秦緒凱

(江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222061)

0 引 言

在當(dāng)今現(xiàn)代化戰(zhàn)爭背景下，各種新式武器裝備和作戰(zhàn)任務(wù)不僅依賴于電磁信號(hào)，而且還深受電磁環(huán)境的影響。隨著科技的不斷進(jìn)步，雷達(dá)、光電等高精度探測裝備大量投入戰(zhàn)場使用，拓展了戰(zhàn)場電磁環(huán)境的應(yīng)用范圍，使其向更高領(lǐng)域、更深層次發(fā)展。尤其是通信對(duì)抗、雷達(dá)對(duì)抗和光電對(duì)抗等電子對(duì)抗手段逐步應(yīng)用于現(xiàn)代化戰(zhàn)爭，使得未來戰(zhàn)爭的外部電磁環(huán)境越來越復(fù)雜。為了盡可能在高度逼真的作戰(zhàn)環(huán)境下測試海軍新型艦艇作戰(zhàn)性能，及早發(fā)現(xiàn)裝備存在的技術(shù)和質(zhì)量問題，提高裝備的可靠性和穩(wěn)定性，必須構(gòu)建一套模擬海戰(zhàn)場全區(qū)域內(nèi)的復(fù)雜電磁環(huán)境試驗(yàn)測試系統(tǒng)，以滿足未來新型艦艇武器裝備試驗(yàn)測試的需求。目前國內(nèi)基于復(fù)雜電磁環(huán)境條件下新型艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)整體試驗(yàn)測試的研究還存在許多不足，因此研究針對(duì)新型作戰(zhàn)系統(tǒng)試驗(yàn)測試的復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建方法，對(duì)其提高在真實(shí)海洋環(huán)境條件下作戰(zhàn)能力具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

1 復(fù)雜電磁環(huán)境的特點(diǎn)與組成

在特定范圍的空間區(qū)域內(nèi)，所有電磁波在頻率、功率和時(shí)間上分布密集、使用頻繁，構(gòu)成了復(fù)雜電磁環(huán)境。復(fù)雜電磁環(huán)境是基于電磁環(huán)境的多層次擴(kuò)展，匯總了某一特定時(shí)間或區(qū)域范圍內(nèi)高度電磁能量[2]。復(fù)雜電磁環(huán)境在頻域上主要的表現(xiàn)方式為：在特定頻段內(nèi)，可測量頻譜線密集分布，電平大小各不相同，變化較大；電磁信號(hào)種類較多，占用寬帶帶寬各異，相互影響交匯，導(dǎo)致信號(hào)環(huán)境噪聲起伏明顯，噪聲底線提高。在時(shí)域上表現(xiàn)方式為：信號(hào)形式多樣，調(diào)試方式復(fù)雜，數(shù)量多，分布范圍大。隨著裝備發(fā)展水平的不斷提高，越來越多的裝備可以根據(jù)不同的作戰(zhàn)任務(wù)需求，隨時(shí)變換信號(hào)的頻載和其他調(diào)制參數(shù)，并且迅速改變周期大小。

由于敵我雙方信息裝備以及電子戰(zhàn)裝備大批量的部署和彼此之間激烈的對(duì)抗，形成了復(fù)雜電磁環(huán)境，因此可將其分解成背景電磁環(huán)境、威脅電磁環(huán)境[3]和輻射傳播因素。其中，背景電磁環(huán)境可分為自然輻射電磁環(huán)境，民用輻射電磁環(huán)境；威脅電磁環(huán)境又可分為敵方輻射電磁環(huán)境和我方輻射電磁環(huán)境，如圖1 所示。

圖1 復(fù)雜電磁環(huán)境組成Fig.1 Composition of complex electromagnetic environment

2 復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建方法

由于電磁環(huán)境構(gòu)建方法以及所使用設(shè)備的不同，目前主要有4 種典型構(gòu)建方式，分別為實(shí)裝模擬法、半實(shí)物模擬法、計(jì)算機(jī)仿真模擬法和綜合模擬法，具體情況見表1。

表1 復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建方法對(duì)比Tab.1 Comparison of construction methods for complex electromagnetic environment

實(shí)裝模擬法主要依靠大量采用真實(shí)的武器裝備來模擬構(gòu)建真實(shí)戰(zhàn)場電磁環(huán)境，這種方式的電磁環(huán)境真實(shí)性還原程度最高，是進(jìn)行武器裝備電子對(duì)抗試驗(yàn)鑒定最有效、最可信的手段。但是這種方式需要大量真實(shí)裝備配合，真實(shí)裝備造價(jià)高，需要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，而且由于經(jīng)費(fèi)、地域等條件的限制，大型電子裝備數(shù)量有限，無法做到對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境的全覆蓋，因此很難完全依靠實(shí)裝裝備構(gòu)建復(fù)雜電磁環(huán)境。

針對(duì)實(shí)裝模擬法的缺陷，半實(shí)物模擬法采用信號(hào)模擬器來替代實(shí)裝裝備，大大降低了復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建的成本。采用分布式布置，可以在一個(gè)地方布置一個(gè)或者多個(gè)模擬器，也可以在多個(gè)地方布置多個(gè)模擬器，模擬整體戰(zhàn)場電磁環(huán)境電子態(tài)勢，成本較低，可實(shí)施性高。

計(jì)算機(jī)仿真模擬法是指利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，模擬真實(shí)戰(zhàn)場環(huán)境條件下，武器裝備系統(tǒng)的作戰(zhàn)性能、兵力配置、戰(zhàn)斗態(tài)勢以及虛擬作戰(zhàn)的全過程。采用計(jì)算機(jī)仿真模擬法構(gòu)建虛擬復(fù)雜電磁環(huán)境，主要應(yīng)用于電子對(duì)抗設(shè)備的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和試驗(yàn)效果評(píng)估等方面，具有重復(fù)性好，通用性強(qiáng)，成本低廉等優(yōu)勢。但是開發(fā)模型的工作量較大，且難度較高，準(zhǔn)確性也有待進(jìn)一步提升。

綜合模擬法是指綜合運(yùn)用上述3 種方法構(gòu)建復(fù)雜電磁環(huán)境。在電子裝備的外場試驗(yàn)中，綜合模擬法不僅可以利用真實(shí)電子裝備的作戰(zhàn)態(tài)勢，還可以利用半實(shí)物信號(hào)模擬器和計(jì)算機(jī)全數(shù)字仿真模擬技術(shù)來構(gòu)建適用于未來電子裝備復(fù)雜的電磁作戰(zhàn)環(huán)境。這樣既降低了構(gòu)建復(fù)雜電磁環(huán)境的成本，節(jié)省了資源，又提高了構(gòu)建復(fù)雜電磁環(huán)境的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。

3 復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建系統(tǒng)

通過對(duì)比上述4 種構(gòu)建方法，結(jié)合已有的條件，綜合考慮各種因素，本文采用模擬器為主、計(jì)算機(jī)仿真為輔的綜合模擬法構(gòu)建一種復(fù)雜電磁環(huán)境。

3.1 系統(tǒng)功能及組成

構(gòu)建復(fù)雜電磁環(huán)境系統(tǒng)，主要是用來對(duì)整個(gè)試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)各種電子設(shè)備、模擬器和自然電磁環(huán)境進(jìn)行信號(hào)采集和存儲(chǔ)。采用特定的方法對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析處理和信號(hào)回放。同時(shí)通過復(fù)雜電磁環(huán)境系統(tǒng)軟件生成不同的電磁信號(hào)，構(gòu)建復(fù)雜電磁環(huán)境。針對(duì)不同體制的雷達(dá)設(shè)備，還可以選用不同的分系統(tǒng)模擬對(duì)應(yīng)的雷達(dá)信號(hào)。

目前艦載傳感器中的兩/三坐標(biāo)搜索雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)、雷達(dá)偵察設(shè)備、火控跟蹤雷達(dá)等，都受到復(fù)雜電磁環(huán)境影響。針對(duì)兩/三坐標(biāo)搜索雷達(dá)，主要采用旁瓣注入原理，模擬不同目標(biāo)航跡；針對(duì)相控陣?yán)走_(dá)，采用輻射陣列模擬方法實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)目標(biāo)航跡模擬；針對(duì)雷達(dá)及雷達(dá)偵察設(shè)備，采用專用輻射設(shè)備模擬雷達(dá)輻射和電子干擾；針對(duì)火控跟蹤雷達(dá)，因?yàn)槠洳ㄊ鴴呙璺绞讲煌诔Ｒ?guī)的搜索雷達(dá)，無法實(shí)現(xiàn)旁瓣注入，因此采用可移動(dòng)平臺(tái)搭載信號(hào)輻射源方法模擬特定目標(biāo)在方位和俯仰角度的變化。由此可見，復(fù)雜電磁環(huán)境系統(tǒng)的構(gòu)建主要依托于各模擬子系統(tǒng)，其系統(tǒng)組成如圖2 所示。

圖2 復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of complex electromagnetic environment construction system

3.2 復(fù)雜電磁環(huán)境多模擬器協(xié)同驅(qū)動(dòng)技術(shù)

針對(duì)不同體制的雷達(dá)選用不同的電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)。電磁環(huán)境主控系統(tǒng)主要用來生成電磁態(tài)勢，通過航跡評(píng)估、誤差補(bǔ)償技術(shù)達(dá)到協(xié)同驅(qū)動(dòng)不同的電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)的目的。復(fù)雜電磁環(huán)境主控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

電磁環(huán)境主控系統(tǒng)主要由態(tài)勢生成、航跡評(píng)估、誤差補(bǔ)償和協(xié)同驅(qū)動(dòng)等子系統(tǒng)組成。

電磁環(huán)境主控系統(tǒng)軟件主要由電磁環(huán)境主控子系統(tǒng)軟件組成，為模擬器的中樞大腦部分，接收試驗(yàn)中心控制指令和配置參數(shù)，完成系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)、邏輯運(yùn)算，評(píng)價(jià)航跡規(guī)劃，預(yù)演試驗(yàn)態(tài)勢，下發(fā)控制指令，并可以測試檢查所有其他子系統(tǒng)的性能狀態(tài)。

主要功能如下：

1）接收試驗(yàn)中心發(fā)送的控制指令、模擬器參數(shù)配置信息、雷達(dá)參數(shù)信息、航跡信息，進(jìn)行指令解析、數(shù)據(jù)封裝；

2）對(duì)原始數(shù)據(jù)信息進(jìn)行運(yùn)算處理從模擬器角度對(duì)試驗(yàn)航跡規(guī)劃做出評(píng)價(jià)，并按一定的規(guī)則修改航跡并給出修改依據(jù)（生成評(píng)價(jià)報(bào)告，標(biāo)記模擬器模擬能力范圍之外的目標(biāo)及時(shí)刻，并告知超出模擬能力原因，方便完善試驗(yàn)航跡規(guī)劃）。

3）計(jì)算模擬器配置信息，將雷達(dá)參數(shù)、航跡信息解算為陣列振元、轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延、多普勒頻率、雷達(dá)轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)方向圖等模擬信息，下發(fā)給模擬轉(zhuǎn)發(fā)子系統(tǒng)，提供模擬器工作數(shù)據(jù)。

圖3 電磁環(huán)境主控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Main control system structure of electromagnetic environment

4）態(tài)勢預(yù)演功能。雷達(dá)P 顯模塊顯示解算和修正完畢的航跡信息，構(gòu)建試驗(yàn)態(tài)勢的預(yù)覽。

5）試驗(yàn)控制功能?？刂颇M轉(zhuǎn)發(fā)子系統(tǒng)開始、暫?；蛑兄共シ拍M器工作數(shù)據(jù)，也可以在試驗(yàn)過程中修改模擬轉(zhuǎn)發(fā)子系統(tǒng)的播放數(shù)據(jù)。

6）測試檢驗(yàn)其他子系統(tǒng)的性能和狀態(tài)，包括每次試驗(yàn)前的子系統(tǒng)自檢、系統(tǒng)閉環(huán)自檢，或是空閑時(shí)對(duì)各子系統(tǒng)的維護(hù)檢測。

7）可以生成試驗(yàn)報(bào)告、航跡評(píng)價(jià)報(bào)告、自檢報(bào)告、維護(hù)報(bào)告等，方便評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果、調(diào)整航跡規(guī)劃或是掌握各子系統(tǒng)狀態(tài)。

電磁環(huán)境主控系統(tǒng)生成的電磁態(tài)勢航跡結(jié)果如圖4 所示。

圖4 電磁態(tài)勢航跡結(jié)果圖Fig.4 Result chart of electromagnetic situation track

電磁環(huán)境主控系統(tǒng)生成的電磁態(tài)勢航跡結(jié)果，當(dāng)原始航跡點(diǎn)符合電磁環(huán)境模擬器驅(qū)動(dòng)要求時(shí)模擬結(jié)果為正常；當(dāng)原始航跡點(diǎn)不符合模擬器驅(qū)動(dòng)要求時(shí)模擬結(jié)果有容量超出、功率超出、按邊界模擬等評(píng)價(jià)。

對(duì)評(píng)價(jià)后的航跡點(diǎn)進(jìn)行選取并對(duì)不滿足模擬器驅(qū)動(dòng)要求的按邊界模擬的點(diǎn)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，形成補(bǔ)償后滿足電磁環(huán)境模擬器驅(qū)動(dòng)要求的航跡。整套復(fù)雜電磁環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)協(xié)同驅(qū)動(dòng)流程如圖5 所示。

圖5 復(fù)雜電磁環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)協(xié)同驅(qū)動(dòng)流程Fig.5 Collaborative driving process of complex electromagnetic environment test system

4 復(fù)雜電磁環(huán)境采集驗(yàn)證方法

為了驗(yàn)證構(gòu)建的電磁環(huán)境的正確性，選用的試驗(yàn)區(qū)域穩(wěn)定固定，可以采用寬帶電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行全面采集，并對(duì)采集下的信號(hào)進(jìn)行分析與評(píng)估。其工作原理如圖6 所示。

圖6 復(fù)雜電磁環(huán)境采集與評(píng)估原理圖Fig.6 Schematic diagram of complex electromagnetic environment collection and evaluation

1）電磁環(huán)境采集系統(tǒng)輻射標(biāo)準(zhǔn)雷達(dá)信號(hào)，被測模擬設(shè)備根據(jù)目標(biāo)航跡及虛擬的角度掃描信息，進(jìn)行信號(hào)模擬調(diào)制和輻射；

2）電磁環(huán)境采集系統(tǒng)接收輻射信號(hào)，同時(shí)記錄相應(yīng)的角度信息（或者陣列上滑動(dòng)小車移動(dòng)距離）和時(shí)刻信息；

3）信號(hào)分析軟件處理出目標(biāo)的距離、多普勒、航跡—時(shí)間等信息，與預(yù)設(shè)信息對(duì)比，可得到距離模擬、多普勒模擬、方位角度精度誤差等信息。

裝訂輻射信號(hào)的參數(shù)已知，通過數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理分析得到脈內(nèi)信息，再計(jì)算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，通過統(tǒng)計(jì)得到運(yùn)動(dòng)參數(shù)的精度，驗(yàn)證構(gòu)建的電磁環(huán)境。

根據(jù)雷達(dá)方程，當(dāng)接收天線距離雷達(dá)R 處目標(biāo)回波功率為[5]：

式中：Pr為雷達(dá)接收機(jī)接收功率；Pt為雷達(dá)發(fā)射峰值功率；Gt為雷達(dá)天線增益；σ為目標(biāo)雷達(dá)截面積（RCS）；R 為雷達(dá)與目標(biāo)之間距離；Lr和Lt分別為雷達(dá)接收損耗因子和雷達(dá)發(fā)射損耗因子。

天線口面接收到的模擬器發(fā)射功率為：

式中：Pr為雷達(dá)接收機(jī)接收功率；PA為模擬器等效輻射功率；r 為模擬器發(fā)射天線至被試?yán)走_(dá)處的長度。

由式（1）和式（2）可知，模擬器的等效輻射功率為：

由上述公式可將系統(tǒng)采集得到的信號(hào)參數(shù)解析與實(shí)際裝訂的參數(shù)對(duì)比分析，并可根據(jù)系統(tǒng)信號(hào)回放功能，驗(yàn)證系統(tǒng)構(gòu)建的電磁環(huán)境。

5 結(jié) 語

隨著新式電子裝備的快速發(fā)展和應(yīng)用，對(duì)新型艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)試驗(yàn)測試環(huán)境的要求也不斷提高，特別是依托復(fù)雜電磁環(huán)境條件下的系統(tǒng)試驗(yàn)測試，更是對(duì)裝備測試的電磁環(huán)境提出了更高的要求。針對(duì)新型艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)，本文提出一種復(fù)雜電磁環(huán)境系統(tǒng)的構(gòu)建方法，利用電磁環(huán)境主控系統(tǒng)，協(xié)同驅(qū)動(dòng)多模擬器，模擬不同裝備電磁特征，實(shí)用性高，成本低廉，能夠支持從單設(shè)備到多平臺(tái)艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)測試要求。