王世濤，馬 霞

(1.海軍裝備部駐重慶地區(qū)軍事代表局，重慶400042;2.中國西南電子技術研究所，成都610036)

1 引 言

在航空領域，仿真技術已成為研制飛行器及其搭載設備的必備手段之一，取得了很高的軍事效益、經(jīng)濟效益以及社會效益［1－3］。近年來，隨著軍事對抗系統(tǒng)的日益復雜，平臺裝備的傳感器功能不斷提高，種類不斷增加，軍用仿真系統(tǒng)正朝著高度集成化和模塊化的方向發(fā)展，高精度、高準度的傳感器模型成為保證軍用仿真系統(tǒng)可信性的關鍵因素。

仿真系統(tǒng)的核心是仿真體系結構，它從全局角度上描述仿真系統(tǒng)各個單元的功能、結構以及不同單元之間的物理與邏輯關系，指導仿真系統(tǒng)的設計、實現(xiàn)與使用。目前，最常用的仿真體系結構是DIS和HLA［4］?；贒IS 的仿真系統(tǒng)主要由仿真節(jié)點和計算機網(wǎng)絡組成，其中，仿真節(jié)點負責仿真實體的運算與推進，計算機網(wǎng)絡負責仿真實體狀態(tài)和事件信息的傳遞。DIS 體系結構具有邏輯清晰、實現(xiàn)簡單等優(yōu)點，但它是以廣播方式進行信息傳遞，往往導致網(wǎng)絡負載過大和時空不一致?；贖LA 的仿真系統(tǒng)主要由聯(lián)邦成員和運行支撐環(huán)境RTI 組成，不同邦員之間按照接口規(guī)范進行互操作。HLA 體系結構采用客戶/服務器方式進行信息傳遞，提高了網(wǎng)絡帶寬的利用率，并且具有很好的開放性、可重用性、可擴展性，但是實時服務的性能較差。更重要的是，由于DIS 和HLA 均側(cè)重于通用化、標準化，從而無法很好地滿足具體領域的特定需求。因此，本文開發(fā)航空傳感器仿真系統(tǒng)時采用了更具專業(yè)背景的SEWES 平臺。

南非科技與工業(yè)研究院(CSIR)開發(fā)了一個基于Matlab 與Simulink 環(huán)境［2］的多對多傳感器和電子戰(zhàn)仿真系統(tǒng)(Sensors ＆ Electronic Warfare Engagement Simulator，SEWES)，它可實現(xiàn)多個武器平臺在同一個仿真環(huán)境中進行對抗，且每個武器平臺可根據(jù)需要配置多種傳感器和電子戰(zhàn)系統(tǒng)。SEWES 平臺可以選擇陸上、海上或空中平臺，每個平臺都有自己的管理中心，由它來控制不同仿真模塊之間的信息交互。SEWES 平臺內(nèi)的模型長期被CSIR 所使用，其可信性在多個武器裝備研制過程中得到過充分的驗證。本文基于SEWES 架構，重點研究應用于空戰(zhàn)場景仿真的四類平臺和系統(tǒng)模型，分別是飛機平臺模型、機載相控陣雷達模型、機載電子戰(zhàn)系統(tǒng)模型和射頻環(huán)境模型。在此基礎上，構建了一套航空傳感器仿真系統(tǒng)，用以支撐機載綜合射頻傳感器的作戰(zhàn)需求分析及型號研制。

2 系統(tǒng)模型結構

在SEWES 平臺上，所有系統(tǒng)模型的頂層結構是固定統(tǒng)一的，如圖1所示。每個平臺均有一個平臺指揮與控制(PCC)單元，它集成了該平臺所有系統(tǒng)模型相應的系統(tǒng)指揮與控制(SCC)模型，從而達到指揮和控制本平臺內(nèi)所有模型的目的。PCC 單元所發(fā)指令通過系統(tǒng)控制器(SC)發(fā)送給系統(tǒng)模型，這種鏈路通信是基于事件的。仿真中不同事件均以時間為基礎，系統(tǒng)模型通過參與到特定次序的事件中按其開始時間被觸發(fā)運作。SC 的核心是一個狀態(tài)機，它以“狀態(tài)流”的方式運行，模型執(zhí)行的不同階段都受其控制和安排。不同模型對應狀態(tài)機的特定實現(xiàn)可以不同。數(shù)據(jù)獲取單元用于獲得當前系統(tǒng)模型處理所需的來自其他系統(tǒng)模型的數(shù)據(jù)。例如，當前系統(tǒng)是導彈，它需要自身平臺的位置信息和射頻目標的射頻信息。系統(tǒng)模型單元是每種特定系統(tǒng)模型的算法實現(xiàn)。除了模型本身應含的內(nèi)部功能外，它還應具備以下通用功能:一是連接到PCC 單元響應被要求的指控信息，如模型啟動、與其他模型執(zhí)行同步、從其他模型請求和接收數(shù)據(jù)、向仿真記錄與顯示(SLD)單元發(fā)送系統(tǒng)模型輸出;二是連接到SLD單元;三是停止仿真。SLD 單元實現(xiàn)系統(tǒng)模型與外部獨立顯控系統(tǒng)(場景內(nèi)所有系統(tǒng)數(shù)據(jù)都在此集中記錄和顯示)之間的通信，它必須按照前端PCC 要求的時間和內(nèi)容實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出。請求響應單元是處理其他系統(tǒng)模型通過其自身的數(shù)據(jù)獲取單元向當前模型發(fā)出的所有數(shù)據(jù)支撐請求，例如平臺模型通過該部分給導彈模型提供導彈發(fā)射的位置信息。

圖1 系統(tǒng)模型頂層結構圖Fig.1 The top structure of system model

3 系統(tǒng)模型設計

3.1 飛機平臺模型

在SEWES 中，飛機平臺模型提供規(guī)定的飛機平臺參數(shù)信息，如位置、速度、加速度等，它包括六自由度運動、自動駕駛儀、雷達散射截面(RCS)計算等模塊。

六自由度運動模塊根據(jù)飛行力學計算飛機實時受力情況和飛機實時位置、姿態(tài)。六自由度運動分別為沿X 軸(東)、Y 軸(北)、Z 軸(天)的直線運動和繞X 軸(俯仰)、Y 軸(橫滾)、Z 軸(航向)旋轉(zhuǎn)的運動，工作原理為質(zhì)心動力學方程和繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動動力學方程。

自動駕駛儀主要完成兩個功能:一是根據(jù)外部輸入的控制信號計算飛機的控制力;二是根據(jù)飛機的受力對飛機進行姿態(tài)控制，使飛機平穩(wěn)飛行。它包含力控制和力矩控制兩個控制回路，均采用比例積分控制器進行控制，其中力控制器的輸入為X、Y、Z 的速度偏差控制量，力矩控制器的輸入為橫滾角偏差控制量。

RCS 計算模塊根據(jù)接收到的射頻信號，結合飛機的姿態(tài)等信息，計算飛機到雷達的視線角，進而計算飛機RCS，并產(chǎn)生回波信號。這里RCS 特征數(shù)據(jù)是通過在給定方位角、俯仰角的條件下查表獲得的。而表征飛機動態(tài)信號行為的RCS 波動是采用負指數(shù)分布(或稱瑞利功率)進行建模，具體公式為

回波信號功率Pr=Piσ，其中Pi為雷達的發(fā)射功率。

3.2 機載相控陣雷達模型

20世紀90年代末，世界上第一部有源相控陣機載火控雷達AN/APG－77 研制成功，裝備在美國新一代戰(zhàn)機F－22 上［5］。本文以機載雷達APG－77 的系統(tǒng)功能及性能為參考，采用層次化的方法建立機載相控陣火控雷達系統(tǒng)的仿真模型，實現(xiàn)雷達從發(fā)射波形的選擇到目標回波的接收、信號和數(shù)據(jù)處理的全過程系統(tǒng)仿真。

圖2給出了機載相控陣雷達系統(tǒng)模型的基本功能模塊、輸入輸出以及信息流程。它是一個具有自適應功能的閉環(huán)系統(tǒng)，接收外部系統(tǒng)導入的雷達初始化參數(shù)及實時信息數(shù)據(jù)，進而對目標檢測、搜索、多目標跟蹤以及波束調(diào)度功能進行信號級仿真。

圖2 相控陣雷達系統(tǒng)模型功能結構圖Fig.2 The functional diagram of phased array radar system model

(1)波束調(diào)度模塊

實現(xiàn)目標搜索、跟蹤的波束調(diào)度管理;實現(xiàn)雷達發(fā)射信號的波形、PRI、帶寬、脈寬等模板選擇;根據(jù)外部輸入的雷達發(fā)射信號功率控制參數(shù)實現(xiàn)自適應功率控制或功率分級;實現(xiàn)多種工作模式(RWS、TAS、MTT、STT、VSR 等)的正常運行及其之間的正常切換;實現(xiàn)雷達內(nèi)部時間管理和推進。

(2)天線模塊

根據(jù)外部輸入的天線增益(主瓣增益和平均旁瓣增益)、天線波束寬度和方陣陣元數(shù)等參數(shù)計算天線方向圖;從文件讀取天線方向圖數(shù)據(jù)，并根據(jù)當前波束指向和目標位置計算相應的天線增益值。

(3)發(fā)射機模塊

根據(jù)外部輸入的發(fā)射信號功率、信號頻率、脈組頻率捷變、頻率捷變點數(shù)等參數(shù)模擬雷達發(fā)射機功能，并根據(jù)實際背景自適應地選擇信號類型及該類型下的具體參數(shù)，產(chǎn)生脈沖并將脈沖發(fā)送至想定中。它包含線性調(diào)頻信號、多相編碼信號、目標回波等子模塊。

(4)接收機模塊

根據(jù)接收機噪聲系數(shù)、接收機帶寬、接收機增益等參數(shù)模擬接收機對目標回波信號功率的放大和接收機熱噪聲功率。它包含中頻放大器模塊、相位檢波器模塊、具有相位噪聲的振蕩器產(chǎn)生模塊、IQ 解調(diào)器、STC 模塊、本振信號等子模塊。

(5)信號處理模塊

根據(jù)檢測因子、恒虛警概率、目標回波信號功率、系統(tǒng)熱噪聲功率等計算信噪比和目標檢測概率，并將檢測概率與0～1 均勻分布的隨機數(shù)作比較，判定雷達是否發(fā)現(xiàn)目標。若雷達檢測到目標，則根據(jù)誤差模型計算當次檢測目標的誤差，并與目標真實位置數(shù)據(jù)進行疊加，得到目標的量測值(點跡)。

(6)數(shù)據(jù)處理模塊

根據(jù)外部輸入的數(shù)據(jù)處理濾波算法參數(shù)，選擇相應的濾波器實現(xiàn)相控陣雷達對多目標跟蹤，輸出目標航跡數(shù)據(jù)的同時預測目標下一跟蹤周期的位置，向波束調(diào)度模塊發(fā)出目標跟蹤、確認和小搜請求。

3.3 機載電子戰(zhàn)系統(tǒng)模型

考慮到整個電磁環(huán)境中雷達信號的復雜性、波形的多變性、工作頻段寬且部分重疊、時域內(nèi)信號密集等特點，本文將電子戰(zhàn)系統(tǒng)模型分為兩個部分:電磁信號合成仿真模型與電磁信號分析處理仿真模型，其中后者又分為機載無源探測(ESM)與機載有源干擾(ECM)兩個信號處理子系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 電子戰(zhàn)系統(tǒng)模型功能結構圖Fig.3 The functional diagram of electronic warfare system model

電子戰(zhàn)系統(tǒng)模型的重點是ESM 系統(tǒng)模型，它的輸入為想定飛機平臺信息與電磁信息，運行流程如下:首先對接收信號進行檢測，并對滿足截獲條件的信號進行參數(shù)(方向、頻率、到達時間和脈沖寬度)測量，形成對信號的參數(shù)描述;然后根據(jù)各型雷達信號特征(主要依托輻射源數(shù)據(jù)庫)，對實時PDW 信號流進行輻射源分選;最后輸出PDW 及信號分選識別信息，并在此基礎上對輻射源進行定位跟蹤，從而實現(xiàn)機載無源探測從天線、接收機到信號處理的全過程參數(shù)級仿真。

3.4 射頻環(huán)境模型

射頻環(huán)境模型作為SEWES 一個子系統(tǒng)，用于模擬典型的發(fā)射機－接收機系統(tǒng)中的電磁波傳播效果，并與所有的發(fā)射機和接收機模型進行交互，組成一個逼真的自然環(huán)境系統(tǒng)。它的輸入有本機平臺的運動及姿態(tài)參數(shù)、目標平臺的運動及姿態(tài)參數(shù)、飛機發(fā)射機射頻信號參數(shù)，另外還包括模型內(nèi)部計算出來的射頻數(shù)據(jù)。它的輸出是一組包含目標平臺的運動及姿態(tài)參數(shù)和通過單徑、多徑和雜波模型計算出來的射頻信號參數(shù)，表現(xiàn)形式為一個雜波功率的數(shù)組。

SEWES 中射頻環(huán)境模型是利用MATLAB 工具箱開發(fā)的參數(shù)級模型，包括目標信息處理模型和發(fā)射機、接收機射頻傳播模型兩大部分。目標信息處理模型根據(jù)輸入的平臺位置信息、源位置信息和雷達輸入信號來計算目標源的RCS，再通過多徑效應計算出射頻環(huán)境中接收機需要接收到的射頻信號。發(fā)射機、接收機射頻傳播模型主要功能是通過輸入的RF 發(fā)射機信息、RF 接收機信息、源位置信息和目標位置信息，并根據(jù)外部系統(tǒng)指定的地形類型和視線的DTED 數(shù)據(jù)計算出RF 接收機輸出信息。另外，輸入的RF 發(fā)射機信息通過單徑、多徑以及雜波模型計算出相應的RF 發(fā)射機輸出信息。同時，該模塊還可根據(jù)坐標計算出本機和目標之間的距離與速度。

射頻環(huán)境模型包含6 個子模型，分別為表面雜波模型、自由空間衰減模型、多徑效應模型、多普勒頻移模型、相移和時延模型以及RCS 計算模型。射頻環(huán)境模型通過這些子模型和相應的地形和環(huán)境來計算飛機、傳感器、地面等目標之間的射頻信號衰減、相移、時延以及雜波等指標，具體數(shù)據(jù)流程如圖4所示。

圖4 射頻環(huán)境系統(tǒng)模型功能結構圖Fig.4 The functional diagram of RF environment system model

4 系統(tǒng)模型應用

為了驗證本文所給模型的可信性與實用性，我們在SEWES 平臺上建立了一套仿真演示系統(tǒng)，如圖5所示。SEWES 平臺在劇情制作方面非常便捷，它通過想定編輯軟件采用人機互動的方式完成作戰(zhàn)平臺的部署、系統(tǒng)模型的加載、屬性參數(shù)的設置、平臺航路的規(guī)劃以及計算機蔟資源的分配等。SEWES 架構是分布式的，它不對系統(tǒng)(如飛機、艦船、干擾機、導彈)中的單個實體獨立建模，而是每個實體模型均對應獨立的Simulink 模板文件，這樣設計的好處是仿真中平臺以及每個平臺上系統(tǒng)模型都可以很方便地升級和擴充數(shù)量。這些分開的模型利用以太網(wǎng)TCP/IP 進行通信。為了控制仿真執(zhí)行，主時間控制器(MTC)把不同模型的執(zhí)行進行同步，這是非常有必要的，因為不同模型的仿真步長往往不同。在每次仿真推進過程中，MTC 均需等待所有模型仿真完畢后，再觸發(fā)推進節(jié)拍。

圖5 仿真場景3D 實現(xiàn)圖Fig.5 The 3D simulation scene

該演示系統(tǒng)包括主控機和運行機兩種平臺。主控機上產(chǎn)生仿真時鐘，并通過通信模塊與運行機中的時鐘控制進行同步，同步信號同時送至平臺、傳感器、射頻環(huán)境等模型，實現(xiàn)系統(tǒng)的同步控制。運行機主要負責模型實體的運算，它接收系統(tǒng)的同步時間信號，推進系統(tǒng)向前推演，并將生成的結果數(shù)據(jù)通過通信模塊發(fā)送到主控機和其他需要交互的運行機。例如，飛機平臺模型按照仿真時刻來輸出平臺的運動信息，并將運動信息輸入至相控陣雷達、電子戰(zhàn)系統(tǒng)等傳感器模型，執(zhí)行傳感器模型的運算，產(chǎn)生相應的探測信息、輻射信息。探測信息通過通信模塊輸送到指定模型，輻射信息首先輸入到射頻環(huán)境模型中進行衰減、多徑等處理，再通過通信模塊發(fā)送至指定模型。

5 結束語

相比HLA 與DIS，SEWES 在航空傳感器建模仿真方面具有顯著的優(yōu)勢。本文基于SEWES 開發(fā)了一套航空傳感器仿真系統(tǒng)，分別對飛機平臺、機載雷達、機載電子戰(zhàn)系統(tǒng)和射頻環(huán)境進行了參數(shù)級建模，并建立了典型的紅藍雙方空戰(zhàn)集成環(huán)境，有力支撐了機載綜合射頻傳感器的作戰(zhàn)需求分析及型號研制工作。目前，SEWES 還不為國內(nèi)航空傳感器領域所熟知，本文進行了這方面的研究工作，意在拋磚引玉。另外，SEWES 平臺功能強大，但仍缺乏合理、高效、統(tǒng)一的建模規(guī)范，本文在SEWES 應用過程中積累了大量經(jīng)驗，制定了模型框架、模型編碼、模型接口等方面的初級規(guī)范，后續(xù)將對上述規(guī)范進行完善，以進一步推動SEWES 在航空傳感器仿真中的應用。

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