一種結(jié)合外場試驗與仿真的電子干擾效果評估方法*

高 衛(wèi),孫奕帆

(北京跟蹤與通信技術(shù)研究所,北京 100094)

一種結(jié)合外場試驗與仿真的電子干擾效果評估方法*

高 衛(wèi),孫奕帆

(北京跟蹤與通信技術(shù)研究所,北京 100094)

為檢驗、評估電子對抗裝備對導(dǎo)彈的干擾效果,提出了一種結(jié)合導(dǎo)引頭外場掛飛干擾試驗和導(dǎo)彈飛行仿真的方法。該方法基于導(dǎo)引頭掛飛干擾試驗實測數(shù)據(jù)建立導(dǎo)引頭電子干擾效應(yīng)模型,再結(jié)合導(dǎo)彈數(shù)字仿真系統(tǒng),通過在干擾條件下重復(fù)進行大量導(dǎo)彈飛行仿真試驗來評估導(dǎo)彈電子干擾效果。以煙幕對電視制導(dǎo)導(dǎo)彈干擾效果的試驗評估為例,演示、驗證了方法的可行性。結(jié)果表明,該方法具有簡便易行、評估結(jié)果可信、效費比高的特點。

電子對抗試驗;干擾效果評估;導(dǎo)彈;外場試驗;仿真

0 引言

導(dǎo)彈是電子對抗裝備最主要的作戰(zhàn)對象之一,為檢驗電子對抗裝備對導(dǎo)彈的對抗效果,需要有作為配試干擾對象的導(dǎo)彈武器或其模擬設(shè)備,相應(yīng)試驗方法有導(dǎo)彈實彈打靶試驗法、導(dǎo)引頭掛飛試驗法、仿真試驗法等[1]。導(dǎo)彈實彈打靶試驗法雖然逼真,但費用太高,只能為演示或驗證目的時少量應(yīng)用,由于試驗樣本太少,難以實現(xiàn)對干擾效果的可信評估。導(dǎo)引頭掛飛試驗法顯然只能說明電子對抗裝備對導(dǎo)引頭的干擾效果,并不能準確反映對導(dǎo)彈的干擾效果[2]。仿真試驗法是基于專門構(gòu)建的導(dǎo)彈電子干擾仿真試驗系統(tǒng),通過仿真電子對抗裝備對導(dǎo)彈的干擾過程檢驗干擾效果[3-5],這種方法的置信度依賴于仿真試驗系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)模型的置信度,雖然導(dǎo)彈仿真技術(shù)已經(jīng)比較成熟,相關(guān)模型的置信度可以得到保證,但有關(guān)電子對抗裝備對導(dǎo)彈干擾過程、干擾效應(yīng)的模型涉及復(fù)雜的電子干擾機理,由于目前認識水平局限,這些模型是很難準確構(gòu)建的,這決定了仿真試驗結(jié)果置信度不高。因此,縱觀目前已有方法,都還不能從根本上解決電子對抗裝備對導(dǎo)彈干擾效果的可信評估問題。

針對上述方法存在的問題,這里提出一種新的導(dǎo)彈電子干擾效果試驗評估方法,其基本思想是,將導(dǎo)彈在電子干擾條件下的飛行試驗過程分為導(dǎo)彈飛行和干擾試驗兩個環(huán)節(jié),其中的導(dǎo)彈飛行環(huán)節(jié)由于代價巨大,可以基于目前成熟的導(dǎo)彈仿真技術(shù)構(gòu)建導(dǎo)彈數(shù)字仿真系統(tǒng),通過數(shù)字仿真手段來實現(xiàn),而干擾試驗環(huán)節(jié)由于難以準確仿真,可以通過導(dǎo)引頭外場掛飛干擾試驗來實現(xiàn),然后將導(dǎo)彈數(shù)字仿真系統(tǒng)和導(dǎo)引頭外場掛飛干擾試驗結(jié)果相結(jié)合,構(gòu)成一個完整的導(dǎo)彈在電子干擾條件下的飛行試驗閉環(huán)過程,通過重復(fù)進行大量的導(dǎo)彈飛行干擾仿真試驗,最終實現(xiàn)對導(dǎo)彈電子干擾效果的可信評估。

1 方法概述

利用新方法進行電子干擾效果試驗評估的基本流程如圖1所示。

圖1 試驗評估基本流程

首先需要建立可以通過全數(shù)字仿真逼真模擬導(dǎo)彈末制導(dǎo)段六自由度飛行過程的導(dǎo)彈數(shù)字仿真系統(tǒng)。對電子干擾效果評估結(jié)果的置信度在很大程度上決定于導(dǎo)彈數(shù)字仿真系統(tǒng)的置信度,為此要求導(dǎo)彈數(shù)字仿真系統(tǒng)是經(jīng)過驗證正確的。

與此同時,需要通過導(dǎo)引頭外場掛飛干擾試驗,獲得被試電子對抗裝備對導(dǎo)引頭在動態(tài)飛行條件下干擾效果的實測數(shù)據(jù)。通過比較干擾前后導(dǎo)引頭測量數(shù)據(jù)的變化,分析干擾對導(dǎo)引頭測量能力的影響規(guī)律,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建可信的導(dǎo)引頭電子干擾模型。為保證模型的置信度,可通過多次導(dǎo)引頭掛飛干擾試驗對模型進行校驗。

在此基礎(chǔ)上,將導(dǎo)引頭電子干擾模型以合理方式加入導(dǎo)彈數(shù)字仿真系統(tǒng),通過運行該系統(tǒng),進行干擾條件下的導(dǎo)彈飛行仿真試驗,獲得實施干擾后導(dǎo)彈的飛行彈道和脫靶量。

最后,將實施干擾后導(dǎo)彈的飛行彈道或脫靶量與無干擾時導(dǎo)彈的正常飛行彈道或脫靶量進行比較分析,在此基礎(chǔ)上評估被試電子對抗裝備對導(dǎo)彈的干擾效果。

以下以煙幕對電視制導(dǎo)導(dǎo)彈干擾效果的試驗評估為具體實例,來演示、驗證上述結(jié)合導(dǎo)引頭掛飛干擾試驗和導(dǎo)彈數(shù)字仿真系統(tǒng)實現(xiàn)電子干擾效果試驗評估的可行性。

2 導(dǎo)彈數(shù)字仿真系統(tǒng)構(gòu)建

根據(jù)上述方法,為實現(xiàn)電子干擾效果試驗評估,首先需要建立一套導(dǎo)彈數(shù)字仿真系統(tǒng)。本實例采用的導(dǎo)彈數(shù)字仿真系統(tǒng)針對典型空地戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈,利用MATLAB/Simulink建模仿真工具[6]開發(fā),系統(tǒng)從大的功能模塊劃分為導(dǎo)彈動力學(xué)、質(zhì)心運動學(xué)、制導(dǎo)控制系統(tǒng)、目標運動、脫靶量計算等幾部分,系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及各部分之間的輸入/輸出關(guān)系如圖2所示。其中,導(dǎo)彈動力學(xué)包括氣動力及氣動力矩計算、繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動動力學(xué)、歐拉角解算、幾何關(guān)系、質(zhì)心動力學(xué)、質(zhì)量推力、轉(zhuǎn)動慣量、過載計算等模型(模塊);制導(dǎo)控制系統(tǒng)包括俯仰/偏航導(dǎo)引頭、俯仰/偏航/滾轉(zhuǎn)通道控制系統(tǒng)、速率陀螺、加速度計、舵機、彈目相對運動視線角計算等模型(模塊)。整個系統(tǒng)包含大小20余個模型(模塊),這些模型(模塊)之間按照導(dǎo)彈內(nèi)部復(fù)雜的信息傳輸關(guān)系互相耦合在一起。

圖2 導(dǎo)彈數(shù)字仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及各部分之間的輸入/輸出關(guān)系

該導(dǎo)彈數(shù)字仿真系統(tǒng)通過全數(shù)字仿真可以逼真模擬典型空地戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈末制導(dǎo)段六自由度飛行過程,給出在各種誤差因素存在條件下和不同初始條件下導(dǎo)彈的飛行彈道、脫靶量和制導(dǎo)精度。系統(tǒng)運行時,需要輸入的初值主要包括:導(dǎo)彈位置坐標x0、y0、z0,速度大小及方向角v0、θ0、ψv0,彈體姿態(tài)角?0、ψ0、γ0,彈體轉(zhuǎn)動角速度分量ωx0、ωy0、ωz0,目標位置坐標xm0、ym0、zm0等;系統(tǒng)運行后的輸出變量主要包括:導(dǎo)彈位置坐標x、y、z,彈體轉(zhuǎn)動角速度分量ωx、ωy、ωz,導(dǎo)彈彈著點相對于目標位置的脫靶量D等。

圖3 導(dǎo)引頭模型結(jié)構(gòu)

3 導(dǎo)引頭電子干擾模型構(gòu)建

在電子對抗裝備對導(dǎo)彈實施電子干擾的過程中,對導(dǎo)引頭的干擾效應(yīng)是其關(guān)鍵環(huán)節(jié),只能利用被試電子對抗裝備對導(dǎo)引頭實體實施真實干擾而得到。在上述方法中,電子對抗裝備對導(dǎo)引頭的干擾效應(yīng),也即所謂的導(dǎo)引頭電子干擾模型,是通過導(dǎo)引頭掛飛干擾試驗得到的,之所以要進行外場掛飛,是為了盡可能接近實際對抗中的動態(tài)條件和環(huán)境。

為檢驗煙幕對電視導(dǎo)引頭的干擾效應(yīng)并構(gòu)建相應(yīng)模型,曾將電視導(dǎo)引頭搭載在無人飛艇上,期間利用被試煙幕干擾設(shè)備對電視導(dǎo)引頭實施煙幕干擾,完成了導(dǎo)引頭掛飛干擾試驗,獲得了煙幕對電視導(dǎo)引頭在動態(tài)飛行條件下的實測干擾效應(yīng)數(shù)據(jù)。通過比較干擾前后導(dǎo)引頭測量數(shù)據(jù)的變化,得到了煙幕干擾對電視導(dǎo)引頭視線角、視線角速度等性能的影響規(guī)律。針對在試驗中采用的煙幕干擾手段和電視導(dǎo)引頭,基于獲得的干擾對導(dǎo)引頭性能的影響規(guī)律,建立了如圖4所示的導(dǎo)引頭電子干擾模型[8],其中圖4(a)、圖4(b)分別為導(dǎo)引頭由遠及近向目標飛行、同時實施煙幕干擾的過程中導(dǎo)引頭測量輸出的視線角、視線角速度的變化曲線,時間零點取為干擾起效時刻,即干擾導(dǎo)致導(dǎo)引頭丟失目標進入搜索狀態(tài)的時刻。

圖4 導(dǎo)引頭電子干擾模型示意圖

4 干擾條件下的導(dǎo)彈飛行仿真試驗

4.1 試驗原理和方法

有了導(dǎo)彈數(shù)字仿真系統(tǒng)和導(dǎo)引頭電子干擾模型,就可以將兩者結(jié)合起來進行干擾條件下的導(dǎo)彈飛行仿真試驗。由于導(dǎo)彈數(shù)字仿真系統(tǒng)采用比例導(dǎo)引律,導(dǎo)引頭通過實時測量目標視線角速度實現(xiàn)制導(dǎo)控制,煙幕對導(dǎo)彈的干擾效果通過對導(dǎo)引頭測量輸出視線角速度的影響來實現(xiàn),因此這里將基于上述導(dǎo)引頭電子干擾模型中干擾對導(dǎo)引頭測量輸出視線角速度的影響來進行導(dǎo)彈干擾效果仿真試驗,導(dǎo)引頭電子干擾模型以視線角速度數(shù)據(jù)形式從導(dǎo)彈數(shù)字仿真系統(tǒng)中導(dǎo)引頭模型的視線角速度輸出端也即制導(dǎo)控制回路的輸入端注入,如圖5所示。

圖5 干擾注入環(huán)節(jié)示意圖

試驗原理如圖6所示,按照上述導(dǎo)引頭電子干擾模型要求,在干擾起效之前,利用導(dǎo)彈數(shù)字仿真系統(tǒng)導(dǎo)引頭模型計算輸出的視線角速度作為制導(dǎo)控制回路的控制指令;在干擾起效時刻之后,將導(dǎo)引頭模型輸出視線角速度置零。

圖6 試驗原理示意圖

4.2 試驗結(jié)果

按上述方法運行導(dǎo)彈數(shù)字仿真系統(tǒng)進行8 km以內(nèi)末制導(dǎo)段導(dǎo)彈飛行仿真,得到干擾條件下導(dǎo)彈的末制導(dǎo)段飛行彈道。試驗條件為:預(yù)期攻擊目標位置(8 000 m,0 m,0 m),仿真開始時刻(t=0 s)導(dǎo)彈位置(0 m,800 m,0 m),速度(260 m/s,0 m/s,0 m/s),施加干擾導(dǎo)致導(dǎo)引頭丟失目標進入搜索狀態(tài)時刻t=31 s。為提高試驗結(jié)果的置信度,采用蒙特卡洛隨機仿真,仿真次數(shù)200。圖7給出XY平面(垂直面)內(nèi)的飛行彈道(實線)(圖中干擾起效點即為導(dǎo)引頭丟失目標進入搜索狀態(tài)時刻),相應(yīng)的XZ平面(水平面)內(nèi)導(dǎo)彈平均彈著點相對于預(yù)期攻擊目標的脫靶量為355.9 m,反映彈著點散布誤差和導(dǎo)彈射擊精度的圓概率偏差(CEP)為73.9 m。為評估干擾效果,圖7同時給出了不加干擾時運行導(dǎo)彈數(shù)字仿真系統(tǒng)得到的正常飛行彈道(虛線),相應(yīng)的XZ平面內(nèi)脫靶量為0.6 m,圓概率偏差為1.4 m。

根據(jù)試驗結(jié)果,相對于正常彈道,在施加煙幕干擾條件下,導(dǎo)彈飛行彈道發(fā)生了顯著變化,導(dǎo)致脫靶量由0.6 m增大至355.9 m,同時圓概率偏差也由1.4 m增大至73.9 m。這些結(jié)果都表明,外場試驗中所用煙幕干擾手段對由配試電視導(dǎo)引頭和該導(dǎo)彈數(shù)字仿真系統(tǒng)所代表的空地電視制導(dǎo)導(dǎo)彈會有顯著的干擾效果,使其彈著點的脫靶量和散布范圍大幅度增大。

圖7 試驗結(jié)果

5 結(jié)論

試驗結(jié)果表明,結(jié)合導(dǎo)引頭外場掛飛干擾試驗和導(dǎo)彈數(shù)字仿真系統(tǒng),可以實現(xiàn)電子對抗裝備對導(dǎo)彈干擾效果的試驗評估,獲得比較可信的評估結(jié)果。

與單純的導(dǎo)引頭掛飛干擾試驗法只能檢驗電子對抗裝備對導(dǎo)引頭的干擾效果不同,本方法結(jié)合導(dǎo)彈數(shù)字仿真系統(tǒng),可以獲得實施干擾后的導(dǎo)彈飛行彈道,從而可以評估被試電子對抗裝備對導(dǎo)彈的干擾效果。與單純?nèi)珨?shù)字仿真試驗方法也不同,由于體現(xiàn)電子干擾效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)——導(dǎo)引頭電子干擾模型是直接基于導(dǎo)引頭外場掛飛干擾試驗實測數(shù)據(jù)構(gòu)建的,因此本方法得到的干擾效果評估結(jié)果更為可信。與導(dǎo)彈實彈打靶試驗法相比,本方法的突出優(yōu)勢在于可大量應(yīng)用,通過相對簡便、經(jīng)濟的導(dǎo)引頭掛飛干擾試驗獲得導(dǎo)引頭電子干擾模型,再結(jié)合導(dǎo)彈數(shù)字仿真系統(tǒng),可以進行任意多次不受限制的導(dǎo)彈飛行干擾仿真試驗,可以得到更為可靠的干擾效果評估結(jié)果。因此,本方法既克服了純數(shù)字仿真試驗置信度低的缺點,又克服了單純外場試驗費用高、樣本少、試驗條件受限、安全性低等缺點,是一種簡便易行、可信、高效費比的試驗評估方法,可以較好的解決導(dǎo)彈電子干擾效果可信評估的難題。

致謝 特別感謝符文星、楊東升、凡永華、王泗宏等人在仿真系統(tǒng)構(gòu)建中的大力幫助,以及黃惠明研究員對研究工作的重要指導(dǎo)。

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EvaluationMethodforElectronicJammingEffectBasedonFieldandSimulationTests

GAO Wei,SUN Yifan

(Beijing Institute of Tracking and Telecommunications Technology,Beijing 100094,China)

In order to test and evaluate jamming effect of electronic warfare weapons on missiles,a method that combines seeker captive flight jamming tests and missile flight simulation tests was proposed,in which seeker jamming effect model was constructed based on data of seeker captive flight jamming tests and immitted into missile digital simulation system to perform large number of missile flight simulation tests under electronic jamming.The method was demonstrated and validated by test and evaluation of jamming effect of a smokescreen device on TV guidance missiles.The results show that the method has the advantages of easy operation,low expense and high creditability.

electronic warfare test; jamming effect evaluation; missile; field test; simulation

10.15892/j.cnki.djzdxb.2017.02.040

2016-06-22

高衛(wèi)(1970-),男,陜西榆林人,研究員,博士,研究方向:電子對抗試驗評估技術(shù)、光學(xué)工程技術(shù)。

TN97;TJ76

A