復(fù)雜電磁環(huán)境雷達(dá)對抗系統(tǒng)仿真試驗

高慧英

(中國艦船研究院，北京 100192)

復(fù)雜電磁環(huán)境雷達(dá)對抗系統(tǒng)仿真試驗

高慧英

(中國艦船研究院，北京 100192)

復(fù)雜電磁環(huán)境是信息化戰(zhàn)爭的基本特征，利用半實物仿真方法，進(jìn)行雷達(dá)對抗系統(tǒng)對復(fù)雜電磁環(huán)境的適應(yīng)性研究成為當(dāng)前新課題。本文從應(yīng)用需求分析出發(fā)，闡述了仿真試驗系統(tǒng)的組成和功能，研究了仿真試驗應(yīng)用中關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)途徑，并給出了應(yīng)用實例，可有效支撐電子裝備復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性研究。

復(fù)雜電磁環(huán)境;雷達(dá)對抗;半實物仿真

0 引言

復(fù)雜電磁環(huán)境是指在一定的戰(zhàn)場空間內(nèi)，由空域、時域、頻域、能量上分布的數(shù)量繁多、樣式復(fù)雜、密集重疊、動態(tài)交疊的電磁信號構(gòu)成的電磁環(huán)境［1］。復(fù)雜電磁環(huán)境是信息化戰(zhàn)爭的基本特征，構(gòu)建復(fù)雜電磁環(huán)境，進(jìn)行雷達(dá)對抗系統(tǒng)對復(fù)雜電磁環(huán)境的適應(yīng)性試驗成為我軍信息化建設(shè)的重點［2］?？v觀外軍復(fù)雜電磁環(huán)境的構(gòu)建方法，主要有外場實裝法、全數(shù)字仿真法和內(nèi)場半實物仿真法［3－4］。外場實裝方法雖然符合實戰(zhàn)條件，產(chǎn)生的電磁環(huán)境真實，試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，試驗結(jié)果直觀可信，但代價昂貴，保密性差，易受環(huán)境條件制約。全數(shù)字仿真方法以功能仿真為主，主要局限性是難以體現(xiàn)信號的相位特性，更適用于裝備的研制過程。內(nèi)場仿真方法以模型及算法、計算機(jī)技術(shù)、信號處理技術(shù)、微波技術(shù)為基礎(chǔ)，利用計算機(jī)控制模擬器，產(chǎn)生典型試驗環(huán)境中的真實射頻信號，以注入或輻射的方式進(jìn)行試驗。因此，內(nèi)場仿真方法在信號體制的復(fù)雜性、生成環(huán)境的逼真性、仿真模型的可重用性上具有獨特的優(yōu)勢，成為當(dāng)前研究的主流。

現(xiàn)代雷達(dá)對抗系統(tǒng)由雷達(dá)偵察裝備和雷達(dá)干擾裝備組成，利用內(nèi)場注入式半實物仿真方法，進(jìn)行雷達(dá)對抗系統(tǒng)對復(fù)雜電磁環(huán)境的適應(yīng)性試驗，試驗對象為不包括雷達(dá)偵察天線和雷達(dá)干擾天線在內(nèi)的雷達(dá)對抗系統(tǒng)。本文從試驗應(yīng)用需求分析出發(fā)，闡述了仿真試驗系統(tǒng)的組成和功能，研究了仿真試驗應(yīng)用中關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)途徑，并給出了應(yīng)用實例，可有效支撐電子裝備復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性研究。

1 仿真試驗應(yīng)用需求

雷達(dá)對抗是一個動態(tài)的過程，既表現(xiàn)在對抗雙方雷達(dá)對抗裝備平臺之間的相對運動，還表現(xiàn)在裝備之間信號能量在時間或空間上的連續(xù)性和間斷性(如裝備的開關(guān)及工作模式切換)，以及信號在空間傳播過程中各種地形、氣象環(huán)境因素的動態(tài)影響。在仿真運行過程中，隨著仿真時鐘的推進(jìn)，雷達(dá)及雷達(dá)對抗裝備的運動特性、雷達(dá)威脅信號、干擾激勵信號、目標(biāo)回波/雜波/干擾信號等的發(fā)射、平臺運動、空間傳輸、經(jīng)散射體反射、天線的掃描特性均需得到較全面真實的復(fù)現(xiàn)。因此，信號級的動態(tài)對抗仿真才能有效地研究雷達(dá)對抗系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的作戰(zhàn)效能。

未來威脅領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步將對雷達(dá)對抗系統(tǒng)的能力提出更高的要求，根據(jù)美國陸軍手冊FM101-5:“軍事作戰(zhàn)產(chǎn)生的信息數(shù)量巨大。只有通過使用有效的系統(tǒng)來精確快速地轉(zhuǎn)換和理解信息，才能避免信息超過負(fù)荷?！盞OVACS將信息環(huán)境劃分為3個正交維度［5］:物理維、信息維和認(rèn)知維，如圖1所示。

圖1 信息化戰(zhàn)爭的維度Fig.1 Dimension of information warfare

雷達(dá)對抗系統(tǒng)中的物理維描述了在物理世界中交疊存在的信息環(huán)境，主要包括基本裝備、傳輸方式等。信息維是收集、處理、保存、分發(fā)、顯示和保護(hù)信息的一維，主要包括信息的內(nèi)容、質(zhì)量和信息的傳遞。認(rèn)知維是人類感知、思考并做出決定的一維，主要影響的因素有戰(zhàn)術(shù)實施中的情景感知、作戰(zhàn)經(jīng)驗等。這使我們意識到，雷達(dá)對抗系統(tǒng)面臨的復(fù)雜電磁環(huán)境一方面體現(xiàn)在客觀存在的空域、時域、頻域、能域上信號或信息的復(fù)雜性，更關(guān)鍵、更具迷惑性的復(fù)雜性體現(xiàn)在認(rèn)知維。因此，復(fù)雜電磁環(huán)境雷達(dá)對抗系統(tǒng)仿真試驗應(yīng)用研究應(yīng)主要包括以下6個方面的內(nèi)容:

1)雷達(dá)對抗系統(tǒng)在戰(zhàn)場作戰(zhàn)應(yīng)用中的動態(tài)對抗仿真;

2)實現(xiàn)雷達(dá)偵察裝備所面臨的復(fù)雜雷達(dá)威脅信號環(huán)境的仿真;

3)實現(xiàn)干擾裝備的作戰(zhàn)對象(被干擾雷達(dá))面臨的復(fù)雜目標(biāo)特性環(huán)境的仿真;

4)實現(xiàn)干擾裝備作戰(zhàn)對象通用雷達(dá)模擬器的性能仿真;

5)實現(xiàn)雷達(dá)對抗系統(tǒng)偵察天線/干擾天線的性能仿真和干擾信號的仿真;

6)實現(xiàn)雷達(dá)對抗系統(tǒng)對復(fù)雜電磁環(huán)境的適應(yīng)性及作戰(zhàn)效能評估。

2 仿真試驗系統(tǒng)的組成與功能

基于上述分析，雷達(dá)對抗系統(tǒng)內(nèi)場注入式半實物仿真試驗系統(tǒng)包括:戰(zhàn)場態(tài)勢設(shè)計系統(tǒng)、主控制系統(tǒng)、綜合顯示系統(tǒng)、雷達(dá)威脅信號生成系統(tǒng)、干擾激勵信號生成系統(tǒng)、雷達(dá)偵察天線模擬單元、雷達(dá)目標(biāo)特性模擬器、干擾信號幅度調(diào)制單元、通用雷達(dá)模擬系統(tǒng)、數(shù)據(jù)錄取系統(tǒng)、試驗評估系統(tǒng)和被試?yán)走_(dá)對抗裝備。仿真試驗系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)見圖2。

各系統(tǒng)主要功能如下:

圖2 仿真試驗系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Framework of the simulation system

1)戰(zhàn)場態(tài)勢設(shè)計系統(tǒng)。戰(zhàn)情態(tài)勢設(shè)計系統(tǒng)建立作戰(zhàn)環(huán)境，規(guī)定仿真試驗的初始戰(zhàn)場態(tài)勢和態(tài)勢動態(tài)變化流程，體現(xiàn)認(rèn)知維的復(fù)雜性。

2)主控制系統(tǒng)。主控制系統(tǒng)是全系統(tǒng)的試驗指揮控制中心，用于仿真運行時試驗控制、戰(zhàn)情加載和分解、仿真時鐘同步、各裝備承載平臺航跡實時仿真。

3)綜合顯示系統(tǒng)。以圖形和表格形式實時展現(xiàn)復(fù)雜電磁環(huán)境中對抗雙方在空域、時域、頻域、能量上的分布。

4)雷達(dá)威脅信號生成系統(tǒng)。實時、動態(tài)地模擬多方位、多批次、多體制、寬頻段、高精度、高逼真度的雷達(dá)信號環(huán)境。

5)干擾激勵信號生成系統(tǒng)。對被干擾雷達(dá)發(fā)射信號進(jìn)行時延和多普勒頻移調(diào)制。

6)雷達(dá)偵察天線模擬單元。模擬雷達(dá)偵察天線測向體制，對雷達(dá)威脅信號和干擾激勵信號進(jìn)行幅度、相位及時差的調(diào)制。

7)雷達(dá)目標(biāo)特性模擬器。實時、動態(tài)地模擬被干擾雷達(dá)接收到復(fù)雜環(huán)境中目標(biāo)回波信號:包括閃爍和起伏特性、幅度、時延和多普勒頻移及雷達(dá)天線方向圖的調(diào)制。

8)干擾信號幅度調(diào)制單元。按照干擾機(jī)天線指向、天線方向圖、干擾平臺與雷達(dá)的距離、雷達(dá)天線掃描、雷達(dá)天線方向圖，實時生成到達(dá)被干擾雷達(dá)的干擾信號強(qiáng)度。

9)通用雷達(dá)模擬系統(tǒng)。模擬多種工作體制和技術(shù)體制的雷達(dá)接收機(jī)性能，完成干擾效果仿真試驗。

10)數(shù)據(jù)錄取系統(tǒng)。完成被試?yán)走_(dá)對抗系統(tǒng)和仿真試驗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)錄取，用于事后數(shù)據(jù)回放及試驗評估。

11)試驗評估系統(tǒng)。完成雷達(dá)對抗系統(tǒng)偵察能力和對抗效能評估，包括信號截獲能力、信號分選識別能力和各種干擾樣式的干擾效果。

3 試驗應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)途徑

1)作戰(zhàn)應(yīng)用中的動態(tài)對抗仿真

為真實再現(xiàn)作戰(zhàn)應(yīng)用中的動態(tài)對抗，在仿真中，根據(jù)具體的作戰(zhàn)仿真任務(wù)，定義運行過程控制文件，描述對抗雙方電子裝備與運載平臺間的配置組合關(guān)系及工作模式的切換。模式切換條件與作戰(zhàn)應(yīng)用相關(guān)聯(lián)，并分為3大類。

①時域切換條件:裝備工作模式隨時間的切換情況定義為模式切換表，對抗雙方按預(yù)先設(shè)置的時域切換表通過仿真時間控制模式切換;

②空域切換條件:裝備工作模式的切換同運載平臺的位置關(guān)聯(lián)，裝備在一定區(qū)域采用一種工作模式，當(dāng)運動到另一個區(qū)域時使用另外一種工作模式。例如:在距被試偵察設(shè)備距離較遠(yuǎn)時采用低重頻、寬脈沖、掃描方式進(jìn)行工作;在距離較近時采用高重頻、窄脈寬、跟蹤方式進(jìn)行工作。

③自適應(yīng)模式切換:用智能化編程，為每種模式設(shè)置一個或若干個觸發(fā)條件，讓裝備根據(jù)戰(zhàn)情變化，自適應(yīng)進(jìn)行模式切換。

運行工作參數(shù)表通過裝備型號、參數(shù)組號為索引，提供一組運行工作參數(shù)塊名代碼及其參數(shù)值的工作參數(shù)集，按平臺編號、裝備編號和應(yīng)用序號升序排列。工作參數(shù)組號是以裝備型號為單位，包含能滿足該裝備型號合理、正常工作的一組參數(shù)的標(biāo)識代碼，裝備型號和參數(shù)組號的組合具有惟一性，并約定參數(shù)組號為0時表示該裝備關(guān)機(jī)，其他參數(shù)組號表示該裝備開機(jī)正常工作的完整參數(shù)集，包含有多個數(shù)據(jù)塊。

2)復(fù)雜雷達(dá)威脅信號環(huán)境仿真

雷達(dá)威脅信號環(huán)境是指到達(dá)雷達(dá)偵察裝備的所有雷達(dá)輻射源信號的集合，是由許多雷達(dá)輻射的脈沖序列隨機(jī)交疊而成的密集的脈沖流。通常采用脈沖描述字［6－7］PDW(Pulse Describe Word)描述射頻脈沖的基本特征，脈沖描述字PDW的組成為:PDW=(TOA，RF、PM、PW，DOA，PA)，其中:TOA 為脈沖到達(dá)時間，RF為脈沖載頻，PM為脈內(nèi)調(diào)制，PW為脈沖脈寬，DOA為脈沖到達(dá)角，PA為脈沖信號強(qiáng)度。

因此，復(fù)雜雷達(dá)威脅信號環(huán)境實時仿真的重點一是按照預(yù)設(shè)場景實時仿真解算并輸出脈沖描述字。二是采用基于DDS的直接頻率合成方案，經(jīng)混頻、濾波、倍頻及放大，生成低相噪、低雜散且具有調(diào)頻和調(diào)相功能的高信號密度的射頻信號，能模擬常規(guī)體制和特殊體制雷達(dá)信號，如脈內(nèi)頻率捷變和相位編碼信號，脈間/脈組頻率捷變、頻率分集，脈沖重復(fù)頻率抖動與參差等。

3)雷達(dá)偵察天線模擬仿真

逼真地模擬雷達(dá)偵察設(shè)備的接收天線，是實現(xiàn)內(nèi)場注入式仿真試驗的關(guān)鍵，根據(jù)EW設(shè)備比幅測向、比相測向和時差測向機(jī)理，采用功分器、幅度相位控制器(APC)、功率合成器模擬雷達(dá)偵察設(shè)備接收天線輸出的雷達(dá)信號。

隨著微波器件技術(shù)的快速發(fā)展，幅度相位控制器可以在較寬的頻率范圍內(nèi)工作，滿足帶寬要求，但其控制精度隨著頻率、工作環(huán)境溫度和濕度發(fā)生變化，為降低仿真試驗系統(tǒng)控制精度對被試?yán)走_(dá)偵察裝備測向精度的影響，必須在試驗前對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)校，建立頻率－幅度、頻率－相位控制碼表，預(yù)先加載到存儲器中，控制碼表按照頻率作一維查找變量，在實時運行時，根據(jù)發(fā)射脈沖的頻率快速查找出幅度相位控制器的控制碼。這種高速幅相控制技術(shù)可滿足復(fù)雜雷達(dá)威脅信號環(huán)境中快速頻率轉(zhuǎn)換要求，保證射頻仿真系統(tǒng)的幅相控制精度。

4)干擾激勵信號/干擾信號幅度調(diào)制仿真

干擾激勵信號模擬干擾信號相對雷達(dá)發(fā)射信號的時延、多普勒頻移和雷達(dá)偵察裝備所接收到的雷達(dá)發(fā)射信號強(qiáng)度。干擾信號相對雷達(dá)發(fā)射信號的時延由3部分組成:

其中:τ1為雷達(dá)發(fā)射信號由雷達(dá)傳至雷達(dá)偵察裝備的路徑時延;τ2為從干擾引導(dǎo)起到由干擾裝備發(fā)射天線輻射出干擾射頻信號的技術(shù)時延，由實體干擾裝備生成;τ3為干擾信號由干擾發(fā)射天線傳回到雷達(dá)接收天線的路徑時延。

在仿真試驗系統(tǒng)中，干擾激勵信號需模擬τ1和τ3。

仿真試驗系統(tǒng)對接收的干擾信號進(jìn)行幅度調(diào)制，主要考慮的因素包括:單程幅度衰減、多路徑效應(yīng)、雷達(dá)接收天線輸出。并控制干擾信號幅度調(diào)制單元生成干擾信號，與目標(biāo)回波信號一起注入通用雷達(dá)模擬器。

5)復(fù)雜目標(biāo)特性環(huán)境和通用雷達(dá)模擬器的性能仿真

雷達(dá)對抗系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能是通過對被干擾雷達(dá)對目標(biāo)的探測和跟蹤能力體現(xiàn)出來的，因此，在仿真試驗系統(tǒng)中需要進(jìn)行目標(biāo)回波環(huán)境和雷達(dá)性能仿真。由通用雷達(dá)模擬器生成雷達(dá)低功率發(fā)射信號，通過下變頻單元將雷達(dá)發(fā)射信號轉(zhuǎn)換為中頻脈沖信號，經(jīng)由數(shù)字射頻存儲器(DRFM)為核心構(gòu)成的時延和多普勒頻移調(diào)制器對中頻脈沖信號樣本進(jìn)行調(diào)制，生成目標(biāo)回波信號，并模擬目標(biāo)回波特性，包括雷達(dá)截面積、幅度起伏特性、角閃爍特性、JEM譜線調(diào)制、雙程衰減及多路徑效應(yīng)等。

通用雷達(dá)模擬器的性能仿真主要包括雷達(dá)接收天線掃描仿真、天線方向圖仿真、接收機(jī)仿真、信號處理和數(shù)據(jù)處理仿真。模擬多種工作體制和技術(shù)體制的雷達(dá)接收機(jī)性能。在信號處理和數(shù)據(jù)處理仿真模型上盡可能采用實際雷達(dá)系統(tǒng)的處理算法，以保證性能仿真的逼真性。

6)作戰(zhàn)效能評估

以現(xiàn)代雷達(dá)對抗系統(tǒng)所面臨的戰(zhàn)場多維空間復(fù)雜電磁環(huán)境和多種類對抗平臺的作戰(zhàn)使用為背景，通過研究裝備作戰(zhàn)效能評估理論和方法，建立具有可操作性的裝備性能評估指標(biāo)體系和評估方法，并利用可視化技術(shù)將評估過程及結(jié)果直觀呈現(xiàn)出來。

4 應(yīng)用實例

針對目前已建立仿真試驗系統(tǒng)，簡要說明其在雷達(dá)對抗系統(tǒng)復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性試驗中的一個應(yīng)用實例。

在某仿真試驗中，根據(jù)作戰(zhàn)應(yīng)用背景，通用雷達(dá)模擬系統(tǒng)仿真1部跟蹤雷達(dá);干擾激勵信號生成系統(tǒng)根據(jù)跟蹤雷達(dá)的低功率發(fā)射信號生成包含時延和多普勒頻移的干擾激勵信號;雷達(dá)威脅信號生成系統(tǒng)，產(chǎn)生包含常規(guī)脈沖信號、頻率捷變信號、重頻抖動信號、線性調(diào)頻信號和編碼信號的不同信號密度條件下的復(fù)雜雷達(dá)威脅信號環(huán)境，通過雷達(dá)偵察天線模擬單元將干擾激勵信號和復(fù)雜雷達(dá)威脅信號注入雷達(dá)偵察裝備，經(jīng)信號識別分選引導(dǎo)干擾裝備實施距離拖引干擾，跟蹤雷達(dá)受到干擾后跟蹤假目標(biāo)，欺騙干擾有效。

圖3給出了通過調(diào)制域分析儀觀察到的仿真試驗系統(tǒng)生成的均勻隨機(jī)重頻抖動信號。圖4和圖5分別給出了模擬的跟蹤雷達(dá)在干擾前/干擾后對目標(biāo)的跟蹤結(jié)果。

圖5 距離后拖干擾后跟蹤雷達(dá)目標(biāo)顯示Fig.5 The tracking radar display by RGPO jam

從圖3～圖5可見，利用內(nèi)場注入式半實物仿真試驗方法，可實現(xiàn)在不同作戰(zhàn)應(yīng)用背景和各種仿真參數(shù)下，雷達(dá)對抗系統(tǒng)對各種體制雷達(dá)從偵察到干擾全過程的對抗效果的仿真。

5 結(jié)語

本文提出的雷達(dá)對抗系統(tǒng)仿真試驗方法，可以評估雷達(dá)對抗系統(tǒng)在各種典型戰(zhàn)場對抗環(huán)境、典型部署策略及戰(zhàn)術(shù)使用方法、多種裝備技術(shù)參數(shù)條件下的作戰(zhàn)效能，有效支撐電子裝備復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性研究和軍事訓(xùn)練，也為研制新型裝備提供參考和依據(jù)，有廣泛的推廣應(yīng)用價值和重大的軍事經(jīng)濟(jì)效益。

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Simulation and test of radar countermeasures system in complex electromagnetic environment

GAO Hui-ying
(China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China)

Complex elctromagnetic environment is the basic characteristics of information battlefield.Research on the adaption of radar countermeasures system in the complex elctromagnetic environment has became the new issues by the hardware-in-the-loop simulation.This paper analyzes the requirements of test and describes the simulation system block diagram and major functions，critical technologies to implement simulation system are studied and examples are given，which can effectively support the research on the adaption of electronic information equipment in the complex elctromagnetic environment.

complex electromagnetic environment;radar countermeasures;hardware-in-the-loop simulation

TM15

A

1672－7649(2011)06－0051－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.013

2011－05－06

高慧英(1970－)，女，高級工程師，主要研究方向為雷達(dá)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)及仿真。