导弹预警卫星对抗及其效能评估仿真研究

沈 阳，李修和，李 勇

（解放军电子工程学院，安徽 合肥230037）

0 引言

导弹预警卫星是导弹防御系统的重要组成部分，它担负着弹道导弹早期预警的重任，历来是导弹攻防双方关注的焦点。预警卫星通过星载红外传感器对导弹尾焰的探测，经通信链路将探测信息传输给地面站，地面站在信息处理后发出导弹预警信号和战术参数估计，从而启动引导防御系统的后续拦截行动［1-2］。

导弹预警卫星的薄弱环节在哪、如何降低预警卫星对弹道导弹的威胁，成为亟待解决的问题。本文针对预警卫星的作战过程，分析了对抗预警卫星的方法手段，建立了预警卫星对抗效能评估模型，并构建了预警卫星对抗仿真系统。导弹预警卫星对抗的建模仿真，对于研究预警卫星对抗手段和弹道导弹突防均具有十分重要的意义。

1 导弹预警卫星对抗分析

1.1 导弹预警卫星红外对抗分析

导弹发射中主动段的尾焰辐射强烈，是预警卫星探测的基础。导弹尾焰发出的电磁波包含红外、可见光、紫外等电磁波谱，但三者中红外是主要的辐射成分，紫外谱段比例较小，可见光谱段能量较小，对后两者的探测主要是综合起来降低虚警率。预警卫星上的有效载荷主要有红外探测系统，另外还有核爆炸探测器、紫外跟踪探测系统等。短波红外用于探测处于助推段的导弹，中波红外探测处于飞行中段的导弹。

鉴于预警卫星的红外探测原理，预警卫星对抗可考虑红外对抗手段，包括激光有源干扰和烟幕无源干扰［3］。在导弹突防过程中，可利用强激光武器对星载红外探测器进行干扰：强激光照射到红外探测器，使探测器饱和，超过其线性工作范围，使光电探测器暂时失效。当激光辐照能量密度足够大或者照射时间足够长，则会对红外探测器产生永久的损伤。上述对抗手段的使用一方面可降低探测器的探测概率，延迟对突防导弹的首次探测时间，缩短预警卫星的预警时间；另一方面还可彻底毁坏红外探测器，使预警卫星丧失早期预警功能。

当目标发出的红外辐射入射到烟幕时，烟幕对其产生吸收和散射，红外辐射遭到衰减。烟幕可分为辐射遮蔽型和衰减遮蔽型两类，由于辐射遮蔽型烟幕本身较强的红外辐射，一旦被识别就很容易暴露目标，所以目前的研究主要集中在衰减遮蔽型烟幕上。衰减遮蔽型烟幕是靠烟幕对红外辐射的吸收、散射和反射作用来实现遮蔽，其中反射的作用相当微弱，一般情况下可以忽略不计。对预警卫星的烟幕干扰，除了衰减遮蔽干扰还有红外诱饵和红外伪装。

1.2 导弹预警卫星通信链路对抗分析

预警卫星在工作过程中需要经过下行通信链路对地面站不断传输星上探测信息。导弹预警卫星的下行通信链路主要是将星上的探测数据信息传送到地面站进行初步的信息处理。在没有发现目标时，每隔30秒与地面站联络，进行链路链接和状态信息的传输；一旦探测器发现目标，则连续以每秒1～2帧的速率将目标尾焰图像传递到地面站。因此，预警卫星系统的下行通信链路也是对抗目标之一。

通信链路对抗就是通过干扰预警卫星与地面站之间的下行通信链路，达到降低星地间信息交换的成功率，延长通信时间，使预警探测数据无法有效传输到地面站进行处理［4］。考虑到地面站接收天线波束宽度、地球曲率和地物障碍等因素，对下行通信链路的对抗，可采用伴星干扰方式干扰地面站接收部分。对下行链路的干扰是建立在对上行链路侦察的基础之上，主要目的是割断预警卫星与地面站之间联系，降低信息传输质量并延迟数据传输时间。

2 导弹预警卫星对抗效能评估建模

2.1 天基激光干扰效能评估模型

鉴于激光干扰的窄视场特性，对导弹预警卫星的激光干扰需采用预警卫星伴星干扰方式。对于激光干扰，通过研究探测距离和探测概率与激光干扰之间的变化关系，来评估激光干扰的效能。

设卫星红外敏感探测器光电成像焦面的干扰功率密度为p3，脉冲激光的脉冲周期为τ，探测器饱和阈值为E1，损坏阈值为E2。

当p3τ＜E1时，DSP预警卫星的作用距离为［5］：

式中，Vs为红外敏感探测器探测到的目标红外辐射信号电压，Vn为进入红外敏感探测器的均方根噪声电压值，（Vs／Vn）min为红外探测系统正常工作所需的最小信噪比，Ro为红外探测系统的理想作用距离［5］。

式中，D0为光学系统入射孔径的直径；光学系统数值孔径（NA）为D0／2f，f 为光学系统等效焦距；D＊为探测器单位面积、单位带宽的探测度；Iλ1～λ2为目标的红外辐射强度；τa为工作波段内的大气红外透过率；τ0为光学系统红外透过率；γ 为脉冲能见度系数；C 为单个探测器元件的数目；Ω 为扫描探测视场大小；T 为红外探测扫描帧时间。

探测概率为［6］：

式中，Vs／Vn为信噪比；α、β、c为常数，参考取值分别为0.001、4.5997、0.44825。

当E1＜p3τ＜E2时，预警卫星的作用距离和探测概率分别为：

当E2＜p3τ时，预警卫星的红外探测功能失效，作用距离和探测概率均为0。

2.2 烟幕遮蔽干扰效能评估模型

在对预警卫星的对抗技术中，通过伴星或其他方式施放红外烟幕是一种行之有效的手段［7］。对于烟幕遮蔽干扰，通过研究探测距离和探测概率与烟幕干扰条件下大气透过率之间的变化关系，来评估烟幕遮蔽干扰的效能。

红外烟幕的消光性能主要是由粒子的吸收和散射引起的，假定烟幕粒子为实心刚性球形粒子，且其粒径参数（2πr／λ）较大，此时可采用米氏理论计算其对红外光线的消光性能。当烟幕厚度为L，由朗伯—比尔定律可得到烟幕的透过率τ的近似表达式为：

其中：

式中，N 为烟幕的颗粒浓度，ae为粒子的质量消光截面，L 为烟幕路径的长度，c为烟幕的质量浓度，r为介质微粒的半径，ρ为粒子质量密度，Qe为介质衰减效率因子。

则烟幕干扰条件下预警卫星接收的导弹尾焰红外辐射强度为：

得到烟幕衰减后的红外辐射强度后，预警卫星的探测距离和概率计算公式为式（1）、（2）和（3）。

2.3 通信链路干扰效能评估模型

对于预警卫星通信链路的干扰，采取基于天基干扰平台对预警卫星系统下行数据链路的手段。对于通信链路干扰，可以研究通信误码率与链路干扰之间的关系，来评估干扰效能。

对预警卫星通信链路有效干扰的条件为：

式中，fjmin为干扰频率下限，fd为卫星地面站工作频率，fjmax为干扰频率上限，hj为干扰平台高度，hjmin为保证有效干扰的平台高度下限，（J／S）d为卫星地面站接收的干信比，（J／S）max为保证有效干扰的最大干信比。

其中：

式中，Re为地球半径；hr为天线架高；αmin为卫星地面站通信接收机天线波束抑制仰角；βjr为地面站与星载干扰设备在地球表面上投影间的地心角；φr、θr为地面站的经度和纬度；φj、θj为干扰设备的经度和纬度。

干扰条件下的数字通信误码率与通信调制和解调方式以及通信接收机输入端信干比有关。2DPSK 系统采用相干解调和差分相干解调时，误码率分别为［8］：

3 导弹预警卫星对抗仿真系统

3.1 系统组成

导弹预警卫星对抗系统仿真成员主要由仿真管理控制模块、数据接收与分发模块、作战实体平台模块、卫星有效载荷模块、数传链路通信模块、预警信息处理模块、卫星对抗仿真模块和干扰效能分析模块以及数据库和模型库组成，如图1所示［9］。

图1 预警卫星对抗系统仿真成员组成框图

3.2 仿真流程

根据上述的预警卫星对抗分析与建模，预警卫星对抗系统的仿真流程如图2所示，包括五大部分：一是系统初始化与想定加载；二是卫星对抗仿真；三是预警卫星视场判断与探测概率计算；四是卫星下行链路状态与通信质量计算；五是地面站信息处理与发布。

图2 预警卫星对抗系统仿真流程图

3.3 仿真实验

实验中对导弹预警卫星红外敏感探测器进行干扰，采取卫星载强激光器和红外遮蔽烟幕干扰装备完成；利用通信干扰卫星，对预警卫星通信下行链路中的导弹预警卫星地面站进行干扰。仿真结果如图3～5所示。

图3 激光干扰效能仿真评估结果

图4 烟幕干扰效能仿真评估结果

图5 通信干扰效能仿真评估结果

由图3分析可知：激光干扰条件下，对探测距离和概率的干扰影响机理相同，因此，二者的效能仿真评估结果曲线类似，都体现了饱和阈值和损坏阈值的分段性。

由图4分析可知：烟幕干扰条件下，探测距离随烟幕透过率变化，透过率越大，相对探测距离越大，当透过率为1即无烟幕干扰时，就是无干扰条件下的探测距离。

由图5分析可知：通信干扰条件下，误码率随信干比增大而减小，相同信干比时，不同通信解调方式下的误码率不同。

4 结束语

预警卫星是导弹防御系统的重要组成部分，建立其对抗仿真系统对于导弹突防研究具有十分重要的意义。本文从分析预警卫星对抗手段入手，建立相应的对抗效能评估模型，最后构建了预警卫星对抗系统仿真平台并进行了实验分析。■

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