傳感器協(xié)同射頻隱身仿真系統(tǒng)性能評(píng)估

宋文彬，馬　霞，杜　增

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都　610036）

傳感器協(xié)同射頻隱身仿真系統(tǒng)性能評(píng)估

宋文彬，馬霞，杜增

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

傳感器協(xié)同射頻隱身是未來戰(zhàn)機(jī)取得空戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)至關(guān)重要的一種能力，它不僅與我方傳感器的探測(cè)能力有關(guān)，還與敵方被動(dòng)傳感器的探測(cè)能力有關(guān)，同時(shí)受到具體對(duì)抗過程的影響，故對(duì)它的科學(xué)評(píng)估非常有難度。在詳細(xì)分析了無源傳感器截獲有源傳感器輻射過程的基礎(chǔ)上，提出了傳感器級(jí)、傳感器協(xié)同級(jí)以及全過程系統(tǒng)級(jí)隱身對(duì)抗性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并搭建了相應(yīng)的射頻隱身仿真評(píng)估系統(tǒng)，詳細(xì)闡明了其工作原理和評(píng)估流程，為射頻隱身系統(tǒng)的論證與研制工作提供參考。

協(xié)同射頻隱身仿真系統(tǒng)，綜合信息處理，性能評(píng)估

0　引言

多傳感器協(xié)同射頻隱身仿真系統(tǒng)是相對(duì)于無源探測(cè)系統(tǒng)而言，能否隱身由機(jī)載雷達(dá)、數(shù)據(jù)鏈、無線電高度表、敵我識(shí)別和航管應(yīng)答等輻射源隱身能力和敵方電子戰(zhàn)探測(cè)能力共同決定［1-2］。機(jī)載射頻隱身仿真系統(tǒng)主要完成機(jī)載射頻傳感器的數(shù)字建模，結(jié)合想定劇本場(chǎng)景，完成己方多平臺(tái)多傳感器協(xié)同隱蔽探測(cè)、對(duì)方無源傳感器探測(cè)和組網(wǎng)定位等功能的仿真［3-4］，此系統(tǒng)主要用于分析和給出有源傳感器級(jí)參數(shù)隱身能力和傳感器協(xié)同級(jí)的模式和參數(shù)協(xié)同策略，對(duì)機(jī)載射頻隱身系統(tǒng)作戰(zhàn)方式提供參考。

隱身仿真系統(tǒng)能力評(píng)估指標(biāo)集是評(píng)價(jià)傳感器協(xié)同射頻隱身仿真系統(tǒng)的處理能力是否達(dá)到期望隱身效果的有效手段。本文從無源截獲有源的角度分析給出了單有源傳感器的輻射特征的隱身性能，也給出了按照一定規(guī)則通過綜合信息處理結(jié)果自動(dòng)地選擇傳感器協(xié)同方式基礎(chǔ)上給出對(duì)平臺(tái)隱身性能指標(biāo)。

1　傳感器協(xié)同射頻隱身仿真系統(tǒng)工作原理

傳感器協(xié)同射頻隱身仿真系統(tǒng)是在各種傳感器數(shù)據(jù)仿真條件下，對(duì)傳感器協(xié)同射頻隱身仿真系統(tǒng)進(jìn)行研究、開發(fā)、驗(yàn)證、評(píng)估，其數(shù)據(jù)流向圖如圖1所示。

圖1　傳感器協(xié)同射頻隱身仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境想定模塊，根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)需求，主要仿真紅藍(lán)交戰(zhàn)雙方平臺(tái)部署位置和雙方飛機(jī)飛行路徑，以及作戰(zhàn)雙方的環(huán)境參數(shù)，戰(zhàn)場(chǎng)想定模塊是后端紅藍(lán)雙方平臺(tái)裝備傳感器的位置依據(jù)。

傳感器報(bào)文模擬模塊，根據(jù)紅藍(lán)雙方交戰(zhàn)場(chǎng)景描述，為地面臺(tái)站和飛機(jī)平臺(tái)搭載各種傳感器設(shè)備，建立各種傳感器測(cè)量模型，為后續(xù)的綜合信息處理模塊做準(zhǔn)備。

綜合信息處理模塊，包括雷達(dá)組網(wǎng)探測(cè)功能、無源協(xié)同定位跟蹤功能、有源/無源協(xié)同探測(cè)功能，綜合信息處理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心。

性能分析評(píng)估模塊主要用于評(píng)估各個(gè)射頻有源傳感器仿真系統(tǒng)的表征參數(shù)采用射頻低被截獲技術(shù)后的效果，同時(shí)也用于評(píng)估多傳感器協(xié)同探測(cè)模式對(duì)射頻低隱身性能影響。多傳感器協(xié)同隱身探測(cè)模式包括有源傳感器協(xié)同、無源傳感器探測(cè)協(xié)同、無源引導(dǎo)有源探測(cè)協(xié)同。

視頻演示接口模塊主要用于提供數(shù)據(jù)記錄和可視化的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)接口。

2　評(píng)估指標(biāo)及其主要的影響因素分析

2.1評(píng)估指標(biāo)

多傳感器協(xié)同射頻隱身仿真系統(tǒng)分為兩個(gè)層次隱身對(duì)抗仿真，首先是傳感器級(jí)能力對(duì)抗仿真，即平臺(tái)輻射源與無源截獲機(jī)截獲能力對(duì)抗仿真；其次是紅藍(lán)雙方傳感器協(xié)同對(duì)抗仿真，其本質(zhì)是通過傳感器協(xié)同決策和學(xué)習(xí)不斷修正各傳感器對(duì)目標(biāo)協(xié)同探測(cè)與跟蹤的行為，使協(xié)同探測(cè)性能滿足要求時(shí)的被截獲概率最小。因此，對(duì)傳感器協(xié)同隱身性能評(píng)估指標(biāo)應(yīng)該從傳感器級(jí)對(duì)抗能力和傳感器協(xié)同級(jí)對(duì)抗選擇合適的性能評(píng)估指標(biāo)。另外還需要補(bǔ)充對(duì)抗作戰(zhàn)全過程后系統(tǒng)級(jí)隱身性能指標(biāo)。

多傳感器協(xié)同射頻隱身仿真系統(tǒng)性能評(píng)估指標(biāo)如圖2所示。

圖2　多傳感器協(xié)同射頻隱身仿真系統(tǒng)性能評(píng)估指標(biāo)

輻射能量，是射頻傳感器的自身特征參量，與雷達(dá)輻射、雷達(dá)脈寬、雷達(dá)脈沖數(shù)、探測(cè)目標(biāo)個(gè)數(shù)有關(guān)系，輻射能量等于雷達(dá)幅度與脈寬乘積的平方乘以雷達(dá)脈沖數(shù)，然后對(duì)每個(gè)目標(biāo)的輻射能量求和，得到一個(gè)脈沖積累時(shí)間的輻射能量。輻射總能量就是對(duì)一次仿真的輻射能量的累積。輻射總能量越小，相對(duì)被無源探測(cè)發(fā)現(xiàn)概率就越小。

輻射總時(shí)間是輻射源在一次仿真中累積工作時(shí)間。輻射總時(shí)間越小，相對(duì)被無源探測(cè)發(fā)現(xiàn)概率就越小。

無源探測(cè)對(duì)輻射源的截獲距離是指無源探測(cè)的接收機(jī)的信號(hào)檢測(cè)靈敏度剛好達(dá)到輻射源的電磁輻射到達(dá)截獲接收機(jī)處的信號(hào)功率。機(jī)載平臺(tái)的截獲距離為機(jī)載雷達(dá)截獲距離、機(jī)載數(shù)據(jù)鏈截獲距離、機(jī)載IFF截獲距離、ATC截獲距離、ALT截獲距離的最大值。

等效截獲球半徑是在截獲接收機(jī)在特定的被預(yù)定的發(fā)現(xiàn)概率Pd或高于這個(gè)概率的情況下球體積等于發(fā)射機(jī)可能被探測(cè)到的三維空間的體積的球半徑。

截獲因子定義為截獲接收機(jī)的截獲距離與機(jī)載輻射源的作用距離之比。平臺(tái)的截獲因子為對(duì)各輻射源的截獲因子的最大值。

截獲概率是指當(dāng)輻射源和無源探測(cè)接收機(jī)均處于工作狀態(tài)，在一個(gè)給定時(shí)間內(nèi)，截獲接收機(jī)能夠截獲到信號(hào)并且通過檢測(cè)門限的概率。

協(xié)同定位跟蹤主要經(jīng)過兩個(gè)環(huán)節(jié)。首先，經(jīng)過多站協(xié)同定位后得到射頻目標(biāo)的較粗略的位置；然后，在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)對(duì)多次獲得粗略的位置進(jìn)行卡爾曼濾波跟蹤得到射頻目標(biāo)的精確的位置。協(xié)同定位跟蹤精度就是是指在三維空間中由協(xié)同定位跟蹤確定的精確目標(biāo)位置與目標(biāo)實(shí)際位置之間的誤差。

協(xié)同定位跟蹤收斂時(shí)間是指無源定位系統(tǒng)從收到目標(biāo)輻射觀測(cè)值到滿足定位跟蹤精度的時(shí)間。

總截獲概率是指被為從搜索開始直到某時(shí)刻為止，平臺(tái)輻射源被對(duì)方任意目標(biāo)檢測(cè)到的概率。

協(xié)同搜索的決策周期是指一次傳感器協(xié)同搜索規(guī)劃過程中需要考慮的搜索決策時(shí)間的步長(zhǎng)，在有引導(dǎo)的協(xié)同隱身搜索中，決策周期是由引導(dǎo)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)率和總搜索時(shí)長(zhǎng)共同決定的。協(xié)同搜索的決策周期是傳感器協(xié)同搜索到目標(biāo)的最小反映時(shí)間。

協(xié)同跟蹤的決策周期指一次傳感器協(xié)同跟蹤過程中需要考慮的跟蹤決策時(shí)間步長(zhǎng)，在有引導(dǎo)的協(xié)同隱身跟蹤中，決策周期是由每個(gè)傳感器采樣周期和作戰(zhàn)階段共同決定的。

能量減縮比是從系統(tǒng)整體作戰(zhàn)效果方面給出的性能指標(biāo)，它指的是系統(tǒng)針對(duì)一次仿真采用協(xié)同多傳感器探測(cè)與感知技術(shù)后的有源傳感器的總輻射能量與系統(tǒng)針對(duì)相同一次仿真不采用協(xié)同多傳感器探測(cè)與感知技術(shù)后的有源傳感器的總輻射能量之比。

2.2評(píng)估指標(biāo)影響因素

評(píng)定單個(gè)傳感器隱身性能好壞的方法主要是使用現(xiàn)有裝備LPI射頻傳感器系統(tǒng)與使用傳統(tǒng)的射頻傳感器系統(tǒng)在隱身性能指標(biāo)的對(duì)比，評(píng)定協(xié)同傳感器隱身性能好壞的方法是采用協(xié)同傳感器綜合信息處理與不采用協(xié)同傳感器系統(tǒng)在隱身性能指標(biāo)的對(duì)比。

影響單個(gè)傳感器的隱身性能指標(biāo)主要由射頻傳感器特征參數(shù)和無源傳感器的特征參數(shù)共同決定。從輻射總能量、輻射總時(shí)間、截獲距離、等效截獲球半徑、截獲因子、截獲概率的定義和公式可以分析出主要隱身評(píng)估的影響參數(shù)。如表1所示。

表1　傳感器級(jí)評(píng)估指標(biāo)與影響因素映射關(guān)系表

協(xié)同傳感器綜合信息處理系統(tǒng)是由多個(gè)子系統(tǒng)組成的復(fù)雜大系統(tǒng)，傳感器協(xié)同級(jí)評(píng)估指標(biāo)影響因素不僅僅與傳感器級(jí)射頻特征參數(shù)有關(guān)，而且與傳感器協(xié)同處理方法有關(guān)，有些因素可以量化，有些因素卻難以量化。

定位跟蹤精度與無源定位算法、跟蹤濾波算法、測(cè)量數(shù)據(jù)率和導(dǎo)航誤差有關(guān)，無法給出關(guān)系的解析表達(dá)式。

影響定位跟蹤收斂時(shí)間的因素很多，如所選的射頻信號(hào)及其測(cè)量誤差、采樣時(shí)間間隔、對(duì)輻射源運(yùn)動(dòng)情況的估計(jì)、觀測(cè)站的布置和觀測(cè)站自身位置估計(jì)的精度以及指定的跟蹤精度等。

射頻信號(hào)的截獲必須滿足功率、空域、頻率、時(shí)域和極化方式等5個(gè)方面的條件。一般而言，接收機(jī)的極化天線與發(fā)射信號(hào)天線的極化完全匹配的，接收機(jī)總截獲概率等于功率截獲概率、空域截獲概率、頻率截獲概率、時(shí)間截獲概率的乘積。影響總截獲概率的因素主要有平臺(tái)輻射源輻射天線掃描次數(shù)、主瓣功率、旁瓣功率電平、截獲接收機(jī)的檢測(cè)概率、接收機(jī)的靈敏度等。

3　性能評(píng)估指標(biāo)的工作流程

性能評(píng)估指標(biāo)的工作流程示意圖如下頁圖3所示。

1）根據(jù)紅藍(lán)雙方對(duì)抗博弈過程形成任務(wù)目標(biāo)需求的概念描述。

2）根據(jù)任務(wù)目標(biāo)需求描述過程形成各功能作戰(zhàn)活動(dòng)，活動(dòng)過程包括：發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、跟蹤目標(biāo)、識(shí)別目標(biāo)、傳輸通信、綜合信息處理、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)評(píng)估、戰(zhàn)場(chǎng)決策處理等過程。

3）依據(jù)功能作戰(zhàn)過程映射到傳感器協(xié)同射頻隱身系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)上，比如：ESM引導(dǎo)雷達(dá)搜索發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、編隊(duì)雷達(dá)協(xié)同跟蹤目標(biāo)等等。

4）依據(jù)傳感器協(xié)同射頻隱身系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，完成敵我雙方平臺(tái)傳感器的裝配和仿真，以及綜合信息處理功能仿真。

圖3　性能評(píng)估指標(biāo)的工作流程示意圖

5）單傳感器仿真結(jié)果和綜合信息處理的結(jié)果通過仿真管理控制模塊共享給分析評(píng)估模塊。

6）分析評(píng)估模塊根據(jù)評(píng)估指標(biāo)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行指標(biāo)的分析計(jì)算，并依據(jù)計(jì)算出性能指標(biāo)給出對(duì)系統(tǒng)隱身性能的評(píng)判。根據(jù)評(píng)估結(jié)果系統(tǒng)對(duì)傳感器級(jí)特征參數(shù)進(jìn)行修改，對(duì)綜合信息處理模塊相關(guān)算法和協(xié)同策略進(jìn)行調(diào)整。

4　結(jié)論

本文在傳感器協(xié)同隱身仿真系統(tǒng)的框架下給出了隱身性能評(píng)估指標(biāo)集，首次給出了傳感器協(xié)同級(jí)的指標(biāo)，其指標(biāo)不僅僅與紅方探測(cè)和定位藍(lán)方目標(biāo)能力有關(guān)，也與敵方被動(dòng)傳感器截獲和探測(cè)紅方目標(biāo)的能力有關(guān)，而且是時(shí)變的指標(biāo)，因而與作戰(zhàn)對(duì)抗過程密切相關(guān)，加大了評(píng)估的難度。本文也探討了射頻隱身仿真系統(tǒng)在仿真環(huán)境下的評(píng)估思路，并給出了相關(guān)流程圖，為相關(guān)射頻隱身系統(tǒng)的論證與研制工作提供參考。

［1］張考，張?jiān)骑w，馬東立，等.飛行器對(duì)雷達(dá)隱身性能計(jì)算與分析［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1997.

［2］LYNCH D.Introduction to RF Stealth［M］.North California：Sci Tech Publishing Inc，2004.

［3］胡來招.無源定位［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2004：1-6.

［4］桑建華，陳益鄰.發(fā)展中的飛行器射頻隱身技術(shù)［J］.航空制造技術(shù)，2011，23（6）：48-50.

Study on Simulation Performance Evaluation for Cooperative Multi-sensor RF Stealth System

SONG Wen-bin，MA Xia，DU Zeng
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

The capability of Cooperative Multi-Sensor RF Stealth is very important to the future aircraft for gaining air-combat advantages.It relates to the detectivity both of our sensors and the enemy's passive sensors.It can also be influenced by the definite offence-defense process.Therefore it is very difficult to give it a scientific performance evaluation.In the present study，based on the detailed analysis of the course of radiation interception coming from the passive sensors，a design of general assessment index system is proposed and a corresponding simulation system is constructed.The working principle and the performance evaluation flow are demonstated.We suggest it can provide some hints for the investigation and development of the system of RF Stealth.

cooperative multi-sensor RF stealth system，synthetic information process，performance evaluation

TP391

A

1002-0640（2016）07-0164-04

2015-06-12

2015-07-10

宋文彬（1981-），男，江西人，博士，高級(jí)工程師。研究方向：多目標(biāo)跟蹤、射頻隱身等。