復(fù)雜電磁環(huán)境下導(dǎo)彈信號(hào)級(jí)數(shù)字仿真建模方法

楊元?jiǎng)?，任?shū)磊，沈俊逸，李晨，湯繼偉

（上海機(jī)電工程研究所，上海 201109）

導(dǎo)彈的工作過(guò)程本質(zhì)上是彈上各類傳感器（導(dǎo)引頭、數(shù)據(jù)鏈等）模塊通過(guò)信號(hào)處理實(shí)時(shí)獲取戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境狀態(tài)及自身狀態(tài)，并據(jù)此狀態(tài)利用邏輯控制模塊進(jìn)行信息融合與決策判斷，實(shí)時(shí)生成制導(dǎo)指令，再通過(guò)各類執(zhí)行機(jī)構(gòu)（舵系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)等）運(yùn)行，從而作用于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境產(chǎn)生新的戰(zhàn)場(chǎng)狀態(tài)的過(guò)程［1］。對(duì)于導(dǎo)彈的建模仿真，即是對(duì)上述各個(gè)模塊進(jìn)行數(shù)字化，以實(shí)現(xiàn)其仿真全流程與真實(shí)工作過(guò)程更加貼近。

數(shù)字仿真是雷達(dá)型導(dǎo)彈進(jìn)行性能驗(yàn)證的重要環(huán)節(jié)，相比半實(shí)物仿真而言，其耗時(shí)短，占有資源少，可以有效縮短型號(hào)研制周期。當(dāng)前廣泛應(yīng)用的導(dǎo)彈建模仿真方法是信息級(jí)仿真［2-4］。其對(duì)于彈上邏輯控制模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊的模擬較為真實(shí)。邏輯控制模塊對(duì)導(dǎo)彈處理機(jī)內(nèi)的邏輯控制軟件進(jìn)行直接搬移；通過(guò)真實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正，發(fā)動(dòng)機(jī)、舵系統(tǒng)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊的仿真模型也與實(shí)物系統(tǒng)基本一致。對(duì)于各類傳感器尤其是射頻傳感器模塊，信息級(jí)仿真依據(jù)各類傳感器在不同戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的指標(biāo)體系，通過(guò)真實(shí)值加誤差的方式對(duì)不同傳感器模塊進(jìn)行模擬。這種模擬方式，在非復(fù)雜電磁環(huán)境下的仿真較為有效，但在復(fù)雜電磁環(huán)境下，尤其是強(qiáng)干擾下，很難在指標(biāo)體系中得到不同環(huán)境下的測(cè)量誤差，難以獲得準(zhǔn)確的導(dǎo)彈制導(dǎo)精度等重要性能指標(biāo)。因此，需要引入信號(hào)級(jí)仿真。以往的信號(hào)級(jí)仿真只是停留在雷達(dá)導(dǎo)引頭等傳感器上［5-8］，未能與導(dǎo)彈系統(tǒng)仿真集成，無(wú)法動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地給出導(dǎo)引頭的約束，也無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)導(dǎo)引頭性能對(duì)導(dǎo)彈系統(tǒng)的影響。

本文提供一種復(fù)雜電磁環(huán)境下導(dǎo)彈信號(hào)級(jí)數(shù)字仿真方法，在原有信息級(jí)仿真基礎(chǔ)上，增加復(fù)雜電磁環(huán)境下的中頻信息構(gòu)建，包括目標(biāo)、雜波、無(wú)源干擾、有源干擾等中頻信息，并將導(dǎo)引頭的數(shù)字仿真從信息級(jí)升級(jí)為信號(hào)級(jí)，從而給出更貼近真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的導(dǎo)彈工作流程仿真，以評(píng)估導(dǎo)彈實(shí)際作戰(zhàn)性能。

1 仿真建模總體架構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的導(dǎo)彈信號(hào)級(jí)數(shù)字仿真建?？傮w框架如圖1 所示。包括外部環(huán)境信號(hào)仿真模塊、信號(hào)處理仿真模塊、彈上邏輯控制仿真模塊、彈上執(zhí)行機(jī)構(gòu)仿真模塊、導(dǎo)彈與環(huán)境運(yùn)動(dòng)關(guān)系仿真模塊。

圖1 信號(hào)級(jí)仿真總體架構(gòu)Fig.1 The overall simulation architecture at signal level

外部環(huán)境信號(hào)仿真模塊根據(jù)導(dǎo)彈和環(huán)境的實(shí)時(shí)位置與速度信息、導(dǎo)引頭發(fā)射波形參數(shù)及各環(huán)境參數(shù)的非實(shí)時(shí)預(yù)裝值，輸出中頻信號(hào)至信號(hào)處理仿真模塊。

信號(hào)處理仿真模塊根據(jù)彈上邏輯控制模塊給出的導(dǎo)引頭預(yù)裝信息以及外部環(huán)境信號(hào)仿真模塊給出的各通道的中頻信號(hào)，依據(jù)實(shí)際導(dǎo)彈的工作流程進(jìn)行數(shù)字仿真，將探測(cè)信息輸出至彈上邏輯控制仿真模塊，將更新后的發(fā)射波形信息輸出至外部環(huán)境信號(hào)仿真模塊。

彈上邏輯控制仿真模塊根據(jù)彈上執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反饋信息和實(shí)際計(jì)算機(jī)的工作流程對(duì)導(dǎo)彈實(shí)時(shí)位置、速度和導(dǎo)引頭的探測(cè)信息進(jìn)行仿真，輸出制導(dǎo)指令至彈上執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及輸出預(yù)裝信息至導(dǎo)引頭。

彈上執(zhí)行機(jī)構(gòu)仿真模塊根據(jù)彈上邏輯控制仿真模塊中的制導(dǎo)指令、預(yù)裝指令對(duì)彈上各設(shè)備的工作流程進(jìn)行數(shù)字仿真，輸出彈上各設(shè)備的反饋信息至彈上邏輯控制仿真模塊，并輸出導(dǎo)彈的實(shí)時(shí)位置速度信息至導(dǎo)彈與環(huán)境運(yùn)動(dòng)關(guān)系仿真模塊。

導(dǎo)彈與環(huán)境運(yùn)動(dòng)關(guān)系仿真模塊依據(jù)目標(biāo)初始位置、速度、運(yùn)動(dòng)方式以及導(dǎo)彈實(shí)時(shí)位置和速度，計(jì)算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡和目標(biāo)與導(dǎo)彈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

2 信號(hào)級(jí)仿真建模方法

信號(hào)級(jí)仿真建模方法包括以下3 種。（1）導(dǎo)引頭接收中頻信號(hào)仿真方法。根據(jù)導(dǎo)引頭發(fā)射脈沖波形信息以及各通道導(dǎo)引頭增益信息構(gòu)建包括目標(biāo)、雜波、無(wú)源干擾和有源干擾等復(fù)雜電磁環(huán)境下的導(dǎo)引頭探測(cè)中頻信號(hào)。（2）導(dǎo)引頭信號(hào)處理仿真方法。對(duì)導(dǎo)引頭信號(hào)處理流程進(jìn)行數(shù)字仿真，根據(jù)彈上給出的導(dǎo)引頭預(yù)裝量、外部環(huán)境模塊給出的中頻信息進(jìn)行信號(hào)處理。（3）彈上邏輯控制及其他模塊仿真方法。依照信息級(jí)仿真方法對(duì)涉及導(dǎo)彈工作流程的其他工作模塊進(jìn)行模擬，包括導(dǎo)彈邏輯控制模塊，發(fā)動(dòng)機(jī)、舵機(jī)等執(zhí)行模塊，以及數(shù)據(jù)鏈、衛(wèi)星導(dǎo)航等暫未進(jìn)行信號(hào)數(shù)字化建模的傳感器模塊。

2.1 導(dǎo)引頭接收中頻信號(hào)仿真方法

根據(jù)導(dǎo)彈和環(huán)境信息包括各模擬目標(biāo)（干擾）的實(shí)時(shí)位置與速度信息、導(dǎo)引頭發(fā)射波形參數(shù)及各環(huán)境參數(shù)的非實(shí)時(shí)預(yù)裝值，輸出信號(hào)處理仿真模塊合成的中頻信號(hào)。具體仿真流程如圖2所示。

圖2 中頻信號(hào)構(gòu)建模塊工作流程圖Fig.2 Workflow of IF signal construction module

（1）根據(jù)導(dǎo)彈位置與姿態(tài)信息以及各模擬目標(biāo)（干擾）的位置信息，計(jì)算彈體系下的各模擬目標(biāo)（干擾）與導(dǎo)彈連續(xù)的俯仰角?T和偏航角θT。根據(jù)彈目聯(lián)系的角度與導(dǎo)引頭波束指向角(θ0，?0)，并利用暗室測(cè)試得到的天線遠(yuǎn)場(chǎng)和路接收和發(fā)射增益信息GR(θi，?p，θm，?n)、GT(θi，?p，θm，?n)，插值計(jì)算各模擬目標(biāo)（干擾）方向的天線和路接收和發(fā)射增益信息，用GR(θ0，?0，θT，?T)、GT(θ0，?0，θT，?T)表示。用同樣的方法計(jì)算得到俯仰、方位等差路增益信息。

（2）包括目標(biāo)信號(hào)、雜波背景、箔條無(wú)源信號(hào)的模擬［9］，生成各通道中頻信號(hào)。以典型的脈沖多普勒體制導(dǎo)引頭為例，假設(shè)在一個(gè)相干處理周期內(nèi)，導(dǎo)彈與目標(biāo)（雜波、無(wú)源干擾）的相對(duì)速度都是均勻的，在一個(gè)處理周期內(nèi)接收到的N個(gè)脈沖中的第k個(gè)脈沖，其和路通道中頻信號(hào)的基本公式如下：

其中，Pt為雷達(dá)發(fā)射機(jī)的峰值功率，Ls為雷達(dá)發(fā)射接收的綜合損耗，Gr、Gt為天線和路發(fā)射和接收增益，σk為第k個(gè)脈沖照射時(shí)目標(biāo)（雜波散射單元區(qū)域、無(wú)源干擾）的融合通信；λ為工作波長(zhǎng)，c為光速，wIF為中頻，Tr為脈沖重復(fù)周期，Tp為脈沖寬度，wfd為多普勒頻率，Rk為第k個(gè)脈沖照射到目標(biāo)時(shí)的距離，rect 為矩形函數(shù)。同理，利用俯仰、方位的方向圖信息，可以得到俯仰、方位差路通道的中頻信號(hào)。

（3）將上述計(jì)算中包含干擾本體運(yùn)動(dòng)信息的和路通道的中頻信號(hào)發(fā)送給有源干擾調(diào)制函數(shù)，生成干擾機(jī)調(diào)制后的和路通道的中頻信號(hào)。其公式為

（4）對(duì)接收機(jī)熱噪聲進(jìn)行模擬，生成接收機(jī)熱噪聲中頻信號(hào)。其公式如下：

其中，k為波爾茲曼常數(shù)；T0為接收機(jī)噪聲溫度，NF為接收機(jī)噪聲系數(shù)，Δf為噪聲帶寬。

（5）將目標(biāo)、雜波、無(wú)源干擾、有源干擾等多個(gè)和路、俯仰差路、方位差路的中頻信號(hào)合成并輸出。

如信號(hào)處理模塊采用數(shù)字多通道處理時(shí)，依據(jù)上述同樣方法對(duì)各通道進(jìn)行模擬，其中各通道增益采用相應(yīng)的暗室測(cè)試值進(jìn)行插值。

2.2 導(dǎo)引頭信號(hào)處理仿真方法

信號(hào)處理仿真根據(jù)彈上邏輯控制模塊給出的導(dǎo)引頭預(yù)裝信息以及外部環(huán)境仿真模塊給出的各通道的中頻信息，依據(jù)實(shí)際導(dǎo)彈的工作流程進(jìn)行數(shù)字仿真，將探測(cè)信息輸出至彈上邏輯控制模塊，將更新后的發(fā)射波形信息輸出至外部環(huán)境仿真模塊。

信號(hào)處理仿真目前僅考慮導(dǎo)引頭的情況，其包括導(dǎo)引頭信號(hào)處理機(jī)（一般包含F(xiàn)PGA 與DSP）內(nèi)工作流程的數(shù)字仿真，完成信號(hào)預(yù)處理與信號(hào)處理功能。包括下變頻、低通濾波、脈壓、數(shù)據(jù)重排、FFT、恒虛警檢測(cè)、噪聲跟蹤、測(cè)速、測(cè)距、測(cè)角、航跡跟蹤、目標(biāo)跟蹤、制導(dǎo)信息融合等功能。

信號(hào)處理仿真模塊按照實(shí)際導(dǎo)引頭信號(hào)處理機(jī)主控軟件的工作流程完成所有功能模塊的調(diào)用，其工作流程如圖3所示。

圖3 導(dǎo)引頭信號(hào)仿真方法Fig.3 Signal simulation method of active seeker

2.3 彈上邏輯控制及其他模塊仿真方法

彈上邏輯控制模塊根據(jù)彈上執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反饋信息和實(shí)際彈上計(jì)算機(jī)的邏輯控制工作流程對(duì)導(dǎo)彈實(shí)時(shí)位置、速度和導(dǎo)引頭的探測(cè)信息進(jìn)行仿真，輸出制導(dǎo)指令至彈上執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及輸出預(yù)裝信息至導(dǎo)引頭。

彈上邏輯控制模塊根據(jù)導(dǎo)彈邏輯進(jìn)行數(shù)字仿真，并隨著彈上邏輯的更新而迭代。其主要實(shí)現(xiàn)彈上邏輯中彈后的飛行控制功能。包含：大氣解算功能、邏輯控制形成功能（穩(wěn)定控制系統(tǒng)接通判斷、發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)判斷、一/二脈沖點(diǎn)火指令）、指令形成解算功能（目標(biāo)更新外推解算、彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)解算、姿態(tài)/過(guò)載指令解算、信息處理、終末制導(dǎo)信息源選擇解算、向信號(hào)處理模塊發(fā)送參數(shù)解算）、穩(wěn)定控制解算。同時(shí)包括導(dǎo)引頭、數(shù)據(jù)鏈設(shè)備和衛(wèi)星導(dǎo)航等簡(jiǎn)單信息級(jí)數(shù)字建模仿真。

導(dǎo)彈執(zhí)行仿真模塊依據(jù)彈上邏輯控制模塊指令的工作流程對(duì)彈上各設(shè)備進(jìn)行數(shù)字仿真，包括舵機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)等的數(shù)字建模仿真。輸出各設(shè)備的反饋信息至導(dǎo)彈邏輯控制模塊，并輸出導(dǎo)彈的實(shí)時(shí)位置速度信息至導(dǎo)彈與環(huán)境運(yùn)動(dòng)關(guān)系仿真模塊。

導(dǎo)彈與環(huán)境運(yùn)動(dòng)關(guān)系模塊依據(jù)目標(biāo)（干擾）初始位置、速度，運(yùn)動(dòng)方式（非實(shí)時(shí)，需要預(yù)裝）以及導(dǎo)彈實(shí)時(shí)位置和速度計(jì)算目標(biāo)（干擾）運(yùn)動(dòng)軌跡和目標(biāo)與導(dǎo)彈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

除了以上數(shù)字仿真功能模塊外，數(shù)字仿真還需要仿真工作流程管理和交互界面與初始化等輔助模塊。這部分非此數(shù)字方法重點(diǎn)，不再贅述。

3 軟件工作流程與仿真應(yīng)用

導(dǎo)彈信號(hào)級(jí)數(shù)字仿真典型的工作流程以事件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，一個(gè)循環(huán)內(nèi)導(dǎo)彈邏輯控制模塊進(jìn)行4 個(gè)解算周期，信號(hào)處理仿真模塊和外部環(huán)境信號(hào)仿真進(jìn)行1 個(gè)解算周期。

每個(gè)解算周期都進(jìn)行的仿真運(yùn)算為彈上邏輯控制仿真中大氣解算、穩(wěn)定控制解算等。以4 個(gè)周期為一個(gè)循環(huán)，分步依次計(jì)算部分功能模塊。包括彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)計(jì)算以及其他相關(guān)的彈上邏輯仿真，姿態(tài)和過(guò)載控制指令仿真計(jì)算，信號(hào)處理仿真模塊預(yù)裝值的仿真計(jì)算，以及包括其他傳感器的信息處理計(jì)算，如圖4所示。

圖4 導(dǎo)彈信號(hào)級(jí)數(shù)字仿真典型的工作流程框圖Fig.4 Typical workflow frame of digital simulation of missile at signal level

圖6 某條件下導(dǎo)引頭檢測(cè)的信噪比情況Fig.6 SNR ratio of seeker detection under certan condition

圖7 某條件下導(dǎo)引頭檢測(cè)的速度信息情況Fig.7 Velocity information detected by seeker under certain conditions

圖8 某條件下導(dǎo)引頭檢測(cè)的距離信息情況Fig.8 The distance information detected by seeker under certain conditions

彈上邏輯控制模塊在運(yùn)行至后續(xù)指令計(jì)算周期前，需要等待導(dǎo)引頭給出制導(dǎo)信息，而導(dǎo)引頭在進(jìn)行制導(dǎo)信息計(jì)算前，需要等待中頻脈沖串信息。

下面給出上述仿真方法的仿真應(yīng)用情況，仿真所用的硬件資源為CPU：至強(qiáng)W-2155；主頻：3.2G；DDR4內(nèi)存ECC：64G。

導(dǎo)彈信號(hào)級(jí)仿真軟件使用Win7操作系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)代碼采用C/C++語(yǔ)言；軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境為VS2010。

信號(hào)級(jí)仿真軟件中，彈上邏輯控制、彈上內(nèi)部設(shè)備、彈目（干）相對(duì)關(guān)系以及外部環(huán)境信號(hào)（除有源干擾部分）均為源代碼形式，以模塊化對(duì)象被原Windows窗口界面主函數(shù)調(diào)用；信號(hào)處理仿真以及外部環(huán)境信號(hào)的有源干擾部分以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)dll形式被主函數(shù)調(diào)用。

選取典型條件進(jìn)行仿真分析，相比信息級(jí)仿真，信號(hào)級(jí)仿真除了可獲得脫靶量信息、導(dǎo)彈位置、速度、姿態(tài)以及彈目相對(duì)關(guān)系等信息外，還可以獲取用于導(dǎo)引頭檢測(cè)的時(shí)頻二維圖，導(dǎo)引頭檢測(cè)的信號(hào)強(qiáng)度、速度和距離信息，如圖5-8所示。

數(shù)字仿真數(shù)據(jù)與半實(shí)物仿真數(shù)據(jù)對(duì)比分析顯示結(jié)果一致，說(shuō)明建模仿真方法有效。

4 總結(jié)與展望

本文提出了一種導(dǎo)彈信號(hào)級(jí)仿真方法，相比原有信息級(jí)仿真方法，構(gòu)建復(fù)雜電磁環(huán)境模型生成導(dǎo)引頭回波中頻信號(hào)，并將導(dǎo)引頭信號(hào)處理引入導(dǎo)彈建模與仿真中，不但可以驗(yàn)證對(duì)抗簡(jiǎn)單目標(biāo)條件下的導(dǎo)彈性能，而且可以對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境下的導(dǎo)彈性能進(jìn)行有效評(píng)估。

通過(guò)復(fù)雜電磁環(huán)境下的信號(hào)級(jí)數(shù)字仿真，可以在半實(shí)物仿真之前有效地對(duì)導(dǎo)引頭信號(hào)處理流程、整個(gè)制導(dǎo)系統(tǒng)工作流程乃至整個(gè)導(dǎo)彈的工作流程進(jìn)行有效驗(yàn)證，降低了半實(shí)物仿真中邏輯調(diào)試的工作量，為型號(hào)研制縮短了周期。

在逼真的信號(hào)級(jí)數(shù)字仿真中，可以產(chǎn)生大量的智能體與環(huán)境的交互數(shù)據(jù)，從而可以有效地用于目標(biāo)識(shí)別、信息決策等的深度學(xué)習(xí)或強(qiáng)化學(xué)習(xí)智能算法驗(yàn)證，并基于復(fù)雜電磁環(huán)境的信號(hào)生成進(jìn)一步擴(kuò)展為多彈協(xié)同、彈群對(duì)抗的網(wǎng)絡(luò)化仿真平臺(tái)。