新型艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)復雜電磁試驗環(huán)境構(gòu)建技術(shù)

秦緒凱

(江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222061)

0 引 言

在當今現(xiàn)代化戰(zhàn)爭背景下，各種新式武器裝備和作戰(zhàn)任務不僅依賴于電磁信號，而且還深受電磁環(huán)境的影響。隨著科技的不斷進步，雷達、光電等高精度探測裝備大量投入戰(zhàn)場使用，拓展了戰(zhàn)場電磁環(huán)境的應用范圍，使其向更高領(lǐng)域、更深層次發(fā)展。尤其是通信對抗、雷達對抗和光電對抗等電子對抗手段逐步應用于現(xiàn)代化戰(zhàn)爭，使得未來戰(zhàn)爭的外部電磁環(huán)境越來越復雜。為了盡可能在高度逼真的作戰(zhàn)環(huán)境下測試海軍新型艦艇作戰(zhàn)性能，及早發(fā)現(xiàn)裝備存在的技術(shù)和質(zhì)量問題，提高裝備的可靠性和穩(wěn)定性，必須構(gòu)建一套模擬海戰(zhàn)場全區(qū)域內(nèi)的復雜電磁環(huán)境試驗測試系統(tǒng)，以滿足未來新型艦艇武器裝備試驗測試的需求。目前國內(nèi)基于復雜電磁環(huán)境條件下新型艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)整體試驗測試的研究還存在許多不足，因此研究針對新型作戰(zhàn)系統(tǒng)試驗測試的復雜電磁環(huán)境構(gòu)建方法，對其提高在真實海洋環(huán)境條件下作戰(zhàn)能力具有十分重要的現(xiàn)實意義[1]。

1 復雜電磁環(huán)境的特點與組成

在特定范圍的空間區(qū)域內(nèi)，所有電磁波在頻率、功率和時間上分布密集、使用頻繁，構(gòu)成了復雜電磁環(huán)境。復雜電磁環(huán)境是基于電磁環(huán)境的多層次擴展，匯總了某一特定時間或區(qū)域范圍內(nèi)高度電磁能量[2]。復雜電磁環(huán)境在頻域上主要的表現(xiàn)方式為：在特定頻段內(nèi)，可測量頻譜線密集分布，電平大小各不相同，變化較大；電磁信號種類較多，占用寬帶帶寬各異，相互影響交匯，導致信號環(huán)境噪聲起伏明顯，噪聲底線提高。在時域上表現(xiàn)方式為：信號形式多樣，調(diào)試方式復雜，數(shù)量多，分布范圍大。隨著裝備發(fā)展水平的不斷提高，越來越多的裝備可以根據(jù)不同的作戰(zhàn)任務需求，隨時變換信號的頻載和其他調(diào)制參數(shù)，并且迅速改變周期大小。

由于敵我雙方信息裝備以及電子戰(zhàn)裝備大批量的部署和彼此之間激烈的對抗，形成了復雜電磁環(huán)境，因此可將其分解成背景電磁環(huán)境、威脅電磁環(huán)境[3]和輻射傳播因素。其中，背景電磁環(huán)境可分為自然輻射電磁環(huán)境，民用輻射電磁環(huán)境；威脅電磁環(huán)境又可分為敵方輻射電磁環(huán)境和我方輻射電磁環(huán)境，如圖1 所示。

圖1 復雜電磁環(huán)境組成Fig.1 Composition of complex electromagnetic environment

2 復雜電磁環(huán)境構(gòu)建方法

由于電磁環(huán)境構(gòu)建方法以及所使用設(shè)備的不同，目前主要有4 種典型構(gòu)建方式，分別為實裝模擬法、半實物模擬法、計算機仿真模擬法和綜合模擬法，具體情況見表1。

表1 復雜電磁環(huán)境構(gòu)建方法對比Tab.1 Comparison of construction methods for complex electromagnetic environment

實裝模擬法主要依靠大量采用真實的武器裝備來模擬構(gòu)建真實戰(zhàn)場電磁環(huán)境，這種方式的電磁環(huán)境真實性還原程度最高，是進行武器裝備電子對抗試驗鑒定最有效、最可信的手段。但是這種方式需要大量真實裝備配合，真實裝備造價高，需要耗費大量的人力、物力和財力，而且由于經(jīng)費、地域等條件的限制，大型電子裝備數(shù)量有限，無法做到對復雜電磁環(huán)境的全覆蓋，因此很難完全依靠實裝裝備構(gòu)建復雜電磁環(huán)境。

針對實裝模擬法的缺陷，半實物模擬法采用信號模擬器來替代實裝裝備，大大降低了復雜電磁環(huán)境構(gòu)建的成本。采用分布式布置，可以在一個地方布置一個或者多個模擬器，也可以在多個地方布置多個模擬器，模擬整體戰(zhàn)場電磁環(huán)境電子態(tài)勢，成本較低，可實施性高。

計算機仿真模擬法是指利用計算機仿真技術(shù)，模擬真實戰(zhàn)場環(huán)境條件下，武器裝備系統(tǒng)的作戰(zhàn)性能、兵力配置、戰(zhàn)斗態(tài)勢以及虛擬作戰(zhàn)的全過程。采用計算機仿真模擬法構(gòu)建虛擬復雜電磁環(huán)境，主要應用于電子對抗設(shè)備的設(shè)計驗證和試驗效果評估等方面，具有重復性好，通用性強，成本低廉等優(yōu)勢。但是開發(fā)模型的工作量較大，且難度較高，準確性也有待進一步提升。

綜合模擬法是指綜合運用上述3 種方法構(gòu)建復雜電磁環(huán)境。在電子裝備的外場試驗中，綜合模擬法不僅可以利用真實電子裝備的作戰(zhàn)態(tài)勢，還可以利用半實物信號模擬器和計算機全數(shù)字仿真模擬技術(shù)來構(gòu)建適用于未來電子裝備復雜的電磁作戰(zhàn)環(huán)境。這樣既降低了構(gòu)建復雜電磁環(huán)境的成本，節(jié)省了資源，又提高了構(gòu)建復雜電磁環(huán)境的真實性和準確性。

3 復雜電磁環(huán)境構(gòu)建系統(tǒng)

通過對比上述4 種構(gòu)建方法，結(jié)合已有的條件，綜合考慮各種因素，本文采用模擬器為主、計算機仿真為輔的綜合模擬法構(gòu)建一種復雜電磁環(huán)境。

3.1 系統(tǒng)功能及組成

構(gòu)建復雜電磁環(huán)境系統(tǒng)，主要是用來對整個試驗區(qū)域內(nèi)各種電子設(shè)備、模擬器和自然電磁環(huán)境進行信號采集和存儲。采用特定的方法對數(shù)字信號進行分析處理和信號回放。同時通過復雜電磁環(huán)境系統(tǒng)軟件生成不同的電磁信號，構(gòu)建復雜電磁環(huán)境。針對不同體制的雷達設(shè)備，還可以選用不同的分系統(tǒng)模擬對應的雷達信號。

目前艦載傳感器中的兩/三坐標搜索雷達、相控陣雷達、雷達偵察設(shè)備、火控跟蹤雷達等，都受到復雜電磁環(huán)境影響。針對兩/三坐標搜索雷達，主要采用旁瓣注入原理，模擬不同目標航跡；針對相控陣雷達，采用輻射陣列模擬方法實現(xiàn)一定范圍內(nèi)目標航跡模擬；針對雷達及雷達偵察設(shè)備，采用專用輻射設(shè)備模擬雷達輻射和電子干擾；針對火控跟蹤雷達，因為其波束掃描方式不同于常規(guī)的搜索雷達，無法實現(xiàn)旁瓣注入，因此采用可移動平臺搭載信號輻射源方法模擬特定目標在方位和俯仰角度的變化。由此可見，復雜電磁環(huán)境系統(tǒng)的構(gòu)建主要依托于各模擬子系統(tǒng)，其系統(tǒng)組成如圖2 所示。

圖2 復雜電磁環(huán)境構(gòu)建系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of complex electromagnetic environment construction system

3.2 復雜電磁環(huán)境多模擬器協(xié)同驅(qū)動技術(shù)

針對不同體制的雷達選用不同的電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)。電磁環(huán)境主控系統(tǒng)主要用來生成電磁態(tài)勢，通過航跡評估、誤差補償技術(shù)達到協(xié)同驅(qū)動不同的電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)的目的。復雜電磁環(huán)境主控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

電磁環(huán)境主控系統(tǒng)主要由態(tài)勢生成、航跡評估、誤差補償和協(xié)同驅(qū)動等子系統(tǒng)組成。

電磁環(huán)境主控系統(tǒng)軟件主要由電磁環(huán)境主控子系統(tǒng)軟件組成，為模擬器的中樞大腦部分，接收試驗中心控制指令和配置參數(shù)，完成系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)、邏輯運算，評價航跡規(guī)劃，預演試驗態(tài)勢，下發(fā)控制指令，并可以測試檢查所有其他子系統(tǒng)的性能狀態(tài)。

主要功能如下：

1）接收試驗中心發(fā)送的控制指令、模擬器參數(shù)配置信息、雷達參數(shù)信息、航跡信息，進行指令解析、數(shù)據(jù)封裝；

2）對原始數(shù)據(jù)信息進行運算處理從模擬器角度對試驗航跡規(guī)劃做出評價，并按一定的規(guī)則修改航跡并給出修改依據(jù)（生成評價報告，標記模擬器模擬能力范圍之外的目標及時刻，并告知超出模擬能力原因，方便完善試驗航跡規(guī)劃）。

3）計算模擬器配置信息，將雷達參數(shù)、航跡信息解算為陣列振元、轉(zhuǎn)發(fā)時延、多普勒頻率、雷達轉(zhuǎn)角對應方向圖等模擬信息，下發(fā)給模擬轉(zhuǎn)發(fā)子系統(tǒng)，提供模擬器工作數(shù)據(jù)。

圖3 電磁環(huán)境主控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Main control system structure of electromagnetic environment

4）態(tài)勢預演功能。雷達P 顯模塊顯示解算和修正完畢的航跡信息，構(gòu)建試驗態(tài)勢的預覽。

5）試驗控制功能?？刂颇M轉(zhuǎn)發(fā)子系統(tǒng)開始、暫?；蛑兄共シ拍M器工作數(shù)據(jù)，也可以在試驗過程中修改模擬轉(zhuǎn)發(fā)子系統(tǒng)的播放數(shù)據(jù)。

6）測試檢驗其他子系統(tǒng)的性能和狀態(tài)，包括每次試驗前的子系統(tǒng)自檢、系統(tǒng)閉環(huán)自檢，或是空閑時對各子系統(tǒng)的維護檢測。

7）可以生成試驗報告、航跡評價報告、自檢報告、維護報告等，方便評價試驗結(jié)果、調(diào)整航跡規(guī)劃或是掌握各子系統(tǒng)狀態(tài)。

電磁環(huán)境主控系統(tǒng)生成的電磁態(tài)勢航跡結(jié)果如圖4 所示。

圖4 電磁態(tài)勢航跡結(jié)果圖Fig.4 Result chart of electromagnetic situation track

電磁環(huán)境主控系統(tǒng)生成的電磁態(tài)勢航跡結(jié)果，當原始航跡點符合電磁環(huán)境模擬器驅(qū)動要求時模擬結(jié)果為正常；當原始航跡點不符合模擬器驅(qū)動要求時模擬結(jié)果有容量超出、功率超出、按邊界模擬等評價。

對評價后的航跡點進行選取并對不滿足模擬器驅(qū)動要求的按邊界模擬的點進行誤差補償，形成補償后滿足電磁環(huán)境模擬器驅(qū)動要求的航跡。整套復雜電磁環(huán)境試驗系統(tǒng)協(xié)同驅(qū)動流程如圖5 所示。

圖5 復雜電磁環(huán)境試驗系統(tǒng)協(xié)同驅(qū)動流程Fig.5 Collaborative driving process of complex electromagnetic environment test system

4 復雜電磁環(huán)境采集驗證方法

為了驗證構(gòu)建的電磁環(huán)境的正確性，選用的試驗區(qū)域穩(wěn)定固定，可以采用寬帶電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對試驗區(qū)域進行全面采集，并對采集下的信號進行分析與評估。其工作原理如圖6 所示。

圖6 復雜電磁環(huán)境采集與評估原理圖Fig.6 Schematic diagram of complex electromagnetic environment collection and evaluation

1）電磁環(huán)境采集系統(tǒng)輻射標準雷達信號，被測模擬設(shè)備根據(jù)目標航跡及虛擬的角度掃描信息，進行信號模擬調(diào)制和輻射；

2）電磁環(huán)境采集系統(tǒng)接收輻射信號，同時記錄相應的角度信息（或者陣列上滑動小車移動距離）和時刻信息；

3）信號分析軟件處理出目標的距離、多普勒、航跡—時間等信息，與預設(shè)信息對比，可得到距離模擬、多普勒模擬、方位角度精度誤差等信息。

裝訂輻射信號的參數(shù)已知，通過數(shù)據(jù)采集和信號處理分析得到脈內(nèi)信息，再計算目標運動參數(shù)，通過統(tǒng)計得到運動參數(shù)的精度，驗證構(gòu)建的電磁環(huán)境。

根據(jù)雷達方程，當接收天線距離雷達R 處目標回波功率為[5]：

式中：Pr為雷達接收機接收功率；Pt為雷達發(fā)射峰值功率；Gt為雷達天線增益；σ為目標雷達截面積（RCS）；R 為雷達與目標之間距離；Lr和Lt分別為雷達接收損耗因子和雷達發(fā)射損耗因子。

天線口面接收到的模擬器發(fā)射功率為：

式中：Pr為雷達接收機接收功率；PA為模擬器等效輻射功率；r 為模擬器發(fā)射天線至被試雷達處的長度。

由式（1）和式（2）可知，模擬器的等效輻射功率為：

由上述公式可將系統(tǒng)采集得到的信號參數(shù)解析與實際裝訂的參數(shù)對比分析，并可根據(jù)系統(tǒng)信號回放功能，驗證系統(tǒng)構(gòu)建的電磁環(huán)境。

5 結(jié) 語

隨著新式電子裝備的快速發(fā)展和應用，對新型艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試驗測試環(huán)境的要求也不斷提高，特別是依托復雜電磁環(huán)境條件下的系統(tǒng)試驗測試，更是對裝備測試的電磁環(huán)境提出了更高的要求。針對新型艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的試驗，本文提出一種復雜電磁環(huán)境系統(tǒng)的構(gòu)建方法，利用電磁環(huán)境主控系統(tǒng)，協(xié)同驅(qū)動多模擬器，模擬不同裝備電磁特征，實用性高，成本低廉，能夠支持從單設(shè)備到多平臺艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的試驗測試要求。