舷外有源誘餌數字仿真試驗設計與評估方法研究

摘 "要： 利用數字仿真手段對舷外有源誘餌進行試驗鑒定具有費效比高、安全可靠等優(yōu)點。介紹了雷達數字信號仿真系統的工作原理，通過研究舷外有源誘餌數字仿真試驗需求，分析給出了開展舷外有源誘餌數字仿真的參數設計體系;其次利用正交試驗設計對試驗因素和試驗水平進行合理的選擇，通過對導彈脫靶量的分析計算實現對舷外有源誘餌的干擾效果評定和作戰(zhàn)效能評估。對舷外有源誘餌的戰(zhàn)術使用具有指導借鑒意義。

關鍵詞： 舷外有源誘餌; 數字仿真; 參量設計; 正交試驗設計; 導彈脫靶量

中圖分類號： TN911?34 " " " " " " " " " 文獻標識碼： A " " " " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2015）02?0022?05

Design and evaluate means of digital simulation test for outboard active decoys

JING Zhi， XU Guang?yao， YANG Li?yong

（Unit 91336 of PLA， Qinhuangdao 066326， China）

Abstract： Digital simulation for the test evaluation of outboard active decoy has the advantages of high efficiency?cost ratio， safety and reliability. The operating principle of the radar digital signal simulation system is introduced. According to the research result on the digital simulation test demand of outboard active decoys， the parameter design system for digital simulation test of outboard active decoys is given. The orthogonal experimental design is adopted to make a reasonable selection for test factor and test level. The jamming effect evaluation and operational effectiveness assessment are realized by computing the missile target?missing ratio. It can provide a guide for the tactical application of outboard active decoys.

Keywords： outboard active decoy; digital simulation; parameter design; orthogonal test design; missile target?missing quantity

為了對抗各類反艦導彈對艦艇日益增長的威脅，舷外有源誘餌作為一種新型的自衛(wèi)式干擾方式被廣泛應用于艦艇的電子防御。西方主要發(fā)達國家軍隊從20世紀90年代起大量裝備舷外有源誘餌裝備，臺軍也裝備有大量舷外有源誘餌，我國于21世紀初開始該方面的研究，現也陸續(xù)裝備部隊。舷外有源誘餌通過模擬受掩護平臺的運動特性和雷達反射特性，使導彈跟蹤系統無法區(qū)分受掩護平臺與誘餌，形成對雷達導引頭的有效干擾，提高平臺在作戰(zhàn)時的成活率。舷外有源誘餌的作戰(zhàn)性能由于外場試驗條件限制，很難做大樣本試驗，而利用數字仿真手段就可以克服這個難題，本文通過已有的某型信號級數字仿真平臺構建試驗環(huán)境，進行舷外有源誘餌裝備的作戰(zhàn)性能數字仿真試驗與評估[1?4]。

1 "雷達數字仿真系統組成

雷達數字仿真系統包括總控計算機、信號處理機、顯示及數據采集計算機三個部分，通過以太網絡實現數據和控制信息的交互，如圖1所示。

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圖1 系統組成框圖

雷達數字仿真平臺采用以太網架構將通用計算機、信號處理板有效結合起來，實現仿真參數的設置、仿真過程控制和仿真過程的推進，構成完整的數字仿真試驗系統。首先總控計算機的參數設置模塊進行試驗參數設置并將參數下發(fā)到信號處理機，信號處理機進行各種模型的運算，運算的結果分兩路分別給總控計算機的彈道解算模塊進行導彈運動軌跡的解算，另一路送給顯示與數據采集計算機進行試驗態(tài)勢的顯示和試驗數據的采集。當仿真過程達到預定的結束條件時一次仿真試驗結束。工作流程如圖2所示。

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圖2 系統工作流程圖

2 "參量設計

舷外有源誘餌的作戰(zhàn)效能與攻擊導彈的跟蹤能力、誘餌的干擾性能、各種目標運動軌跡和自然環(huán)境等多種因素有關。根據舷外有源誘餌作戰(zhàn)效能評定需求和雷達信號數字仿真系統功能，需要設置相參、非相參等多種不同體制的導引頭參數設置模塊、誘餌參數設置模塊、環(huán)境參數設置模塊、目標參數設置模塊、仿真參數設置模塊、彈道參數設置模塊等多種參數類型，如圖3所示。

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圖3 設計參數體系圖

設計參數體系中各參數詳細設置如下所述。

2.1 "導引頭參數

導引頭模擬體制主要包括：非相參、相參、脈沖多普勒等3種體制。導引頭模塊重要包括：天線掃描模型、信號收發(fā)模型、信號處理模型目標檢測模型、目標跟蹤模型等6種模型運算。

詳細參數設計如表1所示。

2.2 "誘餌參數

誘餌模塊主要由天線掃描模型、偵察分選模型、數字儲頻模型、功率增益模型、干擾信號模型和誘餌運動模型等6種模型組成。干擾樣式主要為轉發(fā)式干擾為主，詳細參數設計如表2所示。

2.3 "環(huán)境參數

環(huán)境模型模塊主要是構建海雜波的干擾模型和風速風向模型。詳細參數設計如表3所示。

2.4 "目標參數

目標模型主要包括：RCS起伏模型、目標延時模型、多普勒頻移模型、角閃爍模型等4種類型。

詳細參數設計如表4所示。

表1 導引頭參數表

表2 誘餌參數表

表3 環(huán)境參數設置表

表4 目標參數設置表

2.5 "仿真參數

該部分主要是控制系統進程。詳細參數設計如表5所示。

表5 仿真參數設置表

2.6 "彈道參數

該部分主要是進行彈道解算。詳細參數設計如表6所示。

表6 彈道參數設置表

通過以上的參量設計，雷達數字仿真系統可以按照信號處理流程完成舷外有源誘餌與各種類型對艦對空導彈的仿真對抗，并對其作戰(zhàn)效能進行評估[5?10]。

3 "作戰(zhàn)效能評估

舷外有源誘餌的作戰(zhàn)效能評估主要通過仿真導彈與目標及舷外有源誘餌的攻防對抗過程，分析舷外有源誘餌的布設距離、布設方位、發(fā)射高度、導彈攻擊角以及目標機動等因素對舷外有源誘餌干擾效果的影響，利用正交設計方法進行試驗設計，以最終的導彈脫靶量對舷外有源誘餌的干擾效果進行評價，并通過對試驗數據統計分析得出舷外有源誘餌的干擾成功率。

3.1 "正交試驗設計

正交設計是根據正交性準則來進行試驗設計的，其主要工具是正交表。根據試驗目的，確定要考核的因素和各因素的水平，通過對具體問題的具體分析，選出主要因素，略去次要因素。在因素確定后，再確定各因素的水平數，重要的因素或者特別希望詳細了解的因素水平可多一些，其余的可少一些。然后選擇合適的正交表，對試驗方案進行設計。

3.1.1 "試驗變量與水平選擇

（1） 導引頭類型。導引頭類型是舷外有源誘餌干擾效果試驗中的重要因素，這里考慮三種水平，包括：非相參體制、相參體制和PD體制的導引頭。

（2） 誘餌干擾能力。舷外有源誘餌的干擾功率、干擾樣式等影響誘餌干擾效果的因素。

（3） 誘餌布放距離。布放距離是指與掩護目標的距離，主要受方位波束寬度的制約。

（4） 誘餌布放角度。布放角度是指與掩護目標運動方向的夾角，影響最終的導彈脫靶量。

（5） 誘餌布放高度。布放高度主要受俯仰波束寬度的制約，與下落速度構成誘餌的滯空時間，最終決定有效的干擾時間。

3.1.2 "利用正交表進行試驗設計

通過對影響舷外有源誘餌干擾效果的因素進行分析，下面以舷外有源誘餌干擾效果試驗因素與水平表中選擇的因素和水平為例，進行正交設計。

表7 舷外有源誘餌干擾效果試驗因素與水平表

3.2 "導彈脫靶量的統計分析

3.2.1 "各因素對脫靶量的影響分析

當仿真程序完成一條彈道的仿真之后，便計算出導彈落點與目標中心點之間的偏差d（即導彈脫靶量），并保存。當全部仿真試驗完成后，可以對導彈脫靶量進行分析。為了說明方便，假設安排了m列n次試驗，其中安排因素[m-1]個，各因素安排r個試驗水平，第k，l列為空列。第i次試驗得到的脫靶量為[dii=1，2，…，n]，在此基礎上可以對各因素對脫靶量的影響分析如下。首先，利用試驗所得脫靶量的樣本可以計算出以下的量：

脫靶量均值：

[d=1ni=1ndi] （1）

第j列中相應于試驗方案表中水平號為i的各試驗結果的總和為[Mij]：所有脫靶量的總和為：

[T=i=1ndi] （2）

從而，可以計算出各列的離差平方和：

[Sj=rni=1rMij2-1nT2， " j=1，2，…，m] " " "（3）

各列離差平方和的自由度為：

[fj=r-1， " " j=1，2，…，m] " " " " " " （4）

將所有誤差列（空列）的離差平方和加起來作為總誤差平方和[S誤]：

[S誤=S空， " S空=S1+Sk] （5）

其自由度為：

[f誤=f空， " " f空=f1+fk] （6）

則：

[Fj=SjfjS誤f誤Ffj，f誤] （7）

從而，可利用F檢驗考察第j因素對導彈脫靶量的影響在指定置信度下的顯著性。

3.2.2 "對導彈脫靶量的估計

根據對導彈飛行性能評估的實際需要，對脫靶量的要求只需知道其最可出現的范圍，換成統計學語言就需知道脫靶量以指定概率落入的區(qū)間，而根據以往對導彈脫靶量的研究和工程簡化實際，一般認為導彈脫靶量服從正態(tài)分布規(guī)律，因而對脫靶量計算的問題就轉化為在未知方差條件下對正態(tài)分布的期望值進行區(qū)間估計的問題[11]。首先，將試驗方案安排試驗得到的脫靶量視為來自一正態(tài)母體的樣本[（d1，d2，…，dn）]，則樣本方差為：

[S2=1n-1i-1n（di-d）2] " " " " " " " "（8）

[T=d-EdSntn-1] " " " " " " " " "（9）

得指定置信度α下有：

[Pd-t1-α2n-1Sn≤Ed≤d+t1-α2n-1Sn=1-α] " （10）

從而得到脫靶量在指定置信度α下的估計區(qū)間為：

[d-t1-α2n-1Sn，d+t1-α2n-1Sn] " （11）

3.3 "導彈命中概率的統計分析

3.3.1 "各因素對導彈命中概率的影響分析

假如將導彈命中目標作為一個隨機變量M，并且將導彈命中目標記為1，而導彈沒有命中目標記為0。這樣在仿真程序按試驗方案進行彈道仿真后便能得出一個關于導彈是否命中目標的0或1，并將其記入試驗方案表格中。這樣就能利用方差分析來分析各因素對導彈命中的影響了。

3.3.2 "導彈命中概率計算

（1） 單發(fā)命中概率

設目標域沿射擊方向投影到散布平面上的象區(qū)域為D，則在散布平面上的象區(qū)域為D，則散布平面上的彈著點落入區(qū)域D上的概率就是命中目標的概率，有：

[P=Dfx，zdxdz] （12）

式中：[fx，z]是彈著點在散布平面上的密度函數。選取坐標系時，使坐標系的坐標軸與主散布軸平行，則式（12）中：

[fx，z=12πσxσze-12x-mxσx2+z-mzσz2] " "（13）

式中：[mx，mz]為散布中心的坐標;[σx，σz]為主散布軸上的均方差。

下面介紹單發(fā)射擊時，命中矩形目標的概率計算：

假定矩形目標D的各邊分別平行于主散布軸，此時[D：a≤x≤b，c≤z≤d]，則單發(fā)命中概率計算如下：

[P=14?b-mxσx-?a-mxσx?d-mzσz-?c-mzσz] " " （14）

式中的[?μ]，[μ]是以均方差[σ]為單位。

（2） 命中概率的統計計算

仿真程序在按照試驗方案安排仿真試驗后，能夠由導彈的落點數據得到導彈落點與目標模型中心點之間在x和z方向上的偏差，分別記為X和Z。則在完成試驗設計方案安排仿真試驗之后就形成兩個樣本[X1，X2，…，Xn]和[Z1，Z2，…，Zn]。從而可得樣本均值：

[X=1ni=1nXi] " " " " " " " " "（15）

[Z=1ni=1nZi] " " " " " " " " " （16）

樣本方差：

[S2X=1n-1i=1nXi-X2] " " " " " "（17）

[S2Z=1n-1i=1nZi-Z2] " " " " " " （18）

根據對導彈命中概率的通用處理方法，認為導彈落點在x和z方向服從正態(tài)分布規(guī)律，再根據正態(tài)分布的特性得其樣本均值[X]和樣本方差[S2]分別是總體均值[μ]和總體方差[σ2]的無偏估計?？晒烙嫵鰧椔潼c分布函數式中的均值[mx]，[mz]和均方差[σx]，[σz]，得出導彈命中目標的概率。

4 "應用實例

以轉發(fā)式誘餌試驗為例，檢驗誘餌的布放距離要素與脫靶量的關系。轉發(fā)式誘餌通過放大和轉發(fā)末制導雷達信號，與真實目標回波信號共同作用完成對導彈的誘騙。仿真中假設某末制導雷達的波束寬度6°，導彈的方位角度0°或者180°（艦艏或者艦尾攻擊），誘餌發(fā)射方位角度按照最佳即90°或者270°，末制導雷達開機時的彈目距離為10 000 m，導彈飛行速度為0.9 m，誘餌發(fā)射距離為150 m，假設目標以30節(jié)的速度沿艦艏方向機動規(guī)避。布設距離分別為100 m，300 m，500 m時的脫靶量曲線如圖4所示。

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圖4 布設距離為100 m，200 m，300 m時的脫靶量曲線

為了達到好的干擾效果，誘餌布設距離通常認為越大越好，從上述的仿真結果來看，當布設距離為100 m時，最大的脫靶量達到了98 m，當布設距離增大到300 m時，最大的脫靶量增大到了295 m，然而當布設距離增大到500 m時，在50°～130°和230°～310°范圍內誘餌不具有任何的掩護作用。

5 "結 "語

本文通過對雷達信號數字仿真系統的性能分析，針對舷外有源誘餌試驗的應用，分析試驗相關參量進行仿真試驗的參量設計，采用導彈脫靶量作為舷外有源誘餌作戰(zhàn)效能評估的指標，可為舷外有源誘餌的設計、戰(zhàn)術使用以及仿真試驗的態(tài)勢設置提供參考，也可為水面艦艇的規(guī)避導彈威脅提供了借鑒的依據。

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