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警戒雷达侦察效能受电子对抗侦察卫星的影响分析

2020-07-03 949 上传者：管理员

摘要：电子对抗侦察卫星对海上搜索警戒雷达的电磁信号侦察有其独特优势，以往的研究更多的是侧重于卫星的重访周期、覆盖范围等方面，缺少卫星对信号侦察能力的定量分析。通过分析舰船雷达信号在空间的功率密度分布，构建了电子对抗侦察卫星对海上搜索警戒雷达的侦察模型，将三型典型海上搜索警戒雷达的相关数据带入模型进行了仿真，并分析了持续侦察时间，最后提出了下一步的研究建议。

关键词：
侦察效能
军事通讯
卫星
效能分析
电子对抗侦察
雷达
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引言

电子对抗侦察卫星是指利用星载电子对抗侦察载荷，捕获接收空间电磁信号，并进行数据处理及存储转发的侦察卫星系统。电子对抗侦察卫星在对海上雷达信号侦察上有其独特优势:首先，大海范围广阔，电磁信号的干扰很少，噪声环境单一，信噪比较高;其次，舰船特别是军舰因自卫或攻击需要，对空对海警戒雷达经常向空间辐射电磁信号，极易被星载雷达对抗侦察设备截获;再次，与成像卫星相比有优势，比如光学成像卫星受制于天气影响，易于被云层阻挡，雷达成像卫星的瞬时视场受分辨率的制约，瞬时视场不够宽，侦察范围有限，一般需要在其他侦察设备的引导下工作，相比较而言，电子对抗侦察卫星覆盖的范围更大，发现概率更高，技术也较成熟，且具有全天时、全天候的能力。

电子对抗侦察卫星是作为情报体统中的一个重要信息来源，卫星的主要工作是截取信号，并进行星上数据处理和存储转发。实现侦察目的的前提是对电磁信号进行有效的捕获接收，这就要求侦察卫星必须从空域、频域、时域和能量域上对目标信号实施有效覆盖。文献[1]主要从空域和时域覆盖的因素出发，采用数据仿真的方法，从瞬时侦察覆盖范围、侦察覆盖区域、飞行周期、重复侦察周期、侦察有效时间等方面对电子侦察卫星的情报侦察能力进行分析，分析结果可为电子侦察卫星的作战使用研究提供一定的理论依据。但是如何从能量域和频域上分析，还没有进行研究。本文通过构建电子对抗侦察卫星侦察模型，再通过分析典型舰载雷达特性，对其电子对抗侦察卫星的侦察效能进行仿真，得出电子对抗侦察卫星对舰载对空警戒雷达、对海搜索雷达信号的捕获能力、条件、跟踪时长，分析得到其侦察效能。

1、电子对抗侦察卫星对舰船雷达信号的侦收模型

1.1舰船雷达信号到达卫星时的功率密度计算方法

电子对抗侦察卫星在侦察能力上的核心指标之一是灵敏度，如相关资料显示，美国轨道高度1000km左右的“白云”电子对抗侦察卫星的灵敏度大概为-45～-97dbW/m2，美国“大酒瓶”地球同步轨道电子对抗侦察卫星，轨道高度36000km，灵敏度大概为-117～-169dbW/m2。因此，通过计算雷达到达卫星时的功率密度，再对比电子对抗侦察卫星的灵敏度，就能计算该型号雷达能否被此卫星侦测到。

本文以地球同步轨道卫星为例，计算其侦察效能。设电子侦察卫星轨道高度为H，由于电子侦察卫星对固定目标的侦收持续时间内运行距离远小于地球轨道半径和卫星高度，因此可以认为，电子侦察卫星在对海面舰船目标进行侦察时，其相对于海面目标的运行轨迹近似于一条直线，如图1所示。

设电子侦察卫星和雷达的直线距离为R，则根据图1可得

图1电子对抗侦察卫星简化侦察模型

公式1

式中:φ为雷达天线的仰角;θ为卫星与雷达连线偏移雷达天线最大增益方向的角度。

根据图1，卫星过顶时θ最大，卫星与雷达连线对准主瓣时，θ为0，卫星继续转动，则θ为负值。

假设空间没有介质损耗干扰，设某型号雷达地面发射功率为Pt，发射天线主瓣增益为Gt，旁瓣增益为随θ变化的值G(θ)，则根据雷达方程，在距离雷达R远处，该雷达的功率密度为

公式2

根据参考文献[2]，当偏移的角度θ在雷达主波束范围内时，G(θ)等于主波束增益Gt，当偏移出主波束范围，且θ<60°时，旁瓣增益c可由经验公式当θ≥60°，天线增益不再随θ的增大而减小，趋于稳定，而大小近似于θ=60°时的旁瓣增益，可用此时的旁瓣增益来代替。因此，可以得出，雷达在空间增益G(θ)随θ的变化关系为[3]

公式3

式中:Gt为雷达的主瓣增益;K为经验常数，对于低旁瓣增益天线K=0.04～0.06;θ0.5为雷达主瓣方位波束宽度。

将G(θ)的相应部分的值带入式(1)中，再结合雷达相关参数，即可得出相应型号雷达在空间的功率密度Sr随角度θ的变化关系。

1.2典型美海军舰载搜索警戒雷达情况

受制于接收频率，卫星一般能接收到的信号为舰载对海和对空搜索警戒雷达。为了便于分析，选取较有代表性的3型雷达进行分析，就是目前美国海军典型的3型舰载雷达:超远程两坐标的AN/SPS-49对空搜索雷达、远程三坐标的AN/SPS-48对空搜索雷达、AN/SPS-67对海警戒雷达。根据已披露的相关资料显示，AN/SPS-49雷达目前代表型号为AN/SPS-49(V)型，该型雷达主要装备在提康德罗加巡洋舰、佩里级导弹护卫舰、惠德贝岛级两栖船坞登陆舰以及黄蜂级两栖攻击舰上。AN/SPS-48雷达目前代表型号为AN/SPS-48(E/F)，该型雷达工作时发射9个俯仰上叠加的笔形波速覆盖5.6°，8组波束形成45°俯仰角覆盖，主要装备航空母舰、大多数导弹巡洋舰和驱逐舰以及两栖指挥舰，并出口德、日、奥等多国。AN/SPS-67雷达目前代表型号为AN/SPS-67(V2)，该型雷达主要装备航空母舰、阿利伯克级导弹驱逐舰等舰船。将相关数据对应式(3)，并汇总如表1所示。

1.3空间传播损耗问题

对电磁波在空间传播的损耗问题，主要分析对流层和电离层的影响[4]。根据参考文献[5]中的计算，工作频率在10000MHz以下，仰角在30°～90°内的电磁波穿透整个对流层吸收损耗小于0.1dB，当电磁波频率高于30MHz时，即可穿越电离层，当电磁波频率高于100MHz，且当云的密度为0.032g/m3时，电磁波穿越电离层损失小于1dB，且频率越高，电离层损失越小。本文分析的3型雷达频率都在100～10000MHz之内，在大气层内都有很强大穿透力，衰减并不大[6,7,8,9,10]，可忽略不计。

2、电子对抗侦察卫星对三型雷达的侦察仿真

电子对抗侦察卫星从接近发现雷达到过顶侦察再到离开雷达目标，整个过程是对称的，故仿真计算时仅考虑从卫星过顶到卫星远离这段侦察过程。因为电子对抗侦察卫星的参数是灵敏度，单位是dBW/m2，故需将式(2)取对数[7]，单位转化为dBW/m2。

公式4

假设现有某型电子对抗侦察卫星，其轨道高度为1000km，灵敏度为-150dBW/m2，现将AN/SPS-49V(V),AN/SPS-48(E),AN/SPS-67(V2)3型雷达以及卫星的相关数据带入式(4)中，利用Matlab进行仿真，计算功率密度dBW/m2随的变化如图2所示。

根据计算结果，电子对抗侦察卫星对对空搜索雷达可实现有效侦察，对对海警戒雷达的发现概率较低[11,12]。据图2，当卫星灵敏度是-150dBW/m2时，对AN/SPS-49V(V)实现有效侦察的临界偏离角为20.57°，对AN/SPS-48(E)实现有效侦察的临界偏离角为27.53°，对AN/SPS-67(V2)实现有效侦察的临界偏离角为8.56°。

表1美海军三种典型型号雷达部分参数

图2电子对抗侦察卫星对3型典型雷达实现侦察灵敏度需求随ω的变化情况

3、电子对抗侦察卫星对海上搜索警戒雷达的侦察有效时间分析

据Matlab的仿真结果，电子侦察卫星可以实现要实现对这3型雷达的有效侦察，但需要实现天线的有效对准，要求卫星天线方向与与雷达主瓣的偏移角度都在有效角度以内。因为一般电子对抗侦察卫星轨道高度为1000km时，为了实现对全球的有效侦察，一般都在经过两极的近似圆轨道上运行[13]。根据天体运行规律，其运行周期为

图3电子对抗侦察卫星运行中的相关几何关系示意图

将相关参数代入，得卫星的运行周期大约为105min。为得出卫星对某型雷达的有效侦察时间，需计算在有效侦察范围内卫星运行的圆周角度。

根据正弦定理得出:

则电子对抗侦察卫星对雷达的有效侦察时间为

将相关数据代入，可知电子对抗侦察卫星在一次有效覆盖时，对3型美军舰载雷达的侦察时间如表2所示。

表2假定型号的电子对抗侦察卫星对三型舰载雷达的有效侦察时间

4、结束语

通过上述分析，可知电子对抗侦察卫星可对一般对海对空搜索警戒雷达进行有效侦察接收，且侦察有效持续时间较长，具备实现侦察、定位等条件。但由于受制于重访问周期等条件影响，电子对抗侦察卫星更多的是用于战略侦察，其支援海上作战的战术运用功能、机制和方法还有待进一步研究，比如采用多星组网缩短重访周期、与其他侦察方式协同侦察等等[14,15]，这些还需要进一步开展研究，以充分发挥电子对抗侦察卫星的作战效能。

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