張偉軍,洪 闖,葉衛(wèi)勇,李海路,關(guān)寶財,王志春
(1.中國人民解放軍95821 部隊,甘肅 酒泉 732750;2.中國人民解放軍93145 部隊,廣東 深圳 518000;3.中國航天科工集團(tuán)8511 研究所,江蘇 南京 210007)
彈道導(dǎo)彈(TBM)在助推段、自由飛行段和再入段面臨多種電子威脅,為了提高突防效果,TBM 采用無源、有源等多種電子對抗手段,對反導(dǎo)系統(tǒng)中的雷達(dá)或?qū)б^進(jìn)行干擾,使反導(dǎo)系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能下降。有源電子對抗手段主要是采用伴隨式干擾機(jī),其安裝于TBM 彈上的干擾艙內(nèi),可根據(jù)工作時序拋出,開機(jī)高度可調(diào),靠慣性與導(dǎo)彈伴飛,在起飛段主要對天干擾預(yù)警衛(wèi)星,在中段和末端主要干擾搜索雷達(dá)、制導(dǎo)雷達(dá)和導(dǎo)引頭。干擾模式主要是根據(jù)偵察結(jié)果進(jìn)行選擇,可根據(jù)戰(zhàn)前搜集的情報進(jìn)行設(shè)置,也可根據(jù)干擾機(jī)的偵察結(jié)果進(jìn)行自適應(yīng)干擾,從而達(dá)到突防的目的。
為了給靶場反導(dǎo)武器系統(tǒng)抗干擾能力評估提供一定的數(shù)據(jù)支撐,需要對彈道靶彈伴隨有源干擾機(jī)輻射的信號進(jìn)行監(jiān)測。為此,本文首先研究伴隨式干擾機(jī)工作過程與主要特點,提出伴隨有源干擾信號監(jiān)測系統(tǒng)(以下簡稱監(jiān)測系統(tǒng))的要求與實現(xiàn)途徑,然后分析監(jiān)測系統(tǒng)與常規(guī)監(jiān)測系統(tǒng)的差異,在此基礎(chǔ)上,設(shè)計滿足試驗要求的監(jiān)測系統(tǒng),最后通過STK 仿真,驗證監(jiān)測系統(tǒng)主要指標(biāo)以及使用方法的合理性,為反導(dǎo)試驗監(jiān)測裝備的研制和使用提供技術(shù)支撐。
監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與其作用對象(彈道靶彈有源干擾機(jī))息息相關(guān),需要對有源干擾機(jī)的典型工作過程和主要特點進(jìn)行研究。
有源干擾機(jī)的典型工作過程為:在彈上指令控制下,干擾機(jī)電池被激活,干擾機(jī)與靶彈艙體分離,經(jīng)過一定延時,干擾機(jī)開機(jī)工作,當(dāng)偵收到雷達(dá)信號后,進(jìn)行信號分選并與干擾機(jī)上的雷達(dá)數(shù)據(jù)庫比對:當(dāng)判定為已有雷達(dá)信號類型時,選擇對應(yīng)的干擾樣式和參數(shù),釋放干擾信號;當(dāng)判定為未知雷達(dá)信號時,存貯雷達(dá)信號特征參數(shù)并根據(jù)干擾決策算法施放干擾信號。干擾機(jī)工作到預(yù)定時間后,進(jìn)行電自毀。
伴隨有源干擾機(jī)的主要特點為:1)使用方式靈活。一枚彈道靶彈可攜帶多個不同工作頻段的有源干擾機(jī);干擾機(jī)釋放時機(jī)靈活,可在過彈道最高點后釋放,也可在升弧段釋放;單個干擾機(jī)在不同彈道飛行段可施放不同樣式、不同強度的干擾;多個干擾機(jī)之間可具備協(xié)同偵察、協(xié)同干擾的功能。2)有效輻射功率ERP 有限,信號持續(xù)時間短。由于彈上干擾機(jī)的體積和質(zhì)量受限,電池容量也有限,ERP 一般不超過百瓦量級,干擾持續(xù)時間為幾百秒量級。3)干擾波束覆蓋區(qū)域大。為了使干擾機(jī)動態(tài)飛行過程中,方便形成對雷達(dá)的干擾,干擾機(jī)天線波束很寬,一股可達(dá)120°×120°,干擾波束覆蓋區(qū)域很大,能對處于干擾頻段的一個或多個雷達(dá)進(jìn)行干擾。4)干擾樣式多。干擾樣式包括寬帶阻塞噪聲干擾、窄帶瞄準(zhǔn)噪聲干擾、轉(zhuǎn)發(fā)干擾、多假目標(biāo)干擾和間斷干擾等。
通過分析彈道靶彈有源干擾機(jī)的工作過程和主要特點,可知要監(jiān)測其干擾信號,對監(jiān)測系統(tǒng)和其使用有較高要求。
2.1.1 應(yīng)具備很高的系統(tǒng)靈敏度
在反導(dǎo)試驗中,有源干擾機(jī)距離制導(dǎo)雷達(dá)的開機(jī)距離一般不小于彈道靶彈射程的一半,而有源干擾機(jī)ERP 較小,一般為2~50 W,要實現(xiàn)對遠(yuǎn)距離小功率干擾信號的監(jiān)測,對系統(tǒng)監(jiān)測靈敏度提出了很高的要求。
下面以ERP 為10 W 為例,計算不同頻率和監(jiān)測距離對監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度的要求,結(jié)果如表1 所示。
表1 不同頻率、不同監(jiān)測距離對系統(tǒng)靈敏度要求
從表1 可以得出以下結(jié)論:當(dāng)干擾機(jī)ERP 為10 W、開機(jī)距離為250 km、工作頻率為6 GHz 時,系統(tǒng)的靈敏度要達(dá)到-116 dBm。當(dāng)開機(jī)距離更遠(yuǎn)、干擾信號頻率更高時,對監(jiān)測系統(tǒng)的靈敏度要求更高。
為此可采取的相關(guān)措施主要有:1)采用大尺寸拋物面天線,以提高天線的增益;2)采用信道化接收機(jī),以提高接收機(jī)靈敏度;3)通過外部數(shù)據(jù)源引導(dǎo)伺服機(jī)構(gòu),使天線主波束實時對準(zhǔn)有源干擾機(jī)所在位置;4)充分利用試驗先驗信息,包括彈道仿真數(shù)據(jù)、干擾機(jī)干擾參數(shù)、釋放時刻、干擾延時開機(jī)時間、干擾機(jī)釋放數(shù)量等信息,對監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)置。
2.1.2 應(yīng)盡可能減小雷達(dá)旁瓣輻射信號的影響
如果將監(jiān)測系統(tǒng)部署在制導(dǎo)雷達(dá)站附近,監(jiān)測系統(tǒng)接收的雷達(dá)旁瓣輻射信號將大于有源干擾機(jī)釋放的干擾信號,在強信號存在時對弱小信號的檢測與提取十分困難,因此監(jiān)測系統(tǒng)需要盡可能減小雷達(dá)旁瓣輻射信號的影響。
為此可采取的措施主要有:1)優(yōu)化監(jiān)測系統(tǒng)的布站,使雷達(dá)旁瓣對監(jiān)測系統(tǒng)的影響減小到最低程度;2)專門設(shè)計一個輔助通道,對主接收通道進(jìn)行開關(guān)調(diào)制,保證主通道在地面雷達(dá)旁瓣信號高電平時停止接收、低電平時開始接收,最大程度減小雷達(dá)旁瓣對監(jiān)測系統(tǒng)的影響;3)通過信號處理算法一定程度上抑制雷達(dá)輻射信號的影響。
2.1.3 應(yīng)具備外引導(dǎo)功能
監(jiān)測系統(tǒng)的高增益天線波束寬度窄,典型值為1.5°×1.5°,為對干擾信號進(jìn)行有效監(jiān)測,監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備外引導(dǎo)功能,獲取靶彈遙測設(shè)備實時下傳到試驗網(wǎng)的位置數(shù)據(jù),使監(jiān)測系統(tǒng)實時指向干擾源所在位置。
為此可采取的措施主要有:1)通過試驗網(wǎng)實時獲取靶彈的遙測位置數(shù)據(jù);2)根據(jù)靶彈的彈道仿真數(shù)據(jù)和發(fā)射0 時刻,來推算對應(yīng)時刻的靶彈位置信息,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)異常時也能獲取靶彈位置數(shù)據(jù);3)根據(jù)干擾機(jī)釋放角度、釋放速度等參數(shù),以及靶彈彈道仿真數(shù)據(jù)和發(fā)射0 時刻,計算干擾機(jī)飛行軌跡數(shù)據(jù),作為獲取干擾機(jī)對應(yīng)時刻的位置數(shù)據(jù)的一種手段。
為使監(jiān)測系統(tǒng)能監(jiān)測到遠(yuǎn)距離的干擾信號,對其使用也提出了較高要求,除了按操作流程對監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行操作使用外,最主要的要求是合理布站。布站的主要原則是:1)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)在盡可能遠(yuǎn)的距離、在盡可能長的時間監(jiān)測到干擾機(jī)釋放的有源干擾;2)監(jiān)測系統(tǒng)需要避開靶彈一子級落點區(qū)域、航區(qū)安全控制區(qū)、再入體落點區(qū)域、攔截器落點區(qū)域、攔截試驗中碎片散布區(qū)域、導(dǎo)彈助推級落點區(qū)域、未碰撞時導(dǎo)彈攔截器落點區(qū)域,以保證人員和設(shè)備安全;3)監(jiān)測系統(tǒng)要便于機(jī)動到部署位置,也要方便接入試驗網(wǎng)進(jìn)行外引導(dǎo);4)監(jiān)測系統(tǒng)受雷達(dá)旁瓣輻射信號的影響最小。為此,可利用監(jiān)測系統(tǒng)雙通道設(shè)計帶來的優(yōu)勢,可也利用非通視條件電磁波傳播受阻這一特點。通過計算,可得到某制導(dǎo)雷達(dá)與監(jiān)測系統(tǒng)之間的通視距離為16 km,考慮到地面起伏等因素,通視距離可取為20 km,即當(dāng)監(jiān)測系統(tǒng)與制導(dǎo)雷達(dá)相距20 km 時,可認(rèn)為監(jiān)測系統(tǒng)基本不受制導(dǎo)雷達(dá)的影響。
綜合考慮以上布站原則,監(jiān)測系統(tǒng)需要布置在干擾機(jī)干擾方向的側(cè)前方,且與靶彈落點相距若干千米;監(jiān)測系統(tǒng)距離反導(dǎo)制導(dǎo)雷達(dá)20 km 左右,也可根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)雙通道抑制雷達(dá)旁瓣的效果,調(diào)整間距。監(jiān)測系統(tǒng)布局示意圖如圖1 所示。
圖1 監(jiān)測系統(tǒng)布局示意圖
監(jiān)測系統(tǒng)與常規(guī)電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的組成基本相同,但也存在不同之處,需要分析這些差異并進(jìn)行針對性設(shè)計。
監(jiān)測系統(tǒng)與常規(guī)電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的不同之處主要體現(xiàn)在:
1)天線的形式不同。監(jiān)測系統(tǒng)須采用拋物面天線或傘狀天線,以提高天線增益,而常規(guī)電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),一般采用對數(shù)周期或喇叭天線,增益較小。
2)監(jiān)測通道的數(shù)量不同。為減少雷達(dá)旁瓣信號對監(jiān)測系統(tǒng)的影響,需要增加一個輔助通道,根據(jù)輔助通道偵收到的雷達(dá)信號,對主通道的接收通道進(jìn)行開關(guān)調(diào)制,保證主通道在雷達(dá)旁瓣信號高電平內(nèi)停止接收,有效解決地面雷達(dá)旁瓣信號對主接收通道造成的干擾。而常規(guī)電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),一般只設(shè)計了一個主接收通道。
3)測量接收分系統(tǒng)的要求不同。監(jiān)測系統(tǒng),對信號的實時采集與分析能力要求高,因此需要采用實時頻譜分析儀和高速采樣示波器,來快速獲得信號的時頻域特征,而常規(guī)監(jiān)測系統(tǒng)可不需要測量接收分系統(tǒng),或采用常規(guī)的頻譜分析儀和示波器即可。
4)信號采集與存儲分系統(tǒng)的要求不同。監(jiān)測系統(tǒng),由于干擾信號持續(xù)時間短,難以對信號進(jìn)行實時快速分析,需要采用高速AD 來對信號進(jìn)行快速采集,并對采集的信號進(jìn)行高速存儲,事后對保存的數(shù)據(jù)再進(jìn)行詳細(xì)分析,而常規(guī)監(jiān)測系統(tǒng)一般是對信號進(jìn)行采集并進(jìn)行實時處理,可不采用高速存儲設(shè)備。
5)載車和伺服的要求不同。監(jiān)測系統(tǒng)由于天線波束寬度窄,而使用時要求天線波束對準(zhǔn)伴隨干擾機(jī)所在位置,故要求載車能自動調(diào)平、伺服機(jī)構(gòu)能快速響應(yīng)外部引導(dǎo)數(shù)據(jù)并動作、天線指向精度要求高,而常規(guī)電磁監(jiān)測系統(tǒng)的要求無需很高。
根據(jù)以上的差異性分析,設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)主要由天伺饋分系統(tǒng)、信號接收分系統(tǒng)、信號處理分系統(tǒng)、測量接收分系統(tǒng)、信號采集與存儲分系統(tǒng)、主控分系統(tǒng)和配套保障設(shè)備組成,系統(tǒng)組成框圖如圖2 所示。
圖2 監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖
1)天伺饋分系統(tǒng):用于接收干擾信號,主要由旋轉(zhuǎn)平臺、拋物面天線、輔助天線組成,其中旋轉(zhuǎn)平臺由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)臺控制器和雙GPS/“北斗”定位儀組成。由雙GPS/“北斗”定位儀測量系統(tǒng)的位置和真北角,轉(zhuǎn)臺控制器接收外引導(dǎo)數(shù)據(jù),經(jīng)過角度計算,控制旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)天線的指向,實時跟蹤監(jiān)測目標(biāo)的輻射信號;拋物面天線具有高增益,具備對遠(yuǎn)距離干擾輻射源/弱信號進(jìn)行接收的功能;輔助天線具備接收雷達(dá)旁瓣信號功能。
2)信號接收分系統(tǒng):用于對2 個通道的射頻信號分別進(jìn)行混頻、放大、濾波、下變頻等處理,主要由前端模塊、變頻模塊、頻綜和自檢源模塊組成。接收前端由微波限幅、濾波、放大、衰減器、功分器等組成,變頻模塊完成對射頻信的變頻、濾波、放大等功能。
3)信號處理分系統(tǒng):用于頻域?qū)掗_信號的檢測、雷達(dá)信號脈內(nèi)細(xì)微特征的分析、壓制干擾信號的參數(shù)測量、系統(tǒng)工作流程的實時控制,主要由信道化模塊、信號分選模塊和系統(tǒng)控制模塊組成。
4)信號測量分系統(tǒng):用于信號的分析、信號頻譜的測量,脈沖信號時間、頻率、相位、幅度的聯(lián)合分析,主要由實時頻譜儀和高速采樣數(shù)字示波器組成。
5)信號采集與存儲分系統(tǒng):用于中頻信號的數(shù)據(jù)采集、存儲與回放,由A/D 采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、D/A 轉(zhuǎn)換模塊以及控制系統(tǒng)組成。
6)主控分系統(tǒng):用于設(shè)置監(jiān)測系統(tǒng)的工作模式,控制設(shè)備完成對雷達(dá)信號、壓制干擾信號偵收,以表格、圖形等形式顯示雷達(dá)、干擾信號參數(shù)及圖形,主要由主控計算機(jī)和軟件組成。
7)配套保障設(shè)備:用于提供安裝平臺、運行環(huán)境、定位定向、指揮與通信等功能,主要由定位定向設(shè)備、時統(tǒng)及指揮調(diào)度設(shè)備、載車、方艙、油機(jī)和配套設(shè)備等組成。
整個系統(tǒng)工作流程如下:
1)主控分系統(tǒng)根據(jù)試驗方案完成相應(yīng)參數(shù)裝訂,并控制系統(tǒng)設(shè)備完成狀態(tài)自檢。系統(tǒng)實時控制計算機(jī)接收測控網(wǎng)的靶彈外引導(dǎo)信息,并結(jié)合自身定位定向設(shè)備提供的設(shè)備指向信息,綜合解算出轉(zhuǎn)臺的指向角度,控制主天線實時指向空中干擾機(jī)。
2)天線偵收的信號經(jīng)限幅后進(jìn)入微波接收機(jī),信號經(jīng)低噪聲放大后功分為2 路,其中一路信號進(jìn)入信號測量分系統(tǒng)的頻譜儀進(jìn)行實時頻譜顯示;另一路射頻信號在微波接收機(jī)內(nèi)經(jīng)過變頻單元后形成中頻信號。中頻信號功分為2 路,其中一路直接進(jìn)入信號采集與存儲分系統(tǒng)的采集單元,另一路進(jìn)入信號測量分系統(tǒng)的示波器。
3)微波接收機(jī)輔助通道采用寬波束天線偵收地面雷達(dá)旁瓣信號,偵收信號通過輔助通道高頻前端和變頻單元后變?yōu)橹蓄l信號。中頻信號功分為2 路,其中一路進(jìn)行入信號測量分系統(tǒng)的示波器,實時進(jìn)行中頻信號波形顯示;另一路信號進(jìn)入信號處理的采集單元,對信號進(jìn)行數(shù)字檢波后生成干擾調(diào)制脈沖,輸出至主通道的接收調(diào)制開關(guān),對主通道的接收通道進(jìn)行開關(guān)調(diào)制,保證主通道在雷達(dá)旁瓣信號高電平時關(guān)閉接收、在低電平時主通道正常接收。
4)信號處理分系統(tǒng)的采集單元對微波接收機(jī)主通道和輔助通道輸出的中頻信號進(jìn)行高速采樣,采樣原始信號進(jìn)入中頻信號處理單元內(nèi)進(jìn)行信號參數(shù)實時測量,中頻信號處理單元采用數(shù)字信道化接收技術(shù),對采集信號進(jìn)行數(shù)字信道化輸出的每一路信號進(jìn)行檢波、鑒相、測幅等數(shù)字信號處理,形成原始信號流參數(shù)測量值,由信號處理分系統(tǒng)進(jìn)行信號分選、識別和處理,形成最終的輻射源參數(shù)描述字(RDW)。
5)信號測量分系統(tǒng)接收微波接收機(jī)輸出的射頻信號和中頻信號,完成主通道射頻信號的頻譜顯示和主接收通道及輔助通道的中頻信號時域信息顯示。頻譜儀能夠?qū)χ魍ǖ郎漕l信號進(jìn)行實時頻譜分析、信號脈內(nèi)特征分析。示波器能夠?qū)χ魍ǖ篮洼o助通道中頻信號的時域波形進(jìn)行顯示。
6)事后數(shù)據(jù)處理和分析軟件能對指定時間段的采集存儲信號進(jìn)行提取、分析和處理,處理內(nèi)容包括時域分析、頻域分析等,并提取干擾信號出現(xiàn)時間、中心頻率和干擾帶寬等特征參數(shù),生成監(jiān)測報告。
為了對監(jiān)測系統(tǒng)主要性能、監(jiān)測系統(tǒng)布站合理性、監(jiān)測狀態(tài)等方面的情況進(jìn)行了解與驗證,采用衛(wèi)星工具包STK來進(jìn)行仿真分析。
利用STK 構(gòu)建典型的反導(dǎo)試驗場景,包括制導(dǎo)雷達(dá)陣地、監(jiān)測系統(tǒng)陣地、靶彈發(fā)射陣地、靶彈彈道、干擾機(jī)飛行軌跡、監(jiān)測系統(tǒng)波束寬度、作用距離等。其中靶彈彈道和干擾機(jī)飛行軌跡,可通過創(chuàng)建外部星歷數(shù)據(jù)文件來確定,本文采用的數(shù)據(jù)格式為經(jīng)緯度和高程,參考坐標(biāo)系為固連坐標(biāo)系;作用距離根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度、天線增益、干擾機(jī)ERP 等參數(shù)來計算獲得。
根據(jù)試驗方案數(shù)據(jù)以及靶彈仿真彈道等數(shù)據(jù),建立的反導(dǎo)試驗場景如圖3 所示。
圖3 反導(dǎo)試驗場景構(gòu)建(3D、2D)
首先依據(jù)反導(dǎo)試驗方案,編輯與設(shè)置反導(dǎo)區(qū)域場景,并對參與試驗的雷達(dá)部署位置及參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,導(dǎo)入靶彈彈道數(shù)據(jù)和干擾機(jī)飛行軌跡數(shù)據(jù);然后導(dǎo)入監(jiān)測系統(tǒng)布站和監(jiān)測距離等數(shù)據(jù),執(zhí)行推演,演示監(jiān)測過程,判斷分析監(jiān)測布站的合理性、監(jiān)測相關(guān)參數(shù)是否滿足要求,是則結(jié)束,否則修參數(shù)、重推演,直至滿足試驗要求。
通過仿真,能獲得以下結(jié)果:1)干擾機(jī)與靶彈動態(tài)分離情況。通過賦予不同時刻靶彈與2 個干擾機(jī)的大地坐標(biāo),隨著仿真時間的推進(jìn),能方便觀察干擾機(jī)與靶彈動態(tài)分離的情況。2)干擾機(jī)的波束覆蓋范圍。通過賦予干擾機(jī)一定的波束寬度,當(dāng)干擾機(jī)與靶彈分離后,隨著仿真時間的推進(jìn),能方便觀察2 個干擾機(jī)波束覆蓋區(qū)域,以及是否覆蓋制導(dǎo)雷達(dá)和監(jiān)測系統(tǒng),如圖4所示。3)監(jiān)測到干擾機(jī)的開始與結(jié)束時刻,以及干擾機(jī)對應(yīng)位置。通過賦予監(jiān)測系統(tǒng)的作用距離與波束寬度,隨著仿真時間的推進(jìn),能方便獲得當(dāng)監(jiān)測系統(tǒng)的波束與干擾機(jī)作用時,以及干擾機(jī)波束將不能覆蓋監(jiān)測系統(tǒng)時,對應(yīng)的監(jiān)測時刻以及相對于靶彈的位置與方位,如圖4—5 所示。
圖4 首次監(jiān)測到干擾信號的空間相對位置
通過仿真,能直觀地分析驗證監(jiān)測系統(tǒng)主要性能參數(shù)、監(jiān)測系統(tǒng)布站合理性、監(jiān)測到干擾信號的時間段以及相對于干擾機(jī)的空間位置信息等情況,從而為反導(dǎo)試驗監(jiān)測任務(wù)的完成奠定基礎(chǔ)。
圖5 不能監(jiān)測到干擾信號時空間相對位置
評估防空反導(dǎo)武器的抗干擾性能是防空反導(dǎo)武器系統(tǒng)性能鑒定的重要內(nèi)容,需要獲得伴隨有源干擾信號的監(jiān)測數(shù)據(jù)。本文結(jié)合實際工作需要,在研究彈道靶彈突防中的伴隨有源干擾機(jī)工作過程與使用特點的基礎(chǔ)上,有針對性分析了伴隨有源干擾信號的監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具備的特點與使用要求,并創(chuàng)新性地設(shè)計了伴隨有源干擾信號監(jiān)測系統(tǒng),通過STK 仿真開展了驗證工作,為反導(dǎo)試驗中的彈道靶彈有源干擾信號監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)與使用提供了技術(shù)支撐?!?/p>