航母编队雷达网抗干扰能力评估

何　勰,严建钢,杨士锋,申江江

(海军航空工程学院,山东烟台　264000)



航母编队雷达网抗干扰能力评估

何勰,严建钢,杨士锋,申江江

(海军航空工程学院,山东烟台264000)

以航母编队为平台的雷达网抗干扰能力为研究对象,建立了编队雷达网自卫距离、干扰压制比、抗干扰能力度量三个指标模型并根据实例进行能力评估和分析,提出了提高雷达网抗干扰能力的措施,为航母编队雷达网抗干扰能力的研究和作战使用提供理论参考。

航母编队;雷达网;抗干扰能力;模型;评估

雷达组网对航母编队执行作战任务十分重要,特别是在不同于陆地的海上环境中,航母编队面对的是复杂电磁环境、海洋气象条件等诸多不定因素,这些因素影响着雷达网的探测能力,同时雷达还面临“四大威胁”,即隐身目标威胁、低空或超低空突防威胁、反辐射摧毁威胁和电子干扰威胁。航母编队雷达网不只是把编队所有舰载、机载雷达组网,而是将不同体制、不同频段、不同工作模式的雷达借助于编队指挥控制系统统一调配,从而将编队整体雷达网的作战能力发挥到最佳功效[1]。雷达组网的研究和发展趋势主要为:单一体制向多体制、多平台发展,单纯的预警探测向一体化作战发展,单一雷达组网向多传感器组网发展。从近几年的发展来看,雷达组网的技术突破点主要集中在优化布站、时间同步、误差校准、数据融合、目标跟踪及网络数据通信等方面;战术角度方面研究的主要集中在组网的优化部署、调整网内雷达战勤时间、雷达网的“四抗”能力效能评估、模型的建立与仿真等。

雷达的抗干扰能力是衡量现代雷达性能的重要参数之一,尤其是在当今复杂多变的战场电磁环境中,抗干扰能力弱的雷达很难完成作战使命。为了应对复杂电子干扰,目前的雷达已拥有频率捷变、频率分集及脉冲多普勒等新体制,还发展出旁瓣匿影及旁瓣对消等抗干扰技术,但单部雷达的抗干扰能力还是极其有限。组网后的雷达依靠单部雷达的优势及信息融合技术,可大大增强在干扰环境下的工作性能。查阅相关文献了解,当前有源欺骗干扰技术还不能同时对多部雷达产生威胁,所以对组网后的航母编队雷达来说,真正的威胁主要来自有源(噪声)压制干扰。

1　航母编队雷达网抗干扰能力指标分析

航母编队雷达网主要由舰载雷达、机载雷达及潜艇雷达等设备构成,本文主要研究舰载和机载雷达网的抗干扰能力。雷达干扰的来源分为有源干扰和无源干扰两类,前者利用杂波、连续波及回答式干扰等电磁波对雷达进行干扰,后者利用某些物体反射电磁波产生干扰,具有动目标检测(MTD)技术雷达的雷达网可以辨别无源干扰并将其消除。有源干扰分为有源压制干扰和有源欺骗干扰。压制干扰的作用是利用连续波或杂乱无章的信号对雷达目标信号进行压制或者掩盖;欺骗干扰则通过干扰机释放与被干扰雷达相似的信号,使雷达操作员难以分辨真假而达到欺骗的目的[2]。

雷达网抗干扰能力主要体现在体制多样性、频段多样性、空间分散性及系统隐蔽性等方面,它很大程度上取决于网内单部雷达本身的抗干扰性能,体制的多样必然会增强雷达网的整体抗干扰能力;频段多样性是指组网后的雷达频域更广,干扰方为了实施全频域压制干扰,在功率一定的条件下频域的增大必然导致干扰距离的降低,且频段多样性稀释了干扰方的干扰功率;航母编队在航行中会经常变换编队队形,机载雷达的灵活机动大大增加了编队雷达网的空间分散性,使得干扰方在干扰时顾此失彼,增大其侦察定位的难度、减小干扰效果;雷达网内各雷达通过轮流分时工作可以增强整体隐蔽性和突然性,极大提高编队雷达网的抗干扰能力。

本文由此出发,提出衡量航母编队雷达网抗干扰能力的三个指标,即编队雷达网自卫距离、编队雷达网干扰压制比和编队抗干扰能力的度量[1-2],指标体系结构如图1所示。编队雷达网的自卫距离以雷达作用距离为基础,从能量的角度进行分析;干扰压制比以合成探测区为基础,衡量雷达网在与干扰机对抗下的抗干扰能力;抗干扰能力的度量通过综合考虑雷达网的雷达数目、空域重叠系数及信号类型系数等附加因素来衡量编队雷达网整体抗干扰能力。

图1　指标体系结构

1.1航母编队雷达网自卫距离模型 (rz)net

当信干比(信号与干扰之比)等于雷达监测信号所需最小信干比时雷达与目标之间的距离为自卫距离,也就是干扰功率不足以干扰雷达的最小距离,即“烧穿距离”[2]。对于编队雷达网,自卫距离越大越好,这样就能获得更充分的自卫时间。航母编队雷达网自卫距离模型如下:

(rz)net=max{rzi}

(1)

式中，rzi为第i部雷达的自卫距离(m),其中单部雷达的自卫距离为

(2)

式中，Gt为雷达天线主瓣方向增益,rj为干扰机至雷达的距离,Pj为干扰机发射功率,Gj(φ)为干扰机天线在雷达方向的增益,Gt(θ)为雷达天线在干扰机方向的增益,(SN)min为雷达检测信号所需最小信干比。

1.2航母编队雷达网干扰压制比模型J

干扰压制比为组网的雷达暴露区(雷达受到干扰后仍能够探测到的目标区域)与其探测区(雷达未受干扰时可探测到的目标区域)面积之比。暴露区以外的区域称为压制区。压制比从探测能力角度说明了组网雷达抗干扰能力的强弱,压制比越大,雷达网的抗干扰能力越强。但对组网雷达,当被压制距离小于或等于网内雷达中最小自卫距离时,压制无效,即“烧穿”。

(3)

式中，SBnet为编队组网雷达暴露区面积,SAnet为编队组网雷达探测区面积。因作战区域限定为海区故只考虑干扰飞机的干扰效果,并且电磁波在空间传播过程中还要受大气的影响,建立数学模型时必须考虑由此造成的能量衰减和传播路径的弯曲[3]。所以单个雷达的探测区(暴露区)面积为

薛武强调，公司各部门、各单位要全面贯彻落实党中央和网公司党组的各项决策部署，牢记抓好党建是最大政绩，推动发展是第一要务，认真履行管党治党责任，推动全面从严治党向纵深发展，为公司高质量发展保驾护航。

(4)

式中，rt为雷达最大作用距离(m),ht为目标高度(m),θ为雷达扫描角度,δ为大气衰减因子,l为衰减区内电磁波的直线传播距离。

1.3航母编队雷达网抗干扰能力度量模型(AJC)net

度量模型是对网内单部雷达和组网后所有雷达的战技术特性的综合衡量。衡量的内容不仅包括雷达本身固有的抗干扰能力,还包括外部附加因子作为抗干扰措施对其产生的影响,如雷达数目、极化类型及信号类型等。根据文献[1],单部雷达的抗干扰能力表示为

AJC=(PT0BSG)·SA·SS·SM·SP·SC·SN·SJ

(5)

式中，(PT0BSG)表示雷达固有的抗干扰能力,其他参数为抗干扰措施的附加因子。SA为频率跳变因子,SS为天线副瓣因子,SM为MTI(MTD)质量因子,SP为天线极化可变因子,SC为恒虚警处理因子,SN为“宽-限-窄”电路质量因子,SJ为重复频率抖动因子。

组网后的航母编队雷达的抗干扰能力还有需要考虑的附加因子,度量模型为

(6)

式中，(AJC)net为雷达网综合抗干扰能力(单位dBW),N为雷达数目,K为雷达网平均空域重叠系数,η为雷达网频域重叠系数,J为雷达网极化类型系数,S为雷达网信号类型系数,ηe为雷达网信息综合(融合)处理能力,ri为第i部雷达的实际探测距离(m),rav为雷达网平均探测距离,ki为各参数对雷达网抗干扰能力贡献大小的因子。

2　航母编队雷达网抗干扰能力评估

在航母编队中,护卫舰艇以航母为中心作为综合作战区,形成内外分层次的防护圈,层次间相互衔接的范围要根据编队作战任务、舰间通信和雷达探测范围、火力协同区间、威胁轴(威胁方位)与航行方向等多个因素综合考虑。在编队的实际作战中,特别是航渡期间,威胁轴方向一般是不确定的,本文将航行方向定为威胁轴方向,因为预警机、反潜机、潜艇会沿着航行方向侦查预警,保证编队的航行安全。本文的实例兵力配置数量在6-8艘左右:1艘航空母舰,4-5艘驱护舰,1艘核潜艇,1艘登陆舰。配置的原则首先满足面向威胁轴的护卫兵力部署,优先配置内层护卫兵力,其次是外层威胁方向的反潜护卫兵力,分别在威胁轴线左右夹角约30°的2个方向,编队外层的两侧和后方是否配备护卫兵力需要看护卫兵力的多少而定[6]。

2.1实例验证

图2　方案一编队部署方式

图3　方案二编队部署方式

航母平台搭载雷达2或雷达B,驱护舰艇搭载雷达1或雷达A、雷达B,机载搭载雷达4或雷达C,具体参数如表1所示。

设定编队组网雷达受到远距离支援干扰飞机的干扰,干扰机采取伴随干扰方式,干扰距离在编队400km处,干扰机性能参数如表2,各雷达干扰效果如表3。

表1　雷达主要参数

表2　干扰机主要性能参数

表3　各方案雷达自卫距离

由式(3)计算可知,干扰压制比方案J1=0.83,J2=0.65。设干扰机进行伴随支援干扰时,以30°的干扰角对编队雷达网进行干扰。计算两个方案的组网雷达抗干扰能力度量模型时,假设各雷达抗干扰能力附加因子对雷达网的贡献相同,即式(6)中的ki=1(i=1,2,…,8),根据式(5)、(6)可分别计算出组网前后各雷达(网)的抗干扰能力度量指数,表4所示。

2.2措施建议

1)根据文中提出的编队雷达网抗干扰能力模型采取的抗干扰措施的技术手段为:通过提高天线增益和增大发射功率提高雷达网的自卫距离;采取变极化技术使目标信号与干扰信号匹配失效，通过旁瓣消影和旁瓣对消技术减少对干扰信号的接收;另外利用跳频、宽-限-窄调频抗干扰、频率分集、动目标处理技术(MTI)、恒虚警处理(CFAR)等常用抗干扰信号技术措施和滤除杂波手段。

表4　组网前后抗干扰能力度量指数

2)从表中的结果来看,当雷达受到伴随干扰时,即便有抗干扰技术措施,单个雷达发现目标的距离还是受到了很大程度的影响,编队的整体雷达覆盖范围也要减小,如果干扰方向在某个单部雷达的主瓣方向时,被掩护目标又做了隐身设计使它的反射截面积RCS剧减,那么减小将更为明显。由此在不考虑其他作战任务影响下除了运用技术措施还可以通过战术手段提高抗干扰能力:将搭载抗干扰性能强、发射功率较大的(如相控阵体制)雷达的航母平台或机载平台设置在威胁轴方向利用雷达组网的优势通过多个雷达协同测距;考虑轮时分工合作的方法避免雷达主瓣方向与干扰方向一致;通过调整编队队形加大舰间距离增强空间分散性。

3　结果分析

1)方案二的抗干扰性能要低于方案一,原因是方案一的雷达整体性能特别是抗干扰性能都要优于方案二,暴露区也大于方案二。解决压制比根本上还是要提高单部雷达的抗干扰性能。组网后的雷达由于数目的增加、空域的覆盖严密性好、频率覆盖范围广、占有的频带宽,使得整个雷达网的抗干扰性能增强,而雷达信号类型越复杂,敌方侦察干扰的难度越大,使其难以实施和得逞。由此可断,雷达组网后的性能离不开单部雷达抗干扰能力以及组网后的整体抗干扰能力,只有两者结合才有最大可能发挥组网的优势。

2)在实际作战中,威胁轴方向和干扰方向都未知,在雷达的配置上应尽可能在航行方向上,如有情报支持,则尽可能将抗干扰能力强的雷达平台配置在威胁轴上,且充分利用机载雷达平台灵活性的优势在保证通信链路畅通的前提下确保航渡安全;若舰艇数量充裕可在威胁轴方向配置多条,且增派战斗机做好预警机的护卫任务,防止预警机遭袭。

4　结束语

本文从雷达的抗干扰能力角度出发,提出了评估航母编队雷达网抗干扰能力的指标体系,并建立了相应的数学模型,通过实验结果表明,上述建立的模型具有一定的参考意义,需要注意的是,由于海上环境较陆地环境更多变,雷达的抗干扰能力与作战环境(如海洋环境、气象条件等)紧密相连,并且复杂性多样,航母编队的配置也会因为任务的不同有所增加或减少,所以此模型仍然要在实践中不断检验和完善。

[1]陈永光,李修和,沈阳.组网雷达作战能力分析与评估[M].北京:国防工业出版社,2006.

[2]张万海,赵晓哲.舰载雷达效能评估[M].北京:国防工业出版社,2003.

[3]李磊.海洋战场环境概论[M].北京:兵器工业出版社,2002.

[4]赵登平.世界海用雷达手册[M].北京:国防工业出版社,2012.

[5]童剑,李照顺,柳强.海上编队雷达网近程协同抗ARM方法与仿真[J].指挥控制与仿真,2013,35(6):76-80.

[6]杨涛.组网雷达系统“四抗”效能评估方法研究[D].长沙:国防科技大学硕士学位论文,2008.

[7]赵晓春.美国航母编队队形与反潜能力分析[J].舰船科学技术,2013,35(9):143-148.

[8]文小乔,蔡轶.舰载多功能相控阵雷达效能评估[J].舰船电子工程,2011,31(10):88-91.

[9]王国玉,汪连栋.雷达电子战系统数学仿真与评估[M].北京:国防工业出版社,2003.

[10]杨敏,张小红.浅谈雷达组网技术[J].装备与技术，2006(1):112-116.

[11]花发良,李侠.雷达组网系统性能评估指标分析[J].雷达与对抗，1999(4):25-30.

[12]朴成日,沈治河.航母编队防空哨舰阵位配置方法[J].舰船科学技术，2013(35):128-133.

[13]崔超,马良.基于复杂电磁环境度量的舰载雷达作战效能评估方法[J].四川兵工学报，2015(36):51-55.

[14]段晓稳,高晓光,李波.综合作战区舰载预警机防空警戒控制策略研究[J].系统工程与电子技术，2015(37):2035-2045.

[15]陈淼,刘晓光.基于数据链的航母编队评估指标体系研究[J].舰船电子工程，2015(35):15-17.

[16]万福,王晓敏,刘晓然，等.航母编队多舰协同遮盖性干扰效能分析[J].现代雷达，2015(37):13-16.

Capability Evaluation of Aircraft Carrier Formation’s Radar-net to Anti-electric Jamming

HE Xie,YAN Jian-gang,YANG Shi-feng,SHEN Jiang-jiang

(Naval Aeronautical and Astronautical University,Yantai 264000,China)

The radar-net of aircraft carrier’s formation to anti-jamming is analyzed.It builds three index models based on self-defence distance,ratio on disturbance suppression and anti-jamming capability.According to the instance,the models are evaluated and analyzed.It puts forward efforts to improve the capability of the radar-net.It provides theoretical reference for study and operation to radar-net of aircraft carrier’s formation.

aircraft carrier-formation; radar-net; anti-jamming capability; model; evaluation

1673-3819(2016)05-0028-04

2016-04-04

2016-04-26

何勰(1986-),女,陕西西安人，硕士研究生，研究方向为作战模型与模拟。

严建钢(1958-),男,博士，教授,博士生导师。

杨士锋(1979-),男,博士,讲师。

申江江(1986-),男,硕士研究生。

TN973.3

ADOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.05.005