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        基于反艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)試驗背景的戰(zhàn)場電磁環(huán)境構(gòu)建

        2018-09-25 02:09:24劉星璇
        航天電子對抗 2018年4期
        關(guān)鍵詞:環(huán)境模型

        衛(wèi) 鑫,姜 寧,劉星璇

        (1.中國人民解放軍91550部隊,遼寧 大連 116023;2.海軍大連艦艇學(xué)院學(xué)員五大隊,遼寧 大連 116018;3.海軍大連艦艇學(xué)院信息系統(tǒng)系,遼寧 大連 116018 )

        0 引言

        武器裝備試驗鑒定分為性能試驗、作戰(zhàn)試驗和在役考核三個階段,作戰(zhàn)試驗鑒定作為承接研制定型和列裝部隊的關(guān)鍵環(huán)節(jié),通過著力構(gòu)建逼真戰(zhàn)場環(huán)境,確保被試裝備在近似實戰(zhàn)條件下進行深度試驗鑒定[1],對裝備作戰(zhàn)效能、保障效能和部隊適用性開展研究。由于海戰(zhàn)場電磁環(huán)境的多變性和復(fù)雜性、對抗雙方兵力行動的隨機性和不可預(yù)測性,至今尚未形成通用的戰(zhàn)場電磁環(huán)境構(gòu)建的準(zhǔn)則和方法[2]。

        1 導(dǎo)彈面臨的戰(zhàn)場電磁環(huán)境分析

        1.1 反艦導(dǎo)彈面臨的戰(zhàn)場電磁環(huán)境

        反艦導(dǎo)彈面臨的戰(zhàn)場電磁環(huán)境,是指在一定的時域、空域、頻域、能域上,對反艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)運用產(chǎn)生重要影響的各種電磁信號構(gòu)成的戰(zhàn)場環(huán)境[3]。具體來講,在特定海戰(zhàn)場時空范圍內(nèi),各種類型電磁輻射源、電磁波傳播介質(zhì)、電磁波接收設(shè)備和電磁波敏感設(shè)備,通過電磁波的輻射、傳導(dǎo)和接收,形成的相互作用和影響反艦導(dǎo)彈攻防對抗的特殊戰(zhàn)場環(huán)境。

        1.2 反艦導(dǎo)彈面臨的戰(zhàn)場電磁環(huán)境特點

        1) 電磁信號密度高、頻域?qū)?,密集?fù)雜

        隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展,現(xiàn)代信息化海戰(zhàn)交戰(zhàn)雙方將投入越來越多種類繁多、體制復(fù)雜的信息化裝備。紅外對抗、電視對抗和激光對抗,波長從1 mm~0.005 μm;雷達對抗、通信對抗、導(dǎo)航對抗、制導(dǎo)對抗、敵我識別對抗、遙控遙測對抗等,波長從米波、厘米波到毫米波。電磁信號涉及整個電磁頻譜[4],海戰(zhàn)場電磁環(huán)境異常復(fù)雜。

        2) 電磁信號類型廣、平臺多,動態(tài)多變

        在激烈的海戰(zhàn)場電子對抗中,為奪取制信息權(quán),遠距離支援干擾飛機、反輻射導(dǎo)彈攻擊飛機、定向能武器、電子對抗無人機和地面、海面的電子干擾站等多種平臺,綜合運用多種對抗手段,交戰(zhàn)雙方的電磁輻射活動時而對抗凸顯、時而相對平靜,導(dǎo)致反艦導(dǎo)彈面臨的戰(zhàn)場電磁環(huán)境動態(tài)多變。

        3) 電子對抗手段全、時間長,對抗激烈

        現(xiàn)代化海戰(zhàn)中,作戰(zhàn)雙方圍繞戰(zhàn)場電磁信號的偵察與反偵察、干擾與反干擾、控制與反控制的較量,貫穿海上作戰(zhàn)的全過程、全流程和全時空。隱身、偽裝、欺騙、隱蔽、保密及佯動等各種電子對抗手段層出不窮、推陳出新,偵察與干擾結(jié)合、有源干擾與無源干擾結(jié)合、壓制性干擾與欺騙干擾結(jié)合等戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法不斷完善,反艦導(dǎo)彈面臨的電子對抗態(tài)勢異常復(fù)雜激烈。

        4) 軟硬殺傷攻防兼?zhèn)?,威脅巨大

        隨著反輻射武器、定向能武器以及隱身技術(shù)的出現(xiàn),電子對抗的概念也在不斷擴大。融入了“硬殺傷”和隱身技術(shù)的電子對抗發(fā)展成了當(dāng)今的“電子戰(zhàn)”概念?;凇败洑焙汀坝矚毕嘟Y(jié)合的電子戰(zhàn),集電子偵察、電子防衛(wèi)和電子進攻等功能于一身[5],軟硬結(jié)合、攻防兼?zhèn)?,使整個軍事系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能產(chǎn)生倍增效果。

        1.3 戰(zhàn)場電磁環(huán)境構(gòu)建方法

        戰(zhàn)場電磁環(huán)境構(gòu)建,從大的方面可以分為兩類,即:實物構(gòu)建方法和模擬構(gòu)建方法。實物構(gòu)建法是采用現(xiàn)役電磁輻射裝備或?qū)S醚b備構(gòu)造效果逼真的戰(zhàn)場電磁環(huán)境。模擬構(gòu)建法是采用計算機模擬與仿真技術(shù)來模擬戰(zhàn)場環(huán)境、設(shè)備以及戰(zhàn)斗過程。具體可以細分為利用現(xiàn)役裝備實兵構(gòu)建、利用專用模擬裝備構(gòu)建、利用半實物仿真模擬構(gòu)建、利用全數(shù)字仿真模型構(gòu)建。

        各種戰(zhàn)場環(huán)境的構(gòu)建方法都有其不同的用途和優(yōu)缺點,具體分析見表1[6]。針對單一類型導(dǎo)彈的作戰(zhàn)試驗設(shè)計,可以在實驗室采用建立全數(shù)字仿真模型的方法進行構(gòu)建。得到實驗室仿真結(jié)果后,采取專用裝備模擬構(gòu)建的方法,進行試驗驗證。

        表1 海戰(zhàn)場電磁環(huán)境構(gòu)建方法對比

        2 基于高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)的戰(zhàn)場電磁環(huán)境建模

        2.1 HLA模型

        隨著仿真技術(shù)的發(fā)展,分布交互式仿真逐漸成為仿真領(lǐng)域的前沿和熱點,尤其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用價值,已引起各國的高度關(guān)注。經(jīng)過SIMNET、DIS、ALSP等階段,分布式仿真目前應(yīng)用最廣泛的是以高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)為核心的共同技術(shù)框架模型。

        建模與仿真技術(shù)框架主要包括三方面的內(nèi)容:高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)、任務(wù)空間概念模型(CMMS)和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)(DS)。其主要目的是實現(xiàn)仿真構(gòu)件的互操作性,提高仿真資源的重復(fù)利用率。HLA的核心思想就是采用面向?qū)ο蟮姆椒?,設(shè)計、開發(fā)及實現(xiàn)系統(tǒng)不同層次的對象模型[7],來獲得仿真部件和仿真系統(tǒng)高層次上的互操作性和可重用性。

        2.2 反艦導(dǎo)彈雷達導(dǎo)引頭模型

        反艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)使用過程中,將面臨雷達對抗、光電對抗、通信對抗、制導(dǎo)對抗等多種類型的復(fù)雜戰(zhàn)場對抗環(huán)境,針對某反艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)試驗鑒定需求,本文僅以雷達對抗為例進行戰(zhàn)場環(huán)境構(gòu)建的仿真與分析,對影響其導(dǎo)引頭抗干擾性能及作戰(zhàn)效能的核心部件進行建模,同時構(gòu)建反艦導(dǎo)彈的運動模型及其制導(dǎo)規(guī)律模型。

        1) 雷達導(dǎo)引頭輻射方向圖RP模型

        主動雷達導(dǎo)引頭輻射方向圖、增益、波瓣寬度是表征雷達導(dǎo)引頭天線性能的主要參數(shù)。通常采用辛可函數(shù)來近似雷達導(dǎo)引頭輻射方向圖,形狀參數(shù)β取為14,其近似公式[8]可表達為:

        y=Gr+80lg(|sin(βπx/180)/(βπx/180)|)

        式中,x表示目標(biāo)方向與天線軸線的夾角,y為天線在目標(biāo)方向上的增益,Gr為天線主軸方向上的增益。

        2) 海雜波模型

        在反艦導(dǎo)彈的作戰(zhàn)使用過程中,雷達導(dǎo)引頭受海面雜波干擾的影響很大,是反艦導(dǎo)彈對抗模型構(gòu)建中必須考慮的因素。海雜波作為雷達雜波中最為復(fù)雜的一種形式,受諸多因素的影響,本文構(gòu)建了較為簡化的海雜波功率模型。

        Pc=PtGtGrλ2σ0cτθLrIc/(2(4π)3R3)

        式中,Pt表示雷達發(fā)射機功率,Gt為天線在目標(biāo)方向上的發(fā)射增益,Gr天線在目標(biāo)方向上的接收增益,λ為雷達波長,σ0為海面歸一化反射系數(shù),τ為雷達發(fā)射脈沖寬度,θ為天線的3dB波束寬度,Lr為雷達綜合損耗,Ic為雷達信號處理增益,R為海面到雷達的距離。

        3) 接收機噪聲模型

        式中,k為波爾茲曼常數(shù),BR為雷達瞬時帶寬,NF為接收機的噪聲系數(shù)。接收機噪聲的瞬時功率Pn表示為:

        式中,xi,yi均為服從(0,1)均勻分布的隨機數(shù)。

        2.3 戰(zhàn)場電磁環(huán)境PDW模型

        對戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境的仿真,采用功能仿真的方法來描述。利用脈沖描述字(PDW)對輻射源主要特征進行描述,主要包括脈沖載頻、寬度、幅度、脈沖到達時間、脈沖到達角等。建立以下數(shù)學(xué)模型。

        2.3.1雷達輻射源模型

        1) 脈沖載頻模型

        單載頻雷達:單載頻雷達的輻射信號頻率固定。其脈沖載頻(RF)數(shù)學(xué)模型為:

        RF=RF0+δRF∏ (-1,1)

        式中,RF0表示輻射源固定頻率,δRF表示載頻隨機抖動量,∏ (-1,1)表示區(qū)間(-1,1)均勻分布的獨立隨機數(shù)。

        頻率捷變雷達發(fā)射的相鄰脈沖的載頻在一定頻帶內(nèi)隨機快速改變的脈沖雷達,每個時間周期內(nèi)有N個頻率值,各自的中心頻率為RFj,變頻范圍為ΔRFj,在每個頻率值上發(fā)射nj個工作脈沖。其脈沖載頻(RF)數(shù)學(xué)模型為:

        RF=RFj(k)+ΔRFj(k)∏ (-1,1)+δRF∏ (-1,1)

        2)脈寬模型

        固定脈寬雷達只發(fā)射單一脈寬的脈沖信號,其脈寬(PW)數(shù)學(xué)模型為:

        PW=PW0+δPW∏ (-1,1)

        式中,PW0為固定脈寬,δPW為脈寬隨機抖動量。

        脈寬參差雷達脈寬(PW)數(shù)學(xué)模型為:

        PW=PWj(k)+ΔPWj(k)∏ (-1,1)+δPW∏ (-1,1)

        式中,PWj為脈寬中心值,ΔPWj為脈寬變化范圍,N為脈寬值。

        3)脈沖到達角模型

        脈沖到達角,是雷達發(fā)射的電磁波到達接收設(shè)備處的方向,也就是該脈沖發(fā)射時刻輻射源平臺相對被動雷達平臺的方向。

        雷達發(fā)射第n個脈沖的時間為t,則該脈沖到達雷達的到達角DOA為:

        式中,[xv,yv,zv]為輻射源平臺在被雷達直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)值,R為輻射源與雷達之間的距離,α為方位到達角,β為俯仰到達角。

        2.3.2雷達干擾設(shè)備模型

        雷達干擾機發(fā)射信號的中心頻率,取決于電子偵察設(shè)備發(fā)出的指令,雷達干擾機載頻模型由電子干擾策略確定。電子干擾策略和手段不同,干擾機頻率變化模型也隨之改變。

        1)壓制式噪聲干擾數(shù)學(xué)模型表示為:

        RF=RF0+δRF∏ (-1,1)

        式中,RF0為中心固定頻率,δRF為載頻隨機抖動值。

        2)掃頻式噪聲干擾數(shù)學(xué)模型表示為:

        RF=RF0+kt,t∈[0,T]

        式中,RF0為干擾機頻率下限值,k為掃頻斜率,t為當(dāng)前時刻除以周期的余數(shù),T為信號變化周期。

        3)隨機噪聲干擾數(shù)學(xué)模型表示為:

        RF=RF0+ΔRF∏ (-1,1)+δRF∏ (-1,1)

        式中,RF0為中心固定頻率,ΔRF為頻率變化區(qū)間。

        4)欺騙式干擾數(shù)學(xué)模型表示為:

        式中,RF0為干擾頻率RF的中心值,ΔPRI為干擾機RF變化范圍,L為剩余的脈沖數(shù)。

        3 反艦導(dǎo)彈面臨的雷達對抗環(huán)境仿真設(shè)計與實現(xiàn)

        基于導(dǎo)彈作戰(zhàn)試驗背景的戰(zhàn)場電磁環(huán)境仿真系統(tǒng)由作戰(zhàn)想定分系統(tǒng)、態(tài)勢顯示分系統(tǒng)、電磁環(huán)境分系統(tǒng)、進程控制分系統(tǒng)組成。整個系統(tǒng)基于HLA構(gòu)成一個聯(lián)邦,各分系統(tǒng)以聯(lián)邦成員的身份加入聯(lián)邦,各成員之間的數(shù)據(jù)交互通過運行支撐環(huán)境(RTI)來完成。戰(zhàn)場電磁環(huán)境仿真系統(tǒng)組成如圖1所示。系統(tǒng)仿真流程如圖2所示。

        主要分系統(tǒng)功能設(shè)計為:

        1) 作戰(zhàn)想定分系統(tǒng)

        讀取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中的海圖、輻射源、目標(biāo)特征、導(dǎo)彈、艦船航跡等數(shù)據(jù),根據(jù)反艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)試驗大綱要求,確定試驗想定方案,以作戰(zhàn)試驗海域為背景,構(gòu)建己情、敵情和戰(zhàn)場態(tài)勢,部署敵、己艦船發(fā)射平臺及武器裝備,設(shè)計試驗流程,并生成戰(zhàn)情文件,提供各分系統(tǒng)。

        圖2 戰(zhàn)場電磁環(huán)境仿真系統(tǒng)軟件運行流程圖

        圖1 戰(zhàn)場電磁環(huán)境仿真系統(tǒng)構(gòu)成

        2) 進程控制分系統(tǒng)

        進行仿真進程的控制,各分系統(tǒng)仿真模塊的管理,仿真數(shù)據(jù)的記錄與存儲,支持仿真過程的導(dǎo)調(diào)、修改、回放等操作管理。

        3) 態(tài)勢顯示分系統(tǒng)

        根據(jù)戰(zhàn)情文件及作戰(zhàn)試驗仿真需求,綜合顯示反艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)試驗戰(zhàn)場二維態(tài)勢。具體顯示內(nèi)容包括:敵己態(tài)勢、敵己艦船平臺位置及航跡信息、裝載武器裝備、待打擊艦艇平臺攜帶輻射源及電子戰(zhàn)設(shè)備的工作狀態(tài)信息、導(dǎo)彈航跡信息等內(nèi)容。

        4) 電磁環(huán)境分系統(tǒng)

        根據(jù)戰(zhàn)情文件,綜合分析艦艇目標(biāo)運動航跡、導(dǎo)彈飛行航跡及參數(shù)、雷達及輻射源天線掃描方式及方向圖,計算所有目標(biāo)的運動特性和電磁輻射特性參數(shù),完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、運動目標(biāo)、PDW模型生成等工作。

        4 結(jié)束語

        高技術(shù)條件下的現(xiàn)代戰(zhàn)爭,電子對抗日趨激烈,戰(zhàn)場電磁環(huán)境異常復(fù)雜,反艦導(dǎo)彈面臨的復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境對反艦導(dǎo)彈的作戰(zhàn)運用會產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。針對反艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)試驗需求,通過構(gòu)建反艦導(dǎo)彈、戰(zhàn)場電磁環(huán)境PDW數(shù)學(xué)模型,研究和探討基于HLA的虛擬戰(zhàn)場電磁環(huán)境仿真系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)關(guān)鍵技術(shù),初步實現(xiàn)了軟件的開發(fā)應(yīng)用。根據(jù)設(shè)計的導(dǎo)彈作戰(zhàn)試驗想定情景和試驗流程,進行了簡單的系統(tǒng)仿真運算,為導(dǎo)彈作戰(zhàn)試驗鑒定提供了仿真依據(jù)?!?/p>

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