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電磁對抗干擾仿真的裝備性能評估方法*1

馬靜

(航天系統(tǒng)仿真重點實驗室，北京100854)

摘要：隨著戰(zhàn)場電磁環(huán)境的日益復雜，對復雜電磁環(huán)境的建模與仿真研究需求的緊迫性不斷加劇。根據復雜對抗干擾建模與仿真技術中所涉及的內涵與特點，從仿真模式上歸納出復雜電磁環(huán)境的半實物仿真模式與通用方法，并詳細介紹其中若干關鍵要素的建模與仿真關鍵技術。同時，實現了根據半實物仿真結果，真實復現戰(zhàn)場效果，實現作戰(zhàn)性能評估。

關鍵詞：電磁對抗干擾；電磁環(huán)境；建模與仿真；作戰(zhàn)性能評估；半實物仿真；評估

0引言

近年來，世界各國紛紛加大了復雜電磁環(huán)境的研究力度，早在20世紀八、九十年代就開展了復雜電磁環(huán)境的軍事訓練[1-2]。國外對電磁環(huán)境效應的研究，除了直接使用實裝模擬電磁環(huán)境進行軍事演習外，主要是大量依靠各類信號模擬器、計算機模擬技術、分布式交互仿真技術等，構建用于電磁環(huán)境效應研究的試驗場，不斷進行仿真分析和效應試驗，并制定一系列有關電磁環(huán)境效應研究的內容和方法[3-4]。

半實物仿真與外場飛行試驗、數學仿真相比，具有物理復現目標回波，導引頭實物接入制導仿真系統(tǒng)的特點。在對抗干擾方面，半實物仿真對作戰(zhàn)性能評估具有與生俱來的優(yōu)勢，它可將數學仿真中無法精確建模的干擾電磁特征和電磁信號與導引頭的作用效果精確的模擬出來，并可重復設置各種對抗環(huán)境，反復分析武器系統(tǒng)抗干擾的性能。根據半實物仿真結果做出的作戰(zhàn)性能評估，能夠更加準確、高效。

本文將介紹在模擬復雜對抗干擾過程中的若干關鍵要素的建模與仿真關鍵技術。同時，介紹了根據半實物仿真結果，真實復現戰(zhàn)場效果，實現作戰(zhàn)性能評估。

1電磁對抗干擾分類

復雜電磁環(huán)境的分類方法很多。本文將按照5種方式進行分類，并總結各種分類間的相關性。

1.1按照威脅信號來源分

通信干擾：其示意圖如圖1所示。其干擾效果使用干擾/信號比(J/S)來衡量。有用信號和干擾信號從各自的發(fā)射機傳播到接收機，接收到的干擾信號功率和接收到的有用信號功率之比即為干信比(J/S)。J/S的值越高，說明干擾效果越好。J/S是干擾機輻射功率與有用信號輻射功率之比，和通信距離平方與干擾距離平方之比的函數。J/S達到10時，被認為可達到通信干擾的理想效果[5]。

圖1　通信干擾Fig.1　Communication jamming

雷達干擾：其示意圖如圖 2所示。J/S是到達雷達接收機的干擾功率與雷達回波信號功率之比。有幾個復雜的因素需要考慮[6]。一是需要考慮雷達天線的方向性，其次是干擾信號功率和目標回波功率與雷達距離所成冪次不同，三是雷達干擾需要考慮目標的雷達反射截面積(RCS)。因此，如圖 2所示那樣，雷達干擾中的J/S是雷達到目標距離4次方除以雷達到干擾機距離平方的函數，它同時還是干擾機輻射功率與雷達輻射功率之比，以及雷達旁瓣增益與主瓣增益之比的函數。最后需要考慮目標的RCS，其他參數相同時，RCS越小，J/S就越大[7]。

圖2　雷達干擾Fig.2　Radar jamming

1.2按照干擾能量的來源分

有源干擾：其干擾能量是由雷達發(fā)射信號以外的其他輻射源產生的。

無源干擾：其干擾能量是由非目標的物體對雷達照射信號的散射產生的。

1.3按照干擾的產生因素分

有意干擾：由人為因素而有意產生的干擾。

無意干擾：由自然或其他因素無意識產生的干擾。

1.4按照干擾信號作用的原理分

遮蓋性干擾：指在雷達接收機中干擾背景與目標回波疊加在一起，使雷達難以從中檢測目標信息。

欺騙性干擾：指在雷達接收機中干擾信號與目標回波信號難以區(qū)分，以假亂真，使雷達不能正確地檢測目標信息。

1.5按照戰(zhàn)術運用分

按照戰(zhàn)術運用分類的示意圖3所示， 可分為遠

圖3　電磁環(huán)境按戰(zhàn)術運用分類Fig.3　Classes of electromagnetism　　　environment by tactics

距支援干擾(stand-off jamming,SOJ)、隨隊干擾(escort-support jamming,ESJ)、自衛(wèi)干擾(self-screening jamming,SSJ)和近距干擾(stand-forward jamming,SFJ)。

遠距支援干擾：干擾機遠離雷達和目標，通過輻射強干擾信號掩護目標。它的干擾信號主要是從雷達天線的旁瓣進入接收機的，一般采用遮蓋性干擾。

隨隊干擾：干擾機位于目標附近，通過輻射強干擾信號掩護目標。它的干擾信號是從雷達天線的主瓣(ESJ與目標不能分辨時)或旁瓣(ESJ與目標能分辨時)進入接收機的，一般采用遮蓋性干擾。掩護運動目標的ESJ具有同目標一樣的機動能力?？找u作戰(zhàn)中的ESJ往往略微領前于其他飛機，在一定的作戰(zhàn)距離上還同時實施無源干擾。出于自身安全考慮，進入危險區(qū)域時的ESJ常由無人駕駛飛行器擔任[8]。

自衛(wèi)干擾：干擾機位于目標上，干擾的目的是使自己免遭雷達威脅。它的干擾信號是從雷達天線主瓣進入接收機，一般采用欺騙干擾，有時也采用遮蓋干擾。SSJ是現代作戰(zhàn)飛機、艦艇、地面重要目標等必備的干擾手段[9]。

近距干擾：干擾機到雷達的距離領先于目標，通過輻射干擾信號掩護后續(xù)目標。由于距離領先，干擾機可獲得寶貴的預先引導時間，使干擾信號頻率對準雷達頻率。主要采用遮蓋性干擾。距離越近，進入雷達接收機的干擾能量也越強。由于自身安全難以保障，SFJ主要由投擲式干擾機和無人駕駛飛行器擔任。

1.6分類方式間的相關性

雖然干擾信號可以按照能量來源、產生因素、作用原理來分類，但各種干擾信號分類之間相互關聯，互相影響，如圖4所示。

雖然電磁環(huán)境可以按照戰(zhàn)術運用和干擾信號分類，但按照戰(zhàn)術運用分類信號的干擾信號作用形式又可按照干擾信號的能量來源、產生因素、作用原理分類，如表1所示。

圖4　電磁環(huán)境按照干擾信號分類Fig.4　Classes of electromagnetism environment by jamming

戰(zhàn)術運用分類所采用的干擾信號形式遠距支援干擾遮蓋性干擾隨隊干擾 遮蓋性干擾無源干擾自衛(wèi)干擾 欺騙干擾遮蓋性干擾近距干擾 遮蓋性干擾

1.7干擾樣式

經過對干擾信號形式和戰(zhàn)術使用方式的全面分析，可歸納出基本干擾樣式和戰(zhàn)術使用方式。再根據實戰(zhàn)對象的干擾裝備技術發(fā)展水平，賦予這些干擾樣式以及典型的干擾參數，基本干擾樣式已達到較先進的技術水平，見表2所示。

2電磁干擾仿真技術

目標與干擾半實物仿真將彈上制導控制系統(tǒng)設備作為仿真系統(tǒng)的一部分接入系統(tǒng)，與仿真設備共同完成飛行器在試驗室環(huán)境下的模擬飛行。目標與干擾半實物仿真系統(tǒng)有物理仿真設備和目標及干擾的數學仿真模型，如圖5所示。物理仿真主要有天線陣列饋電系統(tǒng)、射頻信號源、三軸飛行轉臺和負載模擬器，以及各仿真設備的控制計算機、仿真計算機、接口裝置、仿真軟件等。

目標與干擾信號生成系統(tǒng)用來給飛行器探測系統(tǒng)提供與真實環(huán)境等效的射頻信號功率和飛行器與目標間相對運動特性；彈體飛行姿態(tài)模擬器，也稱飛行模擬轉臺，用來安裝飛行器系統(tǒng)的參試設備，提供彈體的俯仰、偏航、滾動三維角運動；仿真計算機的主要功能是實時完成飛行器全量動力學和運動學模型計算，輸出飛行器角運動和質心運動參量，以及飛行器與目標相對運動距離和相對視線角信息給伺服控制計算機，用于形成飛行模擬轉臺和目標系統(tǒng)的控制指令；同時與參試的彈上實物和半實物仿真系統(tǒng)其他設備進行實時信息交換，形成一個實時閉環(huán)半實物仿真試驗系統(tǒng)[10]。

對于目標與干擾的仿真是由目標及干擾的數學仿真模型將對飛行器所面臨的各類目標及對抗干擾進行數學建模，在仿真設備的控制計算機中運行數學模型，產生基帶信號，將基帶信號輸出仿真設備調制中頻并變頻到射頻信號發(fā)射，將導引頭接收信號實現對導引頭抗干擾性能評定[11]。對目標與干擾的角位置信息的模擬，需要將目標角位置數學模型和干擾角位置數學模型控制天線陣列，包括角位置模型、角閃爍模型、近場效應模型、角度欺騙干擾、多路徑和角反射器。目標與干擾的功率、距離、速度信息的模擬，需要將目標模型和干擾數學模型控制射頻信號源，包括多普勒、時延、幅度、體目標散射點、速度欺騙干擾、距離欺騙干擾、壓制噪聲干擾模型。對于計算量大的統(tǒng)計型自然環(huán)境模型，如地/海雜波、箔條干擾和目標電磁特征計算模型，需要在高速并行計算機/計算機群中進行運算，將基帶信號輸入信號源控制機控制射頻信號源設備。

表2　基本干擾樣式及有關參量

圖5　目標與干擾半實物仿真系統(tǒng)Fig.5　Target and jamming hardware-in-loop simulation system

3復雜對抗干擾建模與仿真試驗對作戰(zhàn)性能的評估

半實物仿真與外場飛行試驗、數學仿真相比，具有物理復現目標回波，導引頭實物接入制導仿真系統(tǒng)的特點。外場飛行試驗雖然置信度較高，但對飛行器運動特性和交會關系難以模擬，耗時、費力、代價高昂。數學仿真的置信度依賴于模型準確性，模型依靠外場和半實物仿真校驗。半實物仿真的仿真逼真度高，試驗場景可靈活設置，可多次重復試驗，是飛行試驗前設計驗證、飛行試驗后故障定位和試驗鑒定必不可少的手段[12-13]。

在對抗干擾方面，半實物仿真對作戰(zhàn)任務規(guī)劃具有與生俱來的優(yōu)勢，它可將數學仿真中無法精確建模的干擾電磁特征和電磁信號與導引頭的作用效果精確地模擬出來，并可重復設置各種對抗環(huán)境，反復分析武器系統(tǒng)抗干擾的性能，同時可復現外場飛行試驗的故障情況，詳細分析其中的原因。

設對一次彈道武器性能作戰(zhàn)規(guī)劃部署如下(本次規(guī)劃只是學術研究中的假設)：假設藍軍有2個來襲目標，一個目標是需打擊目標，另一個目標帶干擾是為掩護打擊目標。紅軍有2發(fā)同等性能的防御性飛行器進行攔截，怎樣有效打擊目標侵犯。雖然是2發(fā)防御飛行器打擊2個來襲目標，但來襲目標具有主動性強、機動能力大、突發(fā)范圍廣等特點，因此防御武器是存在單發(fā)殺傷概率的，即打準目標是有一定的概率的。更何況是在復雜電磁環(huán)境中，有干擾機掩護目標，其打擊概率會有很大程度的降低。這種作戰(zhàn)部署，可在半實物仿真系統(tǒng)中設置與戰(zhàn)情完全相同的環(huán)境，實現近乎逼真的戰(zhàn)場環(huán)境模擬，以實現最完美的作戰(zhàn)規(guī)劃[14-15]。

首先，選擇直接打擊目標的作戰(zhàn)規(guī)劃。將防御飛行器設定為瞄準目標打擊，在半實物仿真系統(tǒng)中設置相應參數，重復20次仿真試驗。從半實物仿真結果可看出，防御飛行器受到干擾機的影響，無法實現精確命中目標，如圖6所示。

圖6　防御飛行器直接打擊目標Fig.6　Firing target directly by defense aerocraft

因此，考慮是否可以先打落干擾機，再打擊目標。但干擾機的信號樣式復雜多變，不易跟蹤，同時如果先打干擾再打目標，會有失去攻擊的最佳時間，使得目標逃離。在半實物仿真系統(tǒng)中，設置相應參數，重復20次仿真試驗。從半實物仿真結果可看出，防御飛行器搜索跟蹤上了干擾機，可將其擊中，如圖 7所示；再發(fā)射第2發(fā)飛行器，可擊中需命中目標，如圖 8所示。通過半實物仿真對作戰(zhàn)規(guī)劃的復現，可有效地確定最佳作戰(zhàn)規(guī)劃部署。

圖7　防御飛行器打擊干擾機Fig.7　Firing jammer by defense aerocraft

圖8　防御飛行器打擊目標Fig.8　Firing Target by defense aerocraft

4結束語

隨著戰(zhàn)場電磁環(huán)境的日益復雜，對復雜干擾對抗的建模與仿真研究需求的緊迫性不斷加劇。本文從仿真模式上歸納出復雜電磁環(huán)境的半實物仿真模式與通用方法，并詳細介紹其中若干關鍵要素的建模與仿真關鍵技術。從仿真模式上歸納出復雜電磁環(huán)境的半實物仿真模式與通用方法，并詳細介紹其中若干關鍵要素的建模與仿真關鍵技術。同時，實現了根據半實物仿真結果，真實復現戰(zhàn)場效果，實現作戰(zhàn)性能評估。

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Assessment of Equipment Performance Based on Electromagnetism Environment Simulation

MA Jing

(Science and Technology on Special System Simulation Laboratory，Beijing 100854,China)

Abstract:As electromagnetism environment is complicated in the battle field, the study on simulation for complicated electromagnetism environment is demanded urgently. According to the content and characteristics of modeling for anti-jamming, the hardware-in-loop (HWIL) method and key technique for electromagnetism environment simulation are introduced, which can evaluate the capability of radar in battle.

Key words:electromagnetism jamming; electromagnetism environment; modeling and simulation; the assessment of the operational performance; hardware-in-loop simulation; assessment

中圖分類號：TN973;TP391.9

文獻標志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-05-0001-06

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.05.001

通信地址：100854北京市142信箱30分箱E-mail：phd.jingma@gmail.com

作者簡介：馬靜(1982-)，女，陜西西安人。高工，博士，研究方向為射頻仿真。

基金項目：有

*收稿日期：2014-10-10；修回日期：2015-02-11

編者按：“2014年復雜戰(zhàn)場環(huán)境與精確制導技術研討會”成功舉行。會議得到了國內從事空天防御的軍方、軍工單位、科研院所、高校等的積極響應和大力支持，共征集到近70篇論文。《現代防御技術》特開辟專欄陸續(xù)分期刊登此次會議的部分優(yōu)秀論文，供讀者參考。