唐 莽，孫衛(wèi)民，張 進，王 奎

（中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京 210007）

0 引言

導彈武器系統(tǒng)在信息化作戰(zhàn)環(huán)境下的作戰(zhàn)效能，是武器系統(tǒng)論證、考核的核心問題，其不僅與導彈武器系統(tǒng)的性能指標密切相關，而且還取決于作戰(zhàn)使用環(huán)境和作戰(zhàn)運用方法。在現(xiàn)代戰(zhàn)場電磁環(huán)境下，導彈武器所面臨的電磁環(huán)境是異常復雜的，要考核其作戰(zhàn)效能，無論從效率還是從耗費上都不可能用窮盡法來建立各種復雜戰(zhàn)場條件進行實裝對抗試驗。如果找到一種方法能夠構建一個虛擬的戰(zhàn)場動態(tài)電磁環(huán)境，在內(nèi)場半實物仿真條件下可以通過多次試驗獲得足夠多的試驗樣本，對于評估導彈武器在實戰(zhàn)條件下的作戰(zhàn)效能具有十分重要的意義。運用計算機仿真技術可模擬典型作戰(zhàn)地區(qū)、末制導交戰(zhàn)時間段內(nèi)自然電磁現(xiàn)象、密集的電磁設備、敵方電磁威脅和自身電磁設備互擾所形成的電磁輻射，輸出可量化的表征電磁信號特征的數(shù)據(jù)文件，并依托內(nèi)場半實物仿真平臺重構虛擬戰(zhàn)場動態(tài)電磁環(huán)境，為導彈武器作戰(zhàn)效能評估提供近似實戰(zhàn)的復雜電磁環(huán)境，這是一種既貼近實戰(zhàn)、又非常經(jīng)濟有效的作戰(zhàn)效能評估手段。本文基于這一需求提出了一種采用數(shù)字場景規(guī)劃和仿真計算＋半實物電磁環(huán)境重構的戰(zhàn)場電磁環(huán)境構建方法，并基于該方法，探討了在內(nèi)場開展導彈武器抗干擾性能半實物仿真試驗的思路。

1 導彈武器面臨的戰(zhàn)場電磁環(huán)境特征分析

傳統(tǒng)的內(nèi)場抗干擾試驗依靠電磁信號模擬器模擬目標回波及各種典型的干擾樣式，這是一種信號級的模擬方式，在此條件下檢驗導彈武器的抗干擾性能，是一種孤立的、靜態(tài)的指標分析方法，不能準確反映導彈武器在戰(zhàn)場電磁環(huán)境下所表現(xiàn)出來的特性。在戰(zhàn)場條件下，導彈武器面臨的復雜電磁環(huán)境除了目標回波及各種背景雷達、目標施放的自衛(wèi)及支援式干擾信號外，還有這些信號在戰(zhàn)場環(huán)境下的地海雜波、多路徑等反射信號；從交戰(zhàn)過程來看，攻防雙方施放的電磁信號內(nèi)容隨著作戰(zhàn)態(tài)勢及情報偵察的結果而在動態(tài)變化；從效應結果來看，電磁環(huán)境信號還受大氣、云、雨等自然條件的影響。以反艦導彈為例，給出其面臨的典型戰(zhàn)場電磁環(huán)境，如圖1所示。

圖1 反艦導彈面臨的典型戰(zhàn)場電磁環(huán)境

在圖1中：

1）電磁環(huán)境：攻防雙方用頻裝備發(fā)射的各種電磁信號；

2）自然環(huán)境：指交戰(zhàn)過程中，用頻裝備信號有效照射覆蓋區(qū)域內(nèi)的三維地理環(huán)境，如海面、山地、丘陵等對電磁環(huán)境的影響；

3）氣象環(huán)境：主要包括大氣、云、雨、雷電等氣象條件對電磁環(huán)境的影響。

由此可見，戰(zhàn)場條件下的復雜電磁環(huán)境，是雙方用頻裝備密集部署的結果，首先是極為復雜的，而且由于自然環(huán)境、氣象環(huán)境的影響，加劇了這種復雜性；其次，隨著作戰(zhàn)場景的變化，具有動態(tài)變化的特征。

2 導彈武器戰(zhàn)場電磁環(huán)境構建

2.1 戰(zhàn)場電磁環(huán)境構建的基本思路

根據(jù)第1節(jié)的分析，戰(zhàn)場電磁環(huán)境具有復雜而動態(tài)可變的特征，且受自然及大氣環(huán)境條件的多重影響。在仿真暗室構建戰(zhàn)場動態(tài)電磁環(huán)境，就是要仿真模擬在設定的作戰(zhàn)場景及自然、氣象條件下，各用頻裝備的頻域、能量域、時域、空域及極化域等的變化特征，使內(nèi)場構建的電磁環(huán)境可以近似戰(zhàn)場動態(tài)電磁環(huán)境。結合當前的高性能計算機運算仿真能力，提出一種逼真構建戰(zhàn)場電磁環(huán)境的基本思路，如圖2所示。

1）場景規(guī)劃：針對導彈武器面臨的典型作戰(zhàn)場景，進行攻防對抗全過程的預先想定和用頻裝備、地形地貌、氣象環(huán)境等參數(shù)設置。

圖2 戰(zhàn)場電磁環(huán)境構建的基本思路

2）仿真計算：以場景規(guī)劃為輸入條件，按時間進度進行仿真推演，對作戰(zhàn)過程中，作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)所有電磁活動和現(xiàn)象以及造成的態(tài)勢進行模擬，并計入空間地理環(huán)境、氣象環(huán)境的影響，求解輻射源的動態(tài)變化對被試對象在一個完整的制導飛行過程中的空間的電磁輻射效應，并形成描述這種效應的輻射信號特征數(shù)據(jù)文件，如到達角、到達時間、接收功率、傳播延時、多普勒頻移等，文件內(nèi)容應具有時間刻度標簽。

3）模擬重構和視景仿真：以統(tǒng)一的時間同步為基準，調(diào)用數(shù)字仿真計算形成的電磁信號特征數(shù)據(jù)文件，去驅(qū)動各種電磁信號模擬設備和天線面陣、三軸仿真轉(zhuǎn)臺等試驗設備，復現(xiàn)想定的戰(zhàn)場電磁信號特征，并按仿真時間刻度為間隔進行數(shù)據(jù)更新，從而等效實現(xiàn)了戰(zhàn)場環(huán)境的動態(tài)模擬。為了直觀地掌握仿真進程，仿真試驗時，還需要根據(jù)仿真進程及彈目坐標位置等參數(shù)進行同步的視景仿真。

由此可見，逼真戰(zhàn)場電磁環(huán)境的構建過程實際上是一個數(shù)字和半實物相結合的仿真過程。其中數(shù)字仿真的作用將在下節(jié)中展開。

進行基于此種數(shù)字＋半實物模式的導彈武器抗干擾性能半實物仿真試驗時，其工作流程如圖3所示。如果需要模擬非常復雜的電磁環(huán)境，可以將復雜的電磁環(huán)境拆分為多個簡單的場景進行多次計算。最后將多次計算數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)疊加處理，其工作流程如圖4所示。

圖3 電磁環(huán)境構建工作流程（簡單）

2.2 戰(zhàn)場電磁環(huán)境構建之數(shù)字仿真

2.2.1 主要功能

逼真構建戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境，要求數(shù)字仿真應具備以下主要功能：

1）具備復雜環(huán)境建模能力，可以進行地形（地球物理模型）、地貌、海面（統(tǒng)計模型）、大氣、云雨等環(huán)境建模。

圖4 電磁環(huán)境構建工作流程（復雜）

2）具備攻防雙方目標及電磁信號電波傳播建模和計算能力，提取復雜環(huán)境對電磁性能的影響數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的平臺特點，采用相應算法進行電波傳播計算；并反映到被試對象位置所面臨的電磁信號的時域、頻域、能量域、空域及極化域等動態(tài)變化特征，且具有數(shù)據(jù)文件輸出能力。

3）具備戰(zhàn)術地圖創(chuàng)建、攻防過程規(guī)劃（飛行路徑及運動參數(shù)可規(guī)劃和設置）及作戰(zhàn)場景想定功能，可以設置仿真過程中，交戰(zhàn)雙方裝備工作狀態(tài)及指標。

4）具備驅(qū)動模擬設備進行電磁場景重構的能力。

5）能夠同步進行電磁環(huán)境場景仿真及視景顯示。

2.2.2 場景規(guī)劃

電子對抗場景規(guī)劃包括戰(zhàn)場想定、環(huán)境建模兩部分。

1）戰(zhàn)場想定：主要指戰(zhàn)場上的裝備、部署及行動方案，具體包括設置戰(zhàn)場環(huán)境、武器系統(tǒng)、雷達及對抗系統(tǒng)、平臺及目標的位置、航跡、戰(zhàn)術指標參數(shù)及運行狀態(tài)等。同時，想定模塊還要確定仿真任務、匹配仿真過程中的各個參數(shù)、模型、算法和各種仿真數(shù)據(jù)的輸入輸出，約定仿真中各個裝備的運動和狀態(tài)變化，配置用頻裝備的互連信息，使仿真按照想定劇本的內(nèi)容進行推演。

戰(zhàn)場想定主要由以下模塊組成：

a）攻防雙方用頻裝備設定模塊：完成對戰(zhàn)場上攻防雙方的武器平臺及其用頻裝備部署，配置各個武器平臺的用頻裝備參數(shù)（運動軌跡、姿態(tài)變化、天線特性等）。能夠?qū)⑿畔⒒挠妙l裝備模塊加載到各種武器平臺上，建立相應的關聯(lián)關系，為計算模塊和視景仿真模塊提供數(shù)據(jù)，為仿真提供多視角、逼真的三維視景顯示。

b）作戰(zhàn)階段設定模塊：可以將一次作戰(zhàn)想定細分為多個作戰(zhàn)階段，在每個作戰(zhàn)階段中可以配置各個武器平臺的運動軌跡并且設置用頻裝備的工作狀態(tài)和工作參數(shù)。

2）環(huán)境建模：主要對想定場景中各實體進行建模，具體包括想定的戰(zhàn)場地理及氣象環(huán)境建模、復雜電磁環(huán)境建模等。需要通過一些必要的基礎數(shù)據(jù)庫進行支持，包括全球三維地形數(shù)據(jù)庫、三維海洋場景特效插件、氣象模型數(shù)據(jù)庫、武器裝備模型庫、雷達裝備數(shù)據(jù)庫及電子對抗裝備數(shù)據(jù)庫等。

2.2.3 電磁計算引擎

場景規(guī)劃的目的是仿真計算各用頻裝備在虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中的電磁信號特征。為了簡化仿真計算量，可以從對被試導彈武器的影響效應角度出發(fā)，只需仿真計算按照時間推進的、以導彈武器所處位置為中心的一定空域、一定頻域范圍的電磁信號特征。在電磁信號的仿真計算中，需要用到幾個典型的電磁計算引擎：

1）電波傳播與預測仿真器

電波傳播與預測仿真器包括海面蒸發(fā)波導傳播模型以及射線追蹤模型。其中海面蒸發(fā)波導傳播模型需要調(diào)用對流層基礎環(huán)境數(shù)據(jù)庫和對流層大氣波導環(huán)境數(shù)據(jù)庫；射線追蹤模型使用了計算機圖形的方法加速模型的建立和處理，采用了2D、3D以及快速3D的算法，根據(jù)散射的特性以及跟物體相關的反射、透射系數(shù)來評估電場、磁場，并且可以考慮武器平臺或建筑物對電波傳播的反射、折射，精確計算出接收功率、路徑損耗、到達時間以及到達角度等。

2）目標RCS及散射中心求解器

目標RCS及散射中心求解器采用高頻算法求解目標的RCS數(shù)據(jù)以及散射中心，可以通過分布式架構將其計算結果提交到系統(tǒng)中，用于雷達信號級計算。

3）天線方向圖求解器

天線方向圖求解器采用全波方法，根據(jù)天線實際結構計算天線三維方向圖數(shù)據(jù)，可以通過分布式架構將其計算結果提交到系統(tǒng)中進行聯(lián)合仿真。

仿真計算的輸出結果應是一個以被試導彈飛行彈道為中心的、按時間劃分刻度的電磁信號特征數(shù)據(jù)庫文件，包括彈目位置、信號到達角、路徑及大氣損耗、傳播時延、多普勒頻移、極化特征等等，可以根據(jù)試驗需求進行增刪。

2.2.4 動態(tài)場景視景展示

動態(tài)場景視景展示的主要目的是將場景規(guī)劃的戰(zhàn)場環(huán)境、目標、雷達以及電子對抗設備準確地定位在二維和三維的地理信息系統(tǒng)上，并能夠描繪作戰(zhàn)平臺的運動軌跡、用頻裝備的天線波束掃描等，使用戶擁有最直觀的認知。

2.2.5 彈道的迭代

需要注意的是，在進行場景規(guī)劃時，被試導彈的彈道是預先設定的；但在實際作戰(zhàn)過程中，在導彈自導段，導彈的飛行彈道是按導引頭測量信息進行導引和控制飛行的。這兩種情況下導彈的飛行彈道可能有較大差異（特別是受到干擾時），導致導引頭天線口面接收到的電磁信號特性也會存在差異。

在半實物仿真條件下，實時讀取導引頭測量信息，建立慣導模型，進行 “慣性＋雷達導引頭末尋的”的復合制導控制計算，再通過三軸轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)相對真實的自導段彈道模擬的能力，并可以記錄仿真飛行的彈道數(shù)據(jù)。因此，可以采用彈道迭代的方式，將半實物仿真過程中形成的彈道數(shù)據(jù)代入數(shù)字仿真場景中進行再次計算，以逼近導彈武器所面臨的真實電磁環(huán)境，解決這一問題的基本思路如圖5所示。

圖5 彈道迭代基本思路

也就是說，數(shù)字仿真系統(tǒng)還應具有接收半實物仿真平臺在仿真試驗過程中形成的彈道數(shù)據(jù)，并代入替換原有彈道規(guī)劃數(shù)據(jù)，再次進行場景仿真的能力。

彈道迭代可以多次進行，以盡量真實地模擬被試導彈飛行過程中所面臨的電磁環(huán)境。

2.3 戰(zhàn)場電磁環(huán)境構建之電磁環(huán)境重構

電磁環(huán)境重構的基本方法是根據(jù)數(shù)字仿真的計算結果去驅(qū)動內(nèi)場半實物仿真平臺的各類電磁信號模擬器和天線面陣，產(chǎn)生具有典型戰(zhàn)場環(huán)境特性的各類電磁信號并表現(xiàn)其變化過程，從而重現(xiàn)數(shù)字仿真中的規(guī)劃場景，其目的是為導彈武器抗干擾性能試驗提供逼真的戰(zhàn)場電磁環(huán)境。

電磁環(huán)境重構場景配置如圖6所示。

圖6 電磁環(huán)境重構場景配置

3 基于電磁環(huán)境重構的導彈武器抗干擾半實物仿真技術

3.1 半實物仿真平臺構成

基于電磁環(huán)境重構的導彈武器抗干擾半實物仿真平臺是實施戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境下導彈武器抗干擾性能試驗與評估的基礎條件，該平臺依托于微波暗室，是一個具有較高實時性的半實物仿真系統(tǒng)。平臺在統(tǒng)一的時間基準下，通過仿真主控計算機推動，將仿真重構計算的數(shù)據(jù)文件進行分發(fā)，并控制各種電磁信號模擬器輸出信號通過天線陣列空饋輸出，模擬導彈武器面臨的威脅電磁信號環(huán)境，同時通過三軸飛行轉(zhuǎn)臺承載參試導彈導引頭并模擬飛行姿態(tài)，以此構建逼真的攻防交戰(zhàn)過程，通過試驗數(shù)據(jù)采集并依據(jù)評估準則進行分析和定量評估，給出評估結果，檢驗導引頭在威脅電磁環(huán)境下的抗干擾性能。

半實物仿真平臺硬件主要由仿真計算機群、復雜電磁環(huán)境模擬分系統(tǒng)、復雜電磁環(huán)境監(jiān)測分系統(tǒng)、陣列饋電分系統(tǒng)、三軸飛行轉(zhuǎn)臺、時統(tǒng)等組成，平臺組成框圖如圖7所示。

3.2 仿真試驗流程

以反艦導彈導引頭為例，說明半實物仿真平臺開展仿真試驗的工作流程：

1）試驗準備

a）試驗前，參試導引頭安裝于三軸飛行轉(zhuǎn)臺上，并進行初始角度校準。

b）根據(jù)試驗大綱編制試驗場景文件，由試驗規(guī)劃計算機進行場景設置（根據(jù)試驗項目內(nèi)容，設置典型試驗場景、干擾戰(zhàn)術和干擾技術）。

c）進行數(shù)字仿真計算，形成逼真戰(zhàn)場電磁環(huán)境信號數(shù)據(jù)文件。

d）試驗規(guī)劃計算機將數(shù)據(jù)文件傳送給仿真主控計算機，由其進行分解，形成各分系統(tǒng)的控制文件并分發(fā)，各分系統(tǒng)按此文件完成系統(tǒng)初始化。

2）仿真試驗

初始化完成后，由仿真主控機下達啟動仿真指令，各分系統(tǒng)按照仿真場景的規(guī)劃，在統(tǒng)一的時間基準下，同步開展以下工作：

a）仿真主控計算機將規(guī)劃場景及彈目實時坐標位置送試驗規(guī)劃計算機進行視景仿真顯示。

b）仿真主控計算機將數(shù)據(jù)文件中的彈目位置信息及目標特征參數(shù)發(fā)送給目標模擬器，產(chǎn)生實時目標特征信號（目標的散射特性由給定的散射系數(shù)實時卷積并調(diào)制形成）。在此，需要接收到導引頭信號后才產(chǎn)生相參目標回波輸出，否則目標模擬器無輸出，但仿真過程中的位置、延遲等計算一直進行。

c）仿真主控計算機將目標在參考坐標系下的位置坐標換算為在天線陣列上相對于零點的角度信息，將此信息傳給陣列控制計算機。陣列控制計算機形成最終的目標陣列位置信息，這個信息就對應于目標陣列上某一個特定三元組內(nèi)的某一個特定的點。

圖7 半實物仿真平臺組成框圖

d）各環(huán)境模擬器接收從仿真主控計算機送來的電磁環(huán)境特征信息，產(chǎn)生場景設置的各類雷達和干擾信號及其特征，環(huán)境雷達及干擾信號通過陣列饋電的選通后，由天線陣列的干擾天線發(fā)射（目標和自衛(wèi)干擾信號通過目標陣列發(fā)射，背景和支援干擾信號通過干擾陣列發(fā)射）。

e）當彈目位置到導引頭預定開機位置后，仿真主控計算機控制導引頭開機（導引頭也可在仿真試驗一開始即開機），開始搜索跟蹤目標，導彈進入雷達末制導階段，參試導引頭接收到信號后，完成目標導引，將測量參數(shù)和導引頭狀態(tài)一路輸出到彈道仿真計算機，另一路由數(shù)據(jù)錄取計算機進行實時記錄，供事后評估分析。

f）彈道仿真計算機根據(jù)導引頭測量信息并結合慣導模型計算出的測量信息進行“慣性＋雷達導引頭末尋的”的復合制導控制計算，并將計算結果形成的角度信息（彈體姿態(tài)信息）發(fā)送給轉(zhuǎn)臺控制器和仿真主控計算機，由轉(zhuǎn)臺控制器去控制三軸飛行轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動角度，完成對彈體姿態(tài)的控制。

g）仿真主控計算機接收彈體姿態(tài)信息后，根據(jù)彈目的飛行速度（預設），實時計算導彈和目標的坐標位置以及彈目相對距離，坐標位置送給試驗規(guī)劃計算機進行視景顯示。在此，導引頭開機前，仿真主控計算機按規(guī)劃航跡計算彈目坐標，導引頭開機自導后，導彈的坐標位置根據(jù)彈道仿真計算機實時計算給出的彈體姿態(tài)并結合預設彈速等參數(shù)而計算得到。

h）當仿真主控計算機計算得到彈目相對距離小于某特定距離閾值時，仿真試驗結束；當仿真主控計算機計算并判斷彈目相對距離由遞減轉(zhuǎn)變?yōu)檫f增，且持續(xù)特定時間閾值時，仿真試驗結束。

i）試驗過程中，各分系統(tǒng)實時記錄各自的過程數(shù)據(jù)并打上時標，電磁環(huán)境監(jiān)測及采集記錄分系統(tǒng)也實時采集導引頭天線口面電磁信號參數(shù)，供試驗評估。

3）數(shù)據(jù)處理及評估

a）試驗終止后，各分系統(tǒng)對記錄數(shù)據(jù)進行處理，并將處理結果匯總給效能評估計算機，由其根據(jù)評估準則及評估模型，進行本次試驗的評估，并給出評估結果。

b）系統(tǒng)也可設置相同場景，進行多次試驗，并由效能評估計算機進行多次試驗的綜合評估，給出統(tǒng)計分析的評估結果。

在試驗開始前或進行中，可通過實時頻譜儀對試驗區(qū)域內(nèi)用頻設備發(fā)射信號進行監(jiān)測，并將監(jiān)測結果發(fā)送給監(jiān)控計算機進行監(jiān)測，確認各用頻設備處于正常工作狀態(tài)。

試驗生成彈道可以再次代入試驗規(guī)劃計算機進行彈道迭代仿真計算，并可再次進行半實物仿真，重復上述過程。

4 結束語

本文提出了一種數(shù)字＋半實物仿真相結合的逼真戰(zhàn)場電磁環(huán)境構建方法，通過數(shù)字仿真手段進行戰(zhàn)場電磁場景的規(guī)劃、各種仿真要素的建模，并以被試導彈武器為中心，進行多要素影響條件下的電磁信號綜合計算，再結合半實物仿真平臺，進行戰(zhàn)場電磁場景的逼真重構，為導彈武器抗干擾性能試驗驗證提供了一種全新的、既貼近實戰(zhàn)又非常經(jīng)濟有效的復雜電磁環(huán)境逼真構建方法。

［1］何立萍.戰(zhàn)場電磁環(huán)境及其對導彈武器裝備的威脅［J］.航天電子對抗，2009，25（1）：1－3.

［2］王晶.虛擬戰(zhàn)場電磁環(huán)境構建方法研究［J］.現(xiàn)代防御技術，2009，37（6）：11－16.

［3］陳進寶.復雜電磁環(huán)境下導彈作戰(zhàn)面臨的挑戰(zhàn)及對策［J］.裝備環(huán)境工程，2010，7（3）：92－95.

［4］戎建剛.威脅電磁環(huán)境的定量描述方法［J］.航天電子對抗，2013，29（4）：18－21.