无人机掩护岸舰导弹突防效果仿真分析

李浩民, 赵强, 王光源, 吴一乔, 陈永展

(1.海军航空大学岸防兵学院, 烟台 264001; 2.92020部队, 青岛 266000; 3.91827部队, 威海 264200)

在现代战争中,电子干扰技术已呈现多样化发展趋势,使得战场上电磁环境变得日益复杂,交战双方的电子对抗与反对抗也愈演愈烈[1]。无人机已被广泛运用于现代军事行动中,新的无人化作战装备使传统的作战样式慢慢发生变化。无人机可通过携带不同任务载荷,具备侦察、干扰、反潜、打击及评估等多种作战能力,尤其在对敌实施电子干扰行动中,可与其他兵力协同作战,进一步提升整体作战效能[2]。

采用无人机对舰载雷达实施电子压制干扰,从而掩护空中兵力突防,针对相关问题已经做了大量的研究工作。无人机分布式作战对组网雷达实施干扰,以组网雷达探测概率作为目标函数,构建关于电子无人机阵位配置模型,并对模型进行求解[3-5]。根据雷达干扰方程,通过仿真算例验证不同的电子干扰条件下对雷达探测性能的影响[6-11]。现有研究主要针对无人机掩护飞机突防等相关问题进行研究,对于无人机掩护岸舰导弹突防所涉及的相关问题研究甚少。

鉴于此,根据岸舰导弹、无人机和雷达三者之间的空间关系,构建无人机分布式干扰下雷达暴露区计算模型,并对无人机阵位配置情况进行分析。通过仿真验证无人机分布式干扰作战,可有效降低敌方舰载雷达作战效能,从而提升岸舰导弹突防能力的重要结论。未来无人机作为应对舰载雷达的重要对抗手段之一,除自卫式干扰外还可以与其他兵力协同作战。因此,研究无人机协同岸舰导弹突防敌水面舰艇战术运用问题具有较强的现实意义,其研究成果可进一步丰富无人机作战理论。

1 电子压制下雷达探测性能分析

1.1 无干扰情况下雷达探测距离

雷达探测距离指在无电子干扰的理想状态下,构建相关因素与雷达探测距离之间的关系式,计算推导出雷达探测距离公式。舰载雷达探测距离的计算公式为[12]

(1)

式(1)中：Pt为雷达发射机输出功率;假设雷达的收发天线为同一天线,即Gt=Gr,Gt为雷达发射天线增益;Gr为雷达接收天线增益;σ为目标的雷达反射截面积;λ为雷达的波长;Lr为雷达信号的损耗系数;Simin为舰载雷达最小可检测信号的功率,在只考虑噪声影响的情况下,舰载雷达能够探测到目标的距离即雷达自卫距离,对于电子无人机而言,此距离也可称为雷达烧穿距离[13]。

(2)

雷达探测距离原理实则为雷达接收机接收信号功率大于雷达系统噪声功率时,雷达才能探测发现到来袭的空中目标。若来袭目标超过雷达有效探测距离,雷达接收功率逐渐衰减,雷达不能有效检测到目标信号功率,从而导致舰载雷达无法捕获空中目标。

1.2 干扰情况下雷达探测距离

针对舰载火控雷达,实施噪声压制性干扰是当前行之有效的干扰压制方式之一[14]。相较于有人机干扰压制,无人机实施电子压制在隐身性和安全性方面都具有很大优势。在无人机协同岸舰导弹对海突击行动中,雷达接收机会同时接收到两个信号,分别是无人机的电子干扰信号和岸舰导弹回波信号。假设使用相同类型的无人机,单部无人机干扰发射功率为Pj,干扰天线增益为Gj,雷达天线在无人机干扰方向上的增益为G′t(θ),γj为无人机干扰信号对雷达天线的极化系数,Rj为无人机与敌方舰艇雷达之间的距离,θ为无人机和岸舰导弹在水平方向上的夹角。

电子战无人机实施干扰情况下,干扰信号功率为

(3)

式(3)中：Lj为无人机干扰信号损耗系数。

雷达接收岸舰导弹回波信号功率为

(4)

将式(3)和式(4)相结合,得到无人机干扰信号功率与岸舰导弹雷达回波信号功率的比值,即雷达干扰方程[15],如式(5)所示。

(5)

式(5)中：Br为舰载雷达的带宽;Bj为电子战无人机带宽;Kj为电子压制系数,该系数是用来衡量干扰是否有效的标准,该系数越小,雷达越容易被干扰,雷达的抗干扰能力就越差;反之,压制系数越大,为无人机实施干扰越困难,雷达的抗干扰性能就越强。

将式(5)进行变换得到式(6),即

(6)

将式(6)进行变换得到式(7),即

(7)

式(7)为电子干扰压制情况下雷达探测距离。

2 电子干扰下雷达暴露区计算模型

2.1 单架无人机电子干扰下雷达暴露区模型

如图1所示,通过建立无人机、岸舰导弹与雷达三者之间的空间关系。电子战无人机天线主瓣对准雷达,而雷达天线主瓣则对准岸舰导弹,因此,电子战无人机的干扰能量大部分由旁瓣进入雷达内部。

Rt和Rj分别岸舰导弹、无人机到达作战目标的距离;Dt和Dj分别为岸舰导弹、无人机到达作战目标的水平距离;Ht和Hj分别为岸舰导弹、无人机垂直地面的高度;θ为无人机和岸舰导弹在水平方向上的夹角

假设无人机在某一特定范围内进行机动作战,将其视为空间中固定一点,岸舰导弹距离水平面的高度为Ht,无人机干扰信号偏离雷达的角度为θ,岸舰导弹距离雷达的水平距离为Dt。因此,岸舰导弹到作战目标的距离公式需满足式(8)。

(8)

无人机到作战目标的距离公式需满足式(9)。

(9)

雷达天线增益的简化方程为

(10)

式(10)中：θ0.5为水平方向半功率波瓣宽度;k为常数,取0.04～0.10[16]。

通过对电子战无人机和雷达作战参数进行设置,当岸舰导弹飞行高度固定时,将式(8)与式(9)代入式(7)中,即可得到以θ为自变量,Dt为因变量,在θ取不同值时,可求得相应方向上的最小干扰距离Dt,所绘图形是以雷达为中心点的极坐标掩护区图形。因此,第i架电子战无人机对雷达实施干扰的暴露区计算模型如式(11)所示。

(11)

因无人机距离目标的水平距离要远大于岸舰导弹的飞行高度和无人机的飞行高度,所以在计算干扰压制区模型时忽略高度因素对雷达暴露区的影响,式(12)为简化的雷达暴露区模型。

(12)

2.2 多架无人机电子干扰下雷达暴露区模型

在实际作战行动中,使用不同数量的电子战无人机所产生的干扰压制效果不同。若采用单架无人机对敌方舰载雷达实施电子压制,因其自身载荷限制,导致干扰能力偏弱,如果增加任务载荷势必会影响无人机的机动性;若采用无人机近距离抵近实施干扰,则极大地增加了无人机被敌方拦截的可能性。因此,可采用多架无人机分布式协同作战,从多方向对敌方舰载雷达实施电子压制,从而为岸舰导弹突防提供有利条件。

根据功率叠加原理及单架无人机电子干扰下雷达暴露区模型,当有n架无人机对敌方雷达实施干扰时,n架无人机干扰信号总功率与目标雷达回波率比值为

(13)

式(13)中：Pji为第i架无人机干扰发射功率;Gji为第i架无人机干扰天线增益;γji为第i架无人机干扰信号对舰载雷达天线的极化系数;Rji为第i架无人机与敌方舰载雷达之间的距离;Lji为第i架无人机干扰信号损耗系数。

为简便计算,除干扰方向外将所有无人机设置相同作战参数,并将式(8)和式(9)代入式(13)中,即

(14)

根据单架无人机电子干扰下雷达暴露区模型,忽略高度因素的影响,则n架电子战无人机对雷达实施干扰的暴露区计算模型公式为

(15)

2.3 无人机的阵位配置

无人机的阵位配置与地面干扰机阵位配置不同,一方面需要考虑对舰载雷达的电子压制效果,另一方面基于无人机自身的技战术特点和机动性能,从多方面因素考虑阵位配置问题。

2.3.1 无人机最远配置阵位

无人机最远配置阵位指为了满足一定的压制距离和压制扇面宽度,无人机距离舰载雷达最大的水平距离。

(16)

式(16)中：Δθ为无人机有效干扰扇面。

L=2Dtsinθ

(17)

式(17)中：L为无人机有效干扰扇面宽度。

将式(16)和式(17)结合得到无人机最远配置距离公式为

(18)

式(18)中：Dmax为无人机最远配置距离。

2.3.2 无人机最近配置阵位

如图2所示,因无人机在垂直面内天线方向的特殊性,当无人机距离目标雷达距离过近时,即无人机的干扰主波束下方就是目标雷达,此时无人机不能对目标雷达实施有效的干扰压制,在这种情况下无人机距离目标的雷达距离被称为无人机过顶距离[17]。

图2 无人机过顶距离示意图

无人机过顶时,距离目标雷达最小的水平距离为

(19)

式(19)中：φ为无人机在垂直面波束下视角度;φ0.5为无人机在垂直面干扰波束半波宽度;Hj为无人机垂直地面的高度;Dj-min为无人机到作战目标的水平距离。

除考虑过顶距离外,无人机在保证自身安全的前提下,其阵位配置距离应大于自卫距离。因无人机即是干扰机又是被探测目标,根据干扰功率式(7)和目标回波功率式(8)结合得到无人机自卫距离D0,即

(20)

根据无人机过顶距离和无人机自卫距离,则无人机的最近配置距离为

Dmin=DcD0

(21)

综上所述,无人机在满足所需的电子压制条件下,尽量在敌方舰载雷达探测发现距离和防空武器拦截范围外对敌实施有效电子压制,从而能够有效保证自身安全,更好地掩护空中目标突防。

3 仿真计算与分析

根据不同情况下雷达暴露区计算模型可知,雷达主瓣方向对准来袭目标时,雷达探测目标的能力与雷达本身的作战性能、无人机的阵位配置、无人机的干扰效能、来袭目标的飞行高度等因素息息相关。在无人机干扰情况下,沿雷达主瓣方向进行360°旋转,将不同时刻雷达最大探测距离点依次进行连接,从而得到雷达暴露区情况,岸舰导弹或其他突防兵力则可利用电子干扰压制区实施突防[18]。具体作战参数设置如表1所示。

表1 作战参数设置

3.1 单架无人机干扰情况

根据雷达暴露区计算模型,采用极坐标形式进行为,曲线内部为雷达暴露区,曲线外部为雷达的压制区。电子战无人机所在位置与雷达之间的连线方向干扰效果最好,当电子压制产生效果时,雷达暴露区会出现一个明显的凹陷区域,所以雷达暴露区面积变化的程度与干扰压制效果之间的关系联系紧密。

如图3所示,将单架无人机配置在不同位置,无人机由(0°,50 km)调整至(0°,70 km),经前后对比发现,无人机产生的干扰效果不同,距离雷达越近,干扰效果越好,暴露区面积越小;相反,距离雷达越远,干扰效果越差,雷达暴露区面积越大。这是因为随着无人机与作战目标两者之间的距离不断增大,进入雷达接收机的干扰信号能量却逐渐衰减,从而导致雷达探测目标的信干比增大,使得舰载雷达可以探测到更远距离的作战目标,而此时无人机的干扰压制效果会随着距离的增大而降低。

图3 不同干扰距离时雷达暴露区

如图4所示,当单架无人机配置位置不变,将无人机干扰功率由10 W调提升至30 W时,此时雷达暴露区面积明显缩小,结果表明：随着无人机干扰机功率的提升,雷达探测效能也随之降低。

图4 不同干扰功率时雷达暴露区

3.2 双架无人机干扰情况

如图5所示,当采用两架无人机实施干扰时,即无人机1位置为(30°,50 km),无人机2位置为(330°,50 km),此时雷达暴露区会出现两个明显的凹陷区,说明双架无人机电子压制效果明显,其干扰压制区覆盖范围大于单架无人机干扰压制范围。因此,在实际作战中,可使用多架无人机从不同方向对敌方舰载雷达实施电子干扰,掩护空中兵力突防,增加敌方的拦截难度。

图5 双架无人机干扰时雷达暴露区

3.3 无人机阵位配置情况

根据无人机最远配置距离和最近配置距离公式,在考虑无人机和掩护目标飞行高度影响的情况下,假设无人机飞行高度1 000 m,雷达反射截面积2 m2,岸舰导弹低空掠海飞行高度25 m,岸舰导弹距舰载雷达水平距离[10 km,30 km]内区间变化,压制扇面宽度为3 km,其他参数不变,此时无人机的可活动范围如图6所示。

图6 无人机活动范围与掩护距离之间关系

如图6所示,无人机的活动范围位于最近及最远距离之间,当设置的电子压制扇面宽度一定时,掩护目标的距离越近,无人机的可活动范围越小,通过增加无人机数量获取更大的干扰功率,从而能有效延伸无人机的活动范围。

如图7所示,当岸舰导弹距离目标15 km时,压制扇面的宽度为[2 km,20 km]区间内变化,随着压制扇面宽度的增大,无人机的活动范围逐渐递减。

图7 无人机活动范围与压制扇面之间关系

仿真结果表明：在无人机掩护岸舰导弹突防行动中,无人机距离雷达越近,干扰功率越大,对敌方雷达的干扰压制效果就越好。无人机虽然易遭受敌方防空火力的拦截打击,但可通过增加无人机的数量,使用无人机进行分布式作战,也可配合电子欺骗等其他干扰手段,从而隐瞒真实的作战企图,同时也可达到消耗敌方火力的作战目的,新的作战样式能够更好地掩护岸舰导弹突防水面舰艇,提升整体作战效能。

4 结论

以电子战无人机协同岸舰导弹突击水面舰艇为研究背景,基于雷达探测距离方程和雷达干扰方程,构建无人机分布式干扰条件下的雷达暴露区计算模型,并对无人机阵位配置情况进行分析。结果表明：采用无人机分布式干扰可有效降低雷达作战效能,为岸舰导弹突防提供有利条件,此外无人机的阵位配置不同,产生的干扰效果也会存在较大差异。上述结论对研究无人机协同其他兵力作战具有较高的理论参考意义,同时也为指挥员合理使用电子战无人机掩护空中兵力突防提供重要理论基础。