对美军空空导弹雷达导引头技术体制的推测

引用格式：张江华.对美军空空导弹雷达导引头技术体制的推测［J］.航空兵器，2023，30（1）：31-36.

ZhangJianghua.SpeculationsonUSAirforcesAirtoAirMissileRadarSeekerTechnicalScheme［J］.AeroWeaponry，2023，30（1）：31-36.（inChinese）

摘要：近几十年来，世界各军事强国竞相发展隐身技术，战机典型RCS已经从0.1～1m2下降到-40dBm2，隐身目标探测成为空空导弹雷达导引头领域亟待解决的难题，有源相控阵导引头技术被广泛认为是最有可能解决空空导弹对隐身目标探测的先进技术，但成本高，且对隐身目标探测能力提升有限。本文结合美军近年来中距空空导弹改进项目以及从平台中心战转向网络中心战、体系中心战的大背景，通过对机载雷达、TVM（TrackviaMissile）雷达导引头以及Ku和Ka波段主动雷达导引头在晴天和雨天条件下对典型隐身目标探测距离计算分析的基础上，认为美军可能在发展TVM雷达制导与主动雷达制导复合的制导方式。X波段TVM雷达导引头技术可以充分利用机载雷达资源，提升导引头对隐身目标探测能力，相比有源相控阵导引头技术成本大幅度降低。

关键词：相控阵雷达导引头；主动雷达导引头；TVM雷达导引头；隐身目标；空空导弹

中图分类号：TJ765.1

文献标识码：A

文章编号：1673-5048（2023）01-0031-06

DOI：10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0199

0引言

隐身技术的飞速发展给空空导弹、防空导弹带来了巨大的挑战，研究显示［1］，F-35战斗机的RCS大约为-25～-39dBm2，不排除最小值低到-50dBm2的可能性，如何解决隐身目标探测已成为空空导弹雷达导引头技术领域迫切需要解决的难题。中距空空导弹要求导引头能够全天候、全天时探测目标，并测量弹目距离信息以优化制导律，雷达导引头几乎是唯一的选择。不断提高雷达导引头发射功率是弥补目标RCS降低的重要手段，常规机械扫描雷达导引头功率容量的增加受到电子真空器件的限制，提升空间十分有限，国内外研究人员纷纷把目光投向了相控阵雷达导引头技术，研究利用相控阵天线实现分布式大功率空间合成，从而提升雷达导引头的功率孔径积，提高作用距离［2］，日本AAM-4B导弹［3］、法国“麦卡”导弹的改进计划都采用有源相控阵技术［4］。毋庸置疑，采用相控阵天线技术的雷达导引头对隐身目标探测能力，相比传统的机械扫描体制雷达导引头将会提高，特别是毫米波相控阵雷达导引头，更有利于提高空空导弹的作用距离。另一方面，相控阵技术的应用也给导弹带来两个压力：（1）成本大增，仅天线动辄就需要百万元人民币；（2）功耗大增，发射功率高达数千瓦，而新一代隐身战机内埋携弹又迫切需要导弹进一步减小体积。更为致命的是，当雷达导引头平均功率增大到千瓦量级以后再往上增加就變得越来越困难，典型目标RCS在过去几十年内减小了30dB以上，雷达导引头发射功率需要提高到百千瓦甚至兆瓦级以上，才能弥补目标RCS减小导致的探测距离下降，工程上很难实现。在这样的背景下重新审视美军空空导弹导引头技术的发展历程，对于发展空空导弹导引头技术有着重要参考价值。美军AIM-120导弹自装备以来不断进行改进优化，最新的AIM-120D导弹相对于基本型射程增加了50%，导引头仍然采用机械扫描体制［5］。

美军中距空空导弹的升级改进中是否考虑过发展有源相控阵导引头技术？新一代主流战机F-35采用单引擎，机动能力已不是战机首要追求，转而强调隐身性和远程交战能力，雷达导引头是中距空空导弹的主流制导技术，不发展有源相控阵导引头技术还有其他选择吗？

1美军空空弹雷达导引头技术改进情况

1.1AIM-120系列导弹导引头技术

美国先进中距空空导弹（AIM-120）是当今世界上最先进、生产数量最多的现役雷达型中距空空导弹［6］，自装备以来就不断进行改进。该导弹最早是由休斯公司与雷神公司竞标研制，后期休斯被并购，由雷神公司负责后续的改型和保障。

导弹采用主动雷达导引头制导体制，工作在I波段，行波管发射机，具有中高重频设计，高重频用于尽早发现远距离目标，中重频用于下视探测低飞目标，雷达导引头的作用距离约为10km，扫描视场角范围为±25°，波束宽度为10°，天线增益约25dB。改进里程碑如下：

AIM-120A，1976年研制，1991年服役；

AIM-120B，1989年启动，1994年服役，制导控制系统由A型的WGU-16升级到WGU-41B，使导弹可以实现在线软件升级；

AIM-120C-3，1996年主要进行内埋升级，减小了翼展尺寸；

AIM-120C-4，1998年改进软件，减小战斗部；

AIM-120C-5，2000年减小了控制系统尺寸，升级抗干扰模块，增大发动机；

AIM-120C-6，2002年升级了象限目标检测设备（QuadrantTargetDetectionDevice）及软件；

AIM-120C-7，2005年改进导引头抗干扰软件和飞行控制系统，增加射程；

AIM-120D，2007年改进导引头，提高了抗干扰能力。重大升级包括使用双向数据链，增大离轴角，最大射程增大50%，达到180km。

2021年，AIM-120C-7首次完成实弹飞行试验，值得注意的是在文献［7］中同时披露：增程AMRAAM是一个复合拦截系统，把AIM-120C-7的前端（包括雷达导引头与战斗部）与RIM-162改进型“海麻雀”导弹的后端（火箭发动机与控制舱段）相结合实现，并于2016年8月完成验证试验。RIM-162采用半主动制导模式，导弹后端应该包含尾部直波接收机。

2021年，AMRAAM的另一次试验中，美国空军宣称成功进行了世界上最远射程空空导弹飞行靶试。“第28试验与评估中队在第83战机武器中队的配合下进行了这次最远距离空空导弹靶试，F-15C战机发射AIM-120导弹命中BQM167靶机。”第28中队少校AaronOsborne说，53联队内部之间的关键协作使在役装备系统能力得到扩展，进而使战机获得更好的武器系统运用包线［8］。

直到AIM-120D型产品之前，导引头大致保持一致，最大作用距离约10km，工作在I波段，行波管发射机，具有中高重频设计，功能与A型类似［9］。有消息称，AIM-120D企图采用双模导引头，同时具有被动射频寻的和主动寻的两种模式，但项目办官员予以了否认［10］。

1.2AIM-260导引头技术

AIM-260导弹由洛克希德·马丁公司研制。相比AIM-120导弹，这款导弹的弹径、长度基本保持不变，射程约150km，导引头有可能采用主动雷达导引头或双模复合导引头［11］。

1.3Peregrine/CUDA导弹导引头技术

Peregrine由雷神公司负责研制，CUDA由洛克希德·马丁公司负责研制。相比AIM-120导弹，这两款导弹尺寸减小了一半，并强调了低成本特性［12-13］，由此可以推测导引头多半没有采用有源相控阵技术。

迄今为止的报道中，还看不到在AIM-120导弹及其后续新研产品中有使用相控阵导引头的迹象。

2探测距离分析

在AIM-120D的改进中首次引入了双向数据链，对于雷达制导导弹来说，双向数据链意味着什么？有没有可能引入了TVM制导呢？

TVM导弹不仅需要接收目标指示信息，还需要把导引头接收到的目标信息回传到载机，不仅有利于提高导引头的探测距离，还能提高机载雷达跟踪距离。TVM制导与主动雷达制导复合，远距离采用TVM制导，近距离采用主动雷达制导。该技术已在美国PAC-3反导系统中使用。F-35的机载雷达APG-81工作在I波段（8～12.5GHz），具有一个激光波束（LaserBeam）模式用于对特定的一个或多个目标进行瞄准照射，该模式的照射功率比EA-6B“咆哮者”电子战飞机的照射功率还要大10倍！这样的大功率照射波束对于有源相控阵雷达来说不存在任何困难，这也是美军在AIM-120导弹改进项目中可能采用TVM制导模式的前提和基础。APG-81雷达有1200个辐射单元［14］，每个GaAS单元按美国20年前的技术水平，完全可以保证10W峰值的发射功率，因此预计APG-81雷达的峰值发射功率至少可达12kW。根据上述参数还可以进一步估计出天线增益约37dB，波束宽度约2.5°。

AIM-120导弹的最近发射距离为2km，这意味著，最小转比距离为2km，雷达导引头最大探测距离必须大于2km，导弹才有可能完成闭环飞行。考虑到必要的设计余量，要求导引头探测距离在3km以上才能保证导弹闭环飞行。

依据上述参数进行分析计算。根据雷达方程［15］：

R4m=PavtfGtGrλ2σF2pF2tF2rF2rdr（4π）3kTsDx（n′）LtLα（1）

为了兼顾TVM雷达导引头探测距离的计算，式（1）可改写为

SN=PavtfGtGrλ2σF2pF2tF2rF2rdr（4π）3kTsLtLα（RtRr）2（2）

式中：SN为目标回波信噪比；Pav为平均发射功率，机载雷达的Pav设定为3kW，主动雷达导引头的Pav统一设定为1kW；tf为相参积累时间，统一为10ms；Gt为发射天线增益，对于TVM雷达导引头来说，发射天线增益即为机载雷达天线增益，对于机载雷达和主动雷达导引头来说，收发共用天线可以近似认为收发增益一样（实际上接收天线一般需要进行加权处理增益较低，由于差异不大，可以忽略）；Gr为接收天线增益；λ为波长；σ为目标RCS，设定为-40dBm2；Fp为极化匹配因子，本算例中忽略此项影响；Ft，Fr分别为天线发射和接收方向图因子，对机载弹载雷达也可以忽略此两项影响；Frdr为距离相关影响因子，Frdr=FeclFstcFbdFlens2，由遮挡因子、STC控制因子（在中高重频雷达系统中一般没有STC控制，可不予考虑）、天线方向图损失（与雷达工作模式相关，搜索模式下损失较大，一般空空导弹雷达导引头可不考虑搜索模式，截获模式损失相对较小）、双程透镜效应因子（机载、弹载平台可不考虑此项影响）的乘积确定，此项因子随弹目相对距离变化而变化；k为玻尔兹曼常数；Ts为系统噪声温度，为289K；Rt为发射机与目标的距离；Rr为接收机与目标距离；Lt为系统损耗，包括传输线损耗0.5dB、信号处理失配损失3.5dB、天线罩损耗1dB等；Lα为大气传输损耗。

Lα按如下公式计算：

Lα=10－0.2αR/1000（3）

式中：α为大气传输衰减因子；R为距离。

考虑以下几种体制：

（1）主动雷达体制：包括机载雷达和雷达导引头；

（2）半主动雷达体制：TVM雷达导引头。

工作波段和典型气象条件下大气衰减考虑见表1。

对于16GHz与34GHz工作频段，只考虑主动雷达导引头的作用距离计算。

根据ITU统计，全球绝大部分地区一年中降雨量大于3mm/h（中雨）的时长约175h，降雨量10mm/h（大雨）以上的时长为45h，概率低于0.5%。

根据AIM-120导弹天线波束宽度和增益，可以推算出天线口径约150mm，该尺寸将用于计算Ku和Ka波段导引头天线增益。

首先利用式（2）计算X波段机载雷达作用距离，如图1所示。

图1中机载雷达在0mm/h、3mm/h降雨量下的探测距离约为13km，10mm/h作用距离下降到约11km。图中发射平均功率按3kW，方向图损失设定为4dB，其余计算参数同上文及表1。图1的计算表明，如果载机仅利用APG-81机载雷达，即使0mm/h的降雨量对F-35的拦截距离也将小于13km。

图2中，Ku波段雷达导引头平均发射功率按1kW，在目标指示精度足够的情况下，雷达导引头的作用距离计算中方向图损失约2dB。从图中可以看出，导引头作用距离只有大约2.5km。

Ka波段主动雷达导引头目标信噪比随距离变化曲线如图3所示。可以看出，这时探测距离受天气影响严重，即使3mm/h的降雨量也会显著影响导引头探测距离。

如果采用TVM雷达导引头，雷达导引头目标回波信噪比随机载雷达与目标距离变化曲线如图4所示。图中，导弹与目标距离恒为3km。这时导弹在3mm/h以下降雨量情况下可以在距离载机16km处截获目标，在10mm/h降雨量时截获距离下降到12km。

如果要求TVM导引头对目标的捕获距离提高到5km，目标回波信噪比随导弹与载机之间距离变化曲线如图5所示。在降雨量为3mm/h或晴天，导弹可以在距载机约11km捕获目标，降雨量10mm/h时下降到约8.5km，但导引头对目标的捕获距离提高到5km。相比之下，主动雷达导引头的捕获距离却没有增加的潜力。

从以上算例可以看出，Ka波段易受天气影响，即使降雨量仅为3mm/h也足以显著影响导引头的作用距离；Ku和X波段雷达导引头受天气影响相对较小。

3波段和技术体制选择

空空导弹采用TVM制导技术时，需要依靠机载雷达大功率、高增益波束照射目标，因此，采用这种体制要求导引头工作波段与机载雷达保持一致。目前國外中距空空导弹雷达导引头大多工作在Ku波段，如“流星”、“麦卡”、R-77导弹等。在这个波段很难实现TVM制导，毕竟大部分机载雷达需要工作在X波段。单纯采用主动雷达导引头技术，即使采用有源相控阵天线技术实现分布式大功率发射，当平均功率提升到千瓦级以后，功率进一步提升的空间也很小。但是，如果利用机载雷达照射，充分发挥机载雷达发射功率大、天线增益高的优势，可以进一步提高导引头探测距离，同时还可以提升机载雷达对隐身目标的跟踪距离。

美军AIM-120导弹导引头工作在I（X）波段存在显著优势：

（1）即使大雨天气，美军空空导弹作战所受影响也很小；

（2）战斗机机载雷达几乎全是工作在X波段，如F-15，F-16，F-35平台使用的APG-63，APG-81，APG-82均为X波段，雷达导引头工作在X波段有利于共享机载雷达资源。

可能会有人质疑导引头工作在频率较低的X波段是否存在以下缺点：

（1）抗多路径能力较差

抗多路径能力主要发生在拦截低空目标时。实际上即使采用毫米波导引头也难以避免多路径效应，都需要通过对弹道约束予以回避［16］。

（2）制导精度差

根据雷达理论，导引头的测角精度与波束宽度线性相关，波束越宽，测角精度越差，X波段导引头波束宽度比Ku波段大，测角精度也相对较差，进而影响视线角速度精度。实际上，引起导引头的测角精度变差的主要因素并不是波束宽度，而是末端角闪烁影响，无论是X、Ku波段，抑或是Ka波段，只要解决了末端角闪烁都可以实现直接撞击杀伤的制导精度。

（3）不利于提升作用距离

在式（2）中，由于天线的收发增益均和雷达工作波长的平方成反比，即

Gt≈4πAeλ2，Gr≈4πAeλ2（4）

式中：Ae是天线等效面积。

把式（4）代入式（2），可以发现回波信噪比与波长的平方成反比，即波长越短，导引头探测距离越远。这一关系式成立的前提是雷达导引头有准确的目标指示信息，不需要进行搜索。实际上，空空导弹多数工作在这种情况下，即导引头不需要进行波束扫描即可发现目标。

据此，有人可能认为空空导弹雷达导引头工作波长越短，作用距离越远。这是一种误解：导引头工作波长越短，波束越窄，指示精度影响也就越大。例如，3dB波束宽度5°的导引头在指示误差2.5°时，天线收发增益损失就高达6dB，而对于3dB波束宽度10°的导引头同样的指示精度可能只会引起3～4dB的方向图损失。因此，提高导引头工作波段对提高作用距离意义不大，特别是当工作频段提高到毫米波以后还会有相反的效果：易受天气影响，很小的降雨也可能导致探测距离大幅度降低。

AIM-120导弹在实战中发射13枚导弹击落10架战机的纪录，已经很好地证明了X波段研制空空导弹雷达导引头的可行性。

TVM制导与半主动雷达制导方式类似，最受诟病的是需要机载雷达持续照射目标。在早期机载雷达以机械扫描为主。平台中心战模式下，机载雷达是飞机上最重要的传感器，机械扫描雷达的多目标处理能力十分有限，TVM/半主动制导需要长时间占用宝贵的机载雷达资源，这种制导模式对于平台中心作战模式以及使用机械扫描雷达的飞机来说，都是不可接受的。

机载有源相控阵雷达技术的应用，特别是美军提出网络中心战、马赛克战概念后，战机对机载雷达的依赖有所降低，有源相控阵雷达的应用大幅度提升了机载雷达多目标处理能力，TVM制导的缺陷就显得不那么突出了，同时，TVM制导也有利于提升机载雷达的探测距离。

根据以上算例分析，结合AIM-120改进计划的公开报道情况，美军采用TVM制导结合载机有源相控阵雷达或其他平台目标指示、照射，是一种可能的选择。这样的导引头方案回避了昂贵的相控阵天线，仍然可以继续沿用机械扫描天线，TVM雷达制导与主动雷达制导相结合，对雷达导引头成本的增加也很少。

TVM雷达制导也是防空导弹领域最重要的制导方式之一，俄罗斯的S-300，S-400，S-500系列防空导弹一直沿用TVM雷达制导体制［17-20］，而且特别强调突出其隐身目标拦截能力，这与地面雷达等效辐射功率有很大的关系。

与主动雷达导引头相比，TVM雷达导引头技术具有以下优点：

（1）抗干扰能力更强

由于导引头自身不辐射信号，敌方侦察干扰设备释放的干扰信号一般都是针对辐射来波方向，难以对导引头发挥作用；而机载雷达可以综合利用空-时-频-极化等资源综合提高抗干扰能力，这些技术的使用在空间受到极大限制的空空导弹雷达导引头上是难以想象的。

（2）目标双基地RCS增大

常规隐身设计多是针对单基地雷达系统，旨在减少后向RCS，TVM雷达导引头回波信号与双基地RCS相关，研究显示照电尺寸较大时，双基地RCS的极大值和均值更大，若其工作在前向散射区，更利于目标探测［21］。

（3）易于和主动雷达导引头复合

从已公开的AIM-260和Peregrine等可能采用双模复合制导技术的导弹图片来看，都是采用尖锥头罩，这种头罩很大程度上排除了光学导引头的可能性；与单纯被动（反辐射制导）复合有效性受到敌方战机雷达关机影响，在技术上实现两种模式的复合难度也很大。TVM雷达制导模式的工作频段与主动雷达导引头工作频段一致，易于实现双模复合。

TVM制导的主要不足之处在于：

（1）多目标拦截时，目标容量受到机载雷达发射功率的限制，但这个限制在很多情况下并不致命；

（2）对追尾目标的探测能力

理论上，采用TVM制导是难以探测追尾目标的，这可能也是美军在AIM-120导弹的改进中仍然保留主动雷达制导的原因。

TVM雷达制导属于半主动雷达制导的一种，早期空空导弹如美军的AIM-7F和AIM-9C等就采用半主动雷达制导技术。与传统的半主动雷达制导相比，TVM雷达制导技术有助于提升照射雷达跟踪能力，在防空导弹上有广泛应用，移植到空空导弹上使用不存在技术上的障碍。

文献［8］则进一步暗示，美军TVM制导空空导弹可能在利用第三方机载雷达进行目标指示与照射，实施远程打击。利用他机照射代替本机照射是对文献中使在役装备获得更好武器运用包线的一种可能解释。如果不是利用他机目标指示与照射取得靶试成功，美国空军或许也没有那么自豪宣称是世界上最远距离空空导弹飞行靶试，毕竟文中明确提到了试验是两个中队协作的结果。

早在20世纪70年代，美军F-16战机上即已装备半主动雷达制导的AIM-7F“麻雀”空空导弹，当时的机载雷达APG-66为机械扫描体制。因此，TVM制导应用于空空导弹技术上是完全可行的。但是，采用TVM/半主动制导以后，机载雷达需要大功率长时间照射目标，机械扫描雷达体制在发射空空导弹期间难以同时保证对战场态势的有效监测，而现代战机已经普遍采用有源相控阵雷达体制，同时多任务能力大大提升，从技术上来说比早期机械扫描雷达更加适合实现半主动/TVM复合制导。为了充分发挥TVM制导体制远距离拦截的优越性，需要采用他机（或者星载）雷达照射，要求载机武器系统和他机雷达系统能够通过无线网络实时共享战场信息，这或许也正是美军孜孜追求网络化作战的一贯目的之一。

4结论

Ku波段雷达导引头天气适应性与X波段大体相当，但是却难以利用机载雷达的照射资源。美军中距空空导弹雷达导引头工作在X波段，利用TVM雷达技术对其进行升级改进，对于他们来说是一件很自然的事情：机载雷达和空空导弹雷达导引头本来都是工作在X波段，导引头只需要进行很少的改动就可以利用机载雷达提升对隐身目标的探测距离，与相控阵导引头技术相比有明显成本优势。尽管短期内甚至相当长时间内都难以证实美军是否采用这一技术，但根据本文的典型算例推测，空空导弹雷达导引头，尤其在配备了有源相控阵机载雷达的战斗机上，利用TVM制导可以显著提高雷达导引头对隐身目标捕获距离，有什么理由放弃尝试这种导引头与机载雷达协同工作带来的显著优势呢？

分析給出以下启示：

（1）在波段选择上要重视X波段。机载雷达基本都是工作在X波段，空空导弹雷达导引头如果希望利用机载雷达资源，就需要工作在这个X波段；

（2）发展TVM制导与主动雷达制导复合可以提升导引头对隐身目标探测能力，且成本增加很少；也可以考虑取消主动雷达制导，以进一步降低导引头成本，减小体积、重量。

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SpeculationsonUSAirforcesAir-to-AirMissile

RadarSeekerTechnicalScheme

ZhangJianghua*

（XianElectronicEngineeringResearchInstitute，Xian710100，China）

Abstract：Inrecentseveraldecades，stealthtechnologyhasbeendevelopedquicklyamongthemilitarycountries，thetypicalRCSoffighterplanehasdroppedfrom0.1～1m2toaround-40dBm2，andthedetectionofstealthytargetisaurgentproblemneedstosolve.Activephasedarray（APA）radarseekertechnologyiswidelyconsideredasthemostlikelysolutiontothedetectionofstealthytargetsformediumrangeairtoairmissile（AAM），butthecostofAPAradarseekerishigh，andtheimprovementofstealthytargetsdetectionrangeisstilllimited.InordertofindawaytoimprovethestealthytargetscapturecapabilityofAAMradarseeker，theimprovementprojectofUSairforcesmediumrangeAAMaswellasthebackgroundoftransformationsfromplatform-centricwarfaretonetwork-centricwarfareandSoS-centricwarfare（SCW）arebothconsideredinthispaper，basedonthedetectionrangecalculationofairborneradar，track-via-missile（TVM）radarseekerandtheKu，Kabandradarseekertotypicalstealthytargetsinclearatmosphereorrainconditions，itisspeculatedthattheUSairforcearelikelynowdevelopingthecompositeguidancemodeofTVMandactiveradarseekertechnologyindealingwithstealthytargets.TVMradarseekertechnologyinXbandcanmakefulluseofairborneradarresources，andcanimprovethedetectioncapabilityofstealthytargets，alsothecostisgreatlyreducedcomparedwithactivephasedarrayseeker.

Keywords：phasedarrayradarseeker;activeradarseeker;TVMradarseeker;stealthytarget;air-to-airmissile

收稿日期：2022-09-22

*作者简介：张江华（1973-），男，安徽阜阳人，博士，研究员。