速度欺骗干扰对空空导弹制导精度影响分析与仿真

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　　摘 要：在雷达主动制导空空导弹面临的干扰环境中，速度欺骗干扰技术比较成熟，是目前需要着力对付的一种干扰样式，因此需要对干扰的实际影响进行仿真分析，并以仿真结果为基础指导后续抗干扰算法的发展。本文分析了速度欺骗干扰对空空导弹制导精度的影响，并通过仿真验证了分析的有效性。最后，给出不同干扰样式对空空导弹制导精度影响程度的定量分析结果，并提出后续技术发展的相关建议及该问题的可能解决思路。
　　关键词：空空导弹;制导精度;速度欺骗干扰;仿真与分析
　　中图分类号：TJ765文献标识码：A文章编号：1673-5048（2020）01-0052-06
　　0 引言
　　随着雷达技术的发展，对雷达的干扰及抗干扰技术也在不断发展。其中包括对不同体制雷达的新型干扰技术[1-2]，也涌现了各种对干扰进行识别及对抗的相关技术[3]，但干扰对目标测量信息的影响分析主要集中在雷达系统方面[4]，在干扰对空空导弹制导精度的影响分析方面的工作尚未全面开展。
　　对空空导弹装备并使用的脉冲多普勒体制雷达导引头而言，如何通过对导引头施加干扰使空空导弹的作战效能尽可能降低已经成为一个主要研究方向。目前的主动雷达制导空空导弹多采用雷达单脉冲测角和脉冲多普勒末制导体制。在战斗中，空空导弹的单脉冲多普勒雷达侦测敌方雷达回波信号，并通过比较发射信号与目标回波信号之间的多普勒频谱的振幅或相位以实现对敌方飞机的跟踪[5]。为避免受到雷达型空空导弹的攻击，现代作战飞机均大规模装备雷达告警接收机，当雷达告警接收机检测到空空导弹的雷达信号时，即会提示飞行员对威胁做出干扰，降低雷达制导空空导弹制导精度，达到保护自身安全的目的。
　　在雷达主动制导空空导弹面临的干扰环境中，速度欺骗干扰技术比较成熟，是目前需要着力应对的一种干扰样式。速度欺骗干扰的主要方式有：速度波门拖引干扰、假多普勒频率干扰、多普勒频率闪烁干扰和多普勒频率噪声干扰[6]。其中，速度波门拖引干扰、假多普勒频率干扰及多普勒频率闪烁干扰是最常见的欺骗干扰技术。但随着技术的发展，已经出现了速度-距离联合干扰等多维干扰技术，这将给今后的干扰对抗带来新的影响[7]。另外，为了应对相控阵雷达系统，针对相控阵雷达的新型干扰手段也在逐步形成[8-10]。面对新型干扰手段，雷达实施抗干扰的一个重要方式就是采用多重信息比对、目标特征分析等智能化算法剔除干扰信号。从未来的发展趋势可以看出，智能化将是未来雷达实施抗干扰的主要发展方向[11-13]。
　　针对上述干扰的研究主要集中在空空导弹抗速度欺骗干扰方法方面，在该方面已经开展了较多的研究并取得一些成果[14]。但是，考虑到目前空空导弹所大量采用的修正比例导引律中，弹目接近速度作为其中的一项重要修正量被引入了导引律算法，因此导引头对弹目接近速度的测量误差必将被引入导弹过载控制指令的形成过程中，并最终对导弹的制导精度产生影响。对于这一过程的理论及仿真研究目前均未充分开展。
　　1 速度欺骗干扰简介
　　1.1 导引头速度测量原理
　　导引头速度跟踪的基本原理是跟踪接收信号的多普勒频率[15]。由于导弹与目标之间存在接近速度，因此，导引头的发射信号经目标反射回来时与导引头的发射信号相比，将产生一个多普勒频移，频移大小与弹目接近速度成正比。导引头速度跟踪回路通过测量该多普勒频移的大小实现对弹目接近速度的测量与跟踪。
　　通常，导引头弹载计算机能根据接收到的回波信号的多普勒频移，对弹目接近速度进行滤波估计，并根据滤波结果调整接收机的速度波门位置，实现对目标的速度跟踪。
　　1.2 速度欺骗干扰原理
　　根据导引头速度跟踪原理，干扰机实施速度拖引时，首先向导引头转发一个能量远大于目标回波能量且与目标回波具有相同多普勒频率的干扰信号。由于干扰信号大于目标回波信号，因此导引头速度跟踪电路将捕获并跟踪干扰信号，干扰机之后将增大或减小干扰信号的多普勒频率，使之与目标回波多普勒频率逐渐分离开来，使速度波门跟踪在干扰信号的多普勒频率上[16]。干扰机组成及干扰示意如图1所示。
　　假多普勒频率干扰的基本原理是：根据接收到的雷达信号，同时转发与目标回波多普勒频率不同的若干个干扰信号，使雷达的速度跟踪电路可同时检测到多个多普勒频率（若干扰信号远大于目标回波，由于速度跟踪电路响应的是大信号，将使雷达难以检测目标信号），造成其检测跟踪的错误[17]。假多普勒频率干扰机原理框图如图2所示。
　　在干扰机实施多普勒频率闪烁干扰时，干扰机将在真实目标回波频率附近，以预设的时间为周期，產生多个频率相近的回波信号，造成雷达导引头的速度波门始终在不同的回波信号之间跳转，而始终无法正确、稳定地截获目标速度[17]。其干扰机组成与假多普勒频率干扰机相同。
　　2 速度欺骗干扰对制导精度影响分析
　　比例导引法是指导弹在攻击目标的过程中，导弹速度矢量的旋转角速度与目标线的旋转角速度成比例的一种导引方法，其基本数学形式为
　　其优点是：在比例系数K选择适当的前提下，导弹弹道前段较为弯曲，能够充分利用导弹的机动能力;弹道后段较为平直，使导弹具有较为充裕的机动能力。只要参数选择适当，就可以使全弹道上需用法向过载均小于可用法向过载，因而其弹道较为平滑，有利于发挥导弹的动力性能。在技术实施上实现比例导引法也较为容易，因此空空、地空等自动瞄准制导的导弹都采用比例导引法。其缺点是：命中目标时的需用法向过载与命中点的导弹速度和导弹的攻击方向有直接关系[18]。
　　为消除比例导引法的上述缺点，改善其导引特性，多年来，研究人员对比例导引法进行了大量改进，并提出许多不同的改进比例导引形式。包括：为了在目标信息测量延迟环境下提高制导精度而考虑目标机动预测的复合导引律[19]、考虑弹体动态特性以提高制导精度的三维有限时间收敛导引律[20]和在攻击特殊目标时使用的带初始前置角和末端攻击角约束的偏置比例导引律[21]。就目前的工程实用化水平而言，被大量应用的一种扩展比例导引法为 　　按照上述导引规律进行导引时，命中点处的需用法向过载不仅与导弹速度无关，而且与导弹攻击方向也无关，因此有利于实现全向攻击。
　　对于扩展比例导引法而言，为保证导弹能够直接命中目标，比例导引系数K1的选择应满足以下要求：
　　式中：Vm为导弹速度;η为导弹速度矢量的前置角。可见，当K1取值过小时，导弹将无法保证直接命中目标。而当K1取值过大时，q·的微小变化将导致导弹过载指令大幅波动，严重时可能导致制导系统控制发散。在设计时，为保证导弹能够满足在无干扰条件下命中目标这一基本性能的要求，同时兼顾制导系统的实际能力，K1的取值范围一般在2～6之间。
　　扩展比例导引法中的R·在实际工程实现时大都由雷达导引头通过对目标回波的多普勒频率测量得到，因此在导引头受到速度欺骗干扰时，其导引律可以表达为
　　式中：R·T为真实的弹目接近速度;R·F为由于速度欺骗干扰而带来的虚假接近速度增量。由于速度欺骗干扰附加的虚假接近速度增量R·F的矢量方向仅可能与真实弹目接近速度R·T的矢量方向相同或相反，因此上式可以改写为
　　可见，对于采用比例导引律的导弹，当导引头受到速度欺骗干扰影响时，将在导弹法向过载指令的形成过程中引入一个附加量，最终导致过载指令偏离实际需求。当R·F的矢量方向与R·T的矢量方向相同时，导弹过载指令将大于实际所需的过载，在弹道轨迹上的体现就是导弹轨迹将以理论遇靶点为中心而振荡，因而会导致导弹遇靶时的制导精度散布增加，在过载指令振荡严重时甚至可能导致制导系统控制发散。当R·F的矢量方向与R·T的矢量方向相反时，导弹过载指令将小于实际所需的过载，导弹遇靶时的制导精度散布特性不会受到明显影响，但会出现一个无法消除的制导误差残差，在最严重的情况下甚至将导致导弹完全无法命中目标。
　　从式（5）中还可以看出，当释放的干扰种类不同时，由于速度欺骗干扰而带来的虚假接近速度增量在弹道上的累计影响也是不一样的。对于假多普勒频率干扰，由于施放干扰后始终存在一个与目标有一定偏差的假目标，因此在导引头跟踪假目标后将保持对假目标频率的跟踪，其累计影响最大;对于速度拖引干扰，由于其多普勒频率存在拖引过程，而且拖引起点为真实目标速度，因此其累计影响居中;对于多普勒频率闪烁干扰，由于导引头跟踪的频率始终在多个假目标频率中跳动，因此其累计影响较小。
　　3 速度欺騙干扰对导弹制导精度仿真
　　在仿真环境中对导弹、目标、干扰模型分别进行建模及调试，采用上述扩展比例导引法，并通过调整比例系数K1的取值，使导弹在迎头、侧向、尾后等不同攻击态势下均能直接命中目标。
　　考虑到实际作战过程中，目标在释放速度干扰的同时通常会配合机动使干扰效果最大化，因此仿真条件选取为发射高度3 km、目标高度0.5 km，两者均以马赫数0.8同向飞行，横向间距5 km，发射距离20 km，目标在导弹遇靶前5 s开始施放干扰并以2g过载向远离导弹方向机动。导弹攻击目标时遇靶前的弹道轨迹曲线如图3所示。
　　完成上述导弹及目标模型建立后，根据文中对速度欺骗干扰的描述，分别建立速度拖引干扰、假多普勒频率干扰及多普勒频率闪烁干扰的仿真模型，将导弹受到速度欺骗干扰时测量得到的弹目接近速度引入导弹制导律模型中，通过蒙特卡洛法进行多次仿真，对制导精度受到的影响进行统计。
　　仿真过程中，所设置的速度欺骗干扰带来的虚假接近速度的马赫数增量范围为-0.8～0.8。对于假多普勒频率干扰来说，该增量即为其施放的虚假多普勒频率;对于速度拖引干扰，该增量为速度拖引的最大值;对于多普勒频率闪烁干扰，该增量限制了其闪烁范围的最大值。
　　在实际仿真过程中，对不同干扰样式、不同虚假接近速度增量条件下导弹受干扰时的制导精度进行仿真，并对相同干扰样式下的仿真结果进行统计，给出制导精度的平均值，最终结果统计曲线如图4～6所示。
　　可见，仿真结果与前期理论分析基本吻合，在干扰作用时间段相同且虚假速度增量相同时，不同干扰样式对于导弹制导精度的影响强度不同，假多普勒频率干扰对导弹制导精度影响最大，多普勒频率闪烁干扰对导弹制导精度影响最小。在速度欺骗干扰与真实目标偏差变大时，其对导弹制导精度的影响也在变大。
　　同时，在相同干扰样式下，干扰信号与真实信号的偏移方向不同时，对导弹的制导精度影响强度也不相同，干扰信号相对真实信号向弹目接近速度减小的方向偏移时，对制导精度影响最大。
　　4 结论
　　本文以速度欺骗干扰的数学模型及扩展比例导引法数学模型为基础，对导弹攻击过程中受到速度欺骗干扰时导引律可能受到的影响进行分析，并对导弹在干扰环境下的攻击过程进行仿真。分析及仿真结果表明，干扰样式对导弹制导精度影响存在显著差异，假多普勒频率干扰对导弹制导精度影响最大。在干扰样式相同的条件下，当干扰信号相对真实信号向弹目接近速度减小的方向偏移时，干扰对制导精度影响最大。
　　从仿真结果可以看出，在速度拖引干扰条件下不采取任何抗干扰措施时，空空导弹的制导精度将会受到比较明显的影响。
　　为保证在未来可预见的复杂化、智能化干扰环境中有效攻击目标，建议在导弹的抗干扰算法中引入人工智能算法，通过对目标测量信息的综合比对实现对干扰信息的智能滤除，从而保证在干扰条件下的作战效能。
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