集群协同对抗雷达制导导弹方法探索

2023-09-05魏旭鸿陈舒思

舰船电子对抗 2023年4期

魏旭鸿,陈舒思

(中国船舶集团有限公司第七○八研究所,上海 200011)

0 引言

目前国际形势发生了巨大变革,海军存在多样化建设的强烈需求,军用舰船担负的任务类型、任务规模与过去存在巨大差别,从单舰船、小规模、简单任务逐渐转向集群化、多节点、协同执行复杂任务[1];舰船执行作战任务时,需要通过电子对抗等防御手段保障平台安全:因此,面向集群任务的电子对抗防御能力建设也变得愈加重要,成为了影响舰船执行任务效能的重要因素。为了应对复杂耦合的电子对抗防御任务,加强自防御能力,需要在自防御任务中融合数字化、信息化管理手段,通过区域信息共享,合理分配对抗资源,提升集群对来袭目标的防御能力。

随着信息技术的长足进步,区域信息共享在工业生产和日常生活的方方面面都得到了广泛的研究和应用。电子对抗手段的发展正适应信息化能力的提升,以管理学、运筹学、控制论和行为科学为基础,数值模拟[2]和信息技术为手段,为防御决策提供了决策所需要的数据、信息和背景资料,帮助防御决策者明确决策目标,提供各种决策备选方案,并对各种战术方案进行评价和选优,为正确决策提供有益帮助[3]。

舰船电子对抗中常用无源干扰技术手段对雷达制导导弹进行干扰。随着舰船任务系统的复杂程度逐步升高,如何精准构建以无源干扰手段为主要方式的协同对抗模型,如何构建协同防御传递数据信息,并实施战术决策以便及时响应已经成为了严峻的考验。

本文首先从雷达制导导弹的特性开展分析,结合一般无源干扰对抗手段,开展单平台无源干扰原理分析,根据目标特性和干扰原理,衍生出协同对抗防御的实施思路,对集群协同模式进行探讨。

1 雷达制导导弹搜索跟踪过程

1.1 雷达制导导弹的搜索跟踪

雷达导引头通常有搜索和跟踪2种状态。搜索就是在导引头发射电磁波的同时利用雷达天线的扫描在各个距离门内以及各个俯仰角和方位角单元进行检测,一旦检测到的电平超过门限,就认为发现目标或者开始积累;如果发现目标雷达随即进入跟踪状态,否则就继续进行搜索。

雷达进入跟踪阶段后,利用搜索阶段获得的目标粗略位置(距离和角度)或者其他信息进行信号和数据处理,借以对目标信息进行较为精确的测量和跟踪,实现对目标的锁定。如果雷达在跟踪状态下丢失目标,则会转入到搜索状态重新寻找目标。

1.2 雷达制导导弹距离门检测

在搜索状态下,天线系统将不断调整天线的指向,在经过匹配滤波之后进行检测。如果未超越门限,则继续令天线进行扫描;如果超越门限,则进入积累检测状态。

在积累检测状态下,当到达一定的脉冲积累数时,如果超越门限的脉冲数超过了设定的二进制检测门限,则进行距离信息和角度信息的测量,并转入跟踪状态。如果积累失败,那么重置天线和距离门,重新开始搜索。如果采用的是相参积累,还要在匹配滤波之前或者之后进行多普勒滤波,对进行了多普勒滤波和匹配滤波之后的信号进行积累检测。一旦检测到目标,还要对多普勒信息也就是速度信息进行测量,为跟踪系统提供初始的目标相对雷达运动速度的信息。

在跟踪状态下,每个脉冲的回波信号同样要经过天线接收、射频滤波、采样等等步骤,在经过匹配滤波(或者还要进行多普勒滤波)之后判断是否越过门限。如果低于门限的脉冲数到达一定次数则认为目标丢失,转入搜索状态。如果匹配滤波的输出超越门限,那么对距离误差信息和角度误差信息以及速度信息进行测量,并将距离误差信息送入采样系统,调整在距离上采样的起始点,将角度信息送入天线系统,以调整天线从而跟踪目标的角度,并将速度信息传递给多普勒滤波器,实现对目标相对雷达运动速度的跟踪。

2 雷达波束覆盖集群阵型范围

2.1 雷达波束覆盖范围

设来袭雷达体制目标[4]的飞行高度约为h,距离目标约R,雷达天线主波束宽度(3 dB处)为θ3 dB,雷达波入射余角为φg,则方位面覆盖宽度近似为R·θ3 dB,俯仰面覆盖宽度为R·θ3 dB·cscφg,其中φg=arctan(h/R),雷达波照射海面范围如图1所示。

图1 雷达波束投影示意图

一般而言φg值较小,故俯仰面覆盖长度较大而方位面覆盖较小,雷达波照射到编队的范围如图2所示。

2.2 集群协同对抗

集群协同对抗一般包含协同侦察和协同干扰2个主要部分。协同侦察主要实施多平台、多节点侦察传感器的信息融合及综合处理,通过集群信息共享,形成相对多个独立侦察传感器效果更好的侦察效果,提升侦察能力;协同对抗主要实施集群级别对抗干扰,相比于单平台只负责自身对抗干扰的模式,协同对抗可协调减少集群内干扰效果冲突,优化对抗资源配置。

2.2.1 协同侦察

集群编队阵形假设为密集阵型,当编队中的某一艘舰船被雷达体制目标选择、截获、跟踪后,其附近多艘舰船目标同样会被雷达天线主瓣波束照射(如图2所示),舰船搭载的被动接收传感器能够侦测到目标雷达信号,甚至在来袭目标雷达功率较大的情况下,舰艇平台侦收到其雷达副瓣波束信号。另一方面,当舰船配备主动搜索雷达时,来袭目标抵近后,可被多个搜索雷达锁定。因此,必须将登陆舰艇编队看成一个有机整体,通过协同侦察的方式,将集群内每艘舰船的雷达侦察信息进行融合处理,从而满足以下2点要求:

(1) 确定目标来袭方向和打击范围

通过集群协同侦察和雷达侦察信息融合处理,可进行去副瓣处理,降低副瓣的影响;可以较为精准地确定来袭目标的方向,同时确定目标的打击范围,从而为电子干扰提供比较可靠的引导信息。

(2) 降低密集阵形下雷达侦察增批的影响

密集的编队阵形会导致雷达侦察出现比较严重的增批现象。增批现象主要是由于海面、舰上建筑等多次反射造成,通常在作战舰艇上也是存在的。增批目标信息中,其测角信息通常误差非常大,甚至是错误的,可通过雷达侦察信息和舰载搜索警戒雷达探测信息的融合处理,有效降低增批的影响。

2.2.2 协同干扰

通过集群协同侦察,确定目标来袭方向和打击范围后,舰船可实施干扰决策和干扰释放。

对于单平台而言,来袭目标的波束范围、距离波门范围内一般仅存在一艘舰船,因此单平台以实施自身防御为主。

对于集群而言,当集群中的某一艘舰船被雷达体制目标跟踪后,其周围多艘舰船均会受到雷达波束照射,由于无法判断集群内被跟踪的具体舰船,所有侦察到雷达波信号的舰船均要求对来袭目标实施干扰,避免遭受打击;同时,集群内单舰船对来袭目标的干扰引偏还需考虑编队阵型,要求避免将来袭目标引偏到集群内其他舰船。综合上述分析,单平台对于来袭目标的电子对抗防御与集群协同对抗防御在原理上存在很大的差异。

目前,常用对临近舰船的雷达制导导弹进行无源干扰的方式为制造干扰物,并实现对来袭目标的引偏。

2.3 质心干扰原理

导弹末制导雷达的波束宽度决定了探测范围,最小距离分辨单元决定了导弹发现目标的分辨能力,如图3所示。舰艇需向波束范围内与舰艇自身处于相同和相邻的雷达分辨单元区域发射干扰物,形成雷达回波功率比舰艇更强的干扰物,使得来袭目标无法区分目标真假,且更倾向于跟踪回波更强的干扰物。与此同时,舰艇驶离,通过舰船与干扰物整体质心偏离舰船质心,实施引偏。

图3 雷达波束宽度和距离分辨单元

根据雷达原理,为使来袭目标无法区分舰船和干扰物,要求干扰物与舰船处于相同和相邻的雷达距离分辨单元内,如图4所示,一般而言干扰物质心与舰船质心连线方向与来袭方向垂直时干扰效果最好[5-6]。

舰船在最优方向布设干扰物后,需综合风向、航向等因素驶离当前区域,通过舰船与干扰物整体的质心偏离舰船本体的质心,引偏来袭目标。

3 集群协同无源干扰雷达制导导弹方法

来袭目标搜索时,雷达波可能会照射到编队内所有舰船。在侦收到雷达信号时,应确定本舰确实是被跟踪后再采取干扰措施,并通过集群协同的方式节约对抗资源,否则单枚来袭目标将耗费集群的全部对抗资源。

根据雷达波束范围分析,在来袭目标一个雷达波束宽度内被跟踪/照射的编队内舰船数量有限,因此仅有被跟踪的舰艇有实施对抗干扰的必要性。

另一方面,集群内舰船可能同时触发告警并实施干扰,但多艘舰艇在实施对抗干扰时,可能存在互相影响的情况,因此集群内的干扰应形成统一态势,共享来袭目标信息,共享集群航行状态数据,综合处理后形成干扰计划并统一执行[7]。

如果设置集群集中式指挥,存在2类风险:一是集群内信息需要有“收集—处理—分发—确认”的过程,环节多且耗时;二是如果集群中心遭遇战损,则集群失去电子对抗能力,代价较高。因此,考虑采用分布式构架,集群内通过宽带组网共享信息,每个舰船节点自行开展计算,根据舰船在集群内的位置,综合决策自身无源干扰实施方式,通过各个节点分布式处理自身信息,执行局部干扰,统筹考虑周围态势,最终达到全局干扰的合理解决方案[8]。

假设有矩形整列集群阵型,当雷达制导导弹在跟踪锁定舰船方位后,接收到相应的雷达回波,通过确定回波的功率大小和时序,来判断舰船的距离,雷达回波如图5所示。