空戰(zhàn)場雷達電磁環(huán)境仿真系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

張 楊，石 川，耿宏峰，喬會東

（中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471003）

空戰(zhàn)場雷達電磁環(huán)境仿真系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

張 楊，石 川，耿宏峰，喬會東

（中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471003）

構建逼真的戰(zhàn)場電磁環(huán)境是未來信息化條件下作戰(zhàn)、訓練的迫切需要。在分析空戰(zhàn)場雷達電磁環(huán)境特點的基礎上，采用功能仿真的方法，利用信號描述字模型，設計并實現(xiàn)了一個空戰(zhàn)場雷達電磁環(huán)境仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對多種體制不同密度級的雷達信號環(huán)境仿真，并支持電磁環(huán)境態(tài)勢的實時顯示，可以為信息化聯(lián)合訓練以及空中作戰(zhàn)系統(tǒng)的研制提供一定的環(huán)境背景支持。

空中戰(zhàn)場，電磁環(huán)境仿真，雷達信號模型，脈沖描述字

0 引言

被譽為現(xiàn)代高技術縮影的空戰(zhàn)場是運用現(xiàn)代高技術最多、最密集的領域之一，各種先進電子武器裝備的廣泛應用使有限的空間電磁環(huán)境變得更加惡劣復雜。未來空戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境不僅影響到各類電子裝備的效能發(fā)揮，也直接影響到整個部隊的戰(zhàn)斗力和戰(zhàn)場生存能力。

雷達輻射源在戰(zhàn)場各種輻射源中占有重大比重［1］，武器平臺在不同的時段要面臨包括偵察預警、雷達探測、雷達干擾等不同地域、不同頻段、不同類型的各種雷達電磁威脅，進行雷達電磁環(huán)境的仿真研究對于戰(zhàn)場電磁環(huán)境的研究具有一定的代表性和普遍意義。如何把握雷達對抗電磁信號特點規(guī)律，構建貼近實戰(zhàn)的可視化電磁環(huán)境，已經(jīng)成為信息化條件下聯(lián)合作戰(zhàn)和訓練的迫切需要。本文以飛機空中突防作戰(zhàn)為戰(zhàn)術背景，采用功能仿真方法，構建了全數(shù)字雷達電磁環(huán)境仿真系統(tǒng)，并完成了預設戰(zhàn)情下的仿真實驗。

1 空戰(zhàn)場雷達電磁環(huán)境特點

空戰(zhàn)場電磁環(huán)境是指在空戰(zhàn)場一定時空和頻段范圍內(nèi)，以空間自然電磁環(huán)境為背景，人為電磁活動為主體，由空域、時域、頻域、能量上分布的多類型、全頻譜、高密度、動態(tài)交迭的電磁輻射信號構成的，對電子信息系統(tǒng)、信息化裝備和作戰(zhàn)產(chǎn)生顯著影響的電磁環(huán)境［2］。防空作戰(zhàn)中，戰(zhàn)場地理環(huán)境、裝備種類及運動特性、戰(zhàn)術原則都有其自身的特點，從而決定了空戰(zhàn)場雷達電磁環(huán)境自身的顯著特征［3-5］。

1.1 武器平臺種類多、信號密級復雜

防空作戰(zhàn)中，作戰(zhàn)平臺分布于不同地理位置，種類多、數(shù)量大、工作體制多樣，工作頻率集中，再加上作戰(zhàn)方法的多樣靈活以及自然條件的不確定因素，導致作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)的電磁信號高度密集，樣式復雜多變。

1.2 空域、時域、頻域環(huán)境信息實時變化

防空作戰(zhàn)中，可以搭載的作戰(zhàn)平臺包括飛機、導彈等都是處于運動狀態(tài)的，因此，導致雷達輻射源的輻射信號也是在空域實時變化的。同時為了實現(xiàn)有效的偵察、定位、干擾，在不同空間，不同時刻，雷達的開機時間、工作模式、干擾樣式、信號強度等都會發(fā)生變化，這就造成了空戰(zhàn)場雷達電磁環(huán)境的空、時、頻域的多變特性。

1.3 對抗性突出，雙面性并存

超強的對抗性，是空中戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境的突出特點。為了取得戰(zhàn)爭的勝利，作戰(zhàn)雙方需要通過偵察與反偵察、干擾與反干擾、壓制與反壓制、摧毀與反摧毀等一系列對抗活動來加強對對方裝備的偵察、監(jiān)視、跟蹤，打擊。但在電子信息系統(tǒng)制發(fā)射電磁信號，影響和制約對方的同時，也可能會影響到自己，在一定程度上降低己方電子信息裝備的性能。對抗性和雙面性并存的特點，使電子信息裝備工作在更加復雜的電磁環(huán)境中。

1.4 作戰(zhàn)環(huán)境的局部可控

作戰(zhàn)過程中，對抗雙方根據(jù)對戰(zhàn)場態(tài)勢的判斷，對參戰(zhàn)兵力進行有計劃的部署和調動，環(huán)境中的可控制部分主要為雙方武器平臺和裝備，以及作戰(zhàn)計劃、空情規(guī)劃、時序控制等。這也為電磁環(huán)境建模仿真的實現(xiàn)提供了基礎。

2 空戰(zhàn)場雷達電磁環(huán)境仿真系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)組成

結合上述特點，進行空戰(zhàn)場雷達電磁環(huán)境仿真系統(tǒng)設計。仿真系統(tǒng)以飛機空中突防作戰(zhàn)為戰(zhàn)術背景，利用計算機模擬產(chǎn)生能反映目標雷達電磁信號、己方雷達電磁信號以及其他背景信號的綜合電磁信號環(huán)境數(shù)據(jù)，并基于MapX實現(xiàn)作戰(zhàn)空域內(nèi)或突防航線上電磁環(huán)境態(tài)勢的統(tǒng)計分析和實時顯示。系統(tǒng)組成如圖1所示。

空戰(zhàn)場雷達電磁環(huán)境仿真系統(tǒng)主要包括電磁環(huán)境仿真與顯示和電磁環(huán)境數(shù)據(jù)庫管理與應用兩大功能模塊。

電磁環(huán)境仿真與顯示模塊包括戰(zhàn)情管理、仿真管理與控制和仿真結果顯示3個子模塊。戰(zhàn)情管理模塊根據(jù)空中的任務特點編制戰(zhàn)情，并形成戰(zhàn)情文件供仿真管理與控制模塊調用；仿真管理與控制模塊通過調用戰(zhàn)情文件進行參數(shù)設置，根據(jù)仿真模型進行雷達信號傳播過程仿真，生成預定空域的電磁信號環(huán)境數(shù)據(jù)；仿真結果顯示模塊實現(xiàn)可視化輸出，輸出結果包括數(shù)據(jù)文件、統(tǒng)計圖表和基于電子地圖的二維電磁態(tài)勢顯示。

電磁環(huán)境數(shù)據(jù)庫管理與應用模塊包括數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理軟件兩部分。數(shù)據(jù)庫包括雷達裝備數(shù)據(jù)庫、雷達干擾裝備數(shù)據(jù)庫和仿真結果數(shù)據(jù)庫3個子庫，分別存儲雷達、雷達干擾裝備和信號特征參數(shù)以及仿真結果數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫管理軟件完成用戶管理和數(shù)據(jù)添加、刪除、修改等功能。

2.2 雷達電磁環(huán)境仿真模型

仿真系統(tǒng)采用功能仿真的方法進行作戰(zhàn)空域的電磁環(huán)境仿真，利用基于信號描述字的電磁環(huán)境特征表征方法構建電磁環(huán)境仿真數(shù)學模型，仿真模型分類如圖2所示。

2.2.1 信號環(huán)境模型

信號環(huán)境模型包括雷達信號描述模型和雷達干擾信號描述模型。

通常突防飛機所在位置面臨的電磁環(huán)境由該處接收到的雷達輻射源脈沖信號流表示，仿真系統(tǒng)的信號環(huán)境模型主要采用脈沖流描述字（PDW）模型描述［6-7］。

雷達信號描述模型包括5項參數(shù)：脈沖前沿到達時間（TOA）、脈沖載頻（RF）、脈沖寬度（PW）、脈沖功率密度（PD）、脈沖到達角（AOA）。由于雷達裝備型號和用途不同，各個參數(shù)的特點、分類也不同，仿真中的模型分類如圖3所示。

雷達干擾信號包括欺騙干擾和噪聲干擾，其仿真模型分類如圖4所示。其中欺騙干擾信號樣式與雷達信號樣式一致，其數(shù)學描述模型參見雷達信號描述模型。噪聲干擾信號采用噪聲信號描述字（NDW）描述。主要包括以下參數(shù)：噪聲調制類型（NM）、噪聲平均功率密度（PD）、噪聲干擾信號帶寬（NBW）、信號到達角（AOA）等。

文獻［6，8-9］已經(jīng)對上述模型進行了敘述，本文不再詳細說明。

2.2.2 信號統(tǒng)計模型

通過對時域、頻域、功率域等的仿真信號結果統(tǒng)計分析，實現(xiàn)電磁環(huán)境態(tài)勢顯示，主要完成裝備體制-裝備數(shù)量，信號頻段-裝備數(shù)量，信號頻段-脈沖數(shù)，功率密度-脈沖數(shù)，合成功率密度峰值-到達角，信號頻段-合成功率密度峰值，脈沖寬度-脈沖數(shù)的統(tǒng)計分析。

2.2.3 天線模型

天線模型按照掃描樣式建模。當雷達裝備與飛機間距離小于跟蹤距離，雷達處于跟蹤狀態(tài)，此時掃描方式為固定指向，歸一化天線方向圖函數(shù)F（θ）=1；當雷達裝備與飛機間距離大于跟蹤距離，雷達處于搜索狀態(tài)，此時掃描方式為圓掃或其他掃描方式，歸一化天線方向圖函數(shù)受雷達波束形狀和掃描方式的影響。

2.2.4 傳播模型

傳播模型用于計算電磁信號的空間傳輸損耗，主要由系統(tǒng)發(fā)射損耗和大氣傳輸損耗兩方面構成，如式（1）所示。其中系統(tǒng)損耗可以根據(jù)裝備資料查表得到。

大氣衰減主要考慮對流層折射、吸收的影響，則大氣對電磁波信號的損耗為：

2.2.5 共用模型

仿真中，裝備平臺和突防飛機的位置信息由地理緯度、經(jīng)度、海拔高度來確定，采用的是WGS84坐標（大地坐標系）。在進行環(huán)境信息計算時，要在以突防飛機為原點的直角坐標系下計算信號傳播距離、到達角等信息，因此，需要進行坐標轉換，分以下兩步進行。

首先，分別將裝備平臺和突防飛機的大地坐標（L，B，H）轉換成空間大地直角坐標（X，Y，Z），轉換模型為：

其次，將裝備平臺的空間大地直角坐標（XD，YD，ZD）轉換成以突防飛機為原點的垂線坐標系中的坐標（XC，YC，ZC），轉換模型為：

式中，λ0、φ0是突防飛機天文經(jīng)緯度，可以由其大地坐標經(jīng)緯度計算得到；XD0、YD0、ZD0是突防飛機的空間大地直角坐標。

仿真系統(tǒng)中的平臺運動模型根據(jù)運動航跡不同，分為直線型、跑道型和自定義型。其中自定義航跡是根據(jù)戰(zhàn)術規(guī)劃，自行設計的任一平臺運動軌跡。

2.3 軟件結構設計

利用面向對象的方法進行軟件結構設計。仿真軟件由數(shù)據(jù)庫和應用軟件兩部分組成，其中數(shù)據(jù)庫主要用于存儲裝備信息和用戶信息；應用軟件包含戰(zhàn)情設置與管理、仿真管理與控制和數(shù)據(jù)庫管理與應用3個軟件配置項和用戶管理軟件部件。仿真軟件層次結構如圖5所示，其中軟件基礎層包含軟件實現(xiàn)所需要的控件或基礎類包，軟件中間層包含通用的服務和數(shù)據(jù)，軟件應用層包含應用3個配置項及用戶管理有關的類和包，具體說明如表1所示。

2.4 系統(tǒng)仿真流程

一般輻射源信號發(fā)射是獨立進行的，在進行突防飛機某位置的仿真時依次計算每部裝備產(chǎn)生的電磁環(huán)境信息，然后將所有裝備的信息進行稀釋排序，就得到當前位置的雷達電磁環(huán)境信息。系統(tǒng)仿真流程如下頁圖6所示。完成初始化設置和參數(shù)設置后，進行突防飛機當前位置的電磁環(huán)境信息計算。每推進一個步長，就計算飛機所在位置的雷達電磁環(huán)境信息，飛機按預設戰(zhàn)情完成飛行任務后，就可以獲取并實時顯示整個突防航線上的電磁環(huán)境態(tài)勢。

雷達脈沖描述字（PDW）的生成需要考慮到排序和重疊問題。PDW數(shù)據(jù)流排序是按照TOA先后順序對各個脈沖進行排序，方法有冒泡排序、兩分法，歸并法和快速排序等，隨著元素數(shù)目的增加，快速排序法是最快的排序方法之一。軟件中選用VC中自帶的快速排序函數(shù)sort（）對存放PDW數(shù)據(jù)流的動態(tài)數(shù)組進行排序。

對于同時到達的脈沖信號，現(xiàn)實中處理的方式比較復雜。在數(shù)學仿真實現(xiàn)時，有脈沖合并、簡單丟失、按某種參數(shù)優(yōu)選、隨機產(chǎn)生新脈沖等方法［10］。仿真系統(tǒng)中采用脈沖合并的方法對排序后脈沖流信號進行處理，按照到達時間的先后，丟失其中一個或幾個脈沖，將其合并為一個脈沖。脈沖合并過程如圖7所示，合并流程如圖8所示。

3 仿真實驗

設置突防飛機沿某跑道型航跡飛行，讀取預設戰(zhàn)情文件，利用雷達電磁環(huán)境仿真系統(tǒng)進行仿真實驗，得到飛機整個突防航線上的電磁環(huán)境仿真結果。參與仿真的裝備類型如表2所示。

下頁圖9～圖14給出了突防飛機在坐標位置為：經(jīng)度119.98°，緯度26.025°，高度1 000 m時的部分仿真統(tǒng)計結果。

從圖9、圖10與表1對比可以看出，裝備體制統(tǒng)計結果與參數(shù)設置一致，表明當前位置所有裝備都處于工作狀態(tài)。圖11、圖12顯示了當前位置脈沖流的頻域分布，從圖中可以看出，雷達信號集中于P、L、S、X波段，且在L波段數(shù)量較大，表明當前雷達裝備多數(shù)工作于L波段；雷達干擾信號集中于S、C、X波段，且脈沖數(shù)量在各波段分布比較均勻。圖13、圖14顯示了在突防飛機觀測系下功率密度的空域分布，這里到達角為突防飛機-輻射源連線方向的方位角，從圖中可以看出，雷達信號覆蓋方位范圍較大，且在216°～252°區(qū)間的強度最大；雷達干擾信號覆蓋方位范圍小，分布均勻。

通過對飛機整個突防航線上電磁環(huán)境進行仿真分析，實時觀測空域電磁環(huán)境特點，可以看出在不同突防階段，電磁環(huán)境的特性相差很大，充分顯示出空戰(zhàn)場電磁環(huán)境在時域、空域、頻域復雜多變的動態(tài)特性。仿真結果與參數(shù)設置、戰(zhàn)情規(guī)劃一致，基本上正確反映了飛機突防空域的電磁環(huán)境信息。

4 結束語

在未來信息化條件作戰(zhàn)中，戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境將對各類信息化武器裝備及部隊作戰(zhàn)能力產(chǎn)生嚴重影響，迫切需要開展復雜電磁環(huán)境研究。本文圍繞未來空中戰(zhàn)場電磁環(huán)境研究需求，在分析空戰(zhàn)場電磁環(huán)境特點的基礎上，利用數(shù)學仿真的方法，構建了功能級的空戰(zhàn)場雷達電磁環(huán)境仿真系統(tǒng)，并進行了仿真實驗。仿真結果表明，系統(tǒng)仿真模型能夠較全面地反映預設戰(zhàn)情下輻射源的信號特性，仿真系統(tǒng)可以實現(xiàn)對多種體制不同密度級的雷達信號環(huán)境仿真，可以為信息化聯(lián)合訓練以及空中作戰(zhàn)系統(tǒng)的研制提供信號環(huán)境背景支持。

［1］吳委，廖學軍.戰(zhàn)場電磁環(huán)境仿真中的雷達信號建模與仿真［J］.計算機技術與應用進展，2008（9）:158-163.

［2］王汝群.戰(zhàn)場電磁環(huán)境［M］.北京:解放軍出版社，2006.

［3］趙晶，劉義，來慶福，等.防空作戰(zhàn)電磁環(huán)境建模與仿真［J］.系統(tǒng)仿真學報，2012，24（2）:258-262.

［4］王興華，雷文太.空中戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境分析［J］.裝備環(huán)境工程，2009，6（2）:93-97.

［5］羅小明，池建軍，姚宏林.復雜電磁環(huán)境對體系作戰(zhàn)能力生成和影響的評估［J］.火力與指揮控制，2012，37（9）: 10-13.

［6］王國玉，汪連棟.雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)學仿真與評估［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2004.

［7］洪麗娜，狄東寧，王華兵，等.空戰(zhàn)場全數(shù)字模擬電磁環(huán)境表示方法［J］.航天電子對抗，2013，29（1）:35-38.

［8］劉娜，時海，楊建華.虛擬戰(zhàn)場電磁環(huán)境雷達信號建模方法［J］.指揮控制與仿真，2007，34（6）:98-102.

［9］蒙潔，汪連棟，王國良，等.雷達電子戰(zhàn)系統(tǒng)電磁環(huán)境仿真［J］.計算機仿真，2004，30（12）:21-24.

［10］江緒慶.多輻射源雷達信號環(huán)境仿真技術［D］.成都：電子科技大學，2006.

Design and Implementation of Radar Electromagnetic Environment Simulation System in Aerial Battlefield

ZHANG Yang，SHI Chuan，GENG Hong-feng，QIAO Hui-dong
（China Luoyang Electronic Equipment Test Center，Luoyang 471003，China）

It is important for future information-based battle and training to construct the reality battlefield electromagnetic environment.The characteristics of aerial battlefield radar electromagnetic environment are analyzed.Then a radar electromagnetic environment simulation system is designed and implemented based on function simulation method and signal describing modeling.The system can accomplish simulation for radar signals with multi type and density class.It also supports real-time display of the electromagnetic environment situation.The system can provide signal background for information-based joint training and aerial combat system development.

aerial battlefield，electromagnetic environment simulation，radar signal model，PDW

TP391.9

A

1002-0640（2015）10-0172-06

2014-08-05

2014-09-07

張 楊（1981- ），女，河南鞏義人，碩士，助理研究員。研究方向：建模與系統(tǒng)仿真。