海上编队协同电子对抗技术研究与实现*

2023-06-05庞金锋

舰船电子工程 2023年1期

庞金锋李毅

（海军装备部装备审价中心北京 100071）

1 引言

现代先进的反舰导弹家族包括美制“鱼叉”（又称“捕鲸叉”）、法国“飞鱼”以及俄罗斯的“日炙”、“俱乐部”等，其弹道复杂多样、机动能力强、具备掠海飞行能力，部分反舰导弹具备超高速飞行能力，能够达到低空快速突防的效果。以美国“鱼叉”反舰导弹为例，其Block 1C 型增加航途基准点能力，可以环绕障碍物飞行。先进强国的反舰体系还具备了同时发射多枚反舰导弹、多方位攻击的能力。

同时，近年来反舰导弹末制导手段也有了很大发展。先进反舰导弹具有了复合制导、多手段目标识别、智能化协同作战能力，具有了发射后不管和人在回路的快速响应能力，例如美国SLAM 导弹采用成像制导体制，并结合数据链系统形成人在回路中的精确制导控制方式。同时末制导雷达开始向AESA体制过渡，波束波形捷变、同时多目标间断跟踪等各种LPI 技术，而且现代的相控阵雷达具备角度跟踪、波束置零、副瓣对消、STAP 处理等抗干扰技术。

反舰导弹及其攻击体系的快速发展要求现代舰载电子对抗装备能够快速准确告警并实施干扰，同时还需要舰艇电子对抗装备具备需要具备同时多目标对抗的体系作战能力。因此要求舰艇编队内的电子对抗系统能够协同作战应对更加复杂多样的导弹群攻击。从单平台电子对抗装备的约束和未来体系对抗的需求来看，发展多舰艇编队平台协同电子对抗技术迫在眉睫。

图1 多弹攻击水面舰艇场景示意图

2 多平台协同对抗技术现状

国外未见针对舰载编队协同对抗装备的公开报道，但是随着星载SAR、预警机、战斗机以及战场监视飞机等技术的快速发展和广泛使用，欧美军事强国或军事大国以地面应用为主开展了分布式的协同干扰机。

其中俄罗斯研制了包括SPN、GKP 等多个系列的地对空分布式协同干扰机。SPN 系列地对空雷达干扰机都是车载的威胁自适应噪声干扰系统，已经大量出口，采用宽开天线和自适应相控阵体制，工作频段为X/Ku 波段，能够有效干扰导弹控制雷达（130km）和监视雷达（60km）。已知的GKP 系列地对空干扰机型号有GKP-1～8、GKP-14 和GKP-15。其中GKP-6 是地面电子支援侦察系统，GKP-7 是自动干扰综合控制系统，GKP-1～5、GKP-8和GKP-14～15都是干扰系统。

美军的“狼群”计划是一个具有小功率分布式干扰系统特点的先进干扰技术发展计划，它是DARPA 的先进技术办公室（ATO）的研究项目，拟开发一种能够阻止敌方在战场上使用通信和雷达的技术。“狼群”概念是一个网络系统，在技术上采用了逼近的分布式网络化结构来对抗现有和未来系统的作战特性，可用来对付一些先进的雷达技术（如：优先捷变、旁瓣抵消和电子欺骗）。它包括一组小型电池供电设备，能够对整个射频频谱进行监听，一旦确定敌辐射源的方位就可以对其进行干扰。“狼群”系统的目标尺寸为一个直径为4 英寸（10.2cm）、高为1 英尺（25.4cm）的圆柱体。主承包商BAE 系统公司指出现有型号为一个直径4.5 英寸（11.4cm）、高2 英尺（0.51m）的圆柱体。目前正在对系统的尺寸进行压缩。通过部署在地面，这些系统能够组成一个网络，改变部队实施电子监视和攻击的方式。

国外虽然在舰载电子对抗协同作战装备上未见报道，但是以美国为首的各大军事强国已经在协同电子对抗方面开发出了地面、机载装备，在协同电子对抗装备的研制和理论的积累方面都有深厚的基础。

3 多平台协同对抗关键技术

通过分析，为了实现对反舰导弹的多舰协同电子对抗，需要重点研究突破舰艇编队多平台站间同步、多平台协同侦察告警、多平台协同干扰决策和干扰资源优化配置以及多平台协同威胁目标对抗技术等一系列关键技术。

3.1 多平台站间同步技术

多平台之间的站间同步包括时间同步、频率同步和空间同步。其中空间同步可以利用平台上导航设备给出的姿态信息来完成。站间时间不同步主要影响干扰系统的侦察信息融合准确度和干扰发射时序。频率同步也称为相位同步，是实现站间的高稳定相参干扰的保证，同时也是保证时间同步的基础。站间协同的层次是影响时频同步的重要因素。

多平台协同可以分成基于任务规划的协同、基于参数的协同以及基于样本的协同三个层次。不同的协同层次对同步的要求不同。基于任务的协同层次比较高，可实现性较好，对干扰站之间没有同步的要求。基于参数的协同只需要传输参数不需要传送样本，这种协同方式对各站之间同步需求较为宽松，较容易实现。基于样本的协同干扰传输的数据量大，对数传要求高，最重要的是基于干扰引导的快速性和信号样本传输的要求，这种方式对同步要求极为苛刻，实现难度极大。

为了获取高精度的时频同步，有两个关键点需要考虑。首先是高稳定的本地振荡器，它的短期稳定度对于时频保持起着至关重要的作用；其次是时频比对技术，它可以获取高精度的时间间隔，是时频同步的基础。

频率同步可采用原子钟作为基准频率参考源。铷原子频标准确度在1×10-11左右，稳定度在1×10-12左右。将DDS技术和PLL技术相结合，以原子钟作为输入参考源，可以得到相位噪声和稳定度较为理想的基准频率源。

时间同步可在各站分别设置高稳定原子钟，各自作为频率源基准，并独立形成时间基准和时序，通过微波传输链路对时间基准定期进行比对和动态校正。同时为了实现相干干扰，平台之间需要进行样本传输，因此平台之间需要建立微波链路进行样本传输。

3.2 多平台协同侦察告警技术

舰载电子对抗系统侦察告警能力的提高可以从两个方面进行：提高检测概率和提高分选识别成功率。提高检测概率利用同时多波束、数字信道化检测、跨信道检测和参数编码等技术来完成。而分选识别成功率的提高需要利用辐射源空间位置不能瞬变的特点，通过多平台的协同定位，利用空间位置信息实现辐射源信号的快速分选和目标确认，从而提高截获概率。

1）基于空间位置的信号分选和目标识别技术

尽管反舰导弹和X47-B具备快速的机动能力，且雷达具有波形捷变和LPI 特性，但只要其发射信号，不管波形多么复杂，侦察系统都可能基于位置信息来发现它的存在。基于这个理论，可设计一种基于空间位置的信号分选和目标识别技术。利用PDW、识别特征参数、信号的细微特征、波形相关信息实现脉冲配对配对。配对成功以后结合多站协同定位方式将满足一定要求的点进行点迹聚类，聚类成功以后就能够基于位置进行信号的分选和识别，分选成功以后如果需要干扰，就可以进行快速的干扰引导。

图2 基于目标位置的雷达信号侦察分选流程

2）基于多站协同的定位技术

对多舰电子对抗系统而言，实现协同定位的方法有很多，计算简单、定位速度快的时差测向定位技术成为了首选。这种方法定位精度主要取决于时间同步精度和平台定位精度。时间同步精度利用导航卫星共视法以做到20ns 以内，平台定位精度也可以通过GPS/北斗定位到5m 以内，因此可以选用时差测向技术实现快速、高精度的定位。对于反舰导弹而言，其射程一般在300km 以内，末制导的距离更是在50km 以内，因此对于干扰末制导雷达来说，只要舰艇上的侦察告警接收机在方位、距离向50km 内具备高精度的协同定位的能力即可。根据仿真结果，在方位、距离向50km 范围内3 站时差定位精度足够达到5%R。

3.3 多平台协同干扰决策和资源分配

多平台侦察干扰资源更加丰富，需要重点解决多站协同干扰决策和干扰资源优化配置问题。首先要利用截获的威胁信号的特点分析威胁辐射源态势，做出威胁辐射源的优先级排序，然后根据威胁辐射源态势以及干扰资源的状态按照最优的干扰组合方式分配干扰资源，并结合侦察信息和雷达数据库分析威胁辐射源的抗干扰措施、工作模式、体制以及数据融合中心处理特点等从干扰样式数据库中选择最佳干扰样式，最后控制多平台干扰机的协同干扰时序，从而实现对威胁辐射源的有效干扰。如图3所示。

图3 多舰协同干扰资源配置流程

图4 3部干扰机对抗1部雷达

图5 3部干扰机对抗2部雷达

图6 末制导雷达有源探测区和无源探测区

1）辐射源威胁优先等级排序

快速而准确地判别各辐射源的威胁等级是高效合理利用干扰资源的保证。目前对辐射源威胁等级判别的方法有多种，其中最主要的方法是首先根据侦察装备获取的辐射源参数，与事先存进数据库的数据相比较，识别出辐射源类型，然后再根据结果判定辐射源威胁等级。

对于威胁等级的计算目前国际上尚未有统一标准，一般只是采用经验方法，如根据直观分析直接定义为高、中、低三类；或只根据辐射源载频、重频、脉宽等参数计算而没有充分考虑当前辐射源工作状态等。这些描述直观、易于理解，但存在界限模糊、层次不清晰、准确程度较差等缺点。因此，根据舰艇编队多平台协同的特点，综合考虑辐射源的距离、重频、载频、脉宽、工作模式等信息，合理准确地进行威胁辐射源威胁等级排序。

2）干扰资源分配方法

舰艇平台面临的主要威胁是反舰导弹，其末制导一般都具有单脉冲角度跟踪能力，单平台的电子对抗系统难以对其形成有效干扰。因此，干扰资源分配的原则是一部雷达至少由两部干扰机进行干扰。当只有一个辐射源时，多部干扰机同时对其干扰。当有多部雷达时，需要先根据威胁等级、威胁辐射源工作模式等信息进行分配，威胁等级高的分配的干扰时间和干扰机数目多，威胁等级低的相对减少。

以3 部干扰机为例，对抗1 到3 部雷达的示意图如下所示。

如上图所示，当雷达1的威胁等级高于雷达2，且通过数据库得到雷达1的抗干扰能力强于雷达2时，3 部雷达都干扰雷达1，其中2 部干扰机以分时的方式干扰雷达2。

当协同干扰机无法准确识别多个威胁辐射源时，可将其看作一个威胁辐射源，此时如果通过在线的威胁识别准则判定其为高等级威胁，为了达到较好的干扰效果，需要对此辐射源分配较多的干扰资源，即通过预先设计的干扰策略达到较理想的干扰效果。

3.4 多平台协同威胁目标对抗技术

反舰导弹导引头具备主动和被动跟踪两种工作模式。主动跟踪模式下，反舰导弹采用单脉冲测角技术跟踪目标的方位信息，传统的单平台干扰方式对抗角度跟踪的能力有限。同时，现代反舰导弹末制导雷达具备被动跟踪能力，末制导雷达优先跟踪真实目标，在被干扰无法跟踪真实目标时，转入跟踪干扰源。雷达的主动工作和被动跟踪是同时进行的，在有效探测区进行有源主动探测，在远区清洁区取波门对干扰源进行被动跟踪。被动跟踪模式下，干扰源就处在了对方火力之中，有被攻击的危险。

因此对于具备主动和被动跟踪两种工作模式的反舰导弹，需要舰艇编队中的多个平台协同干扰，既能够有效地保护我方目标，又能够防止反舰导弹的火力攻击，即在破坏其主动跟踪能力的同时需要降低其被动跟踪的效果。

不管是主动跟踪和被动跟踪，其依靠的都是角度跟踪能力。只要能够欺骗或者破坏反舰导弹的角度跟踪，就能够实现反舰导弹的有效对抗。利用多平台的优势，可以采用多平台非相干干扰和相干干扰两种方式。其中多平台协同非相干干扰较易实现。

多平台协同非相干干扰对抗反舰导弹末制导雷达雷达可以考虑采用多平台闪烁干扰样式。闪烁干扰大致可分为三种：同步闪烁干扰、异步闪烁干扰和闪烁拖引干扰。

1）同步闪烁干扰

其中同步闪烁干扰对干扰源之间的同步精度要求较高，需要多个干扰源按照严格的时序关系对雷达进行干扰。

2）异步闪烁干扰

异步闪烁干扰是指多个干扰源按照自己的闪烁规律对雷达进行照射，不需要像同步闪烁一样具备严格的同步关系。

3）闪烁拖引干扰

实施闪烁拖引干扰需要多台干扰机，相邻两干扰机都处于一个较合适的位置（雷达主瓣波束内），各干扰机按照一定的时序进行开关，使雷达的跟踪角度逐渐往一个方向偏开，最终达到一个比较好的角度欺骗效果。

4 多平台协同相干干扰对抗末制导雷达

波前扭曲干扰技术是目前工程应用中的最主要的相干干扰角度欺骗技术。如图7所示，敌方雷达发射的探测脉冲被干扰站1 接收，干扰站1 将接收到的信号传输给干扰站2 由干扰站2 辐射出去。干扰站2 接收到的探测脉冲被移相180°之后传送给干扰站1，由干扰站1辐射出去。由下图可见，两个信号走过的路径完全相同，因此可以在敌方雷达处进行相干叠加。由于其中一路信号被反相，两路信号在敌方雷达处的波前就产生了扭曲，从而产生引偏角度θ。

图7 波前扭曲角度欺骗示意图

波前扭曲干扰的使用有3个限制：

1）两个干扰站必须严格同步；

2）两个干扰站必须在对方雷达波束之内；

3）由于反相发射两个信号，所以在辐射源天线处产生零位，因此需要极高的功率才来克服目标回波。

第2 个要求限制了两个干扰站之间的距离。因此，现在工程上应用成功的波前扭曲技术都用在飞机上，将两个干扰单元放在飞机翅膀的两端，由于飞机相对于雷达覆盖范围来讲非常小，因此翅膀两端的干扰单元必定处于敌方雷达波束内，可以获得较好的波前扭曲干扰效果。在舰艇应用时需要根据舰艇编队之间的距离和外部传感器（雷达）给予的反舰导弹或者敌方雷达的距离来解算角度关系，如图8所示。

图8 干扰站与反舰导弹角度关系

假设根据数据库匹配信息可以得到敌方雷达的主波束宽度为β，根据上图，两个干扰站夹角为2θ=2×atan（0.5D/r），如果β＞2θ，则可以采用波前扭曲干扰。

图9为夹角2θ=1°，干信比20dB 时，两个干扰站发射的干扰信号相位差从160°～178°变化时，雷达测角误差变化情况。可见，随着相位差越接近180°，雷达引偏角越大，干扰效果越好，反之干扰效果会急剧下降。同样地，当两个干扰源发射的干扰信号幅度比越接近1，干扰效果越好，幅度相差越大干扰效果越差。因此，波前扭曲干扰要求精确控制两个干扰源的幅度和相位，这对时频同步提出了极为苛刻的要求，难度和风险非常大。