Air and Missile Defense Systems Engineering TThhiiss ppaaggee iinntteennttiioonnaallllyy lleefftt bbllaannkk Air and Missile Defense Systems Engineering Warren J. Boord John B. Hoffman Boca Raton London New York CRC Press is an imprint of the Taylor & Francis Group, an informa business CRC Press Taylor & Francis Group 6000 Broken Sound Parkway NW, Suite 300 Boca Raton, FL 33487-2742 © 2016 by Taylor & Francis Group, LLC CRC Press is an imprint of Taylor & Francis Group, an Informa business No claim to original U.S. Government works Version Date: 20160217 International Standard Book Number-13: 978-1-4398-0671-5 (eBook - PDF) This book contains information obtained from authentic and highly regarded sources. Reasonable efforts have been made to publish reliable data and information, but the author and publisher cannot assume responsibility for the validity of all materials or the consequences of their use. The authors and publishers have attempted to trace the copyright holders of all material reproduced in this publication and apologize to copyright holders if permission to publish in this form has not been obtained. If any copyright material has not been acknowledged please write and let us know so we may rectify in any future reprint. Except as permitted under U.S. Copyright Law, no part of this book may be reprinted, reproduced, transmitted, or utilized in any form by any electronic, mechanical, or other means, now known or hereafter invented, including photocopying, microfilming, and recording, or in any information stor- age or retrieval system, without written permission from the publishers. For permission to photocopy or use material electronically from this work, please access www.copy- right.com (http://www.copyright.com/) or contact the Copyright Clearance Center, Inc. (CCC), 222 Rosewood Drive, Danvers, MA 01923, 978-750-8400. CCC is a not-for-profit organization that pro- vides licenses and registration for a variety of users. For organizations that have been granted a photo- copy license by the CCC, a separate system of payment has been arranged. Trademark Notice: Product or corporate names may be trademarks or registered trademarks, and are used only for identification and explanation without intent to infringe. Visit the Taylor & Francis Web site at http://www.taylorandfrancis.com and the CRC Press Web site at http://www.crcpress.com Contents List of Figures ���������������������������������������������������������������������������������������������������������ix List of Tables ����������������������������������������������������������������������������������������������������������xv Preface ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������xvii Authors �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������xix 1. Introduction and Background ����������������������������������������������������������������������1 1�1 Introduction �������������������������������������������������������������������������������������������1 1�2 Why Is Missile Defense an Important Topic? �����������������������������������1 References ���������������������������������������������������������������������������������������������������������2 2. Systems Engineering Fundamentals ����������������������������������������������������������3 2�1 Pre–Phase A �������������������������������������������������������������������������������������������7 2�2 Phase A ���������������������������������������������������������������������������������������������������8 2�3 Phase B ����������������������������������������������������������������������������������������������������9 2�4 Phases C–F �������������������������������������������������������������������������������������������11 2�5 Concept-of-Operations Development ����������������������������������������������12 2�6 Product Architecture ��������������������������������������������������������������������������13 2�7 Requirement-Driven Acquisitions ����������������������������������������������������14 2�8 Verification and Validation ����������������������������������������������������������������17 2A Appendix: Systems Engineering Management Plan ���������������������17 2A�1 Background �����������������������������������������������������������������������������17 2A�2 SEMP Outline �������������������������������������������������������������������������18 2A�2�1 Introduction ������������������������������������������������������������18 2A�3 Integrated Product Team Structure and Responsibilities �������������������������������������������������������������������19 2A�3�1 Technical Management �����������������������������������������19 2A�3�2 The Development of the Architectural Design Solution�������������������������������������������������������19 2A�3�3 Product Development ��������������������������������������������20 2A�4 The Milestone Review Process ��������������������������������������������20 2A�5 Requirements Identification and Analysis Process ����������20 2A�5�1 Requirements Identification ���������������������������������20 2A�5�2 Requirements Management ����������������������������������21 2A�6 The Verification and Validation Process �����������������������������21 2A�6�1 Verification ��������������������������������������������������������������21 2A�6�2 Validation ����������������������������������������������������������������21 2A�7 Configuration Control Management Process ��������������������22 2A�8 The Risk Management Process ��������������������������������������������22 References �������������������������������������������������������������������������������������������������������22 v vi Contents 3. Missile Defense Problem ����������������������������������������������������������������������������23 3�1 Overview of the Missile Defense Problem ��������������������������������������23 3�2 Air Defense Environment ������������������������������������������������������������������27 References �������������������������������������������������������������������������������������������������������29 4. Pre–Phase A: The Air and Missile Defense Program ���������������������������31 4�1 Pre–Phase A: The Air and Missile Defense Program Plan �����������31 4�2 Background ������������������������������������������������������������������������������������������32 4�3 Air and Missile Defense Mission Needs and Definitions �������������33 4�4 Air and Missile Defense Measures of Effectiveness ����������������������34 4�4�1 Reaction Time �������������������������������������������������������������������������35 4�4�1�1 Engagement Timeline Definitions �����������������������37 4�4�2 Firepower ��������������������������������������������������������������������������������39 4�4�3 Defense Penetration Technique Resistance ������������������������40 4�4�3�1 Countersurveillance and Search Phase ��������������41 4�4�3�2 Counterdetection and Track Phase ����������������������42 4�4�3�3 Counterengagement and Missile Phase ��������������43 4�4�3�4 Counterpoint Defense Phase ��������������������������������44 4�4�4 Environmental Resistance ����������������������������������������������������44 4�4�5 Continuous Availability ��������������������������������������������������������45 4�4�6 Contiguous Coverage ������������������������������������������������������������45 4�5 Top-Level Requirements ��������������������������������������������������������������������46 References �������������������������������������������������������������������������������������������������������47 5. Phase A: AMD System Requirements �����������������������������������������������������49 5�1 AMD Mission Needs: Requirements to CONOPS �������������������������49 5�2 Systems Architecture Functional Requirements ����������������������������50 5�3 Allocation of Functions to Systems ��������������������������������������������������52 5�4 System Performance and Interface Requirements �������������������������58 5�4�1 Central Defense System Performance Requirements �������59 5�4�1�1 Midcourse Guidance Reference Systems ������������61 5�4�1�2 Handover �����������������������������������������������������������������65 5�4�1�3 Seeker Pointing Angle Error ���������������������������������68 5�4�1�4 Midcourse Guidance ����������������������������������������������70 5�5 CDS: Sensor Suite System Performance Requirements �����������������75 5�5�1 Radar Architecture ����������������������������������������������������������������82 5�5�2 Platform Constraints �������������������������������������������������������������83 5�6 Engagement System Performance Requirements ���������������������������84 5�7 System Requirements Document �����������������������������������������������������90 References �������������������������������������������������������������������������������������������������������91 6. Phase B: Preliminary Design ���������������������������������������������������������������������93 6�1 Target System ���������������������������������������������������������������������������������������95 6�2 Sensor Suite ������������������������������������������������������������������������������������������95 6�3 Battlespace Assessment ����������������������������������������������������������������������97 Contents vii 6�4 Engagement Analysis �����������������������������������������������������������������������102 6�5 Missile Subsystem Preliminary Design �����������������������������������������107 6�5�1 Missile Seeker Preliminary Design �����������������������������������107 6�5�1�1 Angle Tracking �����������������������������������������������������110 6�5�1�2 AR Seeker Preliminary Design ��������������������������112 6�5�1�3 Signal Transmission Losses ��������������������������������119 6�5�1�4 Jamming ����������������������������������������������������������������120 6�5�2 Translational and Attitude Response Preliminary Design �������������������������������������������������������������121 6�5�3 Airframe Requirements ������������������������������������������������������124 6�5�4 Configuration Design ����������������������������������������������������������125 6�5�5 Mass and Inertia Design �����������������������������������������������������130 6�5�6 Aeroprediction ���������������������������������������������������������������������131 6�5�7 Propulsion Design ���������������������������������������������������������������133 6�5�8 Material Properties Design �������������������������������������������������138 6�5�9 Attitude Response Requirements ��������������������������������������138 6�5�9�1 Guidance and Control Requirements ����������������140 6�5�9�2 Flight Control Design I ����������������������������������������141 6�5�9�3 Flight Control Design II ���������������������������������������149 6�5�9�4 Guidance Law Design �����������������������������������������154 References �����������������������������������������������������������������������������������������������������166 7. Preliminary Systems Design Trade Analysis ���������������������������������������171 7�1 Battlespace Performance Summary �����������������������������������������������174 References �����������������������������������������������������������������������������������������������������197 8. Allocation of Performance Requirements ���������������������������������������������199 8�1 Allocation of Radar Performance Requirements to Subsystems ��������������������������������������������������������������������������������199 8�2 Allocation of Interceptor Performance Requirements to Interceptor Subsystems ��������������������������������������������������������������������203 8�2�1 Terminal Homing and Guidance ��������������������������������������203 8�2�2 Launch and Flyout Phase ���������������������������������������������������204 9. Physics and Mathematics of AMD Design and Analysis ������������������207 9�1 Interceptors and Flight Analysis ����������������������������������������������������207 9�1�1 A WGS-84 Oblate, Rotating Earth Model �������������������������207 9�1�1�1 Transformation Matrices: Coordinate Frames and Position ���������������������������������������������208 9�1�1�2 Transformation Matrices: Velocity and Acceleration �����������������������������������������������������������212 9�1�1�3 Oblateness Effects, Nonuniform Gravity ����������213 9�1�1�4 Geodetic and Geocentric Latitude Relationship ������������������������������������������216 viii Contents 9�1�1�5 Geodetic to Geocentric Latitude: Vehicle Position�������������������������������������������������������������������217 9�1�1�6 Latitude, Longitude, and Altitude Calculation ���������������������������������������������������������219 9�1�1�7 Forces and Moments and Equations of Motion�������������������������������������������������������������220 9�2 Target and Clutter Returns ��������������������������������������������������������������225 9�2�1 Radar Returns ����������������������������������������������������������������������225 9�2�2 Surface Clutter Returns �������������������������������������������������������225 9�2�3 Volume Clutter Returns ������������������������������������������������������228 9�2�3�1 Clutter Processing Considerations ��������������������230 9�2�4 Coherent Processing Interval ���������������������������������������������230 9�2�5 Fill Pulses ������������������������������������������������������������������������������232 9�2�6 Maximum Clutter Range ����������������������������������������������������233 9�2�7 Clutter Rejection Degradation �������������������������������������������233 9�2�8 Range–Velocity Visibility ����������������������������������������������������234 9�2�9 Eclipsing ��������������������������������������������������������������������������������235 9�2�10 Blind Velocities ���������������������������������������������������������������������235 9�2�11 Visibility in Clutter ��������������������������������������������������������������235 9�3 Seeker Noise Sources ������������������������������������������������������������������������236 9�3�1 Receiver Noise ����������������������������������������������������������������������236 9�3�1�1 Glint ������������������������������������������������������������������������238 9�3�1�2 Radome Boresight Error ��������������������������������������239 References �����������������������������������������������������������������������������������������������������240 Acronyms �������������������������������������������������������������������������������������������������������������243 Index ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������247 List of Figures Figure 2.1 Three dimensions of systems engineering� ��������������������������������4 Figure 2.2 Pre–Phase A management plan� ��������������������������������������������������7 Figure 2.3 Phase A management plan� ����������������������������������������������������������8 Figure 2.4 Phase B management plan� ���������������������������������������������������������10 Figure 2.5 Systems engineering process to SRR� ����������������������������������������12 Figure 4.1 Pre–Phase A air and missile defense system preliminary design process� �������������������������������������������������������32 Figure 4.2 Example of a ship-based missile defense timeline� �����������������36 Figure 5.1 Assumed air and missile defense architecture� �����������������������53 Figure 5.2 Notional battlespace timeline� ����������������������������������������������������57 Figure 5.3 Illustration of the keep-out volume concept� ���������������������������59 Figure 5.4 Midcourse guidance and error contributions to handover� �����61 Figure 5.5 CDS requirement coordinate frames� ����������������������������������������62 Figure 5.6 Engagement segment definition� ������������������������������������������������63 Figure 5.7 Midcourse guidance terms and definitions� �����������������������������64 Figure 5.8 Handover geometry� ��������������������������������������������������������������������66 Figure 5.9 Classical intercept collision triangle� �����������������������������������������67 Figure 5.10 Missile body and seeker coordinate frame relationship� ��������68 Figure 5.11 P ointing angle error definitions and terms� �����������������������������69 Figure 5.12 S eeker pointing angle error computational process� ���������������71 Figure 5.13 Trajectory shaping using kappa midcourse guidance variations� ��������������������������������������������������������������������������������������74 Figure 5.14 Kappa trajectory-shaping time-of-flight variations� ����������������74 Figure 5.15 Process for the allocation of requirements to the radar system� ��������������������������������������������������������������������������������������������75 Figure 5.16 Notional passive phased array architecture� ����������������������������77 Figure 5.17 Notional active phased array architecture� ������������������������������78 ix