数据必然存在一定的差异，利用这一差异，可实现对电子干扰的有效抑制［11］。

针对典型的三种干扰样式，分别给出其对应的抗干扰方法，包括随队压制式干扰、欺骗式干扰和无源箔条干扰。

3.1 随队压制式干扰

压制式干扰是一种常用有效的干扰样式，在导弹攻防战中，打击目标针对主-伴随弹系统实施压制式干扰，是随队式的干扰方式，干扰信号从各接收站主瓣进入，形成压制式主瓣干扰，将严重影响其对目标的探测性能和定位精度。

在主-伴随弹协同一体化系统中，干扰和目标信号间存在空间散射特性的差异。无论干扰信号采用何种调制方式，各雷达站接收到干扰信号的起伏情况都是完全相同的，只会存在信号强度的差异；对于目标回波信号，对于目标回波信号，由于其雷达散射截面积（RCS）随探测视角的变化而随机起伏，因此，若各雷达站之间满足目标回波独立性条件，不同接收站得到的目标回波是相互独立的。

为满足目标回波间独立性条件，主弹和伴随弹、以及各伴随弹间的间距需满足一定条件［12～13］。目标在各站接收信号之间的相关性与多个参数相关，包括系统波长λ、站间距L、目标距离R和尺寸D。文献［12］中推导了目标回波的独立性条件：L≥λR/D，即当两部雷达站的基站长度超过一定门限，则其对目标的探测角度足够大，接收到目标回波可以看成是相互独立的。在雷达间距满足上述独立性条件时，目标回波具有各向异性，而干扰信号具有各向同性，利用这种回波相关性上的差异，可以在尽可能保留目标回波信号的前提下，对主瓣压制式干扰进行有效抑制。根据信号相消的思想，利用不同接收站中干扰信号的高度相关性，对干扰信号进行对消，而目标信号是相互独立且离散分布的，在对消干扰后的结果中，目标的回波信号将得到最大程度保留［5］。

以由一个主弹和一个伴随弹构成的主-伴随弹系统为例，在受到随队压制式干扰的情况下，图3中给出了主弹中的接收信号，可以看到由于主瓣干扰的影响，接收信号背景噪声达到70dB左右，目标都已被干扰信号淹没，无法对目标进行有效检测。图4给出干扰对消后的结果，可以看到主瓣干扰得到了有效抑制，背景噪声下降到20dB以下，干扰抑制后目标信号的SINR近似为30dB，常规恒虚警检测算法可进行有效检测。

图3 干扰下主弹接收信号

图4 干扰对消后回波信号

3.2 欺骗式干扰

在导弹攻防战中，欺骗式干扰是另外一种常用的干扰方式，主要实施距离拖引干扰对导引头中单脉冲跟踪进行欺骗。通过慢慢改变假目标的欺骗距离，将跟踪波门拖离真实目标位置，从而导致导引头跟丢目标，无法有效对目标进行精确打击。

在主-伴随弹系统中，即使主弹和各伴随弹均受到欺骗式干扰，利用主弹和伴随弹的探测信息可以进行数据关联，完成有源假目标的鉴别。真实目标与假目标之间的差异是欺骗式干扰对抗的基础，在主-伴随弹构成的多基地雷达系统中，这种差异性表现如下。

目标是真实存在的物理源，主弹和伴随弹对目标的量测值转换到系统统一坐标系下必然是相似的，考虑到量测误差的存在，“集中”在目标真实位置周围。相反地，由于各伴随弹上的接收站“静默”，干扰机无法准确获知各伴随弹的具体位置信息，不能对整个主-伴随弹系统进行协同欺骗，有源假目标在不同接收站中的量测信息转换到统一坐标系下各不相同，是相对“分散”的。因此，真实目标在各雷达站中的量测值具有空间位置上的相关性，这种相关性是有源假目标所不具备的。以距离欺骗假目标为例，主-伴随弹系统被干扰情况下真假目标信息如图5所示，可以看到在相同欺骗距离下，主弹和伴随弹中形成的假目标的位置是不同的。这种差异性为主-伴随弹系统数据级协同抗欺骗式干扰提供了理论依据。

图5 主-伴随弹系统距离假目标示意图

利用上述差异性，融合中心通过对各接收站的量测值进行关联检验，关联成功的量测对应真实目标，否则为有源假目标，具体实现方法可参考杨林提出的一种利用T/R-R型多基地雷达系统进行有源假目标鉴别的方法［14～15］，所使用检验统计量为马氏距离，根据其在真实目标假设下服从卡方分布的特点，在保证真实目标鉴别概率的条件下设置鉴别门限，完成有源假目标鉴别。但是，在主-伴随弹系统中，T/R站和R站是高速运动的，这将影响点迹关联的准确度，有效解决这一问题的关键是利用GPS定位技术对导弹的定位精度，实时进行空间配准。

点迹关联需要将伴随弹中的量测值实时传送到主弹中，需要较大的通信数据链带宽。在数据链容量不足的情况下，各伴随弹可分别对探测目标进行跟踪，仅将形成稳定航迹为航迹信息传送到主弹中。由于真假目标量测点迹在空间位置上的相关性，可以得到真假目标航迹之间的差异：真实目标在各雷达站的滤波航迹之间的关联距离小，而有源假目标或真假目标航迹之间的关联距离大。因此，可以在数据融合中心利用航迹关联技术对假目标形成的虚假航迹进行鉴别［16］。

此外，利用本节中所述空间散射特性的差异，可以利用信号级融合技术进一步增强对假目标的鉴别能力［17～18］，此时各伴随弹的接收回波信号要直接传送到主弹中，因此需要大量的数据传输，同时受限于数据融合中心的存储和处理能力。

在图5所示的主-伴随弹系统场景下，以距离欺骗假目标为例，利用点迹关联和航迹关联分别对有源假目标进行鉴别。图6是欺骗式干扰下主弹和伴随弹观测到目标在统一直角坐标系下的示意图，可以看到真实目标位置相对“集中”，而假目标位置相对“分散”。利用点迹关联后，可以有效鉴别出假目标，利用10万次Monto Carlo仿真实验，可统计得到对真实目标的鉴别概率为98.93%，对假目标的鉴别概率为95.96%，仿真验证了点迹关联鉴别假目标的可行性。图7是主弹和各伴随弹分别对探测目标进行跟踪得到航迹信息在统一坐标下的示意图，通过航迹关联后，同样可有效对假目标进行鉴别，并统计得到对真实航迹的鉴别概率为100%，对虚假航迹的鉴别概率为98.18%。

图7 主-伴随弹系统跟踪航迹示意图

3.3 无源箔条干扰

箔条干扰具有成本低廉、制作简单等优点，在反导领域获得了广泛的应用，是雷达导引头面临的最主要的干扰之一。箔条干扰通过在雷达回波中叠加大量干扰信号，使得末制导雷达的检测性能或跟踪精度严重下降，这将导致导弹无法准确打击目标。因此，提高导引头的抗无源箔条干扰能力具有重要意义［19］。

在目标和箔条干扰仍可分辨的情况下，可以根据它们之间的特性差异，利用目标识别的方法鉴别出箔条干扰，从而完成抗干扰。可利用的特性差异主要体现在多普勒展宽［20］、极化特征［21］、波形特征［22］以及宽带成像［23］等方面。在目标和箔条干扰不可分辨的情况下，如箔条质心干扰，则会严重影响末制导雷达对目标的测角精度，对于雷达目标跟踪影响较大。

主-伴随弹协同抗干扰系统具有天然的抗无源干扰能力，由于干扰机无法准确获知伴随弹（R站）的位置，导致无法准确选定箔条的投放方向、位置及投放时机，致使各种干扰方法、手段对其的干扰效果充满不确定性。此外，现有文献表明可利用数据融合技术大幅提高雷达的目标识别能力［24～26］，如DS证据理论、神经网络法、聚类分析、模糊理论法等数据融合方法是当前研究热点。因此，在主-伴随弹协同抗干扰系统中，利用数据融合技术同样也可以在存在箔条干扰的情况下，显著提高对箔条干扰的识别能力。

4 结语

本文提出利用主-伴随弹协同构成多基地雷达系统，由于多视角探测和信息共享与融合，具有良好的抗干扰性能。但是，要充分发挥其抗干扰能力，仍需要解决以下关键技术瓶颈。

1）导弹运动速度较快，快速运动平台给主-伴随弹系统进行协同抗干扰带来新的挑战，进行协同作战及信息共享的难度更大。弹载平台稳定性较差，一直工作于动态环境中，对系统的空间配准造成困难，对其配准精度带来更高的要求。此外，运动平台要求系统对传感器位置进行实时定位，并利用定位信息完成实时空间配准，这势必会增加主弹和伴随弹之间信息的交互量，压缩抗干扰算法的可执行时间，对整个协同抗干扰体系中各算法的实时性提出了新的挑战。

2）反导防御系统中电子干扰样式复杂多样，尤其是新型复合干扰的应用［27］，对雷达导引头的跟踪和识别精度带来严重影响。如压制式干扰和欺骗式干扰复合，以及有源照射箔条云对雷达速度波门进行拖引干扰的复合干扰方法，或箔条云通过对机载干扰机信号进行二次辐射，将形成与载机相似多普勒速度的假目标，起到诱骗干扰作用［28］。对于层出不穷的新型复合干扰，要求主-伴随弹系统不断发展相应的协同抗干扰方法。

3）如系统描述中所述，主-伴随弹系统要实现有效的协同，强大的信息交互能力是有效保障。通信数据链带宽的限制对协同抗干扰算法提出了新的挑战，要求尽量减少协同抗干扰算法所需要的信息传输量。在数据级协同抗干扰技术可有效对抗干扰的情况下，不进行信号级协同；数据级协同的情况下，伴随弹在数据传输前先对量测值进行判断，只将有用量测信息传送到主弹中进行融合识别；信号级协同的情况下，在伴随弹中对探测信号进行预处理和信息压缩后，再将有用信息传送到主弹中进行融合抗干扰。如何在不影响干扰抑制性能的前提下，尽可能减少信息传输量是需要着重考虑的问题。

4）对于主-伴随弹系统，要有效发挥其抗干扰能力，就必须利用协同作战思想，充分配置系统资源，以达到最优地抗干扰性能，构建智能化闭环抗干扰体系［29］。在主-伴随弹系统中，系统资源主要包括通信数据链带宽和时间资源。此外，伴随弹的数量和相对位置也是影响系统整体抗干扰性能的重要因素，因此伴随弹的优化布站也是需要解决的关键技术之一。