一種對(duì)反艦導(dǎo)彈的自衛(wèi)式干擾效果評(píng)估仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

王傳虎，張殿友

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

水面艦艇電子對(duì)抗裝備是對(duì)抗來(lái)襲反艦導(dǎo)彈的有效手段，對(duì)反艦導(dǎo)彈的干擾有效性評(píng)估是長(zhǎng)期困擾業(yè)界的瓶頸技術(shù)之一。簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算和傳統(tǒng)的基于信息級(jí)的功能仿真驗(yàn)證方法已不能適應(yīng)電子對(duì)抗裝備技術(shù)發(fā)展的需求,外場(chǎng)試驗(yàn)和軍事實(shí)戰(zhàn)演練雖然是武器研制不可或缺的手段,局限性在于，一方面需要投入大量的人力、物力和財(cái)力；另一方面，周期長(zhǎng)，保密性差,操作不夠靈活，協(xié)調(diào)難度大，可重復(fù)性研究困難，難以全面反映并掌控電子對(duì)抗裝備的工作性能及其在各種復(fù)雜干擾環(huán)境下的干擾能力。為了能夠?qū)ε炤d電子對(duì)抗系統(tǒng)反導(dǎo)對(duì)抗性能進(jìn)行有效評(píng)估，進(jìn)一步挖掘或改進(jìn)裝備的對(duì)抗性能,仿真設(shè)計(jì)模型建立的正確性、逼真性以及相關(guān)的仿真試驗(yàn)驗(yàn)證和分析技術(shù)是有效技術(shù)途徑。電子對(duì)抗仿真技術(shù)[1-2]的發(fā)展為解決這些問(wèn)題提供了良好的應(yīng)用前景。

反艦導(dǎo)彈自衛(wèi)式干擾仿真涉及多學(xué)科專業(yè)知識(shí)，下面結(jié)合筆者已經(jīng)完成的一些研究工作，重點(diǎn)介紹和闡述基于中央處理單元(CPU)+圖像處理單元(GPU)結(jié)構(gòu)在信號(hào)級(jí)的艦艇電子對(duì)抗裝備對(duì)反艦導(dǎo)彈干擾效果評(píng)估仿真系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方法和思路，對(duì)涉及功能性的仿真數(shù)學(xué)建模、雷達(dá)與對(duì)抗原理等，不是本文重點(diǎn)，限于篇幅不作詳細(xì)論述，僅提供了相關(guān)參考文獻(xiàn)。

1 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 仿真系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

艦載自衛(wèi)式干擾仿真系統(tǒng)包括電子干擾功能單元、反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)功能單元、仿真配置與調(diào)度控制功能單元、過(guò)程數(shù)據(jù)記錄與分析評(píng)估單元和人機(jī)交互/可視化功能單元，如圖1所示。

圖1 自衛(wèi)式電子干擾仿真系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

對(duì)反艦導(dǎo)彈發(fā)射平臺(tái)、反艦導(dǎo)彈(包括末制導(dǎo)系統(tǒng)、彈道飛行控制)、反艦導(dǎo)彈攻擊的水面艦艇的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制、電子干擾系統(tǒng)、環(huán)境條件等仿真。

1.2 仿真系統(tǒng)軟硬件配置及運(yùn)行環(huán)境

導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)、電子偵察和電子干擾等基于信號(hào)級(jí)建模仿真，采用CPU+GPU協(xié)同處理架構(gòu)[1]下的軟件形式實(shí)現(xiàn)，仿真系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)支持軟件和應(yīng)用軟件，運(yùn)行在一臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)或服務(wù)器上，底板具備3個(gè)以上PCI-e總線擴(kuò)展槽位。CPU為計(jì)算機(jī)主板上主處理器，配置單塊PCI-e總線多GPU(3個(gè)以上)卡或3塊PCI-e總線單GPU板卡，如圖2所示。

圖2 軟件及運(yùn)行環(huán)境

系統(tǒng)支持軟件包括商用操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件。應(yīng)用軟件包括信息處理軟件、電子偵察(ESM)信號(hào)處理軟件、干擾信號(hào)產(chǎn)生軟件、仿真配置與調(diào)度控制軟件、人機(jī)交互可視化軟件。系統(tǒng)軟件采用C/C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。

信息處理、仿真配置與調(diào)度控制、人機(jī)交互、過(guò)程數(shù)據(jù)記錄和分析評(píng)估等軟件運(yùn)行在CPU處理器上。信號(hào)處理軟件(電子偵察(ESM)信號(hào)處理、干擾信號(hào)產(chǎn)生和雷達(dá)信號(hào)處理)分別運(yùn)行在各自的GPU處理器上，CPU和GPU間通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)高速總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

系統(tǒng)調(diào)度控制軟件仿真雷達(dá)干擾系統(tǒng)控制時(shí)序，統(tǒng)一調(diào)度控制系統(tǒng)運(yùn)行，以數(shù)據(jù)流和消息觸發(fā)機(jī)制同步CPU與各GPU之間的協(xié)作關(guān)系。

1.3 各軟件單元功能

(1) 導(dǎo)彈攻擊發(fā)射平臺(tái)

仿真導(dǎo)彈發(fā)射平臺(tái)的位置、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向?yàn)榉磁瀸?dǎo)彈的動(dòng)態(tài)發(fā)射提供基礎(chǔ)。根據(jù)導(dǎo)彈發(fā)射平臺(tái)和防御艦(待攻擊的目標(biāo))以及自然環(huán)境的相關(guān)信息進(jìn)行火控解算，裝定反艦導(dǎo)彈的射擊諸元。

(2) 反艦導(dǎo)彈

對(duì)反艦導(dǎo)彈進(jìn)行全系統(tǒng)、6個(gè)自由度、全彈道仿真，包括反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)、自動(dòng)控制系統(tǒng)(含航向控制回路、俯仰控制回路、傾斜控制回路以及舵回路)、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、戰(zhàn)斗部系統(tǒng)以及彈體(包括動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)環(huán)節(jié))。全彈道包括初始段(含助推段)、自控段、自導(dǎo)段。

(3) 末制導(dǎo)雷達(dá)

為全面、準(zhǔn)確、細(xì)膩地表現(xiàn)末制導(dǎo)雷達(dá)的工作及其在各種電子干擾作用下的反應(yīng)，確保反艦導(dǎo)彈電子干擾仿真的可信度，對(duì)末制導(dǎo)雷達(dá)的仿真基于信號(hào)級(jí)。

(4) 防御艦艇

對(duì)防御艦涉及反艦導(dǎo)彈攻擊和電子干擾使用約束進(jìn)行仿真，包括防御艦艇的位置、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向及艦首方向、艦艇的雷達(dá)截面(RCS)值隨不同舷角的取值及其概率分布，以及隨時(shí)間的隨機(jī)起伏變化，艦艇電子干擾收發(fā)天線隔間離度及艦艇其它用頻設(shè)備匿影對(duì)電子干擾設(shè)備收發(fā)約束條件仿真等。

(5) 電子干擾系統(tǒng)仿真

對(duì)電子干擾系統(tǒng)基于信號(hào)級(jí)仿真，包括雷達(dá)偵察、雷達(dá)有源干擾、舷外有源誘餌、無(wú)源/光電干擾以及雷達(dá)有源+無(wú)源復(fù)合干擾等，能夠產(chǎn)生已知的、針對(duì)反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)的有關(guān)干擾樣式。

(6) 仿真配置/調(diào)度控制

仿真配置包括對(duì)抗場(chǎng)景設(shè)置，生成對(duì)抗態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)。選擇用于攻擊的反艦導(dǎo)彈的類型、數(shù)量和發(fā)射時(shí)機(jī)，設(shè)置反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)、攻擊平臺(tái)、防御艦艇等的相關(guān)參數(shù)，選擇干擾樣式并設(shè)置干擾參數(shù)，設(shè)置環(huán)境參數(shù)等。

環(huán)境仿真包括海雜波、氣象、大氣密度、電磁波傳播衰減等。對(duì)海雜波的仿真是基于信號(hào)級(jí)的。

調(diào)度控制包括仿真控制的開(kāi)始、暫停、繼續(xù)和中止、電子干擾過(guò)程時(shí)序控制等。

(7) 人機(jī)交互/顯示

對(duì)反艦導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、艦艇運(yùn)動(dòng)軌跡等進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。對(duì)反艦導(dǎo)彈飛行狀態(tài)/工作階段、反艦導(dǎo)彈坐標(biāo)、艦艇坐標(biāo)、末制導(dǎo)雷達(dá)工作狀態(tài)、電子干擾樣式/干擾實(shí)施時(shí)刻等同步顯示。

仿真數(shù)據(jù)可視化工具可以同時(shí)對(duì)末制導(dǎo)雷達(dá)以及電子干擾系統(tǒng)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生的仿真數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行波形察看、比較，分析末制導(dǎo)雷達(dá)的工作過(guò)程以及干擾/抗干擾過(guò)程。

(8) 過(guò)程數(shù)據(jù)記錄

對(duì)配置仿真態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)、過(guò)程數(shù)據(jù)和控制指令按照時(shí)間節(jié)拍順序完整記錄并自動(dòng)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，提供效果評(píng)估并進(jìn)行波形察看、回放和分析。

(9) 分析評(píng)估

仿真結(jié)束后，對(duì)記錄下來(lái)的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算和分析，根據(jù)干擾效果判決準(zhǔn)則[2]對(duì)干擾效果進(jìn)行評(píng)估。

ESM信號(hào)處理、電子干擾(ECM)信號(hào)產(chǎn)生器、末制導(dǎo)雷達(dá)信號(hào)接收處理、信號(hào)發(fā)射和控制軟件分別運(yùn)行在3個(gè)GPU上，它們?cè)贑PU仿真調(diào)度總控軟件的調(diào)度下完成并行解算工作。由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大，為了提高對(duì)抗過(guò)程仿真的時(shí)效性和逼真性，需在軟件模塊并發(fā)運(yùn)行中進(jìn)行流并發(fā)優(yōu)化和異步流傳輸優(yōu)化[3]，確保各模塊運(yùn)行中同步和協(xié)調(diào)一致性。

2 仿真模型設(shè)計(jì)及技術(shù)途徑

2.1 反艦?zāi)┲茖?dǎo)雷達(dá)建模仿真

世界上裝備的反艦導(dǎo)彈類型繁多，制導(dǎo)參數(shù)和性能各不相同，為便于仿真驗(yàn)證，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法建立反艦導(dǎo)彈和末制導(dǎo)雷達(dá)模型庫(kù)。末制導(dǎo)雷達(dá)距離、方位搜索和目標(biāo)檢測(cè)判別規(guī)測(cè)等因其類型不同而異，需建立在末制導(dǎo)雷達(dá)的參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

有關(guān)反艦導(dǎo)彈的彈道飛行控制模型、末制導(dǎo)雷達(dá)仿真接收、檢測(cè)和信號(hào)處理分析建模等參見(jiàn)文獻(xiàn)[4]～[8]。

末制導(dǎo)雷達(dá)模型的建立需模擬其實(shí)際工作過(guò)程、信號(hào)流向、時(shí)序關(guān)系等。根據(jù)單脈沖雷達(dá)工作原理,末制導(dǎo)雷達(dá)模型包括射頻單元、接收單元和檢測(cè)處理與控制等功能模塊,在仿真中雷達(dá)發(fā)射單元起發(fā)射參數(shù)作用，無(wú)需進(jìn)行高頻仿真,置于同步信號(hào)單元中。為提高仿真時(shí)效性,避免全數(shù)字仿真數(shù)據(jù)量大的問(wèn)題，降低建模復(fù)雜度，末制導(dǎo)雷達(dá)仿真選擇在數(shù)字中頻信號(hào)級(jí)，該技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，模型參見(jiàn)文獻(xiàn)[9],箔條運(yùn)動(dòng)和質(zhì)心、假目標(biāo)干擾仿真模型的建立參見(jiàn)文獻(xiàn)[10]～[12]。反艦?zāi)┲茖?dǎo)雷達(dá)功能仿真模型如圖3所示。

圖3 反艦?zāi)┲茖?dǎo)雷達(dá)功能仿真模型框圖

2.2 環(huán)境因素建模仿真

環(huán)境建模仿真包括電磁波在大氣中的傳播衰減、大氣層引起的電波折射、雷達(dá)直視距離、海雜波和海況等影響。海雜波是末制導(dǎo)雷達(dá)工作環(huán)境中主要的散射雜波,嚴(yán)重的海雜波將影響末制導(dǎo)雷達(dá)對(duì)海面目標(biāo)的檢測(cè)與跟蹤，海面反射波會(huì)影響電子偵察信號(hào)分選的正確率。為了真實(shí)反映系統(tǒng)在實(shí)際環(huán)境中的工作狀態(tài)和工作性能,需對(duì)海雜波進(jìn)行準(zhǔn)確的建模仿真。另外,從仿真簡(jiǎn)化原則考慮,環(huán)境仿真以海雜波建模為主體,其他因素將在末制導(dǎo)雷達(dá)綜合處理系統(tǒng)建模中得到體現(xiàn),例如,大氣層引起的電波折射等因素將運(yùn)用在導(dǎo)彈與目標(biāo)實(shí)時(shí)距離計(jì)算子模塊中，雷達(dá)直視距離因素將運(yùn)用在目標(biāo)回波生成模塊中。

海雜波仿真根據(jù)雷達(dá)的帶寬、入射角和波束寬度，考慮發(fā)射波束和接收波束的方向圖特性，對(duì)距離單元上的雜波按照方位向進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)合導(dǎo)彈的飛行狀態(tài)參數(shù)，計(jì)算相應(yīng)網(wǎng)格單元的雜波功率和多普勒頻率，進(jìn)而對(duì)所有散射單元的數(shù)據(jù)求和，得到對(duì)應(yīng)距離分辨單元內(nèi)的雜波仿真數(shù)據(jù)[13-15]。

2.3 艦載自衛(wèi)式干擾仿真

自衛(wèi)式干擾仿真的重點(diǎn)和關(guān)鍵在于電子偵察接收處理、有源干擾樣式及信號(hào)產(chǎn)生、無(wú)源/光電干擾受環(huán)境因素的影響等。

還需考慮對(duì)防御艦涉及反艦導(dǎo)彈攻擊和電子干擾使用的約束條件，包括防御艦艇的位置、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向及艦首方向、艦艇的RCS值隨不同舷角的取值及其概率分布，以及隨時(shí)間的隨機(jī)起伏變化，本艦電子干擾收發(fā)天線隔離度及本艦雷達(dá)匿影對(duì)電子干擾系統(tǒng)約束條件仿真等。

艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)因受安裝等條件限制，存在收發(fā)隔離問(wèn)題，導(dǎo)致電子對(duì)抗裝備偵察干擾不能同時(shí)工作，只能分時(shí)工作，對(duì)電子對(duì)抗裝備多目標(biāo)干擾性能影響較大，在仿真設(shè)計(jì)中需考慮該影響因素。

艦艇自衛(wèi)式干擾的成功率與艦艇RCS分布相關(guān)，不同的艦艇RCS分布特性差異較大。采用目標(biāo)角閃爍和RCS聯(lián)合統(tǒng)計(jì)仿真的方法，仿真得出艦艇RCS分布特性曲線。

為提高仿真系統(tǒng)逼真性和降低開(kāi)發(fā)工作量，本仿真系統(tǒng)中有關(guān)電子偵察接收處理、有源干擾樣式及信號(hào)產(chǎn)生和干擾調(diào)度控制等，通過(guò)對(duì)某對(duì)抗裝備實(shí)裝軟件裁剪后移植實(shí)現(xiàn)，根據(jù)干擾樣式參數(shù)以及時(shí)域、空域、頻域及功率域等約束條件，在GPU中進(jìn)行解算，產(chǎn)生最終的能進(jìn)入末制導(dǎo)雷達(dá)接收機(jī)的干擾信號(hào)，通過(guò)內(nèi)部總線傳送到運(yùn)行在另一個(gè)GPU上的末制導(dǎo)雷達(dá)仿真軟模塊中，實(shí)現(xiàn)與導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)接收機(jī)接收的目標(biāo)回波信號(hào)疊加。

3 典型場(chǎng)景下測(cè)試效果分析

以水面艦載ECM裝備對(duì)抗某型反艦導(dǎo)彈攻擊為典型場(chǎng)景，應(yīng)用本仿真系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試分析，仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真試驗(yàn)對(duì)象主要參數(shù)

3.1 典型應(yīng)用測(cè)試一

艦載干擾機(jī)首先實(shí)施阻塞噪聲+瞄準(zhǔn)噪聲破壞末制導(dǎo)雷達(dá)的距離跟蹤，同時(shí)施放距離假目標(biāo)干擾，干擾樣式及參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 有源組合干擾特征參數(shù)

反艦導(dǎo)彈在仿真試驗(yàn)開(kāi)始后的第46 s末制導(dǎo)開(kāi)機(jī)，進(jìn)入搜索狀態(tài)，第47.3 s，末制導(dǎo)雷達(dá)跟蹤艦艇，其信號(hào)波形和跟蹤態(tài)勢(shì)如圖4和圖5所示。

圖4 反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)信號(hào)波形

艦載有源干擾機(jī)在第49.2 s對(duì)末制導(dǎo)雷達(dá)實(shí)施阻塞噪聲+瞄準(zhǔn)噪聲+距離假目標(biāo)干擾，受到干擾后末制導(dǎo)雷達(dá)距離波門(mén)被破壞，丟失距離信息，導(dǎo)引頭無(wú)距離信息，會(huì)重新搜索捕捉到目標(biāo)，艦載有源干擾機(jī)再次實(shí)施干擾，其距離再次失鎖，幾個(gè)回合后，導(dǎo)彈在第93 s后脫靶入水，實(shí)施干擾后的信號(hào)波形如圖6所示。該干擾方式與舷外箔條配合使用對(duì)抗單脈沖末制導(dǎo)雷達(dá)干擾效果會(huì)更加顯著，對(duì)具有跟雜功能的導(dǎo)引頭效果欠佳，需要與舷外雷達(dá)有源誘餌配合使用。

圖6 實(shí)施有源干擾后信號(hào)波形和態(tài)勢(shì)圖

實(shí)施有源干擾后信號(hào)波形和態(tài)勢(shì)圖如圖6所示。

3.2 典型應(yīng)用測(cè)試二

艦載干擾機(jī)實(shí)施瞄準(zhǔn)噪聲破壞末制導(dǎo)雷達(dá)的距離波門(mén)，同時(shí)發(fā)射舷外箔條彈實(shí)施假目標(biāo)干擾，干擾方式和干擾參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 有源無(wú)源組合干擾方式及參數(shù)設(shè)置

反艦導(dǎo)彈在仿真開(kāi)始后的46 s末制導(dǎo)雷達(dá)開(kāi)機(jī)，進(jìn)入搜索狀態(tài)，第47.6 s，末制導(dǎo)雷達(dá)跟蹤艦艇，末制導(dǎo)雷達(dá)信號(hào)波形和態(tài)勢(shì)圖如圖4和圖5所示。

第49.8 s，艦載雷達(dá)有源干擾機(jī)對(duì)末制導(dǎo)雷達(dá)實(shí)施瞄準(zhǔn)噪聲干擾，同時(shí)發(fā)射質(zhì)心干擾彈。末制導(dǎo)雷達(dá)距離跟蹤波門(mén)被破壞，丟失目標(biāo)距離信息，方位未偏離，如圖7所示；第56.8 s，箔條假目標(biāo)干擾形成，第57.8 s，停止有源干擾，反艦?zāi)┲茖?dǎo)雷達(dá)丟失目標(biāo)，進(jìn)入方位和距離搜索狀態(tài)，如圖8所示。

圖7 實(shí)施瞄準(zhǔn)干擾后信號(hào)波形和態(tài)勢(shì)圖

圖8 停止瞄準(zhǔn)干擾后信號(hào)波形和搜索態(tài)勢(shì)圖

第60.5 s，末制導(dǎo)雷達(dá)捕獲到箔條假目標(biāo)，并建立穩(wěn)定的距離和方位跟蹤，艦船規(guī)避，第97 s脫離末制導(dǎo)雷達(dá)跟蹤波束，如圖9所示。

圖9 跟蹤假目標(biāo)信號(hào)波形和跟蹤態(tài)勢(shì)

在艦艇、反艦導(dǎo)彈、環(huán)境參數(shù)和干擾樣式不變的條件下，改變導(dǎo)彈攻擊方位，對(duì)上述兩個(gè)典型應(yīng)用分別進(jìn)行50次Monte Carlo仿真試驗(yàn)。測(cè)試的干擾成功概率分別達(dá)到62%和70%；對(duì)諸如距離波門(mén)拖引、箔條轉(zhuǎn)移干擾等，在同等條件下應(yīng)用本仿真系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，干擾成功率相對(duì)較低，不再具體分析介紹。

4 結(jié)束語(yǔ)

干擾效果評(píng)估仿真技術(shù)是一個(gè)永恒的研究課題，本文結(jié)合筆者已完成的一些研究工作，提出基于CPU+GPU結(jié)構(gòu)干擾效果評(píng)估仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，較傳統(tǒng)信息級(jí)仿真更貼近實(shí)際情況，成本較半實(shí)物仿真系統(tǒng)大幅降低，時(shí)效性、可升級(jí)、可擴(kuò)展性顯著提高。文中設(shè)定的場(chǎng)景和仿真試驗(yàn)結(jié)論并不具有普遍性，供業(yè)界研究人員參考。有關(guān)在復(fù)雜電磁環(huán)境下對(duì)抗跟雜及多模復(fù)合制導(dǎo)反艦導(dǎo)彈效果評(píng)估仿真有待進(jìn)一步研究。