利用窄波束实现反辐射无人机攻击闪烁诱饵研究

潘 奎 杨海峰 边文昆 叶 宏 王路瑶

(1.空军预警学院雷达士官学校 武汉 430019;2.中核战略规划研究总院 北京 100048)

0 引言

近几次局部地区军事冲突中,大量无人机参战成为作战焦点,引发世界各国对无人机作战应用的关注[1]。反辐射无人机是反辐射武器的一种,是近年来无人机在电磁对抗领域重点发展的方向之一[2]。反辐射无人机导引头通常采用平面螺旋天线或曲折臂天线,这两种天线的波束宽度在频域范围内达60°～100°[3]。由于波束较宽,在攻击密集目标或带有诱饵站的制导雷达时,不能及时分辨出雷达目标和干扰诱饵,难以准确攻击目标。当雷达和诱饵之间的布阵距离适当,反辐射导引头不仅不易分辨出雷达或诱饵,导弹落点对雷达和诱饵威胁都比较小,如果诱饵工作在闪烁模式,能达到显著的诱偏效果[4-5]。但有源诱偏系统抗反辐射导弹的结果不仅与各诱饵的布局形式、雷达和诱饵的功率比有关,ARM速度、机动过载、分辨角等,也是直接影响诱骗效果的重要因素[6]。因此,窄波束技术可以减小导引头分辨角,是对抗有源诱偏的有效手段[7]。本文综合考虑无人机飞行和反辐射导引头工作的特点,研究波束宽度这个技术参数对反辐射无人机攻击配闪烁诱饵雷达阵的影响,为导引头技术改进提供参考。

1 无人机末制导攻击航迹分析

反辐射无人机通常通过组合导航方式飞至目标雷达区域上空,为导引头搜索识别目标雷达提供合适的作战距离。确定攻击目标雷达后,无人机进入导引头制导,也就是末制导阶段过程,首先导引头测向偏差值引导无人机调整机体对准目标雷达,然后再根据俯仰偏差角引导无人机俯冲攻击,末制导攻击过程如图1所示。假设无人机在空间A处,导引头分辨角为ΔθR,雷达及诱饵相对导引头的张角为Δθ,导引头天线指向角为β。

图1 无人机末制导攻击过程示意图

当Δθ小于ΔθR/2时,导引头存在目标分辨模糊区域,将无法分辨出雷达和诱饵,最终导致无人机难以命中任一辐射源。分辨模糊区S大小为

(1)

考虑雷达导引头攻防对抗场景,随着无人机接近目标,张角Δθ不断增大,H减小,分辨模糊区减小。当Δθ大于ΔθR/2时,辐射源将陆续脱离导引头视场,导引头将失去对该辐射源的跟踪攻击。如图2所示,以雷达配备单诱饵为例,诱饵分离无人机攻击航迹。

图2 诱饵分离后无人机攻击航迹示意图

假设雷达与诱饵的距离为R,无人机横向过载为n,俯冲攻击速度为V。诱饵分离后,无人机横向移动的距离与导引头波速宽度关系式为

(2)

其中,R1=V2/(ng)。无人机横向移动距离与导引头分辨角关系如图3所示。

图3 无人机横向移动距离与导引头分辨角关系

当雷达和诱饵距离一定时,导引头分辨角越小,辐射源分离越早,横向移动距离越大。当OD≥R/2时,目标分离后,无人机能够继续跟踪辐射源,如图4所示,曲线与横轴交点为横向移动距离,可以看出无人机横向移动距离随着分辨角的减小而增大,当横向移动距离大于雷达与诱饵的距离R时,无人机飞控系统可以控制实现对诱饵的命中。而导引头分辨角ΔθR≈(0.8～0.9)θ0.5,即取决于导引头天线的波速宽度。因此,导引头可以采用窄波束技术对抗雷达诱饵诱偏。

图4 无人机横向移动落点与导引头分辨角关系

2 波束约束条件下无人机攻击航线建模

2.1 坐标系定义

反辐射无人机攻击配闪烁诱饵的雷达时,机体将随着诱饵闪烁而偏转,导引头指向也将始终跟踪对准目标。为了准确建模仿真,需在大地坐标系的基础上,引入机体坐标系和天线坐标系。如图5所示。

图5 机体及导引头天线坐标系

机体坐标系O-XmYmZm:坐标原点O取机体质心。OXm轴与ARUAV机体纵对称轴一致,指向头部为正,OYm轴在机体纵向对称面内,垂直于OXm轴,向上为正,OZm轴垂直于纵向对称面OXmYm平面,指向右翼,构成右手直角坐标系,其中在机体坐标系中点的坐标表示为:D(m)=[x(m)y(m)z(m)]T。

天线坐标系O-XpYpZp:坐标原点O取天线阵中心,OYp轴位于俯仰面天线子阵线上,OZp轴位于方位面天线子阵线上,指向长基线上阵元天线单元为正,OXp轴垂直于天线阵面,向外为正,构成右手直角坐标系,其中在天线坐标系中点的坐标表示为:D(p)=[x(p)y(p)z(p)]T。

2.2 导引头跟踪模型

无人机在调整姿态跟踪攻击目标雷达过程中,导引头天线根据测得偏差角,将以ω的偏转角速度调整导引头天线指向,使得天线始终对准目标雷达。因此,无人机视场内辐射源数量,必须考虑天线指向角这个因素。

经过ΔT时间,导引头天线调整角度为

ΔθP=ωΔT

(3)

k+1时刻,导引头天线指向角为

θ(P)(k+1)=θ(P)(k)±ΔθP

(4)

(5)

导引头天线存在波束分辨角ΔθR限制,雷达和诱饵脱离天线视场的临界位置条件为

Δθki=ΔθR/2

(6)

2.3 无人机末制导飞行模型[8]

无人机根据导引头测得目标偏差角调整姿态进行跟踪攻击。在tk导引头测得目标相对无人机机体横向偏差角和纵向偏差角分别为αt和βt,在跟踪周期ΔT时间内,无人机横向调整位移为

(7)

无人机纵向调整位移为

(8)

其中:R1=V2/(n1g);R2=V2/(n2g)。

反辐射无人机要想实现对目标雷达的有效攻击,必须首先截获目标雷达信号在跟踪攻击雷达配备诱饵的诱偏场过程中,当Δθki>ΔθR/2时,辐射源脱离天线视场,无人机将失去对该目标的跟踪,飞行航线将发生改变。因此,导引头制导飞行航线必须考虑飞行姿态、导引头天线偏转等对各辐射源相对导引头指向张角的影响,导引头天线波束宽度这个因素尤为关键。

3 仿真分析

雷达诱饵阵参数:雷达诱饵阵采用菱形布阵方式,相互间距设置为300m,雷达与诱饵均在安全范围之内[9]。诱饵工作在闪烁模式,闪烁周期为3s。

无人机参数:飞行高度为2500m,飞行速度为80m/s,横向过载3,杀伤半径为30m。

图7为导引头波束角分别为60°、40°和20°条件下,无人机从垂直于诱饵1、3连线的方向入侵时,导引头制导攻击航线;表1为不同波束角条件下,无人机分离点和落点位置。

表1 无人机分离点和落点与导引头分辨角关系

图7 无人机攻击闪烁诱饵航线

从图7和表1可以看出:

1)在窄波束约束下,如果目标雷达概略位置已知,反辐射无人机仍能完成对目标的跟踪和俯冲攻击。

2)无人机制导飞行航线是一条来回摆动的曲线,这是因为在多诱饵闪烁诱偏下,导引头测得的制导角度数据不断跳动。

3)在俯冲攻击过程中,三诱饵将脱离天线视场,脱离点的高度直接影响无人机最终落点位置。

4)随着导引头天线波束变窄,第一分离点高度增加,无人机落点逐渐靠近诱饵2。当波束角为20°时,无人机落点在杀伤半径内,实现对诱饵2的摧毁。

因此,多诱饵闪烁诱饵诱偏下,窄波速导引头可以从空间尽早分离出诱饵,为无人机机动提高足够的高度,进而实现对诱饵的摧毁。在逐一摧毁诱饵后,最终实现对雷达摧毁。

4 结束语

为有效对抗雷达闪烁诱饵阵,本文在导引头天线波束视场约束条件下,考虑到天线跟踪指向对视场内诱偏场影响,建立了无人机导引头制导飞行模型,在不同波束角下无人机对雷达配3部闪烁诱饵的攻击效果进行仿真分析。结果表明,使用窄波束导引头可以实现无人机对雷达配备闪烁诱饵阵实施有效攻击。