基于模型的雷達(dá)對抗仿真系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)

韓文彬,李 洋,王華兵,戚宗鋒

（解放軍63892部隊,洛陽 471003）

0 引 言

雷達(dá)對抗作為重要的作戰(zhàn)樣式,其仿真模型體系不斷膨脹,如何提高仿真模型的復(fù)用能力已逐漸引起仿真應(yīng)用單位的重視。

為了對仿真模型進(jìn)行有效管理,文獻(xiàn)[1]提出了仿真模型庫系統(tǒng)的概念,它是提高模型重用性的重要途徑。國防科技大學(xué)按照基本對象模型（BOM）標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的可擴展仿真系統(tǒng)框架,提高了模型開發(fā)的規(guī)范化和自動化水平。文獻(xiàn)[3]、[4]分別介紹了基于BOM進(jìn)行仿真開發(fā)的實例和方法。

在基于模型的仿真開發(fā)平臺逐漸完善的同時,雷達(dá)對抗專業(yè)人員有必要著重研究相關(guān)仿真系統(tǒng)的高層架構(gòu)和模型體系。本文按照基于模型的理念,分析了導(dǎo)彈突防背景下的雷達(dá)對抗仿真系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計、模型體系設(shè)計以及系統(tǒng)構(gòu)建的方法。

1 總體架構(gòu)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

本仿真系統(tǒng)采用基于高層體系結(jié)構(gòu)（H LA）的分布式仿真結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)高層結(jié)構(gòu)如圖1所示,共由8個分系統(tǒng)組成。本文重點關(guān)注仿真主控、雷達(dá)仿真、導(dǎo)彈仿真、干擾仿真和在線評估等5個分系統(tǒng),它們分別實現(xiàn)仿真控制、對抗實體仿真和仿真結(jié)果評估的功能,是仿真系統(tǒng)最重要的組成部分。根據(jù)具體戰(zhàn)情需求,雷達(dá)仿真、干擾仿真和導(dǎo)彈仿真可以有多個運行實體。戰(zhàn)情設(shè)計、數(shù)據(jù)采集、視景仿真等3個分系統(tǒng)作為仿真系統(tǒng)的附加分系統(tǒng),本文不再 介紹。

圖1 仿真系統(tǒng)運行結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)運行流程

仿真系統(tǒng)的運行流程如圖2所示。首先,啟動各個仿真分系統(tǒng)；然后,由仿真主控系統(tǒng)讀入仿真戰(zhàn)情,進(jìn)行戰(zhàn)情分解,將子戰(zhàn)情分發(fā)給其它分系統(tǒng)；最后,仿真試驗開始運行,雷達(dá)、導(dǎo)彈、干擾等實體仿真分系統(tǒng)通過運行支撐環(huán)境（RTI）進(jìn)行仿真交互,在線評估分系統(tǒng)提取仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行實時評估。圖2中,虛線部分代表系統(tǒng)外部資源,為仿真運行提供戰(zhàn)情數(shù)據(jù)、威脅數(shù)據(jù),并收集仿真試驗數(shù)據(jù)。

圖2 仿真系統(tǒng)運行流程圖

2 模型體系設(shè)計

基于H LA的仿真技術(shù)提供了系統(tǒng)高層結(jié)構(gòu)的有效方案,因此在此著重分析各個分系統(tǒng)內(nèi)部模型體系的設(shè)計方法。

2.1 仿真主控分系統(tǒng)

仿真主控分系統(tǒng)實現(xiàn)對仿真系統(tǒng)的控制與管理,包括仿真系統(tǒng)的運行控制、戰(zhàn)情的加載與下發(fā)等。該分系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示,用戶界面模塊負(fù)責(zé)以窗口、菜單、表格等圖形方式與用戶進(jìn)行交互,數(shù)據(jù)管理與仿真控制模塊是用戶界面模塊、數(shù)據(jù)源訪問模塊和 HLA事件總線接口模塊的中間構(gòu)件,數(shù)據(jù)源訪問模塊為數(shù)據(jù)管理和仿真控制模塊提供透明的戰(zhàn)情數(shù)據(jù)下載和格式轉(zhuǎn)換服務(wù),HLA事件總線接口模塊主要實現(xiàn)聯(lián)邦狀態(tài)管理、時間同步和控制指令、戰(zhàn)情等數(shù)據(jù)的公布與訂購。

圖3 仿真主控分系統(tǒng)模塊圖

2.2 雷達(dá)仿真分系統(tǒng)

雷達(dá)仿真分系統(tǒng)模擬導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中的關(guān)鍵雷達(dá),主要功能包括小區(qū)域搜索、目標(biāo)跟蹤、逆合成孔徑雷達(dá)（ISAR）成像、目標(biāo)識別以及抗干擾等。

如圖4所示,根據(jù)各個雷達(dá)功能之間的耦合關(guān)系,將分系統(tǒng)劃分為不同的仿真模塊。其中,雷達(dá)主控模塊作為頂層模塊,負(fù)責(zé)與其它分系統(tǒng)進(jìn)行交互,調(diào)度各個模塊有序地完成雷達(dá)系統(tǒng)的仿真運行；資源調(diào)度模型負(fù)責(zé)接收雷達(dá)資源請求,按照優(yōu)先級為每個請求安排雷達(dá)事件,完成波束調(diào)度,實現(xiàn)對多個彈道導(dǎo)彈目標(biāo)的搜索、確認(rèn)、跟蹤、識別；信號產(chǎn)生模塊用于模擬雷達(dá)接收信號,包括導(dǎo)彈回波、有源干擾信號以及接收機噪聲等；信號處理模型負(fù)責(zé)對雷達(dá)接收信號進(jìn)行處理,得到點跡、一維像等信息；數(shù)據(jù)處理模塊對信號處理得到的點跡、一維像等信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并且可以利用處理結(jié)果進(jìn)行目標(biāo)識別處理；天線模塊包括天線模擬函數(shù)庫,用于計算雷達(dá)波束在目標(biāo)方向的增益及波束測角差斜率,提供給信號產(chǎn)生模塊以生成回波信號。

如表1所示,雷達(dá)仿真分系統(tǒng)模型體系比較復(fù)雜。其中,前一級模型可以由后一級模型組合擴充實現(xiàn),或者在仿真中使用后一級模型。

圖4 雷達(dá)仿真分系統(tǒng)模塊圖

表1 雷達(dá)仿真分系統(tǒng)模型層次結(jié)構(gòu)表

2.3 導(dǎo)彈仿真分系統(tǒng)

導(dǎo)彈仿真分系統(tǒng)提供導(dǎo)彈飛行過程中的位置、姿態(tài)以及雷達(dá)截面積（RCS）等信息。根據(jù)彈道導(dǎo)彈從出發(fā)點到目標(biāo)點的運動過程受力情況,可將彈道分為推進(jìn)段、自由段（中段）和再入段。

導(dǎo)彈仿真分系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)如圖5所示。按照導(dǎo)彈飛行階段,彈道導(dǎo)彈模型根據(jù)仿真需要,分別調(diào)用推進(jìn)段、中段、再入段模型,實現(xiàn)導(dǎo)彈全程或者部分階段仿真。各個飛行階段模型都包含彈體動力學(xué)模型和自動駕駛儀模型,用于模擬導(dǎo)彈飛行狀態(tài)。除此之外,推進(jìn)段模型包括熱輻射子模型和RCS子模型,用于紅外探測和雷達(dá)探測；中段模型包括RCS子模型。

圖5 導(dǎo)彈仿真分系統(tǒng)模型層次圖

2.4 干擾仿真分系統(tǒng)

干擾仿真分系統(tǒng)模擬彈載干擾機,接收導(dǎo)彈運動參數(shù),公布干擾信號描述字。

如圖6所示,干擾機模型根據(jù)干擾設(shè)備的工作過程分別調(diào)用偵察引導(dǎo)、干擾決策、干擾信號產(chǎn)生模型,模擬帶偵察引導(dǎo)單元的雷達(dá)干擾設(shè)備工作過程,也可以根據(jù)需要模擬無偵察引導(dǎo)的雷達(dá)干擾設(shè)備工作過程。其中,干擾信號產(chǎn)生模型有不同的實現(xiàn),例如假目標(biāo)、距離波門拖引、噪聲干擾等。

圖6 干擾仿真分系統(tǒng)模型層次圖

2.5 在線評估分系統(tǒng)

在線評估分系統(tǒng)的構(gòu)成如圖7所示,該分系統(tǒng)提取雷達(dá)仿真分系統(tǒng)的仿真輸出信息,基于不同的評估策略對仿真過程進(jìn)行在線評估,得到實時更新的評估結(jié)果。由于評估方法的多樣性,系統(tǒng)仿真重在模塊劃分和組織,具體實現(xiàn)部分典型評估模型,并關(guān)注于分系統(tǒng)的可擴展性。

3 仿真系統(tǒng)構(gòu)建

在完成了系統(tǒng)分析與模型劃分之后,進(jìn)行仿真系統(tǒng)的構(gòu)建,包括模型開發(fā)、組件生成、系統(tǒng)實現(xiàn)以及運行分析等階段。

圖7 在線評估分系統(tǒng)模型層次圖

3.1 模型開發(fā)

首先應(yīng)該從模型庫選擇可用或者相近的模型,然后由仿真對象專業(yè)領(lǐng)域人員進(jìn)行模型確認(rèn)或者修改。只有對于模型庫中沒有的模型,才會進(jìn)行從“空白”開始的開發(fā)。模型開發(fā)首先需要明確仿真目的,繼而給出模型詳細(xì)定義,即為數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型的建立必須圍繞仿真目的對真實對象進(jìn)行合理的抽象,既要逼真地反映對象的真實特性,又要忽略次要因素。數(shù)學(xué)模型建立后,根據(jù)預(yù)先約定的模塊輸入輸出接口,利用編程語言開發(fā)實現(xiàn)仿真模型。

3.2 組件生成

BOM技術(shù)以及相關(guān)工具軟件為仿真模型的組件化提供了有效手段。在模型開發(fā)完畢后,利用BOM生成工具對專業(yè)模型進(jìn)行封裝,添加必要的模型描述,從而生成符合規(guī)則的BOM組件。對于復(fù)合模型組件,需要利用BOM組裝技術(shù)對子模型組件進(jìn)行組合實現(xiàn)。對于新生成組件,要及時納入項目模型庫,并在完善之后納入總模型庫。

3.3 系統(tǒng)實現(xiàn)

單個的分系統(tǒng),本質(zhì)上也是許多模型的組合。因而,系統(tǒng)也是基于BOM組件組裝的方式,將系統(tǒng)所需的子組件按照既定的接口進(jìn)行BOM組合得到的。由于仿真系統(tǒng)是基于HLA RTI運行的,因而分系統(tǒng)可以實現(xiàn)為聯(lián)邦成員。在聯(lián)邦成員的實現(xiàn)過程中,還要遵循聯(lián)邦對象模型（FOM）和仿真對象模型（SOM）的約束,建立與仿真平臺相關(guān)的仿真系統(tǒng)。

3.4 運行分析

仿真系統(tǒng)建立之后,通過仿真運行來分析系統(tǒng)性能,確定系統(tǒng)是否滿足設(shè)計要求。在運行過程中,需要關(guān)注系統(tǒng)運行效率是否可以接收,了解模型對各種不同輸入數(shù)據(jù)及各種不同仿真機制的輸出響應(yīng)情況,來確定模型逼真度和仿真系統(tǒng)合理性。運行分析之后,針對暴露的問題進(jìn)行模型改進(jìn)和系統(tǒng)優(yōu)化,該過程需要不斷迭代進(jìn)行。

4 結(jié)束語

基于模型的雷達(dá)對抗仿真系統(tǒng)構(gòu)建是一次非常有意義的嘗試,為模型管理和復(fù)用以及基于模型的仿真開發(fā)提供了經(jīng)驗。本文既對雷達(dá)對抗中的典型實體進(jìn)行了實用的模型劃分,又提出了基于模型的系統(tǒng)構(gòu)建方法,具有較大的參考價值。

[1] 戚宗鋒,徐忠富,武忠國,等.仿真模型庫系統(tǒng)設(shè)計與建設(shè)研究[A].“十一五”仿真技術(shù)預(yù)先研究項目中期技術(shù)交流會論文集[C].北京,2009.

[2] 龔建興.基于BOM的可擴展仿真系統(tǒng)框架研究[D].長沙:國防科技大學(xué),2007.

[3] 曾艷麗,李華,王飛.基于裝備模型驅(qū)動的電子對抗仿真系統(tǒng)開發(fā)模式的研究與應(yīng)用[A].“十一五”仿真技術(shù)預(yù)先研究項目中期技術(shù)交流會論文集[C].北京,2009.

[4] 韓文彬,李盾,汪連棟,等.基于BOM 的雷達(dá)對抗仿真系統(tǒng)設(shè)計[J].指揮控制與仿真,2009,34（1）:90-93.

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[7] 張毅,肖龍旭,王順宏.彈道導(dǎo)彈彈道學(xué)[M].長沙:國防科技大學(xué)出版社,2005.

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