張 杰,陳 棟,房施東

(陸軍炮兵防空兵學(xué)院高過載彈藥制導(dǎo)控制與信息感知實(shí)驗(yàn)室, 合肥 230031)

0 引言

有源干擾彈是用常規(guī)火炮、火箭炮發(fā)射,以彈藥作為運(yùn)載工具,將干擾機(jī)快速運(yùn)載到敵目標(biāo)區(qū)域,完成通信干擾任務(wù)的特種炮彈,分為扎地式和滯空式兩種。其中滯空式干擾彈的簡(jiǎn)要工作過程如圖1所示[1]。

圖1 滯空式干擾彈簡(jiǎn)要工作過程

滯空式干擾彈能懸浮在敵目標(biāo)上空,對(duì)目標(biāo)進(jìn)行升空抵近干擾,不受地形限制,與扎地式干擾相比可獲得距離優(yōu)勢(shì)和升空增益,實(shí)現(xiàn)以較小的功率獲得較大的干擾范圍和強(qiáng)度,同時(shí)由于彈丸體積小且高速飛行,敵方無法攔截,突防能力和生存能力強(qiáng),和同類干擾裝備相比,便于大量裝備使用,并且無人操作,可避免人員傷亡,符合現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)理念[1]。

1 有源通信干擾彈的工作頻段

有源通信干擾彈主要以干擾敵跳頻電臺(tái)為主[1-2],表1列舉了外軍部分典型短波(超短波)跳頻電臺(tái)的性能指標(biāo)[3]。

由表1可知,低VHF頻段是軍事部隊(duì)地面移動(dòng)通信使用最頻繁的頻段,而且大多數(shù)戰(zhàn)術(shù)無線電臺(tái)都工作在該頻段[4],因此軍用超短波頻段一般為30～88 MHz[5];與此同時(shí),外軍的通信干擾彈的工作頻段基本上在1.5～120 MHz之間[6-8],因此文中討論的有源通信干擾彈的工作頻段為1.5～120 MHz,即涵蓋1.5～30 MHz的整個(gè)短波波段和30～120 MHz的部分超短波波段,也就是說被干擾的敵跳頻電臺(tái)的工作頻段在1.5～120 MHz之間。

表1 外軍典型短波(超短波)跳頻電臺(tái)性能指標(biāo)

2 被干擾跳頻電臺(tái)的特點(diǎn)

2.1 被干擾跳頻電臺(tái)使用的天線類別

超短波通信因?yàn)槭褂妙l率高,波長(zhǎng)短,天線可以做得很小,通常為直立鞭狀天線。而短波通信因使用頻率較低,天線必須足夠大才能有效工作。根據(jù)車載通信或個(gè)人通信中通常選擇小型鞭狀天線的原則,作為戰(zhàn)術(shù)短波跳頻電臺(tái),通常采用小型鞭狀天線[9]。因此,一般意義上,被干擾跳頻電臺(tái)均使用鞭狀天線。

2.2 被干擾跳頻電臺(tái)的信號(hào)傳播方式

短波天波頻率具有很強(qiáng)的時(shí)變性,不同時(shí)間、不同地點(diǎn)、不同方向可用頻率的相關(guān)性差[5],同時(shí)由于在短波天波傳播模式中,干擾機(jī)會(huì)受到與通信機(jī)一樣的限制,且發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的傳播路徑一般與干擾機(jī)鏈路不同[2],所以戰(zhàn)術(shù)短波跳頻電臺(tái)不考慮天波傳播方式,只考慮地波傳播方式。為簡(jiǎn)化起見,一般在跳頻電臺(tái)的研究中,只將地面繞射波或直射波作為通信信號(hào)的主要能量載體,并且在戰(zhàn)術(shù)級(jí)使用的戰(zhàn)場(chǎng)范圍內(nèi),地面繞射波完全可以用直射波近似代替。因此文中考慮的短波或超短波傳播方式均以直射波傳播方式為主[2-3],即地波傳播中的直射波傳播方式。

3 通信干擾彈的典型工作環(huán)境

由于不考慮短波的天波傳播模式,因此不考慮電離層受氣象條件的影響,即氣象因素不考慮。

3.1 東南沿海

地形方面,東南沿海地區(qū)主要以丘陵和水網(wǎng)稻田地形為主,主要特點(diǎn)為:地形平坦開闊,河渠、池塘密布交織如網(wǎng);土質(zhì)松軟泥濘,抗壓力差。即東南沿海作戰(zhàn)地域海洋廣闊、湖泊眾多,植被茂密、山脈連綿。

因此,東南沿海的地面性質(zhì)主要以海水、潮濕地、沿海沙地為主。

3.2 西南邊境

西南邊境地區(qū),具有典型的高原高寒山地特征。此處山勢(shì)險(xiǎn)要,地形復(fù)雜,自然地理環(huán)境極其惡劣,主要體現(xiàn)在:

一是主要分布在邊境中段和部分東段地區(qū)的高山深谷區(qū),山體高大險(xiǎn)峻,地勢(shì)起伏劇烈,溝谷深且狹窄,植被稀少、凍土層厚。

二是主要分布在邊境東段地區(qū)的峽谷密林區(qū),溝谷縱橫、河多橋少、路少崎嶇曲半徑小,該地域地表植被繁茂、林內(nèi)陰暗潮濕。

因此,西南邊境的地面性質(zhì)主要以淡水、干燥地、山區(qū)為主。

4 典型環(huán)境對(duì)有源通信干擾彈作戰(zhàn)使用的影響

當(dāng)不考慮地表面狀況對(duì)信號(hào)傳輸帶來的影響時(shí),通常認(rèn)為干擾彈的信號(hào)傳輸環(huán)境以及被干擾電臺(tái)的信號(hào)傳輸環(huán)境均為自由空間,即自由空間傳播條件下的路徑損耗[10]:

Lf=32.45+20lgf+20lgr

(1)

式中：r為信號(hào)傳播距離(km);f為信號(hào)頻率(MHz);Lf為損耗(dB)。

但是實(shí)際工作環(huán)境中的電波總是在有能量損耗的媒質(zhì)中傳播,由于不同的地表面,其電參數(shù)也不相同,如表2所示。

表2 地面電參數(shù)

因此,考慮典型環(huán)境對(duì)有源通信干擾彈作戰(zhàn)使用的影響問題,總共分兩種情況,即電臺(tái)天線低架、電臺(tái)天線高架,而每種情況按東南沿海和西南邊境進(jìn)行區(qū)分。

4.1 天線低架

當(dāng)天線架設(shè)高度小于波長(zhǎng)(更小于通信距離)時(shí)稱為天線低架。在天線低架條件下,且最大輻射方向沿著地面時(shí),電波傳播中起主要作用的是地面波。

由上面分析可知,東南沿海的地面性質(zhì)主要以海水、潮濕地、沿海沙地為主;西南邊境的地面性質(zhì)主要以淡水、干燥地、山區(qū)為主。

1)東南沿海

(a)海水地面

①海-海電波傳播

海-海電波傳播采用電波沿海面?zhèn)鞑サ谋砻娌ㄝ^多,此時(shí)可看作地面波傳播的特例。路徑損耗為：

Lb=29.45+20lgf+20lgr-20lg|W|

(2)

②陸-海電波傳播

陸-海電波傳播經(jīng)常用于陸地與艦艇的無線電通信,并且應(yīng)用地面波傳播最多。在此,把陸地當(dāng)作光滑平面地處理,電波的傳播路徑包括陸地和海平面兩部分,陸地部分的距離為r1,單位為km,相應(yīng)的地面電參數(shù)(即沿海沙地)為εr1=10,σ1=2×10-3,海平面部分的距離為r2,單位為km,相應(yīng)的電參數(shù)為εr2=80,σ2=4,而電波的傳播距離為r=r1+r2。

當(dāng)發(fā)射機(jī)在A點(diǎn)(陸地),接收機(jī)在C點(diǎn)(海洋)時(shí),則:

當(dāng)發(fā)射機(jī)在C點(diǎn)(海洋),接收機(jī)在A點(diǎn)(陸地)時(shí),則:

路徑損耗:

Lb=29.45+20lgf+20lgr-b

(3)

當(dāng)接收點(diǎn)在海洋時(shí):

當(dāng)接收點(diǎn)在陸地時(shí):

(b)潮濕地環(huán)境電波傳播

其中λ為波長(zhǎng),單位為m;r為電波傳播距離,單位為m,下同。路徑損耗Lb按式(2)求得。

(c)沿海沙地環(huán)境電波傳播

路徑損耗Lb按式(2)求得。

2)西南邊境

(a)淡水環(huán)境電波傳播

路徑損耗Lb按式(2)求得。

(b)干燥地環(huán)境電波傳播

路徑損耗Lb按式(2)求得。

(c)山區(qū)環(huán)境電波傳播

路徑損耗Lb按式(2)求得。

4.2 天線高架

當(dāng)發(fā)射天線高度h1和接收天線高度h2大于波長(zhǎng)λ或與λ相比擬時(shí),稱為天線高架。路徑損耗:

Lb=120+40lgr-20lgh1·h2

(4)

由于天線高架條件下,電波傳播的路徑損耗與地表面參數(shù)無關(guān),因此天線高架條件下的路徑損耗就不需要考慮具體工作環(huán)境了。

4.3 舉例說明

1)自由空間下的有效壓制發(fā)射功率

通信干擾方程用分貝表示[11],則為:

PTj≥k+PTS+[(GTS+GRS)-(GTj+GRj)]+(Lj-Ls)

(5)

式中:k為干擾壓制系數(shù)(dB);PTS為發(fā)射機(jī)輸出功率(dBm);GTS為發(fā)射天線在接收機(jī)方向的天線增益(dB);GRS為接收天線在發(fā)射機(jī)方向的天線增益(dB);Ls為通信發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的路徑損耗(dB)；PTj為干擾機(jī)輸出功率(dBm);GTj為干擾天線在接收機(jī)方向的天線增益(dB);GRj為接收天線在干擾機(jī)方向的天線增益(dB);Lj為干擾機(jī)到接收機(jī)的路徑損耗(dB)。

由于干擾彈為滯空工作方式,因此干擾信號(hào)的傳播方式為自由空間傳播方式。

自由空間傳播條件下,電波傳播的路徑損耗為:

(6)

因此式(5)可以轉(zhuǎn)換為:

PTj+GTj+GRj-20lgRj≥10lgk+
PTS+GTS+GRS-20lgRt

(7)

式中:Rj和Rt分別為干擾機(jī)與通信接收機(jī)間的距離(km)和通信電臺(tái)間的距離(km)。

一般情況下,背負(fù)電臺(tái)使用鞭狀天線,所以GRj=GRS[12];設(shè)計(jì)背負(fù)電臺(tái)的發(fā)射功率PTS為6 W左右時(shí),GTj取-15 dB,GTS=2 dB,干擾壓制系數(shù)取1。

當(dāng)Rj取3 km,Rt取20 km時(shí)：

PTj-15-20lg3≥38+2-20lg20

PTj≥38.52 dBm

即只要干擾機(jī)發(fā)射功率≥38.52 dBm,即可保證在距離通信電臺(tái)3 km處能把相距20 km的通信電臺(tái)壓制住。

2)天線低架條件下西南邊境淡水環(huán)境的有效壓制發(fā)射功率

干擾方程用分貝表示,則為:

PTj≥k+PTS+[(GTS+GRS)-(GTj+GRj)]+(Lj-Ls)

(8)

Lj為自由空間傳播條件下干擾信號(hào)電波傳播的路徑損耗;被干擾跳頻電臺(tái)的信號(hào)傳播的路徑損耗為

Ls=29.45+20 lgf+20lgr-20lg|W|

(9)

因此上式可以轉(zhuǎn)換為(干擾壓制系數(shù)取1):

PTj+GTj-20lgRj≥PTS+GTS+(3-20lgRt+20lg|W|)

(10)

式中：Rj和Rt分別為干擾機(jī)與通信接收機(jī)間的距離，(km)和通信電臺(tái)間的距離(km)。

設(shè)計(jì)背負(fù)電臺(tái)的發(fā)射功率PTS為6W左右時(shí),GTj取-15 dB,GTS取2 dB。

當(dāng)Rj取3 km,Rt取20 km時(shí)：

PTj-15-20lg3≥38+2+3-20lg20+20lg|W|

以超短波為例,取超短波跳頻電臺(tái)的天線長(zhǎng)度為2 m,由于頻段范圍為30～120 MHz,則上式中的2.5 m≤λ≤10 m。經(jīng)計(jì)算,干擾機(jī)為達(dá)到有效壓制所需的發(fā)射功率與波長(zhǎng)間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 天線低架條件下西南邊境淡水環(huán)境中的30～120 MHz波段彈載干擾機(jī)所需發(fā)射功率與波長(zhǎng)關(guān)系

由圖2可知,當(dāng)波長(zhǎng)在[2.5 m,10 m]范圍內(nèi)時(shí),干擾機(jī)發(fā)射功率PTj需相應(yīng)地分布在[-14.31 dBm,-1.88 dBm]范圍內(nèi),才能保證在距離通信電臺(tái)3 km處能把相距20 km的通信電臺(tái)壓制住。

5 結(jié)論

由以上分析可知,當(dāng)考慮被干擾跳頻電臺(tái)的天線架設(shè)高度不同時(shí),或干擾彈的工作環(huán)境不同時(shí),被干擾電臺(tái)的實(shí)際傳播路徑損耗是不相同的,即相同的發(fā)射功率下,接收電臺(tái)的接收信號(hào)功率是不一樣的,導(dǎo)致彈載通信干擾機(jī)傳播干擾信號(hào)到接收電臺(tái)從而達(dá)到有效干擾所需的干擾功率也是不一樣的。