機(jī)載航電系統(tǒng)半實(shí)物仿真技術(shù)研究與平臺(tái)構(gòu)建

錢(qián)忠洋 惠言 張剛

摘要：基于現(xiàn)代空戰(zhàn)對(duì)航空裝備的作戰(zhàn)需求，圍繞機(jī)載設(shè)備的工作特性和真實(shí)作戰(zhàn)場(chǎng)景搭建半實(shí)物仿真環(huán)境，是地面評(píng)估機(jī)載航電設(shè)備性能和飛機(jī)作戰(zhàn)效能的重要仿真方法。本文圍繞半實(shí)物仿真平臺(tái)建設(shè)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，結(jié)合多型號(hào)飛機(jī)航電綜合環(huán)境實(shí)際，構(gòu)建機(jī)載航電系統(tǒng)半實(shí)物仿真聯(lián)合試驗(yàn)平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：機(jī)載航電系統(tǒng)；半實(shí)物仿真；作戰(zhàn)效能評(píng)估；聯(lián)合仿真試驗(yàn)

Keywords： airborne avionics system；hardware-in-the-loop simulation；operational effectiveness evaluation；joint simulation experiment

0 引言

隨著現(xiàn)代武器裝備設(shè)計(jì)水平的不斷提高和新型作戰(zhàn)模式的不斷變化，相關(guān)武器裝備的保障需求呈現(xiàn)出新特點(diǎn)，在要求功能達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上開(kāi)始關(guān)注裝備的系統(tǒng)作戰(zhàn)能力。機(jī)載航電系統(tǒng)是現(xiàn)代軍用飛機(jī)信息感知、顯示處理和武器交聯(lián)的中心，尤其以雷達(dá)、電子戰(zhàn)、光電雷達(dá)為代表的航電設(shè)備的技戰(zhàn)術(shù)性能水平直接或間接影響飛機(jī)的作戰(zhàn)效能。有效評(píng)估航電系統(tǒng)的性能是精準(zhǔn)定位缺陷和故障、提升飛機(jī)戰(zhàn)斗力的重要保證。

半實(shí)物仿真是指采用仿真設(shè)備為待測(cè)對(duì)象構(gòu)建物理環(huán)境，以物理模型、數(shù)學(xué)模型聯(lián)合開(kāi)展仿真試驗(yàn)，是包含機(jī)載航電系統(tǒng)在內(nèi)的復(fù)雜工程系統(tǒng)必不可少的仿真方法[1]。在新型飛機(jī)航電系統(tǒng)的研制過(guò)程中，設(shè)計(jì)單位通常會(huì)利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，圍繞航電系統(tǒng)典型作戰(zhàn)（訓(xùn)練）流程設(shè)計(jì)航電綜合環(huán)境[2]。各型航電裝備通過(guò)機(jī)上電纜互聯(lián)構(gòu)建機(jī)載航電系統(tǒng)，仿真管理計(jì)算機(jī)利用接口仿真技術(shù)，間接實(shí)現(xiàn)仿真資源共享、航電工作流程下發(fā)和仿真過(guò)程控制，可開(kāi)展航電設(shè)備的功能、接口、控制邏輯、顯示正確性等檢查任務(wù)。然而，因缺乏與航電設(shè)備適配的模擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，無(wú)法完成航電設(shè)備的性能評(píng)估。通過(guò)分析機(jī)載設(shè)備半實(shí)物仿真技術(shù)，本文在基于多型飛機(jī)航電綜合環(huán)境的基礎(chǔ)上，構(gòu)建機(jī)載航電系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)框架，為航電設(shè)備及航電系統(tǒng)性能評(píng)估提供支撐。

1 航電系統(tǒng)半實(shí)物仿真中的關(guān)鍵技術(shù)

目標(biāo)及其環(huán)境特性作為戰(zhàn)場(chǎng)仿真的最基本資源，是評(píng)估武器裝備對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中目標(biāo)探測(cè)、跟蹤和識(shí)別的依據(jù)和前提[3]。航電系統(tǒng)相關(guān)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真技術(shù)包括射頻動(dòng)態(tài)目標(biāo)/場(chǎng)景仿真技術(shù)和紅外動(dòng)態(tài)目標(biāo)/場(chǎng)景仿真技術(shù)。

1.1 射頻動(dòng)態(tài)目標(biāo)/場(chǎng)景模擬技術(shù)

射頻動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、電子戰(zhàn)等探測(cè)目標(biāo)的射頻特性和空間屬性，射頻特性包括幅度、多普勒頻移、頻率、幅度起伏等，空間屬性包括距離、速度、加速度、角速度及角加速度等。常見(jiàn)的仿真技術(shù)包括機(jī)械式、陣列式和機(jī)電混合式，特點(diǎn)如下。

1）機(jī)械式目標(biāo)模擬功能簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，適用于規(guī)則運(yùn)動(dòng)的單目標(biāo)仿真，可模擬的目標(biāo)/場(chǎng)景種類(lèi)有限。

2）陣列式目標(biāo)模擬采用電子控制方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的射頻和空間特性，由信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)、射頻目標(biāo)陣面和陣列目標(biāo)饋電系統(tǒng)組成[4，5]。其中，信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)根據(jù)載機(jī)、目標(biāo)的位置信息及控制指令，生成包含調(diào)制形式、輸出功率、信號(hào)延時(shí)等信息的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，通過(guò)陣列目標(biāo)饋電系統(tǒng)，將射頻目標(biāo)（或干擾、背景噪聲）信號(hào)通過(guò)陣面天線(xiàn)輻射，實(shí)現(xiàn)合成等效輻射中心的位置精確定位和實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)模擬。載機(jī)和射頻目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)均需通過(guò)控制不同位置的陣面天線(xiàn)輻射實(shí)現(xiàn)，對(duì)射頻目標(biāo)陣面和陣列目標(biāo)饋電系統(tǒng)的規(guī)模要求較高，建設(shè)難度大，成本高。

3）機(jī)電混合式目標(biāo)模擬在陣列式目標(biāo)模擬基礎(chǔ)上引入姿態(tài)模擬設(shè)備（如三軸轉(zhuǎn)臺(tái)），通過(guò)伺服機(jī)構(gòu)配合陣面天線(xiàn)輻射控制，減少射頻目標(biāo)陣面的規(guī)模，實(shí)現(xiàn)小角度范圍內(nèi)多個(gè)目標(biāo)模擬，在目標(biāo)和背景復(fù)雜度有限的情況下是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的方案。

1.2 紅外動(dòng)態(tài)目標(biāo)/場(chǎng)景模擬技術(shù)

紅外動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬可實(shí)現(xiàn)光電雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的紅外特性和空間動(dòng)態(tài)屬性，其典型系統(tǒng)由紅外成像組件、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、圖像生成計(jì)算機(jī)和姿態(tài)模擬設(shè)備組成。紅外成像方法分為直接紅外輻射法和紅外輻射調(diào)制法，前者包括紅外陰極射線(xiàn)管（CRT）、激光二極管陣列和電阻陣列，后者包括紅外液晶光閥和數(shù)字微鏡器件（DMD）紅外投影系統(tǒng)，其中以電阻陣列和DMD紅外投影在半實(shí)物仿真領(lǐng)域應(yīng)用最廣。

1）電阻陣列式紅外成像技術(shù)。該技術(shù)依據(jù)的原理是電流流過(guò)分立電阻時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量。由于輻射能力由電阻溫度、占空因子和輻射率決定，利用電阻陣列內(nèi)的控制電路來(lái)控制流過(guò)電阻的電流即可控制每個(gè)電阻的溫度，從而達(dá)到顯示紅外圖像的目的。電阻陣是一種最接近真實(shí)物理環(huán)境輻射特性的模擬器，其溫度范圍寬、動(dòng)態(tài)特性好、對(duì)比度和溫差性能指標(biāo)高，模擬目標(biāo)、背景的紅外輻射和運(yùn)動(dòng)特性?xún)?yōu)勢(shì)明顯[6]。

2）DMD紅外投影。采用微電子機(jī)械原理，利用鋁濺射工藝在半導(dǎo)體硅片上生成數(shù)以萬(wàn)計(jì)的方形微鏡面，形成高速數(shù)字式光反射開(kāi)關(guān)陣列器件。DMD成像采用微鏡轉(zhuǎn)動(dòng)完成，微鏡的位置不同，反射光的出射角度也就不同，類(lèi)似于光開(kāi)關(guān)。當(dāng)光開(kāi)關(guān)處于“開(kāi)態(tài)”時(shí)，反射光可通過(guò)投影透鏡在屏幕上形成亮點(diǎn)，處于“關(guān)態(tài)”時(shí)在屏幕上形成暗點(diǎn)。利用二進(jìn)制脈寬調(diào)制技術(shù)控制微鏡轉(zhuǎn)動(dòng)角度、光線(xiàn)通斷時(shí)長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)紅外成像對(duì)比度及亮點(diǎn)的精準(zhǔn)控制。DMD紅外投影的優(yōu)勢(shì)在于模擬的溫度、場(chǎng)景圖像分辨率高[7]。

2 航電系統(tǒng)半實(shí)物聯(lián)合仿真試驗(yàn)平臺(tái)搭建

評(píng)估機(jī)載航電系統(tǒng)的整體效能除需有貼近真實(shí)的模擬環(huán)境外，還需有半實(shí)物仿真支撐平臺(tái)。該平臺(tái)具有將雷達(dá)、電抗和光雷等航電設(shè)備通過(guò)機(jī)上線(xiàn)纜互聯(lián)搭建航電綜合試驗(yàn)平臺(tái)，以及兼容不同機(jī)型，集中控制仿真過(guò)程，并分析評(píng)估指定航電系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的能力。航電系統(tǒng)半實(shí)物聯(lián)合仿真試驗(yàn)平臺(tái)的總體架構(gòu)如圖1所示，包括聯(lián)合試驗(yàn)支撐平臺(tái)、航電綜合試驗(yàn)環(huán)境、射頻仿真試驗(yàn)環(huán)境和紅外仿真試驗(yàn)環(huán)境。

聯(lián)合試驗(yàn)支撐平臺(tái)作為半實(shí)物仿真試驗(yàn)的總控端，為仿真試驗(yàn)的全生命周期包括試驗(yàn)準(zhǔn)備、試驗(yàn)運(yùn)行和試驗(yàn)分析提供相應(yīng)服務(wù)。

1）在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，根據(jù)試驗(yàn)項(xiàng)目完成仿真初始化，包括場(chǎng)景設(shè)定、設(shè)備加電、轉(zhuǎn)臺(tái)歸位、“握手”通信、參數(shù)裝訂等，并根據(jù)參試設(shè)置的具體情況選擇授時(shí)方案，如解析仿真數(shù)據(jù)中的時(shí)間戳信息或基于統(tǒng)一GPS/BD授時(shí)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)參試設(shè)備時(shí)間同步。

2）在試驗(yàn)運(yùn)行階段，總控端實(shí)時(shí)與航電綜合臺(tái)和半實(shí)物仿真環(huán)境交互數(shù)據(jù)，監(jiān)控仿真設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)需要暫?；蚪K止當(dāng)前任務(wù)，以確保仿真應(yīng)用正常、穩(wěn)定執(zhí)行。一方面，主控端通過(guò)仿真代理從航電綜合臺(tái)讀取載機(jī)運(yùn)動(dòng)信息和目標(biāo)變化信息（如目標(biāo)數(shù)量、目標(biāo)的絕對(duì)位置或與載機(jī)的相對(duì)位置數(shù)據(jù)、目標(biāo)速度、航向、載機(jī)坐標(biāo)和姿態(tài)數(shù)據(jù)等），解析后借助仿真代理發(fā)送到半實(shí)物試驗(yàn)環(huán)境，間接實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)、目標(biāo)和環(huán)境控制；另一方面，主控端通過(guò)仿真代理獲取機(jī)載航電總線(xiàn)信息，掌握參試航電設(shè)備的工作狀態(tài)。相關(guān)數(shù)據(jù)借助態(tài)勢(shì)仿真系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)LED顯示，同時(shí)存入仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。

3）射頻仿真主控臺(tái)實(shí)時(shí)解算載機(jī)、目標(biāo)及場(chǎng)景信息，將載機(jī)及目標(biāo)姿態(tài)發(fā)送到轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)，控制三軸轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)參試設(shè)備俯仰、橫滾、航向等三個(gè)姿態(tài)角的變化模擬。參試設(shè)備的射頻發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)波導(dǎo)、電纜等饋入信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)，通過(guò)RCS、多普勒效應(yīng)、距離延時(shí)、距離衰減等目標(biāo)回波特性處理后，形成目標(biāo)回波信號(hào)。信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收目標(biāo)及場(chǎng)景信息，并結(jié)合回波信號(hào)，模擬到達(dá)角（AOA）、雜波等，饋入微波暗室分系統(tǒng)的球面目標(biāo)陣列，由陣列目標(biāo)饋電系統(tǒng)控制目標(biāo)陣列，在指定的角位置上輻射出去，為雷達(dá)、電抗測(cè)試構(gòu)建目標(biāo)、背景環(huán)境。

4）紅外動(dòng)態(tài)目標(biāo)模擬系統(tǒng)通常采用五軸轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)參試設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性模擬[8]，接收轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)傳送的載機(jī)、目標(biāo)和場(chǎng)景信息。其中，三軸部分安裝光電雷達(dá)實(shí)物，模擬載機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的俯仰角、滾動(dòng)角和航向角等三個(gè)姿態(tài)角變化；兩軸部分安裝目標(biāo)成像模擬器件，模擬載機(jī)與目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的視線(xiàn)方位角與視線(xiàn)高低角變化。圖像生成系統(tǒng)根據(jù)場(chǎng)景特征、載機(jī)及目標(biāo)信息，實(shí)時(shí)解算生成動(dòng)態(tài)、高分辨率視頻信號(hào)。紅外目標(biāo)模擬器將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為紅外波段動(dòng)態(tài)光信號(hào)，經(jīng)過(guò)光學(xué)投影系統(tǒng)投射至光電雷達(dá)探測(cè)范圍。

5）試驗(yàn)分析包括動(dòng)態(tài)在線(xiàn)分析評(píng)估和事后離線(xiàn)分析評(píng)估兩種功能。前者將實(shí)時(shí)分析的結(jié)果通過(guò)態(tài)勢(shì)LED終端展示，形式包括消息彈框、特殊色標(biāo)記和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)刷新。后者利用數(shù)據(jù)庫(kù)和記錄信息，基于效能評(píng)估模型評(píng)估參試航電設(shè)備的局部作戰(zhàn)性能和航電系統(tǒng)的綜合作戰(zhàn)效能。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于半實(shí)物仿真理論和射頻、紅外半實(shí)物仿真領(lǐng)域的最新研究成果，搭建了航電系統(tǒng)半實(shí)物聯(lián)合仿真試驗(yàn)平臺(tái)框架，為機(jī)載航電系統(tǒng)技戰(zhàn)術(shù)性能評(píng)估系統(tǒng)的搭建提供支撐。聯(lián)合試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，除射頻、紅外目標(biāo)/場(chǎng)景模擬技術(shù)外，還需關(guān)注微波暗室設(shè)計(jì)、大負(fù)載三軸/五軸轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)、異構(gòu)系統(tǒng)集成、作戰(zhàn)效能評(píng)估模型設(shè)計(jì)、總線(xiàn)遠(yuǎn)程級(jí)聯(lián)等技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]黃瑞松，李海鳳，劉金，等.飛行器半實(shí)物仿真技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)分析[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2019，31（9）：1763-1774.

[2]徐士博. 基于FC協(xié)議的航電任務(wù)系統(tǒng)仿真[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2018.

[3]單家元，孟秀云，丁艷，等.半實(shí)物仿真（第2版）[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013.

[4]劉曉斌，趙峰，艾小峰，等.雷達(dá)半實(shí)物仿真及其關(guān)鍵技術(shù)研究發(fā)展[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2020，42（7）：1471-1477.

[5]肖秋，喬宏樂(lè).一種陣列式雷達(dá)對(duì)抗半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)[J].火控雷達(dá)技術(shù)，2018，43（1）：80-91.

[6]唐善軍，宋敏敏，王碧云，張宇，等.基于MOS電阻陣半實(shí)物仿真的紅外場(chǎng)景生成技術(shù)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2018，30（4）：1319-1327.

[7]許家林，王曉東，李丙玉，王鶴，等.基于DMD的紅外場(chǎng)景模擬器圖像數(shù)據(jù)傳輸和分割存儲(chǔ)方法[J].紅外與激光工程，2015，44（9）.

[8]周莉莉，李海鳳，佟佳慧，等.紅外成像制導(dǎo)半實(shí)物仿真技術(shù)研究[J].上海航天，2019，36（4）.