典型环境下有源通信干扰弹作战使用研究*

张 杰,陈 栋,房施东

(陆军炮兵防空兵学院高过载弹药制导控制与信息感知实验室, 合肥 230031)

0 引言

有源干扰弹是用常规火炮、火箭炮发射,以弹药作为运载工具,将干扰机快速运载到敌目标区域,完成通信干扰任务的特种炮弹,分为扎地式和滞空式两种。其中滞空式干扰弹的简要工作过程如图1所示[1]。

图1 滞空式干扰弹简要工作过程

滞空式干扰弹能悬浮在敌目标上空,对目标进行升空抵近干扰,不受地形限制,与扎地式干扰相比可获得距离优势和升空增益,实现以较小的功率获得较大的干扰范围和强度,同时由于弹丸体积小且高速飞行,敌方无法拦截,突防能力和生存能力强,和同类干扰装备相比,便于大量装备使用,并且无人操作,可避免人员伤亡,符合现代战争理念[1]。

1 有源通信干扰弹的工作频段

有源通信干扰弹主要以干扰敌跳频电台为主[1-2],表1列举了外军部分典型短波(超短波)跳频电台的性能指标[3]。

由表1可知,低VHF频段是军事部队地面移动通信使用最频繁的频段,而且大多数战术无线电台都工作在该频段[4],因此军用超短波频段一般为30～88 MHz[5];与此同时,外军的通信干扰弹的工作频段基本上在1.5～120 MHz之间[6-8],因此文中讨论的有源通信干扰弹的工作频段为1.5～120 MHz,即涵盖1.5～30 MHz的整个短波波段和30～120 MHz的部分超短波波段,也就是说被干扰的敌跳频电台的工作频段在1.5～120 MHz之间。

表1 外军典型短波(超短波)跳频电台性能指标

2 被干扰跳频电台的特点

2.1 被干扰跳频电台使用的天线类别

超短波通信因为使用频率高,波长短,天线可以做得很小,通常为直立鞭状天线。而短波通信因使用频率较低,天线必须足够大才能有效工作。根据车载通信或个人通信中通常选择小型鞭状天线的原则,作为战术短波跳频电台,通常采用小型鞭状天线[9]。因此,一般意义上,被干扰跳频电台均使用鞭状天线。

2.2 被干扰跳频电台的信号传播方式

短波天波频率具有很强的时变性,不同时间、不同地点、不同方向可用频率的相关性差[5],同时由于在短波天波传播模式中,干扰机会受到与通信机一样的限制,且发射机与接收机之间的传播路径一般与干扰机链路不同[2],所以战术短波跳频电台不考虑天波传播方式,只考虑地波传播方式。为简化起见,一般在跳频电台的研究中,只将地面绕射波或直射波作为通信信号的主要能量载体,并且在战术级使用的战场范围内,地面绕射波完全可以用直射波近似代替。因此文中考虑的短波或超短波传播方式均以直射波传播方式为主[2-3],即地波传播中的直射波传播方式。

3 通信干扰弹的典型工作环境

由于不考虑短波的天波传播模式,因此不考虑电离层受气象条件的影响,即气象因素不考虑。

3.1 东南沿海

地形方面,东南沿海地区主要以丘陵和水网稻田地形为主,主要特点为:地形平坦开阔,河渠、池塘密布交织如网;土质松软泥泞,抗压力差。即东南沿海作战地域海洋广阔、湖泊众多,植被茂密、山脉连绵。

因此,东南沿海的地面性质主要以海水、潮湿地、沿海沙地为主。

3.2 西南边境

西南边境地区,具有典型的高原高寒山地特征。此处山势险要,地形复杂,自然地理环境极其恶劣,主要体现在:

一是主要分布在边境中段和部分东段地区的高山深谷区,山体高大险峻,地势起伏剧烈,沟谷深且狭窄,植被稀少、冻土层厚。

二是主要分布在边境东段地区的峡谷密林区,沟谷纵横、河多桥少、路少崎岖曲半径小,该地域地表植被繁茂、林内阴暗潮湿。

因此,西南边境的地面性质主要以淡水、干燥地、山区为主。

4 典型环境对有源通信干扰弹作战使用的影响

当不考虑地表面状况对信号传输带来的影响时,通常认为干扰弹的信号传输环境以及被干扰电台的信号传输环境均为自由空间,即自由空间传播条件下的路径损耗[10]:

Lf=32.45+20lgf+20lgr

(1)

式中：r为信号传播距离(km);f为信号频率(MHz);Lf为损耗(dB)。

但是实际工作环境中的电波总是在有能量损耗的媒质中传播,由于不同的地表面,其电参数也不相同,如表2所示。

表2 地面电参数

因此,考虑典型环境对有源通信干扰弹作战使用的影响问题,总共分两种情况,即电台天线低架、电台天线高架,而每种情况按东南沿海和西南边境进行区分。

4.1 天线低架

当天线架设高度小于波长(更小于通信距离)时称为天线低架。在天线低架条件下,且最大辐射方向沿着地面时,电波传播中起主要作用的是地面波。

由上面分析可知,东南沿海的地面性质主要以海水、潮湿地、沿海沙地为主;西南边境的地面性质主要以淡水、干燥地、山区为主。

1)东南沿海

(a)海水地面

①海-海电波传播

海-海电波传播采用电波沿海面传播的表面波较多,此时可看作地面波传播的特例。路径损耗为：

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

(2)

②陆-海电波传播

陆-海电波传播经常用于陆地与舰艇的无线电通信,并且应用地面波传播最多。在此,把陆地当作光滑平面地处理,电波的传播路径包括陆地和海平面两部分,陆地部分的距离为r1,单位为km,相应的地面电参数(即沿海沙地)为εr1=10,σ1=2×10-3,海平面部分的距离为r2,单位为km,相应的电参数为εr2=80,σ2=4,而电波的传播距离为r=r1+r2。

当发射机在A点(陆地),接收机在C点(海洋)时,则:

当发射机在C点(海洋),接收机在A点(陆地)时,则:

路径损耗:

Lb=29.45+20lgf+20lgr-b

(3)

当接收点在海洋时:

当接收点在陆地时:

(b)潮湿地环境电波传播

其中λ为波长,单位为m;r为电波传播距离,单位为m,下同。路径损耗Lb按式(2)求得。

(c)沿海沙地环境电波传播

路径损耗Lb按式(2)求得。

2)西南边境

(a)淡水环境电波传播

路径损耗Lb按式(2)求得。

(b)干燥地环境电波传播

路径损耗Lb按式(2)求得。

(c)山区环境电波传播

路径损耗Lb按式(2)求得。

4.2 天线高架

当发射天线高度h1和接收天线高度h2大于波长λ或与λ相比拟时,称为天线高架。路径损耗:

Lb=120+40lgr-20lgh1·h2

(4)

由于天线高架条件下,电波传播的路径损耗与地表面参数无关,因此天线高架条件下的路径损耗就不需要考虑具体工作环境了。

4.3 举例说明

1)自由空间下的有效压制发射功率

通信干扰方程用分贝表示[11],则为:

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

(5)

式中:k为干扰压制系数(dB);PTS为发射机输出功率(dBm);GTS为发射天线在接收机方向的天线增益(dB);GRS为接收天线在发射机方向的天线增益(dB);Ls为通信发射机到接收机的路径损耗(dB)；PTj为干扰机输出功率(dBm);GTj为干扰天线在接收机方向的天线增益(dB);GRj为接收天线在干扰机方向的天线增益(dB);Lj为干扰机到接收机的路径损耗(dB)。

由于干扰弹为滞空工作方式,因此干扰信号的传播方式为自由空间传播方式。

自由空间传播条件下,电波传播的路径损耗为:

(6)

因此式(5)可以转换为:

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

(7)

式中:Rj和Rt分别为干扰机与通信接收机间的距离(km)和通信电台间的距离(km)。

一般情况下,背负电台使用鞭状天线,所以GRj=GRS[12];设计背负电台的发射功率PTS为6 W左右时,GTj取-15 dB,GTS=2 dB,干扰压制系数取1。

当Rj取3 km,Rt取20 km时：

PTj-15-20lg3≥38+2-20lg20

PTj≥38.52 dBm

即只要干扰机发射功率≥38.52 dBm,即可保证在距离通信电台3 km处能把相距20 km的通信电台压制住。

2)天线低架条件下西南边境淡水环境的有效压制发射功率

干扰方程用分贝表示,则为:

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

(8)

Lj为自由空间传播条件下干扰信号电波传播的路径损耗;被干扰跳频电台的信号传播的路径损耗为

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

(9)

因此上式可以转换为(干扰压制系数取1):

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

(10)

式中：Rj和Rt分别为干扰机与通信接收机间的距离，(km)和通信电台间的距离(km)。

设计背负电台的发射功率PTS为6W左右时,GTj取-15 dB,GTS取2 dB。

当Rj取3 km,Rt取20 km时：

PTj-15-20lg3≥38+2+3-20lg20+20lg|W|

以超短波为例,取超短波跳频电台的天线长度为2 m,由于频段范围为30～120 MHz,则上式中的2.5 m≤λ≤10 m。经计算,干扰机为达到有效压制所需的发射功率与波长间的关系如图2所示。

图2 天线低架条件下西南边境淡水环境中的30～120 MHz波段弹载干扰机所需发射功率与波长关系

由图2可知,当波长在[2.5 m,10 m]范围内时,干扰机发射功率PTj需相应地分布在[-14.31 dBm,-1.88 dBm]范围内,才能保证在距离通信电台3 km处能把相距20 km的通信电台压制住。

5 结论

由以上分析可知,当考虑被干扰跳频电台的天线架设高度不同时,或干扰弹的工作环境不同时,被干扰电台的实际传播路径损耗是不相同的,即相同的发射功率下,接收电台的接收信号功率是不一样的,导致弹载通信干扰机传播干扰信号到接收电台从而达到有效干扰所需的干扰功率也是不一样的。