基于无人机对雷达系统航迹欺骗干扰的仿真研究_顾丽娜.pdf

2023年9期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application基于无人机对雷达系统航迹欺骗干扰的仿真研究顾丽娜1，朱军伟1，李蕊1，兰彩霞2（1.杨凌职业技术学院，陕西 咸阳 712100；2.甘肃政法大学，兰州 730000）众所周知，组网雷达系统在军事演习和实战中应用及其广泛，其主要工作原理是基于 2 部或 2 部以上空间位置互相分离而覆盖范围又互相重叠的雷达的观测或判断来实施搜索、跟踪和识别目标的系统1，主要采用了多种抗干扰措施，具备很强的抗干扰能力，且由组网雷达所形成的监测系统已应用于诸多各业，如跟踪识别、实时搜索等皆已成为其具体表现形式。该系统经完善其干扰防护措施之后，兼具极强的抗干扰应用能力2-3。当下，诸多干扰方式着重关注的是欺骗干扰中的距离欺骗。为简化系统，文章旨在考虑距离前提下的目标欺骗。众所周知，一旦探测到对方雷达所发出的电磁波信号时，待命的干扰机立即对该信号进行精准处理，在可控时间段内将其导出发射，迫使雷达短时间内能够迅速接收到有效的反馈信号。文章据此通过寻求最小数量的无人机从而得到实际要求的航迹信息，具体的运动规律和其对应的处理策略，并研究虚假航迹的运动规律和合理性。1协同干扰模型建立1.1模型分析针对多无人机对组网雷达的协同干扰，文章将以空间几何为基础，通过建立三维坐标系，将无人机与雷达置于空间三维坐标系中进行研究与讨论。由于目前虚假航迹的估计都是基于人为，故通过在虚拟数据的基础上确定了无人机的架数及具体坐标，因此对于至多还可产生的虚假航迹及对于每一架无人机的运动规律进行了合理准确的估计，这也满足了实际问题的要求。无人机作为影响雷达产生虚假航迹的重要工具，不少行业已投入广泛使用。本文主要是从实际模拟效果出发，充分利用 Spss 和 Excel 软件，超级计算机画图软件及 Matlab 软件进行编程并通过运行研究其机理，从而进行强大的统计分析功能及直观的图形描述，合理测算设计出每一架无人机的运动规律和相应的协同策略，并依据测算参数进一步分析每一条虚假航迹的运动规律及其合理性。针对多无人机对组网雷达的协同干扰，首先应对基金项目：陕西省职业技术教育学会 2023 年度教育教学研究改革课题（2023SZX185）；甘肃省教育科技创新项目（2022A-174）；杨凌职业技术学院 2022 年校内教育教学改革研究项目（JG22100）；杨凌职业技术学院 2022 年院内基金项目（ZK22-78）第一作者简介：顾丽娜（1995-），女，硕士，助教。研究方向为计算数学与数学建模。摘要：以无人机对组网雷达的协同干扰为背景，利用 Matlab 软件对每一架无人机的运动规律进行分析，结合运动伪装学相关理论，对于轨迹控制参数进行研究，且以 5 架无人机协同干扰雷达为例进行模拟。通过仿真分析可知，在速度大小不变的条件下，多架干扰机可通过协同工作来对组网雷达实施航迹欺骗干扰，能够达到以假乱真的效果，虚假航迹可行。关键词：关联航迹串行合并法；轨迹控制参数；虚假航迹；无人机；雷达系统中图分类号：V279文献标志码：A文章编号：2095-2945（2023）09-0090-04Abstract:Based on the collaborative interference of unmanned aerial vehicles(UAVs)to networked radar as the background,the motion law of each UAV was analyzed by Matlab software,and the trajectory control parameters were studied in combinationwith the relevant theory of motion camouflage,and the cooperative interference radar of five UAVs was simulated as an example.Through the simulation analysis,we can know that under the condition of constant speed,multiple jammers can work together toimplement track deception jamming to the netted radar,which can achieve the effect of false and real,and the false track isfeasible.Keywords:associated track serial merging method;trajectory control parameters;false track;UAV;radar systemDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.09.02290-研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年9期组网雷达进行全面侦查，以获取地理位置、工作参数等信息，其次是需要对无人机的飞行路线进行精密的规划，最后是要对无人机之间密切协同，对飞机的飞行状态、干扰机的工作状态进行精确的控制。基于多无人机的协同飞行，因此在融合中心就会出现多部雷达在统一坐标系的同一空间位置上检测到目标信号，基于一定的规律就会判断为一个合理的目标航迹点，多个连续的合理目标航迹点就形成了目标航迹，即实现了一条虚假航迹。通过有效配合控制无人机的飞行航迹，可在敌方的组网雷达系统中形成一条或多条欺骗干扰航迹，迫使敌方加强空情处置，从而达到欺骗的目的。针对雷达网的虚假航迹，据此为确定最少数量的无人机提供了相关数据验证，即为确定无人机的最少数量，具体讨论如下：先以 3 架无人机分别针对 3 部雷达进行航迹欺骗干扰。pij（i=1，2，3；j=1，2，3）分别为 3架无人机在各时刻的位置，形成虚假目标；无人机沿图1 中的虚线所标方向运动形成虚假目标；各个时刻的虚假目标点相关联最终形成虚假航线 S，如图 1 所示。图1形成虚假航迹示意图结合上述分析可知，首先应对组网雷达进行全面侦查，以获取地理位置、工作参数等信息；其次是需要对无人机的飞行路线进行精密的规划；最后是要对无人机之间密切协同，对飞机的飞行状态、干扰机的工作状态进行精确的控制。图 2 为无人机和假目标做定向飞行的运动关系。1.2模型建立及求解为方便运算处理，首先给出相关符号假设，见表 1。现建立无人机和假目标做定向飞行的运动模型为x?i=visiniy?i=vicosiz?=|0。（1）依球坐标系和直角坐标系的转换关系，将无人机和假目标做定向飞行的运动模型转换到球坐标系下，参见相关文献4。图2无人机和假目标做定向飞行的运动关系表1符号假设这里首先讨论无人机与假目标速度值的关系，令j=rujrp=hujhp表示第 j 架无人机和假目标到雷达的距离的比值，无人机和假目标的速度值的关系为。（2）已知 2 部雷达的位置坐标为（80，0，0），（30，60，0）（单位：km）。由 2 架无人机分别对其进行航迹干扰，虚拟航迹起始位置，结合航迹坐标有x=60 600+60 600t，y=100cos（0.15+（t+1）+2 000z=7 99|5（3）2 架无人机做定高飞行时，hv1=2 400 m，hv2=1 700 m，运行时间为 13.3s。据此，2 架无人机按设计的速度和航向角飞行，在下一时刻飞到指定位置，通过距离欺骗干扰产生的假目标点重合5，这样即对组网雷达进行了欺骗干扰，具体如图 3 所示。符号表示意义（xri，yri，0）雷达坐标i=uj第 j 架无人机rii 到雷达的径向距离i俯仰角i方位角i航向角hvi飞行高度()()()()()()()()()?12222uuuu1222p2ppp122222jppp12222ppprrcosrrrcosrrrcosrrrcosrvv+=+=+?rpVpVuruup雷达（xr，yr，zr）无人机（xu，yu，zu）假目标（xp，yp，zp）T1T2R2R1R3P11P21P12P22P13P23。91-2023年9期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application图3欺骗干扰形成的假目标航迹同理，任意 3 架无人机做定高飞行时，hv3=2 200 m，hv4=1 500 m，运行时间为 12.2 s。任意 4 架无人机做定高飞行时，hv5=2 200 m，hv6=1 300 m，运行时间为 11.1 s。任意 5 架无人机做定高飞行时，hv7=1 800 m，hv8=1 100 m，运行时间为 10 s。综上，最少 5 架无人机即可实现要求的虚假目标航迹，且每一架无人机都有各自运动参数，具体见表 2。表2无人机运动参数实际上，对虚假航线必须进行融合处理，即采用统一坐标转化后的波点迹串行合并后再滤波的方法，如图 4 所示。编号距离/m速度/(ms?)航向角/rad12 152179.31.3022 1961831.5332 357196.41.4242 489207.71.6152 4962081.73图4关联航迹的串行合并1.3模型应用基于上述研究，无人机的坐标位置与航迹坐标关系紧密。为了将二者统一起来，设某时刻第 3 部雷达的位置为 ri=（xri，yri，zri）T，第 i 部干扰机的位置为 0=（xu，yu，zu）T，假目标的位置为 p=（xp，yp，zp）T，由于干扰机、假目标与所干扰雷达三者必须在同一条连线上，故有xui=xri+vi（xp-xri）=xri+vixp-ri。（4）为保持相关的干扰效果不能太远，因此 v 必须控制在一定范围之内，即 vminvvmax。因同一时刻干扰机、假目标和对应的雷达三者在同一条连线上，故三者的相互运动符合运动伪装学相关理论5，轨迹控制参数v 满足如下条件()()2T22TT2rp-rp-rrrp-rp-rp-ru222p-rp-rp-rp-r2vx xv xvx xx xvvvxxxx+=-+?。（5）当雷达的坐标固定不变时，即有()2TT222p-rpp-rppu242p-rp-rp-rp-rvxxxxv vvvxxxx-=-+?。（6）设干扰机的运动速度大小不变，对假目标及干扰机速度和时间设计如下。1）速度条件：使上式成立需满足为使上面条件成立，须有 Vu=VE/vmax。2）时间条件：当上式成立时有()?0vxxv VxVx?-+?。（7）()2TT22p-rpp-rpu2422maxp-rp-rp-r1vxxxxvvvvxxxx=+-?()。（8）无人机 i 点迹无人机 j 点迹合成点迹00115432x/km2343210z/km假目标的航迹无人机 1 的运动轨迹无人机 2 的运动轨迹EDCBAy/km92-研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年9期图5假目标与各架干扰机运动轨迹2结束语通过无人机对组网雷达的协同干扰的仿真研究可知，轨迹控制参数的探寻并不简单。但经分析可知，在速度大小不变的条件下，多架干扰机可通过协同工作来对组网雷达实施航迹欺骗干扰，能够达到以假乱真的效果，从而求得有效航迹。参考文献：1 巴海涛.无人机航迹规划研究D.西安：西北工业大学，2006.2 徐胜红，曹文静，李文强.一种多无人机协同方法及其性能分析J.四川兵工学报，2015（8）：100-103.3 安晓倩，范军芳.无人机航迹追踪算法研究与仿真J.北京信息科技大学学报，2016（5）：87-91.4 赵艳丽，陈永光，蒙洁，等.分布式组网雷达抗多假目标欺骗干扰处理方法J.电光与控制，2011（3）：25-30.5 范振宇，王磊，苏建春.多机协同控制下的航迹欺骗技术J.信息与电子工