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電磁對(duì)抗干擾仿真的裝備性能評(píng)估方法*1

馬靜

(航天系統(tǒng)仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100854)

摘要：隨著戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的日益復(fù)雜，對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境的建模與仿真研究需求的緊迫性不斷加劇。根據(jù)復(fù)雜對(duì)抗干擾建模與仿真技術(shù)中所涉及的內(nèi)涵與特點(diǎn)，從仿真模式上歸納出復(fù)雜電磁環(huán)境的半實(shí)物仿真模式與通用方法，并詳細(xì)介紹其中若干關(guān)鍵要素的建模與仿真關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)半實(shí)物仿真結(jié)果，真實(shí)復(fù)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)效果，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)性能評(píng)估。

關(guān)鍵詞：電磁對(duì)抗干擾；電磁環(huán)境；建模與仿真；作戰(zhàn)性能評(píng)估；半實(shí)物仿真；評(píng)估

0引言

近年來，世界各國(guó)紛紛加大了復(fù)雜電磁環(huán)境的研究力度，早在20世紀(jì)八、九十年代就開展了復(fù)雜電磁環(huán)境的軍事訓(xùn)練[1-2]。國(guó)外對(duì)電磁環(huán)境效應(yīng)的研究，除了直接使用實(shí)裝模擬電磁環(huán)境進(jìn)行軍事演習(xí)外，主要是大量依靠各類信號(hào)模擬器、計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)、分布式交互仿真技術(shù)等，構(gòu)建用于電磁環(huán)境效應(yīng)研究的試驗(yàn)場(chǎng)，不斷進(jìn)行仿真分析和效應(yīng)試驗(yàn)，并制定一系列有關(guān)電磁環(huán)境效應(yīng)研究的內(nèi)容和方法[3-4]。

半實(shí)物仿真與外場(chǎng)飛行試驗(yàn)、數(shù)學(xué)仿真相比，具有物理復(fù)現(xiàn)目標(biāo)回波，導(dǎo)引頭實(shí)物接入制導(dǎo)仿真系統(tǒng)的特點(diǎn)。在對(duì)抗干擾方面，半實(shí)物仿真對(duì)作戰(zhàn)性能評(píng)估具有與生俱來的優(yōu)勢(shì)，它可將數(shù)學(xué)仿真中無法精確建模的干擾電磁特征和電磁信號(hào)與導(dǎo)引頭的作用效果精確的模擬出來，并可重復(fù)設(shè)置各種對(duì)抗環(huán)境，反復(fù)分析武器系統(tǒng)抗干擾的性能。根據(jù)半實(shí)物仿真結(jié)果做出的作戰(zhàn)性能評(píng)估，能夠更加準(zhǔn)確、高效。

本文將介紹在模擬復(fù)雜對(duì)抗干擾過程中的若干關(guān)鍵要素的建模與仿真關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，介紹了根據(jù)半實(shí)物仿真結(jié)果，真實(shí)復(fù)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)效果，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)性能評(píng)估。

1電磁對(duì)抗干擾分類

復(fù)雜電磁環(huán)境的分類方法很多。本文將按照5種方式進(jìn)行分類，并總結(jié)各種分類間的相關(guān)性。

1.1按照威脅信號(hào)來源分

通信干擾：其示意圖如圖1所示。其干擾效果使用干擾/信號(hào)比(J/S)來衡量。有用信號(hào)和干擾信號(hào)從各自的發(fā)射機(jī)傳播到接收機(jī)，接收到的干擾信號(hào)功率和接收到的有用信號(hào)功率之比即為干信比(J/S)。J/S的值越高，說明干擾效果越好。J/S是干擾機(jī)輻射功率與有用信號(hào)輻射功率之比，和通信距離平方與干擾距離平方之比的函數(shù)。J/S達(dá)到10時(shí)，被認(rèn)為可達(dá)到通信干擾的理想效果[5]。

圖1　通信干擾Fig.1　Communication jamming

雷達(dá)干擾：其示意圖如圖 2所示。J/S是到達(dá)雷達(dá)接收機(jī)的干擾功率與雷達(dá)回波信號(hào)功率之比。有幾個(gè)復(fù)雜的因素需要考慮[6]。一是需要考慮雷達(dá)天線的方向性，其次是干擾信號(hào)功率和目標(biāo)回波功率與雷達(dá)距離所成冪次不同，三是雷達(dá)干擾需要考慮目標(biāo)的雷達(dá)反射截面積(RCS)。因此，如圖 2所示那樣，雷達(dá)干擾中的J/S是雷達(dá)到目標(biāo)距離4次方除以雷達(dá)到干擾機(jī)距離平方的函數(shù)，它同時(shí)還是干擾機(jī)輻射功率與雷達(dá)輻射功率之比，以及雷達(dá)旁瓣增益與主瓣增益之比的函數(shù)。最后需要考慮目標(biāo)的RCS，其他參數(shù)相同時(shí)，RCS越小，J/S就越大[7]。

圖2　雷達(dá)干擾Fig.2　Radar jamming

1.2按照干擾能量的來源分

有源干擾：其干擾能量是由雷達(dá)發(fā)射信號(hào)以外的其他輻射源產(chǎn)生的。

無源干擾：其干擾能量是由非目標(biāo)的物體對(duì)雷達(dá)照射信號(hào)的散射產(chǎn)生的。

1.3按照干擾的產(chǎn)生因素分

有意干擾：由人為因素而有意產(chǎn)生的干擾。

無意干擾：由自然或其他因素?zé)o意識(shí)產(chǎn)生的干擾。

1.4按照干擾信號(hào)作用的原理分

遮蓋性干擾：指在雷達(dá)接收機(jī)中干擾背景與目標(biāo)回波疊加在一起，使雷達(dá)難以從中檢測(cè)目標(biāo)信息。

欺騙性干擾：指在雷達(dá)接收機(jī)中干擾信號(hào)與目標(biāo)回波信號(hào)難以區(qū)分，以假亂真，使雷達(dá)不能正確地檢測(cè)目標(biāo)信息。

1.5按照戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用分

按照戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用分類的示意圖3所示， 可分為遠(yuǎn)

圖3　電磁環(huán)境按戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用分類Fig.3　Classes of electromagnetism　　　environment by tactics

距支援干擾(stand-off jamming,SOJ)、隨隊(duì)干擾(escort-support jamming,ESJ)、自衛(wèi)干擾(self-screening jamming,SSJ)和近距干擾(stand-forward jamming,SFJ)。

遠(yuǎn)距支援干擾：干擾機(jī)遠(yuǎn)離雷達(dá)和目標(biāo)，通過輻射強(qiáng)干擾信號(hào)掩護(hù)目標(biāo)。它的干擾信號(hào)主要是從雷達(dá)天線的旁瓣進(jìn)入接收機(jī)的，一般采用遮蓋性干擾。

隨隊(duì)干擾：干擾機(jī)位于目標(biāo)附近，通過輻射強(qiáng)干擾信號(hào)掩護(hù)目標(biāo)。它的干擾信號(hào)是從雷達(dá)天線的主瓣(ESJ與目標(biāo)不能分辨時(shí))或旁瓣(ESJ與目標(biāo)能分辨時(shí))進(jìn)入接收機(jī)的，一般采用遮蓋性干擾。掩護(hù)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的ESJ具有同目標(biāo)一樣的機(jī)動(dòng)能力?？找u作戰(zhàn)中的ESJ往往略微領(lǐng)前于其他飛機(jī)，在一定的作戰(zhàn)距離上還同時(shí)實(shí)施無源干擾。出于自身安全考慮，進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)的ESJ常由無人駕駛飛行器擔(dān)任[8]。

自衛(wèi)干擾：干擾機(jī)位于目標(biāo)上，干擾的目的是使自己免遭雷達(dá)威脅。它的干擾信號(hào)是從雷達(dá)天線主瓣進(jìn)入接收機(jī)，一般采用欺騙干擾，有時(shí)也采用遮蓋干擾。SSJ是現(xiàn)代作戰(zhàn)飛機(jī)、艦艇、地面重要目標(biāo)等必備的干擾手段[9]。

近距干擾：干擾機(jī)到雷達(dá)的距離領(lǐng)先于目標(biāo)，通過輻射干擾信號(hào)掩護(hù)后續(xù)目標(biāo)。由于距離領(lǐng)先，干擾機(jī)可獲得寶貴的預(yù)先引導(dǎo)時(shí)間，使干擾信號(hào)頻率對(duì)準(zhǔn)雷達(dá)頻率。主要采用遮蓋性干擾。距離越近，進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)的干擾能量也越強(qiáng)。由于自身安全難以保障，SFJ主要由投擲式干擾機(jī)和無人駕駛飛行器擔(dān)任。

1.6分類方式間的相關(guān)性

雖然干擾信號(hào)可以按照能量來源、產(chǎn)生因素、作用原理來分類，但各種干擾信號(hào)分類之間相互關(guān)聯(lián)，互相影響，如圖4所示。

雖然電磁環(huán)境可以按照戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用和干擾信號(hào)分類，但按照戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用分類信號(hào)的干擾信號(hào)作用形式又可按照干擾信號(hào)的能量來源、產(chǎn)生因素、作用原理分類，如表1所示。

圖4　電磁環(huán)境按照干擾信號(hào)分類Fig.4　Classes of electromagnetism environment by jamming

戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用分類所采用的干擾信號(hào)形式遠(yuǎn)距支援干擾遮蓋性干擾隨隊(duì)干擾 遮蓋性干擾無源干擾自衛(wèi)干擾 欺騙干擾遮蓋性干擾近距干擾 遮蓋性干擾

1.7干擾樣式

經(jīng)過對(duì)干擾信號(hào)形式和戰(zhàn)術(shù)使用方式的全面分析，可歸納出基本干擾樣式和戰(zhàn)術(shù)使用方式。再根據(jù)實(shí)戰(zhàn)對(duì)象的干擾裝備技術(shù)發(fā)展水平，賦予這些干擾樣式以及典型的干擾參數(shù)，基本干擾樣式已達(dá)到較先進(jìn)的技術(shù)水平，見表2所示。

2電磁干擾仿真技術(shù)

目標(biāo)與干擾半實(shí)物仿真將彈上制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)備作為仿真系統(tǒng)的一部分接入系統(tǒng)，與仿真設(shè)備共同完成飛行器在試驗(yàn)室環(huán)境下的模擬飛行。目標(biāo)與干擾半實(shí)物仿真系統(tǒng)有物理仿真設(shè)備和目標(biāo)及干擾的數(shù)學(xué)仿真模型，如圖5所示。物理仿真主要有天線陣列饋電系統(tǒng)、射頻信號(hào)源、三軸飛行轉(zhuǎn)臺(tái)和負(fù)載模擬器，以及各仿真設(shè)備的控制計(jì)算機(jī)、仿真計(jì)算機(jī)、接口裝置、仿真軟件等。

目標(biāo)與干擾信號(hào)生成系統(tǒng)用來給飛行器探測(cè)系統(tǒng)提供與真實(shí)環(huán)境等效的射頻信號(hào)功率和飛行器與目標(biāo)間相對(duì)運(yùn)動(dòng)特性；彈體飛行姿態(tài)模擬器，也稱飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)，用來安裝飛行器系統(tǒng)的參試設(shè)備，提供彈體的俯仰、偏航、滾動(dòng)三維角運(yùn)動(dòng)；仿真計(jì)算機(jī)的主要功能是實(shí)時(shí)完成飛行器全量動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型計(jì)算，輸出飛行器角運(yùn)動(dòng)和質(zhì)心運(yùn)動(dòng)參量，以及飛行器與目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)距離和相對(duì)視線角信息給伺服控制計(jì)算機(jī)，用于形成飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)和目標(biāo)系統(tǒng)的控制指令；同時(shí)與參試的彈上實(shí)物和半實(shí)物仿真系統(tǒng)其他設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交換，形成一個(gè)實(shí)時(shí)閉環(huán)半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)[10]。

對(duì)于目標(biāo)與干擾的仿真是由目標(biāo)及干擾的數(shù)學(xué)仿真模型將對(duì)飛行器所面臨的各類目標(biāo)及對(duì)抗干擾進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，在仿真設(shè)備的控制計(jì)算機(jī)中運(yùn)行數(shù)學(xué)模型，產(chǎn)生基帶信號(hào)，將基帶信號(hào)輸出仿真設(shè)備調(diào)制中頻并變頻到射頻信號(hào)發(fā)射，將導(dǎo)引頭接收信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)引頭抗干擾性能評(píng)定[11]。對(duì)目標(biāo)與干擾的角位置信息的模擬，需要將目標(biāo)角位置數(shù)學(xué)模型和干擾角位置數(shù)學(xué)模型控制天線陣列，包括角位置模型、角閃爍模型、近場(chǎng)效應(yīng)模型、角度欺騙干擾、多路徑和角反射器。目標(biāo)與干擾的功率、距離、速度信息的模擬，需要將目標(biāo)模型和干擾數(shù)學(xué)模型控制射頻信號(hào)源，包括多普勒、時(shí)延、幅度、體目標(biāo)散射點(diǎn)、速度欺騙干擾、距離欺騙干擾、壓制噪聲干擾模型。對(duì)于計(jì)算量大的統(tǒng)計(jì)型自然環(huán)境模型，如地/海雜波、箔條干擾和目標(biāo)電磁特征計(jì)算模型，需要在高速并行計(jì)算機(jī)/計(jì)算機(jī)群中進(jìn)行運(yùn)算，將基帶信號(hào)輸入信號(hào)源控制機(jī)控制射頻信號(hào)源設(shè)備。

表2　基本干擾樣式及有關(guān)參量

圖5　目標(biāo)與干擾半實(shí)物仿真系統(tǒng)Fig.5　Target and jamming hardware-in-loop simulation system

3復(fù)雜對(duì)抗干擾建模與仿真試驗(yàn)對(duì)作戰(zhàn)性能的評(píng)估

半實(shí)物仿真與外場(chǎng)飛行試驗(yàn)、數(shù)學(xué)仿真相比，具有物理復(fù)現(xiàn)目標(biāo)回波，導(dǎo)引頭實(shí)物接入制導(dǎo)仿真系統(tǒng)的特點(diǎn)。外場(chǎng)飛行試驗(yàn)雖然置信度較高，但對(duì)飛行器運(yùn)動(dòng)特性和交會(huì)關(guān)系難以模擬，耗時(shí)、費(fèi)力、代價(jià)高昂。數(shù)學(xué)仿真的置信度依賴于模型準(zhǔn)確性，模型依靠外場(chǎng)和半實(shí)物仿真校驗(yàn)。半實(shí)物仿真的仿真逼真度高，試驗(yàn)場(chǎng)景可靈活設(shè)置，可多次重復(fù)試驗(yàn)，是飛行試驗(yàn)前設(shè)計(jì)驗(yàn)證、飛行試驗(yàn)后故障定位和試驗(yàn)鑒定必不可少的手段[12-13]。

在對(duì)抗干擾方面，半實(shí)物仿真對(duì)作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃具有與生俱來的優(yōu)勢(shì)，它可將數(shù)學(xué)仿真中無法精確建模的干擾電磁特征和電磁信號(hào)與導(dǎo)引頭的作用效果精確地模擬出來，并可重復(fù)設(shè)置各種對(duì)抗環(huán)境，反復(fù)分析武器系統(tǒng)抗干擾的性能，同時(shí)可復(fù)現(xiàn)外場(chǎng)飛行試驗(yàn)的故障情況，詳細(xì)分析其中的原因。

設(shè)對(duì)一次彈道武器性能作戰(zhàn)規(guī)劃部署如下(本次規(guī)劃只是學(xué)術(shù)研究中的假設(shè))：假設(shè)藍(lán)軍有2個(gè)來襲目標(biāo)，一個(gè)目標(biāo)是需打擊目標(biāo)，另一個(gè)目標(biāo)帶干擾是為掩護(hù)打擊目標(biāo)。紅軍有2發(fā)同等性能的防御性飛行器進(jìn)行攔截，怎樣有效打擊目標(biāo)侵犯。雖然是2發(fā)防御飛行器打擊2個(gè)來襲目標(biāo)，但來襲目標(biāo)具有主動(dòng)性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)能力大、突發(fā)范圍廣等特點(diǎn)，因此防御武器是存在單發(fā)殺傷概率的，即打準(zhǔn)目標(biāo)是有一定的概率的。更何況是在復(fù)雜電磁環(huán)境中，有干擾機(jī)掩護(hù)目標(biāo)，其打擊概率會(huì)有很大程度的降低。這種作戰(zhàn)部署，可在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中設(shè)置與戰(zhàn)情完全相同的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)近乎逼真的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境模擬，以實(shí)現(xiàn)最完美的作戰(zhàn)規(guī)劃[14-15]。

首先，選擇直接打擊目標(biāo)的作戰(zhàn)規(guī)劃。將防御飛行器設(shè)定為瞄準(zhǔn)目標(biāo)打擊，在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，重復(fù)20次仿真試驗(yàn)。從半實(shí)物仿真結(jié)果可看出，防御飛行器受到干擾機(jī)的影響，無法實(shí)現(xiàn)精確命中目標(biāo)，如圖6所示。

圖6　防御飛行器直接打擊目標(biāo)Fig.6　Firing target directly by defense aerocraft

因此，考慮是否可以先打落干擾機(jī)，再打擊目標(biāo)。但干擾機(jī)的信號(hào)樣式復(fù)雜多變，不易跟蹤，同時(shí)如果先打干擾再打目標(biāo)，會(huì)有失去攻擊的最佳時(shí)間，使得目標(biāo)逃離。在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，重復(fù)20次仿真試驗(yàn)。從半實(shí)物仿真結(jié)果可看出，防御飛行器搜索跟蹤上了干擾機(jī)，可將其擊中，如圖 7所示；再發(fā)射第2發(fā)飛行器，可擊中需命中目標(biāo)，如圖 8所示。通過半實(shí)物仿真對(duì)作戰(zhàn)規(guī)劃的復(fù)現(xiàn)，可有效地確定最佳作戰(zhàn)規(guī)劃部署。

圖7　防御飛行器打擊干擾機(jī)Fig.7　Firing jammer by defense aerocraft

圖8　防御飛行器打擊目標(biāo)Fig.8　Firing Target by defense aerocraft

4結(jié)束語

隨著戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的日益復(fù)雜，對(duì)復(fù)雜干擾對(duì)抗的建模與仿真研究需求的緊迫性不斷加劇。本文從仿真模式上歸納出復(fù)雜電磁環(huán)境的半實(shí)物仿真模式與通用方法，并詳細(xì)介紹其中若干關(guān)鍵要素的建模與仿真關(guān)鍵技術(shù)。從仿真模式上歸納出復(fù)雜電磁環(huán)境的半實(shí)物仿真模式與通用方法，并詳細(xì)介紹其中若干關(guān)鍵要素的建模與仿真關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)半實(shí)物仿真結(jié)果，真實(shí)復(fù)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)效果，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)性能評(píng)估。

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Assessment of Equipment Performance Based on Electromagnetism Environment Simulation

MA Jing

(Science and Technology on Special System Simulation Laboratory，Beijing 100854,China)

Abstract:As electromagnetism environment is complicated in the battle field, the study on simulation for complicated electromagnetism environment is demanded urgently. According to the content and characteristics of modeling for anti-jamming, the hardware-in-loop (HWIL) method and key technique for electromagnetism environment simulation are introduced, which can evaluate the capability of radar in battle.

Key words:electromagnetism jamming; electromagnetism environment; modeling and simulation; the assessment of the operational performance; hardware-in-loop simulation; assessment

中圖分類號(hào)：TN973;TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-086X(2015)-05-0001-06

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.05.001

通信地址：100854北京市142信箱30分箱E-mail：phd.jingma@gmail.com

作者簡(jiǎn)介：馬靜(1982-)，女，陜西西安人。高工，博士，研究方向?yàn)樯漕l仿真。

基金項(xiàng)目：有

*收稿日期：2014-10-10；修回日期：2015-02-11

編者按：“2014年復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境與精確制導(dǎo)技術(shù)研討會(huì)”成功舉行。會(huì)議得到了國(guó)內(nèi)從事空天防御的軍方、軍工單位、科研院所、高校等的積極響應(yīng)和大力支持，共征集到近70篇論文?！冬F(xiàn)代防御技術(shù)》特開辟專欄陸續(xù)分期刊登此次會(huì)議的部分優(yōu)秀論文，供讀者參考。