反辐射导弹对抗雷达关机技术研究
杨林冲 王清海
摘要： 在分析反辐射导弹对抗雷达关机所采用的若干技术方案各自特点的基础上， 指出被动雷达与捷联惯导复合是第三代现役反辐射导弹采用的主流技术， 采用多模导引头复合制导是未来一个重要的发展方向。 对上述两种方式的机理分别进行了研究， 给出了相应的研究结论。 对采用多模导引头复合制导需重点考虑的问题进行了分析， 对反辐射导弹抗关机的发展历程进行了总结， 指出提高机动性对于采用复合导引头制导模式的反辐射导弹意义重大。
关键词： 反辐射导弹； 雷达关机； 捷联惯导； 复合导引头； 滤波算法； 扫描
中图分类号： TJ761.1+6文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2016）01-0013-05
Abstract： The characteristics of several techniques against radar shutdown of anti radiation missile（ARM） are analyzed. Based on this， it points out that the mainstream technique today is the compound guidance mode of passive radar seeker（PRS） and strapdown inertial navigation system（SINS）， and one of the development trend in the future is the multimode seeker guidance mode. The principles of the two modes above are studied and the corresponding conclusions are given. The main problems of adopting multimode seeker guidance mode are analyzed， the development progress of ARM against radar shutdown is summarized， and the importance of increasing manuverbility for ARM adopting multimode seeker is noted.
Key words： ARM； radar shutdown； SINS； multimode seeker； filter algorithm； scanning
0引言
反辐射导弹是以被攻击雷达所辐射的电磁波为导引信息的一种防空压制武器， 具有作用距离远、 隐蔽性能好、 可全天候使用等优点。 20世纪60年代初， 美国研制出“百舌鸟”反辐射导弹， 并首先在越南战场上使用。 起初“百舌鸟”导弹对越南雷达阵地的摧毁作用十分明显， 后来由于对方雷达采取突然关机、 大甩头等措施， 使其失去了应
有的攻击作用。 究其原因， 主要是由于反辐射导弹过分
地依赖于目标所辐射的电磁波， 因此一旦目标雷达采取关机等措施， 而弹上不采取相应的对抗手段， 其命中精度将会大大降低。 为此， 抗雷达关机能力得到了世界军事强国的普遍重视， 先后研制出的较先进的反辐射导弹大都具有某种程度的抗雷达关机能力。 如美制“标准”反辐射导弹可在雷达关机后， 通过载机上的目标探测定位系统所确定的雷达位置， 由载机发出指令继续制导导弹飞向目标； “哈姆”反辐射导弹利用其本身所具有的高速飞行性能（Ma>3）及惯导系统来对抗雷达关机； 法国的“阿尔玛特”、 苏联的“王鱼”也采用了惯导系统； 而英法联合研制的“马特尔”则采用了被动雷达+电视制导的复合制导形式； 英国的“阿拉姆”也是利用弹上惯导系统来对抗雷达关机。
1反辐射导弹的两种抗关机作战场景
根据目标雷达实施关机对抗措施的时机和关机持续时间， 可以将反辐射导弹抗关机分为两种作战场景。
第一种是抗中段关机， 在导弹制导飞行的过程中， 目标雷达采用突然关机手段， 在一段时间内不再向空中辐射电磁波， 但在导弹落地之前再次开机。 导弹需要在雷达重新开机后迅速捕捉到目标信号并继续对其实施攻击， 直至命中。
第二种则是抗末端关机， 在导弹制导飞行的末期， 雷达采用突然关机手段， 并且不再开机， 直至导弹落地。 要求导弹制导系统利用前期被动导引期间获取的目标位置信息， 继续朝向目标雷达制导飞行， 仍能以一定的概率毁伤目标。
一般来讲抗中段关机相比末端关机更容易一些， 主要原因是二者对导弹的要求不同， 前者只要求目标雷达重新开机时， 导引头能够重新捕获、 跟踪目标使导弹能够重新转入被动寻的制导即可。 由于宽带导引头的波束宽度一般较宽， 因此角度截获不成问题。 该作战场景主要强调的是导引头的自动目标分选能力， 不涉及制导精度的问题； 而后者的要求相对较高， 在目标信号源消失的情况下还要求导弹达到毁伤目标的制导精度， 技术上存在较大的挑战。 因此一般意义上的反辐射导弹抗关机指的都是抗末端关机。
2反辐射导弹抗雷达关机的技术方案
反辐射导弹采用的抗雷达关机措施， 一般以被动雷达寻的制导为主， 复合一种其他制导方式。 被动雷达寻的导引头可以与主动雷达组成被动/主动复合制导， 也可与红外、 激光、 电视或捷联惯导等组成复合制导。 但从可靠性、 技术成熟程度、 研制费用和研制周期等几方面综合考虑， 采用被动雷达复合捷联惯性制导方案更具优势。
（1） 惯性制导不受外界干扰， 也不依靠外界任何信号， 因此是全天候、 全自主的。
（2） 相对于激光制导和电视制导， 捷联惯导系统具有可靠性高、 体积小、 重量轻等特点， 且技术实现容易。
（3） 捷联惯导系统经济性好， 技术成熟度高。
鉴于上述考虑， 目前国际上主流的反辐射导弹均采用捷联惯导（SINS）复合宽带被动导引头（PRS）的制导模式， 都具备一定的抗关机能力。 例如美国的HARM导弹、 英国的ALARM和巴西的MAR-1导弹等。
3捷联惯导复合制导模式抗关机问题
早期采用单模（仅有PRS）导引的反辐射导弹由于没有配置导航系统而不具备自身及目标的定位能力， 在目标关机后对目标的攻击由原来依靠PRS提供目标角度信息的寻的制导， 转变为保持视线方向不变的追踪式攻击， 效果不佳。 末端抗关机距离很近， 一般只有数百米， 远远不能满足作战需要。
3.1捷联惯导复合制导模式的抗关机机理
随着捷联惯导技术的不断成熟， 同时为满足抗关机的迫切需要， 世界主流的反辐射导弹都采用了捷联惯导（SINS）复合宽带被动导引头（PRS）的制导模式， 更先进的甚至引入了卫星辅助导航（GPS）。 该制导模式抗关机的机理如下： 在目标雷达关机前， 弹载计算机利用反辐射宽带被动雷达导引头的导引信息进行制导， 同时利用导弹组合导航系统（SINS/GPS）的位置信息及导引头的测角信息， 采用非线性滤波方法进行目标位置的估计； 雷达突然关机时， 利用上一时刻记忆的目标位置信息及组合导航系统的位置信息， 使用外推估计值进行制导， 按照给定的制导律生成控制指令， 继续引导导弹攻击并满足精度要求。
捷联惯导复合制导模式抗雷达关机的关键是目标雷达的被动定位问题， 而定位问题实质上是非线性最优滤波问题。 反辐射导弹抗雷达关机的原理方框图如图1所示。
3.2捷联惯导复合制导抗关机问题研究结论
应用数字滤波技术， 基于SINS/GPS+PRS复合制导模式的反辐射导弹相对于单纯依靠PRS制导， 抗关机能力在一定程度上得到提高， 末端抗关机距离能够提高到数千米。
基于SINS/GPS+PRS复合制导模式的反辐射导弹在对抗雷达关机时影响脱靶量的因素有： 雷达关机时对目标的定位误差、 关机期间导弹的导航误差及制导控制系统执行误差。 其中第一项是主要因素， 提高SINS的精度、 引入卫星制导可以一定程度地提高反辐射导弹的抗关机能力， 但作用比较有限。 反辐射导弹抗关机问题的核心是如何提高关机时刻导弹对目标被动定位的精度。
控制误差是导弹控制系统执行控制指令时所产生的误差， 是由方法误差、 测量误差以及动态滞后等因素引起的， 在导弹制导飞行的过程中始终存在且不可避免。 导航误差是导弹飞行过程中导航系统测量自身位置信息时所产的误差， 它与SINS的器件水平直接相关， 且与导弹的剩余飞行时间强相关并呈指数关系增长。 为了消除SINS长时间的积累误差， 先进的反辐射导弹多采用SINS/GPS组合导航系统。 引入GPS后可以将导航误差控制在3 m左右（CEP）的水平， 使得导航误差与剩余飞行时间无关， 这样就可以减小脱靶量， 提高导弹在目标雷达关机后的制导精度。 关机时刻的目标定位误差受机载设备对目标雷达的初始被动定位误差、 被动雷达导引头测量误差及被动定位滤波品质等影响。 在目前被动雷达导引头测角精度及滤波处理算法水平之下， 目标被动定位误差本身仍是导致导弹脱靶的主要因素。
国外机载雷达告警装置测角误差≤10°， 测距误差≤10%； 机载电子支援装置的测角误差≤2°， 测距误差≤10%。 当被动雷达导引头稳定跟踪目标后， 可以很快消除初始被动定位误差。 被动雷达导引头的测角误差约为1°～2°（1σ）， 在较理想的情况下， 可以通过被动定位滤波将其提高到0.1°（1σ）左右的水平， 对应10 km的距离上的位置误差约为18 m（1σ）左右， 5 km的距离上的位置误差约为9 m（1σ）左右。
基于SINS/GPS+PRS复合制导模式反辐射导弹的抗关机能力（或者说反辐射导弹对目标的被动定位精度水平）与具体弹道密切相关。 例如在相同弹目距离条件下， 随着导弹飞行高度的降低， 抗关机距离呈现明显的降低趋势， 这涉及到滤波器的可观性问题。 因影响因素多， 抗末端关机能力不易简单地用抗关机距离或时间来描述， 抗关机距离与关机前复合制导（即由PRS来获取目标信息）的时间长短、 具体的弹道情况（远近、 高低、 是否爬升）等直接相关； 在弹道设计上采用一些技术措施可以一定程度上提高反辐射导弹的抗关机能力。 本质原因是一定程度上提高了被动定位滤波器的可观性和收敛特性。
当目标雷达关机时， 如果导弹距离目标较远， 或者被动定位的时间偏短， 此时导弹对目标雷达的定位误差可能远远超过战斗部的杀伤半径， 单纯依靠捷联惯导复合制导模式进行坐标攻击已经不能满足制导精度的要求。
4多模导引头复合制导的抗关机问题
多模导引头复合制导是目前国内外讨论最多的一种抗关机方案， 它具有目标探测能力强、 抗干扰能力强等优点， 是反辐射武器最直接有效的抗关机手段， 也是对抗雷达诱饵干扰的重要发展方向。 但多模复合制导并不是几种导引头简单的并联或叠加， 它涉及到复合模式优化选择、 天线罩技术、 逻辑控制系统设计、 数据融合等关键技术， 以及研制周期长、 成本控制等问题。
目前国外采用的多模制导抗关机方案中， 多采用被动雷达导引头与红外、 毫米波、 电视、 激光等制导技术相结合。 例如美国海军主导的“先进反辐射导弹（AARGM）”（即AGM-88E）采用主动毫米波导引头（MMWS）+被动雷达导引头（PRS）复合的双模制导体制； 德国的ARMIGER反辐射导弹则采用了红外成像（IIR）+被动雷达导引头（PRS）的复合制导模式。 二者各有千秋， ARMIGER采用固体火箭冲压发动机， 最大射程可达200 km， 制导精度高， 因此战斗部仅重20 kg， 但发展前景不明， 相关文献报道很少。 而AGM-88E目前已经完成设计定型， 处于小批量装备阶段。 在这个过程中出现了一些技术问题， 目前正在逐步解决之中。 因相关技术高度敏感， 很难知道具体的细节， 猜想可能与末制导目标自动识别有关。
4.1多模导引头复合制导的抗关机机理
导弹采用SINS/GPS+PRS/MMWS复合制导模式， 在朝向目标制导飞行的过程中， 如雷达突然关机， 则导弹首先在SINS及GPS的引导下朝着雷达关机前根据被动定位算法推算的或者载机装订的目标粗略位置飞行。 在合适的距离上（如3 km）毫米波主动雷达导引头开机工作， 在算法推算/初始装订的目标位置附近一定范围内进行扫描、 搜索和识别， 一旦发现、 截获并稳定跟踪目标， 导弹即由坐标攻击模式转变为由MMWS导引的寻的制导模式直至命中目标， 因而可大大提高制导精度。 如果目标雷达持续工作， 则制导系统对PRS和MMWS的导引信息进行数据融合， 可明显改善制导系统的可靠性和抗干扰能力。
另一方面， 由于MMWS的引入所具备的区域搜索及目标自动识别能力， 使得反辐射导弹的使用更加灵活， 甚至可以用来攻击预先知道概略位置的未开机的防空武器系统。 同时在对抗有源诱饵干扰方面也大有用武之地。
相较于传统的SINS/GPS+PRS制导模式， 引入MMWS末制导能够大幅提高导弹抗关机能力的本质是有效利用了其区域扫描搜索能力。 相当于把原来必须将目标精确定位到有效脱靶量之内（典型值15 m ）的苛刻要求放宽为只需把目标精确定位到MMWS的搜索范围内（典型值600 m×600 m）， 对应的定位精度为300 m， 如图2所示。 因此大大降低了对制导系统的压力， 实现了抗关机能力的大幅提高， 将原来的几千米扩大到了十几千米甚至二十千米以上。
4.2多模导引头复合制导需重点考虑的问题
为实现反辐射导弹的多模导引头复合制导， 取得良好的抗关机甚至抗诱饵效果， 必须解决好如下问题：
（1） 基于距离高分辨的目标自动识别
对目标的自动识别是多模导引头复合制导必须解决的第一关键技术， 它将直接决定着导弹攻击过程的成败。 其主要过程是： 首先控制MMWS的波束指向估算的目标点， 对波束内目标进行检测。 对检测到的目标， 利用距离高分辨、 目标辐射信息等构造特征向量， 并与数据库中的制导雷达天线的特征信息进行匹配。 如果没有发现要打击的目标， 则启动扫描程序按一定规律对周围一定范围进行扫描， 执行目标检测、 特征匹配和目标确认等流程， 直至发现目标； 在确认目标后随机转入稳定跟踪状态， 输出制导系统所需的目标参数。 MMWS对搜索区内目标自动识别、 打击如图3所示。
对于MMWS主动雷达， 目标与诱饵外形等特征存在差异， 其散射信号有很大的区别， 表现在高分辨距离像上， 如扩展长度、 散射点相对大小和分布等， 利用高分辨距离像可实现有效的鉴别， 从而使反辐射导弹具备良好的抗诱饵能力。
（2） MMWS机电式位标器的快速性
PRS探测距离一般比较远， 而MMWS受体制、 波长和口径等多种因素的限制， 有效作用距离非常有限， 对典型目标作用距离一般只有3 km左右。 为保证末端MMWS寻的制导的精度， 至少需要2 km左右的末制导飞行过程， 这就要求MMWS对于特定区域的搜索必须在1 km左右的飞行时段内完成。 对于超音速情况， MMWS对目标可能区域的扫描时间仅有2 s左右。 假设MMWS波束宽度1.5°， 扫描角速度80 （°）/s， 导弹擦地角20°， 飞行速度600 m/s， 计算出最大搜索区域为500～600 m。 当然80 （°）/s的扫描角速度对于机电式位标器存在一定的挑战。 如果将目标的概略定位精度提高， 例如提高到150 m（对应的搜索区域降低为300 m×300 m）， 或者将MMWS的有效作用距离提高到4 km以上， 都可以降低对位标器快速性设计要求。 这实际上是总体指标间的平衡、 折衷问题。 对MMWS区域搜索的快速性要求如图4所示。
（3） 反辐射导弹的机动能力要求
如前所述MMWS在完成对目标雷达的识别、 截获后， 最终实现稳定跟踪时距离目标已经很近， 如果目标定位精度差导致其处于比较靠近区域边缘的位置， 对导弹的机动能力将是一个严峻的考验， 这一点与通常意义上的空地导弹是有区别的。
（4） 反辐射导弹的末端弹道优化设计
理论分析及数字仿真研究表明， 对于采用近炸引信的反辐射导弹， 从引战配合角度来讲， 希望导弹的着地角越大越好。 而另一方面， 着地角越大， 导弹需用过载越大， MMWS截获距离却越小， 截获距离小又反过来需要更大的过载。 这样在MMWS稳定跟踪目标之前， 不宜将导弹着地角控制太大， 理想的弹道策略是在MMWS截获目标之前， 将导弹的着地角控制在20°～30°以下， 稳定跟踪后再逐步将导弹着地角提高到50°以上， 这涉及到末端弹道的优化设计问题。
5结论
以“百舌鸟”为代表的第一代反辐射导弹基本不具备抗关机能力。 另外其被动雷达导引头灵敏度低， 只能跟踪雷达目标波束主瓣， 目标的一个大甩头动作甚至都可能导致攻击过程的失败。
以“哈姆”为代表的第三代反辐射导弹引入了惯性导航系统， 具备一定的抗关机能力。 但由于受到被动导引头测角精度、 被动定位数字滤波器收敛速度、 具体的攻击弹道及被动导引时间长短等因素的影响， 抗关机能力虽有较大的改善， 但仍然不能满足实战需要。
以“先进反辐射导弹（AARGM）”为代表的三代后反辐射导弹引入主动毫米波复合导引头， 具备了良好的抗关机能力和抗诱饵能力， 当然成本也会明显上升。
引入主动毫米波复合导引头的先进反辐射导弹必须解决好基于距离高分辨的目标自动识别、 机电式位标器扫描快速性、 导弹机动能力和末端弹道优化等关键技术， 方能闭合其整个制导过程。
如果导弹本身具有较强的机动能力， 可以明显降低目标的概略位置估算精度要求、 MMWS对典型目标的截获距离要求以及机电式位标器扫描快速性的设计压力。
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