張高峰 吉玉潔

（中國人民解放軍91336部隊 秦皇島 066326）

1 引言

海戰(zhàn)場戰(zhàn)術(shù)演習作戰(zhàn)方案仿真推演系統(tǒng)用于演習方案預演、研討和優(yōu)化，以及指揮所人員作戰(zhàn)指揮過程訓練［1]。該推演系統(tǒng)是一套基于仿真模型的全數(shù)字分布式仿真系統(tǒng)，紅藍方作戰(zhàn)平臺、武器裝備、對抗效果均由仿真模型實現(xiàn)，作戰(zhàn)指揮人員通過平臺顯控軟件進行兵力指揮和武器控制，可通過導調(diào)方式人工干預硬武器毀傷效果，軟武器對抗效果則完全由模型計算得出。艦載電子對抗系統(tǒng)是水面艦艇防御作戰(zhàn)的重要軟武器，其中雷達偵察設備作為電子對抗系統(tǒng)的重要傳感器之一，需要從密集、交迭、寬頻譜的海戰(zhàn)場電磁信號中準確識別出威脅目標，并引導電子干擾［2～3]，雷達偵察設備建模是仿真推演系統(tǒng)建設的重要環(huán)節(jié)。

本文重點研究在作戰(zhàn)方案推演應用背景下的艦載雷達偵察設備建模方法，首先分析了雷達偵察設備的建模需求，然后采用統(tǒng)一建模語言UML（Unified Modeling Language）［4]和圖形化建模語言IDEF0（ICAM Definition 0）［5]對雷達偵察設備的屬性、行為和交互特征進行了描述。

2 雷達偵察設備模擬需求

研究艦載雷達偵察設備的模擬需求，需要將其置于海戰(zhàn)場戰(zhàn)術(shù)演習的作戰(zhàn)過程中和相應仿真推演系統(tǒng)的運行過程中去分析。

在海戰(zhàn)場戰(zhàn)術(shù)演習過程中，水面艦艇的主要任務是攻擊敵方海上兵力和岸上目標，為保證自身安全，防空反導是貫穿水面艦艇整個作戰(zhàn)過程的一項重要作戰(zhàn)任務［6]。對敵方機載搜索雷達和導彈末制導雷達實施電子干擾是艦艇軟武器防空反導的重要環(huán)節(jié)，有效的電子干擾建立在準確的雷達信號偵收和識別基礎(chǔ)上。

在作戰(zhàn)方案仿真推演系統(tǒng)中，雷達偵察設備模型主要用于電子對抗作戰(zhàn)運用推演環(huán)節(jié)。設置不同的作戰(zhàn)條件，在敵我雙方電子武器裝備型號和性能確定的前提下，利用仿真模型準確模擬敵我雙方電子武器的技術(shù)性能、作戰(zhàn)流程和對抗效果，在仿真對抗的過程中不斷優(yōu)化電子對抗方案，不斷強化指揮員對作戰(zhàn)指揮過程的熟悉程度，使得電子對抗方案更趨合理，也使得指揮員在外場實際演習過程中能做到心中有數(shù)、從容應對，是作戰(zhàn)方案仿真推演系統(tǒng)在電子對抗作戰(zhàn)運用推演環(huán)節(jié)的主要目的［7]。另外，根據(jù)推演需求，雷達偵察設備模型需要能夠根據(jù)臨機導調(diào)指令改變自身生存狀態(tài)和開關(guān)機狀態(tài)。

根據(jù)上述對雷達偵察設備模型應用環(huán)境的分析，結(jié)合實際裝備的功能、工作方式、顯控需求和環(huán)境影響因素，可得出如下具體模擬需求：

1）需要模擬雷達偵察設備的主要戰(zhàn)術(shù)功能和工作過程，包括對雷達信號的截獲、識別、威脅判斷、告警和干擾引導。

2）需要模擬指定型號雷達偵察設備的技術(shù)指標，如信號偵收頻段、靈敏度、動態(tài)范圍、測頻測向精度、告警反應時間等。

3）需要能夠顯示雷達信號接收、識別和告警等情況，能夠響應導調(diào)控制指令。

4）需要體現(xiàn)自然環(huán)境對設備工作過程的影響，如：大氣傳輸衰減和地球曲率對雷達信號偵收的影響，海情對設備工作穩(wěn)定性的影響等。

通過上述需求分析，基于相似性原理和適當簡化的考慮，應將雷達偵察設備模型的粒度定位在功能機理級。可按照具體功能模塊來組織模型結(jié)構(gòu)，而沒有必要嚴格按照實裝組成對信號接收天線、測頻測向接收機、信號處理機、顯控臺等進行逐一精細模擬。不同型號雷達偵察設備的戰(zhàn)術(shù)功能和工作流程大致相同，因此對于不同型號雷達偵察設備的模擬，可通過為通用模型裝訂不同性能參數(shù)的方式來實現(xiàn)。另外，需要開發(fā)顯示控制軟件，用于設備開關(guān)機控制和信號顯示。本文主要對除顯控軟件外的模擬內(nèi)容的建模方法進行探討，側(cè)重于邏輯建模。

在建模過程中，我們采用實體的概念，將建模需求對應到雷達偵察設備實體的屬性、行為和交互三個方面，并采用UML和IDEF0圖進行描述。

3 實體屬性建模

從實體功能、實體靜態(tài)結(jié)構(gòu)和實體初始化數(shù)據(jù)三個方面來描述雷達偵察設備實體的屬性。

3.1 實體功能

實體功能包括戰(zhàn)術(shù)功能、仿真功能和基本假定三個方面。戰(zhàn)術(shù)功能來源于建模需求，側(cè)重描述雷達偵察設備在作戰(zhàn)過程中發(fā)揮的作用；仿真功能來源于仿真平臺對模型的調(diào)用、維護和交互支持的需求，側(cè)重描述實體在仿真環(huán)境中正常運行所必須具備的功能［8]；基本假定是對模型簡化處理的主要方面的描述。

雷達偵察設備實體的戰(zhàn)術(shù)功能主要包括：

1）能夠完成雷達信號截獲。能夠從復雜電磁信號中分選出獨立的雷達信號，基于雷達偵察設備的技術(shù)指標參數(shù)和雷達信號特征，判定能否截獲該雷達信號，并對截獲后的雷達信號建批［9]。

2）能夠完成雷達信號識別。能夠針對已截獲的雷達信號，采用數(shù)據(jù)庫匹配或分析計算方式，得出雷達信號的威脅等級等識別信息。

3）能夠完成威脅目標告警。能夠根據(jù)信號識別結(jié)果，確定威脅目標，并將威脅雷達信號參數(shù)實時上報電子對抗顯控設備，用于支持干擾決策和引導。

雷達偵察設備實體的仿真功能主要包括：

1）能夠完成仿真初始化。能夠利用從仿真平臺接收到的初始化數(shù)據(jù)完成作戰(zhàn)想定數(shù)據(jù)和設備性能參數(shù)的初始化。

2）能夠完成信息接收和存儲。能夠從仿真平臺接收外部信息并進行存儲。

3）能夠完成數(shù)據(jù)庫加載。能夠加載用于信號識別的雷達情報數(shù)據(jù)庫。

4）能夠完成信息發(fā)送。能夠按照模型對外輸出接口要求，完成對輸出信息的數(shù)據(jù)組織、結(jié)構(gòu)拼接和信息發(fā)送。

雷達偵察設備實體的基本假定主要包括：

1）僅模擬雷達偵察部分，不模擬情報偵察部分。

2）采用功能級仿真方式，僅對雷達偵察設備進行工作機理級仿真，不進行設備結(jié)構(gòu)級和信號級仿真。

3）不考慮海雜波對雷達信號截獲的影響。

3.2 實體靜態(tài)結(jié)構(gòu)

實體靜態(tài)結(jié)構(gòu)描述雷達偵察設備實體的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)，采用IDEF0圖進行描述，如圖1所示。

圖1 雷達偵察設備實體內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)

依據(jù)戰(zhàn)術(shù)功能和仿真功能要求，雷達偵察設備實體由初始化部件、信息接收存儲部件、共享數(shù)據(jù)存儲區(qū)部件、狀態(tài)解算部件、雷達信號截獲解算部件、雷達目標識別解算部件和報文組織拼接發(fā)送部件等七個功能模塊組成［10]。

3.3 實體初始化數(shù)據(jù)

實體初始化數(shù)據(jù)包括想定初始化數(shù)據(jù)和性能初始化數(shù)據(jù)。想定初始化數(shù)據(jù)與作戰(zhàn)想定設置相關(guān)，隨作戰(zhàn)想定的不同而不同，如搭載平臺、敵我屬性和初始位置等參數(shù)，見表1。

表1 想定初始化數(shù)據(jù)示例

性能初始化數(shù)據(jù)與設備型號相關(guān)，它描述了不同型號雷達偵察設備的技術(shù)性能指標。將性能參數(shù)與模型分離，在每次仿真初始化時進行指定，可有效提高模型的重用性［11]。雷達偵察設備性能初始化數(shù)據(jù)示例見表2。

表2 性能初始化數(shù)據(jù)示例

4 實體行為建模

實體行為是實體為實現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)功能和仿真功能而進行決策、行動的過程，是實體狀態(tài)轉(zhuǎn)移變化的動因和依據(jù)［12]。實體行為描述要素包括實體動作、執(zhí)行順序、觸發(fā)條件和實現(xiàn)算法，以及實體內(nèi)部各部件間的協(xié)作流程等，采用UML活動圖和順序圖進行描述。

4.1 總體行為

雷達偵察設備實體完成初始化后，實時接收艦艇綜合導航信息和雷達信號信息，從綜合導航信息中獲取搭載平臺位置和自然環(huán)境信息；判斷設備生存狀態(tài)和工作狀態(tài)正常后，進行雷達信號的截獲、識別和告警處理。雷達偵察設備實體總體行為流程如圖2所示。雷達偵察設備實體的核心作戰(zhàn)行為為雷達信號截獲和雷達信號識別［13]，下面重點對這兩個子行為及涉及算法進行介紹。

圖2 雷達偵察設備總體行為

4.2 雷達信號截獲子行為

圖3 雷達信號截獲子行為

雷達偵察設備實體在接收到雷達信號后，將觸發(fā)雷達信號截獲子行為，該行為過程主要是依據(jù)雷達偵察設備的性能參數(shù)、雷達信號參數(shù)和相對位置關(guān)系，從頻域、能域和空域三個維度綜合判定某雷達信號是否能夠被偵察機截獲，并對截獲后的雷達信號建批，如圖3所示。

雷達信號截獲子行為涉及到的主要算法包括頻域截獲算法、能域截獲算法和空域截獲算法。

1）頻域截獲算法

當雷達輻射源的工作頻率（射頻）在雷達偵察設備偵察頻段上下限之間時，認為該雷達信號頻域上可被截獲，否則判斷不能被截獲［14]。

2）能域截獲算法

電磁波在傳輸過程中有一定的損耗，因此到達雷達偵察接收機的信號能量要小于雷達輻射源處的能量［15]。自由空間傳輸損耗Lbf為

式中，Lf為頻率衰減因子，Lr為距離衰減因子，其計算公式分別見式（2）和式（3）：

式中，f為雷達輻射源的工作頻率（MHz），R為雷達與偵察設備間的距離（km）。

雷達偵察設備接收機輸入的脈沖功率Pr為

式中，Pb為衰減前的雷達輻射源脈沖功率。

若Pr大于偵察設備的靈敏度，并小于偵察設備的靈敏度與動態(tài)范圍的和，認為該雷達信號能域上可被截獲，否則判斷不能被截獲［16]。

3）空域截獲算法

雷達輻射電磁波在空間是近似直線傳播的，地球表面的彎曲會使雷達與雷達偵察設備之間的通視距離受到限制。通視距離Rsr為

式中，Ha為雷達天線高度（m），Ht為雷達偵察設備天線高度。

若雷達與偵察設備之間的實際距離R小于通視距離Rsr時，認為該雷達信號符合空域截獲條件，否則判斷不能被截獲。

4.3 雷達信號識別子行為

雷達偵察設備實體在判定某雷達信號可截獲后，將觸發(fā)雷達信號識別子行為，該行為過程主要是通過情報數(shù)據(jù)庫匹配方式或參數(shù)計算方式得出目標雷達的用途、搭載平臺類型、威脅等級和推薦干擾樣式等識別信息［17]。雷達信號識別子行為如圖4所示。

圖4 雷達信號識別子行為

雷達信號識別子行為涉及到的主要算法包括數(shù)據(jù)庫信號匹配算法和基于雷達參數(shù)的威脅評估算法。這里重點介紹數(shù)據(jù)庫信號匹配算法。

基于數(shù)據(jù)庫的識別是指用接收到的雷達信號與雷達情報數(shù)據(jù)庫中的情報數(shù)據(jù)進行參數(shù)匹配，如果一部信號在雷達情報數(shù)據(jù)庫有匹配數(shù)據(jù)記錄，則從該條數(shù)據(jù)記錄中讀取雷達識別信息［18～19]。通過計算雷達信號與數(shù)據(jù)庫表中信號的隸屬度的方式來進行信號匹配，需要分別針對信號射頻值、重頻值和脈寬值進行隸屬度計算。

射頻隸屬度UF為

重頻隸屬度UP為

脈寬隸屬度UW為

式（6）～（8）中，CF、PRI、PW分別為雷達信號的射頻值、重頻值和脈寬值，RF、RP、RW分別為數(shù)據(jù)庫中某部雷達信號的射頻值、重頻值和脈寬值。當UF、UP、UW中任一值大于1時，取其倒數(shù)。

雷達信號的總隸屬度U為

式中，δ1、δ2、δ3分別為射頻、重頻、脈寬隸屬的權(quán)重值，δ1+δ2+δ3=1。

假設數(shù)據(jù)庫中有N條記錄，則可得到N個隸屬度，取N個隸屬度的最大值為U，如果U大于設定閾值，則信號匹配成功［20]。

4.4 部件協(xié)作流程

部件協(xié)作流程用于描述雷達偵察設備實體內(nèi)部各部件間的數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系和先后順序，如圖5所示。

圖5 實體內(nèi)部件協(xié)作流程

在部件組件化開發(fā)過程中，部件協(xié)作流程圖有助于模型開發(fā)人員清晰地定義各部件對于外來信息及內(nèi)部信息的接收和生成能力。

5 實體交互建模

實體交互建模的主要任務是描述雷達偵察設備實體與其他關(guān)聯(lián)實體間有順序的交互，并精確定義交互內(nèi)容。其中，實體交互時序采用UML順序圖進行描述，雷達偵察設備實體交互時序如圖6所示。

圖6 實體交互時序

根據(jù)交互更新方式的不同將實體交互分為信息和消息。其中，周期性更新的交互稱為信息，事件觸發(fā)更新的交互稱為消息。以雷達偵察目標信息為例，對實體交互內(nèi)容的描述方法進行介紹。表3列出了雷達偵察目標信息的交互說明。

表3 雷達偵察目標信息交互說明

雷達偵察目標信息的具體內(nèi)容見表4。

表4 雷達偵察目標信息內(nèi)容示例

6 結(jié)語

本文所建立的艦載雷達偵察設備模型屬于邏輯模型，可有效指導程序模型開發(fā)，該模型已應用于某仿真推演系統(tǒng)開發(fā)中，顯著提高了模型研制效率和質(zhì)量。對雷達偵察設備的建模在作戰(zhàn)方案仿真推演系統(tǒng)的模型體系建設中具有典型代表性意義。本文采用的基于UML和IDEF0圖的建模方法較為簡單而清晰，可準確地表達建模對象的屬性、行為和交互特征，特別適用于類似作戰(zhàn)方案推演系統(tǒng)這樣的大規(guī)模模型開發(fā)應用場景，具有一定的推廣應用前景。后續(xù)還需進一步完善和優(yōu)化模型設計方法，形成要素齊全、表述規(guī)范、普遍適用的裝備實體建模標準。