張 楊，石 川，耿宏峰，喬會東

（中國洛陽電子裝備試驗(yàn)中心，河南 洛陽 471003）

空戰(zhàn)場雷達(dá)電磁環(huán)境仿真系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

張 楊，石 川，耿宏峰，喬會東

（中國洛陽電子裝備試驗(yàn)中心，河南 洛陽 471003）

構(gòu)建逼真的戰(zhàn)場電磁環(huán)境是未來信息化條件下作戰(zhàn)、訓(xùn)練的迫切需要。在分析空戰(zhàn)場雷達(dá)電磁環(huán)境特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用功能仿真的方法，利用信號描述字模型，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一個空戰(zhàn)場雷達(dá)電磁環(huán)境仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對多種體制不同密度級的雷達(dá)信號環(huán)境仿真，并支持電磁環(huán)境態(tài)勢的實(shí)時顯示，可以為信息化聯(lián)合訓(xùn)練以及空中作戰(zhàn)系統(tǒng)的研制提供一定的環(huán)境背景支持。

空中戰(zhàn)場，電磁環(huán)境仿真，雷達(dá)信號模型，脈沖描述字

0 引言

被譽(yù)為現(xiàn)代高技術(shù)縮影的空戰(zhàn)場是運(yùn)用現(xiàn)代高技術(shù)最多、最密集的領(lǐng)域之一，各種先進(jìn)電子武器裝備的廣泛應(yīng)用使有限的空間電磁環(huán)境變得更加惡劣復(fù)雜。未來空戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境不僅影響到各類電子裝備的效能發(fā)揮，也直接影響到整個部隊的戰(zhàn)斗力和戰(zhàn)場生存能力。

雷達(dá)輻射源在戰(zhàn)場各種輻射源中占有重大比重［1］，武器平臺在不同的時段要面臨包括偵察預(yù)警、雷達(dá)探測、雷達(dá)干擾等不同地域、不同頻段、不同類型的各種雷達(dá)電磁威脅，進(jìn)行雷達(dá)電磁環(huán)境的仿真研究對于戰(zhàn)場電磁環(huán)境的研究具有一定的代表性和普遍意義。如何把握雷達(dá)對抗電磁信號特點(diǎn)規(guī)律，構(gòu)建貼近實(shí)戰(zhàn)的可視化電磁環(huán)境，已經(jīng)成為信息化條件下聯(lián)合作戰(zhàn)和訓(xùn)練的迫切需要。本文以飛機(jī)空中突防作戰(zhàn)為戰(zhàn)術(shù)背景，采用功能仿真方法，構(gòu)建了全數(shù)字雷達(dá)電磁環(huán)境仿真系統(tǒng)，并完成了預(yù)設(shè)戰(zhàn)情下的仿真實(shí)驗(yàn)。

1 空戰(zhàn)場雷達(dá)電磁環(huán)境特點(diǎn)

空戰(zhàn)場電磁環(huán)境是指在空戰(zhàn)場一定時空和頻段范圍內(nèi)，以空間自然電磁環(huán)境為背景，人為電磁活動為主體，由空域、時域、頻域、能量上分布的多類型、全頻譜、高密度、動態(tài)交迭的電磁輻射信號構(gòu)成的，對電子信息系統(tǒng)、信息化裝備和作戰(zhàn)產(chǎn)生顯著影響的電磁環(huán)境［2］。防空作戰(zhàn)中，戰(zhàn)場地理環(huán)境、裝備種類及運(yùn)動特性、戰(zhàn)術(shù)原則都有其自身的特點(diǎn)，從而決定了空戰(zhàn)場雷達(dá)電磁環(huán)境自身的顯著特征［3-5］。

1.1 武器平臺種類多、信號密級復(fù)雜

防空作戰(zhàn)中，作戰(zhàn)平臺分布于不同地理位置，種類多、數(shù)量大、工作體制多樣，工作頻率集中，再加上作戰(zhàn)方法的多樣靈活以及自然條件的不確定因素，導(dǎo)致作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)的電磁信號高度密集，樣式復(fù)雜多變。

1.2 空域、時域、頻域環(huán)境信息實(shí)時變化

防空作戰(zhàn)中，可以搭載的作戰(zhàn)平臺包括飛機(jī)、導(dǎo)彈等都是處于運(yùn)動狀態(tài)的，因此，導(dǎo)致雷達(dá)輻射源的輻射信號也是在空域?qū)崟r變化的。同時為了實(shí)現(xiàn)有效的偵察、定位、干擾，在不同空間，不同時刻，雷達(dá)的開機(jī)時間、工作模式、干擾樣式、信號強(qiáng)度等都會發(fā)生變化，這就造成了空戰(zhàn)場雷達(dá)電磁環(huán)境的空、時、頻域的多變特性。

1.3 對抗性突出，雙面性并存

超強(qiáng)的對抗性，是空中戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境的突出特點(diǎn)。為了取得戰(zhàn)爭的勝利，作戰(zhàn)雙方需要通過偵察與反偵察、干擾與反干擾、壓制與反壓制、摧毀與反摧毀等一系列對抗活動來加強(qiáng)對對方裝備的偵察、監(jiān)視、跟蹤，打擊。但在電子信息系統(tǒng)制發(fā)射電磁信號，影響和制約對方的同時，也可能會影響到自己，在一定程度上降低己方電子信息裝備的性能。對抗性和雙面性并存的特點(diǎn)，使電子信息裝備工作在更加復(fù)雜的電磁環(huán)境中。

1.4 作戰(zhàn)環(huán)境的局部可控

作戰(zhàn)過程中，對抗雙方根據(jù)對戰(zhàn)場態(tài)勢的判斷，對參戰(zhàn)兵力進(jìn)行有計劃的部署和調(diào)動，環(huán)境中的可控制部分主要為雙方武器平臺和裝備，以及作戰(zhàn)計劃、空情規(guī)劃、時序控制等。這也為電磁環(huán)境建模仿真的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。

2 空戰(zhàn)場雷達(dá)電磁環(huán)境仿真系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

結(jié)合上述特點(diǎn)，進(jìn)行空戰(zhàn)場雷達(dá)電磁環(huán)境仿真系統(tǒng)設(shè)計。仿真系統(tǒng)以飛機(jī)空中突防作戰(zhàn)為戰(zhàn)術(shù)背景，利用計算機(jī)模擬產(chǎn)生能反映目標(biāo)雷達(dá)電磁信號、己方雷達(dá)電磁信號以及其他背景信號的綜合電磁信號環(huán)境數(shù)據(jù)，并基于MapX實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)空域內(nèi)或突防航線上電磁環(huán)境態(tài)勢的統(tǒng)計分析和實(shí)時顯示。系統(tǒng)組成如圖1所示。

空戰(zhàn)場雷達(dá)電磁環(huán)境仿真系統(tǒng)主要包括電磁環(huán)境仿真與顯示和電磁環(huán)境數(shù)據(jù)庫管理與應(yīng)用兩大功能模塊。

電磁環(huán)境仿真與顯示模塊包括戰(zhàn)情管理、仿真管理與控制和仿真結(jié)果顯示3個子模塊。戰(zhàn)情管理模塊根據(jù)空中的任務(wù)特點(diǎn)編制戰(zhàn)情，并形成戰(zhàn)情文件供仿真管理與控制模塊調(diào)用；仿真管理與控制模塊通過調(diào)用戰(zhàn)情文件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，根據(jù)仿真模型進(jìn)行雷達(dá)信號傳播過程仿真，生成預(yù)定空域的電磁信號環(huán)境數(shù)據(jù)；仿真結(jié)果顯示模塊實(shí)現(xiàn)可視化輸出，輸出結(jié)果包括數(shù)據(jù)文件、統(tǒng)計圖表和基于電子地圖的二維電磁態(tài)勢顯示。

電磁環(huán)境數(shù)據(jù)庫管理與應(yīng)用模塊包括數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理軟件兩部分。數(shù)據(jù)庫包括雷達(dá)裝備數(shù)據(jù)庫、雷達(dá)干擾裝備數(shù)據(jù)庫和仿真結(jié)果數(shù)據(jù)庫3個子庫，分別存儲雷達(dá)、雷達(dá)干擾裝備和信號特征參數(shù)以及仿真結(jié)果數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫管理軟件完成用戶管理和數(shù)據(jù)添加、刪除、修改等功能。

2.2 雷達(dá)電磁環(huán)境仿真模型

仿真系統(tǒng)采用功能仿真的方法進(jìn)行作戰(zhàn)空域的電磁環(huán)境仿真，利用基于信號描述字的電磁環(huán)境特征表征方法構(gòu)建電磁環(huán)境仿真數(shù)學(xué)模型，仿真模型分類如圖2所示。

2.2.1 信號環(huán)境模型

信號環(huán)境模型包括雷達(dá)信號描述模型和雷達(dá)干擾信號描述模型。

通常突防飛機(jī)所在位置面臨的電磁環(huán)境由該處接收到的雷達(dá)輻射源脈沖信號流表示，仿真系統(tǒng)的信號環(huán)境模型主要采用脈沖流描述字（PDW）模型描述［6-7］。

雷達(dá)信號描述模型包括5項參數(shù)：脈沖前沿到達(dá)時間（TOA）、脈沖載頻（RF）、脈沖寬度（PW）、脈沖功率密度（PD）、脈沖到達(dá)角（AOA）。由于雷達(dá)裝備型號和用途不同，各個參數(shù)的特點(diǎn)、分類也不同，仿真中的模型分類如圖3所示。

雷達(dá)干擾信號包括欺騙干擾和噪聲干擾，其仿真模型分類如圖4所示。其中欺騙干擾信號樣式與雷達(dá)信號樣式一致，其數(shù)學(xué)描述模型參見雷達(dá)信號描述模型。噪聲干擾信號采用噪聲信號描述字（NDW）描述。主要包括以下參數(shù)：噪聲調(diào)制類型（NM）、噪聲平均功率密度（PD）、噪聲干擾信號帶寬（NBW）、信號到達(dá)角（AOA）等。

文獻(xiàn)［6，8-9］已經(jīng)對上述模型進(jìn)行了敘述，本文不再詳細(xì)說明。

2.2.2 信號統(tǒng)計模型

通過對時域、頻域、功率域等的仿真信號結(jié)果統(tǒng)計分析，實(shí)現(xiàn)電磁環(huán)境態(tài)勢顯示，主要完成裝備體制-裝備數(shù)量，信號頻段-裝備數(shù)量，信號頻段-脈沖數(shù)，功率密度-脈沖數(shù)，合成功率密度峰值-到達(dá)角，信號頻段-合成功率密度峰值，脈沖寬度-脈沖數(shù)的統(tǒng)計分析。

2.2.3 天線模型

天線模型按照掃描樣式建模。當(dāng)雷達(dá)裝備與飛機(jī)間距離小于跟蹤距離，雷達(dá)處于跟蹤狀態(tài)，此時掃描方式為固定指向，歸一化天線方向圖函數(shù)F（θ）=1；當(dāng)雷達(dá)裝備與飛機(jī)間距離大于跟蹤距離，雷達(dá)處于搜索狀態(tài)，此時掃描方式為圓掃或其他掃描方式，歸一化天線方向圖函數(shù)受雷達(dá)波束形狀和掃描方式的影響。

2.2.4 傳播模型

傳播模型用于計算電磁信號的空間傳輸損耗，主要由系統(tǒng)發(fā)射損耗和大氣傳輸損耗兩方面構(gòu)成，如式（1）所示。其中系統(tǒng)損耗可以根據(jù)裝備資料查表得到。

大氣衰減主要考慮對流層折射、吸收的影響，則大氣對電磁波信號的損耗為：

2.2.5 共用模型

仿真中，裝備平臺和突防飛機(jī)的位置信息由地理緯度、經(jīng)度、海拔高度來確定，采用的是WGS84坐標(biāo)（大地坐標(biāo)系）。在進(jìn)行環(huán)境信息計算時，要在以突防飛機(jī)為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系下計算信號傳播距離、到達(dá)角等信息，因此，需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，分以下兩步進(jìn)行。

首先，分別將裝備平臺和突防飛機(jī)的大地坐標(biāo)（L，B，H）轉(zhuǎn)換成空間大地直角坐標(biāo)（X，Y，Z），轉(zhuǎn)換模型為：

其次，將裝備平臺的空間大地直角坐標(biāo)（XD，YD，ZD）轉(zhuǎn)換成以突防飛機(jī)為原點(diǎn)的垂線坐標(biāo)系中的坐標(biāo)（XC，YC，ZC），轉(zhuǎn)換模型為：

式中，λ0、φ0是突防飛機(jī)天文經(jīng)緯度，可以由其大地坐標(biāo)經(jīng)緯度計算得到；XD0、YD0、ZD0是突防飛機(jī)的空間大地直角坐標(biāo)。

仿真系統(tǒng)中的平臺運(yùn)動模型根據(jù)運(yùn)動航跡不同，分為直線型、跑道型和自定義型。其中自定義航跡是根據(jù)戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃，自行設(shè)計的任一平臺運(yùn)動軌跡。

2.3 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

利用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM(jìn)行軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計。仿真軟件由數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用軟件兩部分組成，其中數(shù)據(jù)庫主要用于存儲裝備信息和用戶信息；應(yīng)用軟件包含戰(zhàn)情設(shè)置與管理、仿真管理與控制和數(shù)據(jù)庫管理與應(yīng)用3個軟件配置項和用戶管理軟件部件。仿真軟件層次結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中軟件基礎(chǔ)層包含軟件實(shí)現(xiàn)所需要的控件或基礎(chǔ)類包，軟件中間層包含通用的服務(wù)和數(shù)據(jù)，軟件應(yīng)用層包含應(yīng)用3個配置項及用戶管理有關(guān)的類和包，具體說明如表1所示。

2.4 系統(tǒng)仿真流程

一般輻射源信號發(fā)射是獨(dú)立進(jìn)行的，在進(jìn)行突防飛機(jī)某位置的仿真時依次計算每部裝備產(chǎn)生的電磁環(huán)境信息，然后將所有裝備的信息進(jìn)行稀釋排序，就得到當(dāng)前位置的雷達(dá)電磁環(huán)境信息。系統(tǒng)仿真流程如下頁圖6所示。完成初始化設(shè)置和參數(shù)設(shè)置后，進(jìn)行突防飛機(jī)當(dāng)前位置的電磁環(huán)境信息計算。每推進(jìn)一個步長，就計算飛機(jī)所在位置的雷達(dá)電磁環(huán)境信息，飛機(jī)按預(yù)設(shè)戰(zhàn)情完成飛行任務(wù)后，就可以獲取并實(shí)時顯示整個突防航線上的電磁環(huán)境態(tài)勢。

雷達(dá)脈沖描述字（PDW）的生成需要考慮到排序和重疊問題。PDW數(shù)據(jù)流排序是按照TOA先后順序?qū)Ω鱾€脈沖進(jìn)行排序，方法有冒泡排序、兩分法，歸并法和快速排序等，隨著元素數(shù)目的增加，快速排序法是最快的排序方法之一。軟件中選用VC中自帶的快速排序函數(shù)sort（）對存放PDW數(shù)據(jù)流的動態(tài)數(shù)組進(jìn)行排序。

對于同時到達(dá)的脈沖信號，現(xiàn)實(shí)中處理的方式比較復(fù)雜。在數(shù)學(xué)仿真實(shí)現(xiàn)時，有脈沖合并、簡單丟失、按某種參數(shù)優(yōu)選、隨機(jī)產(chǎn)生新脈沖等方法［10］。仿真系統(tǒng)中采用脈沖合并的方法對排序后脈沖流信號進(jìn)行處理，按照到達(dá)時間的先后，丟失其中一個或幾個脈沖，將其合并為一個脈沖。脈沖合并過程如圖7所示，合并流程如圖8所示。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

設(shè)置突防飛機(jī)沿某跑道型航跡飛行，讀取預(yù)設(shè)戰(zhàn)情文件，利用雷達(dá)電磁環(huán)境仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到飛機(jī)整個突防航線上的電磁環(huán)境仿真結(jié)果。參與仿真的裝備類型如表2所示。

下頁圖9～圖14給出了突防飛機(jī)在坐標(biāo)位置為：經(jīng)度119.98°，緯度26.025°，高度1 000 m時的部分仿真統(tǒng)計結(jié)果。

從圖9、圖10與表1對比可以看出，裝備體制統(tǒng)計結(jié)果與參數(shù)設(shè)置一致，表明當(dāng)前位置所有裝備都處于工作狀態(tài)。圖11、圖12顯示了當(dāng)前位置脈沖流的頻域分布，從圖中可以看出，雷達(dá)信號集中于P、L、S、X波段，且在L波段數(shù)量較大，表明當(dāng)前雷達(dá)裝備多數(shù)工作于L波段；雷達(dá)干擾信號集中于S、C、X波段，且脈沖數(shù)量在各波段分布比較均勻。圖13、圖14顯示了在突防飛機(jī)觀測系下功率密度的空域分布，這里到達(dá)角為突防飛機(jī)-輻射源連線方向的方位角，從圖中可以看出，雷達(dá)信號覆蓋方位范圍較大，且在216°～252°區(qū)間的強(qiáng)度最大；雷達(dá)干擾信號覆蓋方位范圍小，分布均勻。

通過對飛機(jī)整個突防航線上電磁環(huán)境進(jìn)行仿真分析，實(shí)時觀測空域電磁環(huán)境特點(diǎn)，可以看出在不同突防階段，電磁環(huán)境的特性相差很大，充分顯示出空戰(zhàn)場電磁環(huán)境在時域、空域、頻域復(fù)雜多變的動態(tài)特性。仿真結(jié)果與參數(shù)設(shè)置、戰(zhàn)情規(guī)劃一致，基本上正確反映了飛機(jī)突防空域的電磁環(huán)境信息。

4 結(jié)束語

在未來信息化條件作戰(zhàn)中，戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境將對各類信息化武器裝備及部隊作戰(zhàn)能力產(chǎn)生嚴(yán)重影響，迫切需要開展復(fù)雜電磁環(huán)境研究。本文圍繞未來空中戰(zhàn)場電磁環(huán)境研究需求，在分析空戰(zhàn)場電磁環(huán)境特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用數(shù)學(xué)仿真的方法，構(gòu)建了功能級的空戰(zhàn)場雷達(dá)電磁環(huán)境仿真系統(tǒng)，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)仿真模型能夠較全面地反映預(yù)設(shè)戰(zhàn)情下輻射源的信號特性，仿真系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對多種體制不同密度級的雷達(dá)信號環(huán)境仿真，可以為信息化聯(lián)合訓(xùn)練以及空中作戰(zhàn)系統(tǒng)的研制提供信號環(huán)境背景支持。

［1］吳委，廖學(xué)軍.戰(zhàn)場電磁環(huán)境仿真中的雷達(dá)信號建模與仿真［J］.計算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)展，2008（9）:158-163.

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Design and Implementation of Radar Electromagnetic Environment Simulation System in Aerial Battlefield

ZHANG Yang，SHI Chuan，GENG Hong-feng，QIAO Hui-dong
（China Luoyang Electronic Equipment Test Center，Luoyang 471003，China）

It is important for future information-based battle and training to construct the reality battlefield electromagnetic environment.The characteristics of aerial battlefield radar electromagnetic environment are analyzed.Then a radar electromagnetic environment simulation system is designed and implemented based on function simulation method and signal describing modeling.The system can accomplish simulation for radar signals with multi type and density class.It also supports real-time display of the electromagnetic environment situation.The system can provide signal background for information-based joint training and aerial combat system development.

aerial battlefield，electromagnetic environment simulation，radar signal model，PDW

TP391.9

A

1002-0640（2015）10-0172-06

2014-08-05

2014-09-07

張 楊（1981- ），女，河南鞏義人，碩士，助理研究員。研究方向：建模與系統(tǒng)仿真。