康祥熙，杜 增，張云濤，王 雷

(1.中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036；2.西安飛機工業(yè)集團有限責(zé)任公司，陜西 閻良 710089)

0 引言

Simulink是Matlab軟件重要組件，是交互式動態(tài)系統(tǒng)建模仿真和分析的圖形環(huán)境[1]，雖然Simulink是進(jìn)行系統(tǒng)仿真開發(fā)的重要工具軟件，但是對于復(fù)雜的機載傳感器系統(tǒng)，僅依靠Simulink單一模型很難做到全系統(tǒng)基于場景的動態(tài)仿真，為此可以通過組建分布式仿真系統(tǒng)解決大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的仿真問題。

如今大規(guī)模系統(tǒng)仿真方法有基于HLA開發(fā)的分布式仿真系統(tǒng)。雖然HLA分布式仿真系統(tǒng)具有良好的結(jié)構(gòu)層次，但對于底層模型要求較高，很難實現(xiàn)Matlab/Simulink模型的調(diào)用，即使通過S函數(shù)、Matlab引擎的方法調(diào)用，也很難保證模型運行效率。也有通過C語言開發(fā)專用模型仿真程序，在仿真時序的調(diào)度下，通過UDP或者中間件的形式相互通信，雖然此種仿真系統(tǒng)運行效率較高，但需要投入較大人力開發(fā)，且聯(lián)試費時費力，需求變更時只能通過修改代碼完成，不如圖形化的建模方式直觀快捷。

因此基于Simulink搭建分布式仿真系統(tǒng)，并通過RTW編譯模型生成可執(zhí)行文件即解決了Matlab/Simulink模型兼容問題又解決了仿真系統(tǒng)運行時效上的問題，同時還能保留Simulink圖形化建模的直觀性、便捷性、易維護(hù)性等優(yōu)點[2]。

1 系統(tǒng)組成

Simulink分布式仿真系統(tǒng)如圖1所示由傳感器及環(huán)境分系統(tǒng)、環(huán)境部署分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄及顯示分系統(tǒng)SLD、主控分系統(tǒng)構(gòu)成。

圖1 系統(tǒng)組成

傳感器及環(huán)境分系統(tǒng)：由飛機平臺模型、射頻環(huán)境模型、雷達(dá)，ESM，XX鏈通信傳感器模型構(gòu)成；其中，飛機平臺運動模型為六自由度模型，射頻環(huán)境模型提供空間衰減、雜波、多徑模擬；雷達(dá)模型模擬機載相控陣?yán)走_(dá)工作流程及功能；ESM模型完成信號分選、方向測量、頻率測量、到達(dá)時間和脈沖寬度測量，最終輸出PDW及信號分選識別信息；XX鏈通信模型完成長機和瞭機間數(shù)據(jù)通信功能。

環(huán)境部署分系統(tǒng)：由想定場景編輯、運行部署軟件構(gòu)成；其中，想定場景編輯進(jìn)行戰(zhàn)場態(tài)勢環(huán)境的編輯，飛機航路規(guī)劃，目標(biāo)部署等；運行部署軟件對系統(tǒng)中各個模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署，運行資源部署。

數(shù)據(jù)記錄及顯示分系統(tǒng)SLD：由可視化顯示、數(shù)據(jù)記錄軟件構(gòu)成；其中，可視化顯示軟件進(jìn)行仿真可視化信息回放，包含二維、三維及傳感器探測分析結(jié)果信息；數(shù)據(jù)記錄軟件記錄系統(tǒng)仿真過程數(shù)據(jù)，支撐仿真可視化回放。

主控分系統(tǒng)：由主時間控制MTC、平臺指揮與控制PCC、網(wǎng)絡(luò)通信COM構(gòu)成；其中，主時間控制MTC組件控制系統(tǒng)整體仿真時序，保證各個模型時間同步同步；平臺指揮與控制PCC組件控制模型、平臺運行；網(wǎng)絡(luò)通信COM組件負(fù)責(zé)系統(tǒng)底層通信(TCP/IP通信)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

想定場景的多樣性會帶來場景規(guī)模可變，系統(tǒng)模型接口尺寸可變等特性。如何在即不修改模型，又不采用全集建模和固定接口等粗放方法前提條件下完成仿真，是系統(tǒng)架構(gòu)構(gòu)建的關(guān)鍵因素。系統(tǒng)通過引入平臺模型-系統(tǒng)模型概念(類似C++中類和對象)，自動適配想定場景生成模型，不僅保證了仿真的正常運行，還實現(xiàn)了資源的零浪費。

系統(tǒng)模型間的通過4種類型數(shù)據(jù)流通道相互交互[3]。

1) 數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)流通道：仿真過程中的系統(tǒng)運動數(shù)據(jù)、模型仿真數(shù)據(jù)；

2) 時間控制數(shù)據(jù)流通道：確定仿真時間，控制與同步各個模型間的仿真時序；

3) 數(shù)據(jù)請求及交互數(shù)據(jù)流通道：仿真模型間的交互數(shù)據(jù)；

4) 運動控制數(shù)據(jù)流通道：載體模型的運動軌跡、姿態(tài)等控制，傳感器模型的工作參數(shù)控制，包括波束方位、俯仰、模式等。

系統(tǒng)底層通信方式采用TCP/IP，TCP為可靠的通信鏈路方式，客服端與服務(wù)器端通信鏈路建立時，需進(jìn)行“三次握手”，對通信數(shù)據(jù)包進(jìn)行校驗，對丟包，錯誤包等情況進(jìn)行重傳，保證了通信可靠，數(shù)據(jù)完整。

其中，數(shù)據(jù)記錄及顯示模塊中負(fù)責(zé)通信的部分為服務(wù)器端，與之交互的飛機平臺、射頻環(huán)境、雷達(dá)、ESM、機間數(shù)據(jù)鏈通信模型中負(fù)責(zé)通信的部分為客戶端；主控時間模塊中負(fù)責(zé)通信的部分為服務(wù)器端，與之交互的飛機平臺、射頻環(huán)境、雷達(dá)、ESM、機間數(shù)據(jù)鏈通信模型中負(fù)責(zé)通信的部分為客戶端。

圖2 Simulink分布式仿真系統(tǒng)架構(gòu)

3 工作流程

添加Simulink模型到指定文件路徑，并打開仿真主控界面完成仿真環(huán)境設(shè)置，包括模型添加、交互參數(shù)填寫等。

選定要創(chuàng)建紅藍(lán)雙方對抗想定場景地圖區(qū)域，同步加載高程數(shù)據(jù)。對抗要素為搭載電子戰(zhàn)模型的藍(lán)方兩架飛機平臺對抗搭載雷達(dá)模型的紅方兩架飛機平臺。依據(jù)仿真時間在系統(tǒng)模型對應(yīng)PCC模塊完成飛機平臺的航跡、姿態(tài)規(guī)劃，雷達(dá)模型的開機時間、工作模式、波束范圍等的設(shè)置。

圖3 系統(tǒng)工作流程

依據(jù)創(chuàng)建分布仿真的計算機配置，將藍(lán)方平臺及模型部署在PC1上，將紅方平臺及模型部署在PC2上，將主時間控制MTC部署在PC4上，數(shù)據(jù)記錄及顯示SLD部署在PC3。最后生成想定文件和模型部署文件(.mat)。

編譯想定文件，生成對象模型，RTW將上述對象模型編譯生成可執(zhí)行程序，并將其復(fù)制到網(wǎng)絡(luò)中的計算機。開始仿真運行和數(shù)據(jù)記錄，在仿真過程中可隨時暫停、運行和停止。打開SLD模型加載仿真數(shù)據(jù)，完成回放，回放同時支持二維圖形數(shù)據(jù)顯示及3D場景顯示。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 標(biāo)準(zhǔn)模型架構(gòu)

復(fù)雜想定場景中有眾多傳感器模型和平臺模型，模型間交聯(lián)關(guān)系復(fù)雜，數(shù)據(jù)傳輸量大。因此從仿真系統(tǒng)總體設(shè)計的角度考慮，需對模型的建模方式、外部接口形式進(jìn)行規(guī)范化約束，以保證模型能夠被迅速集成到仿真系統(tǒng)中。

通過開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)模型模板，可以實現(xiàn)快捷規(guī)范的模型嵌入、集成和測試。圖4為模型架構(gòu)的頂層視圖。

圖4 模型標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)

虛線框為仿真系統(tǒng)中其他節(jié)點，通過TCP/IP與模型通信。

1)平臺運動控制模型送運動控制參數(shù)給平臺運動控制模塊，在參數(shù)控制下實現(xiàn)飛機平臺預(yù)定航跡和雷達(dá)等工作方式切換；

2)系統(tǒng)控制器模塊在主時間控制模型的統(tǒng)一調(diào)度下，完成本模型的時序、收發(fā)處理使能等控制；

3)如果模型為傳感器一般為主動系統(tǒng)，如果為平臺模型則設(shè)定為被動系統(tǒng)。被動系統(tǒng)一般只輸出參數(shù)，如飛機的航跡和姿態(tài)。主動系統(tǒng)則可以進(jìn)行信號的輻射和目標(biāo)回波信號的接收處理；

4)系統(tǒng)模型模塊即算法模型，是完成運算處理的核心。如雷達(dá)的發(fā)射機模型、接收機模型均置于此；

5)數(shù)據(jù)記錄與顯示模塊將待記錄的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸至數(shù)據(jù)記錄與現(xiàn)實模型，由它匯總記錄。

4.2 基于 Stateflow的時間同步機制

時間同步機制的好壞是確保分布式仿真系統(tǒng)能夠整齊、統(tǒng)一運行的關(guān)鍵。該系統(tǒng)采用Stateflow狀態(tài)機控制時間的運行。Stateflow是有限狀態(tài)機的圖形化實現(xiàn)工具，主要用于控制和檢測邏輯關(guān)系的表示和狀態(tài)切換[4]。系統(tǒng)通過設(shè)置輸入/輸出將Stateflow模塊直接嵌入到Simulink 模型，從而實現(xiàn)連續(xù)系統(tǒng)與離散事件系統(tǒng)的混合。

仿真時間主控(MTC)同步整個仿真系統(tǒng)中所有模型的運行。MTC針對每一個模型都內(nèi)建服務(wù)器端與客戶端，客戶端置于每一個模型的系統(tǒng)控制器內(nèi)，服務(wù)端置于仿真時間主控內(nèi)，主控MTC通過接入仿真時鐘，在每個仿真步長，通過TCP/IP實現(xiàn)模型間握手交互，具體流程如下。

1) 在MTC服務(wù)端與客戶端建立通信連接；

2) 初始化模型；

3) 時間脈沖分發(fā)及同步；

4) 使能和等待模型處理完成；

5) 更新所有模型緩存；

6) 下一個仿真步長重復(fù)3)至5)步驟直到仿真結(jié)束。

5 系統(tǒng)建模

5.1 飛機平臺模型

飛機平臺模型主要由動力學(xué)和自動駕駛儀模型組成。其中動力學(xué)模型為六自由度(DOF)模型[5]，包括沿著X軸(東)、Y(北)、Z(天)的直線運動，繞著X軸(俯仰)、Y軸(橫滾)、Z軸(航向)旋轉(zhuǎn)的運動。

慣性坐標(biāo)系下的飛機運動學(xué)方程如下所示：

(1)

(2)

其中：F為飛機的受合力矢量，m為飛機的瞬時質(zhì)量，v為飛機的合速度矢量，M為瞬時力矩矢量。

(3)

自動駕駛儀模型具備兩個控制回路，即力控制和力矩控制，分別采用各自的比例積分控制器進(jìn)行控制[7-8]。

(4)

飛機運動學(xué)模型和自動駕駛儀模型計算流程如圖6所示。

圖6 飛機運動模型計算流程

仿真運行獲得的飛機平臺航跡和姿態(tài)數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 飛機平臺航跡和姿態(tài)

5.2 雷達(dá)電子戰(zhàn)模型

雷達(dá)電子戰(zhàn)無源探測仿真模型典型組成包含三部分，即雷達(dá)模型、射頻環(huán)境模型、無源探測模型[9]。

圖8 雷達(dá)電子戰(zhàn)模型工作流程

1) 雷達(dá)模型包含發(fā)射機模塊、接收機模塊、天線模塊、波束調(diào)度模塊、信號處理模塊、濾波跟蹤模塊[10]。雷達(dá)發(fā)射機輻射信號參數(shù)可設(shè)置功率、采樣率、信號中頻、脈寬、脈沖個數(shù)、PRI等。信號經(jīng)天線完成增益、極化方式等參數(shù)模擬，并送至射頻環(huán)境模型。雷達(dá)接收機收到射頻環(huán)境的目標(biāo)回波信號在完成信號處理和測距測向后，進(jìn)行信號的濾波和航跡的預(yù)測，從而控制跟蹤門，完成波束的控制，實現(xiàn)目標(biāo)的跟蹤。

2) 射頻環(huán)境模型主要模擬信號的無線信道衰落特性包括功率衰減、時延、多普勒頻移、相移、多徑。模擬雜波和干擾的影響。RCS模擬通過查表方式實現(xiàn)；

3)無源探測模型主要包含信號檢測、分選識別和定位跟蹤三部分。首先ESM對接收信號進(jìn)行檢測，并對輻射源信號進(jìn)行參數(shù)測量，形成脈沖描述字流即PDW。然后信號處理模塊根據(jù)已知的信號特征參數(shù)庫，對輸入的PDW信號流進(jìn)行輻射源分選、參數(shù)估計、輻射源識別、威脅程度判別和作戰(zhàn)態(tài)勢判別等。最后完成輻射源的定位和跟蹤。

輻射源發(fā)射信號一般可表示為：

(5)

(6)

6 仿真與分析

6.1 場景規(guī)劃

構(gòu)建紅藍(lán)雙方2v2飛機電子對抗場景。紅方兩架飛機從機場起飛，保持編隊飛行并通過數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行態(tài)勢共享，紅2飛機開啟雷達(dá)探測目標(biāo)。紅方飛機進(jìn)入藍(lán)方無源探測系統(tǒng)截獲半徑范圍內(nèi)，雷達(dá)信號被無源探測系統(tǒng)偵收測向。

圖9 想定場景

6.2 仿真測試

仿真測試步驟如下所示。

1) 根據(jù)想定場景設(shè)置輻射源個數(shù)，以及輻射源的信號參數(shù)，為無源探測系統(tǒng)提供波形輸入；

2) 根據(jù)場景設(shè)置的輻射源與無源探測系統(tǒng)所在載機平臺的運動軌跡信息，實時解算出各輻射源相對無源探測系統(tǒng)的徑向距離、徑向速度、方位俯仰角(東北天坐標(biāo)系)；

3) 輻射源的時域交疊脈沖串輸入時域測量模塊，從而獲得脈沖時域參數(shù)，驗證本模塊能有效截獲輻射源脈沖信號，并以較高精度測量得到脈沖的時域參數(shù)TOA、PW、PA；

4) 頻域參數(shù)測量模塊輸出時頻曲線，用于測量瞬時頻率；

5) 依據(jù)不同來向的輻射源脈沖信號采用二維干涉儀測向獲取目標(biāo)方位、俯仰角；

6) TOA序列輸入雷達(dá)信號分選模塊，獲得所有的PRI估計值以及對應(yīng)的PRI序列；

7) 脈內(nèi)參數(shù)測量模塊以輻射源脈沖序列和時頻曲線為輸入，獲得脈內(nèi)調(diào)制類型及調(diào)制類型相關(guān)參數(shù)。

6.3 結(jié)果與分析

輻射源時域重疊信號經(jīng)時域測量模塊處理得到的數(shù)據(jù)如圖10所示。星號表征檢測到的脈沖TOA，即脈沖上升沿。該點對應(yīng)的縱坐標(biāo)代表了該脈沖的PA?？梢钥吹剑K檢測到的TOA與真實的脈沖前沿非常接近。同時，由于作用距離、不同輻射源發(fā)射天線在ESM載機平臺方向的不同天線增益等影響，進(jìn)入時域參數(shù)測量模塊的輻射源脈沖序列具有不同的PA，但同一輻射源內(nèi)部的各脈沖PA起伏很小。

圖10 時域測量圖

查看圖11所示的時頻曲線，脈沖內(nèi)部時頻關(guān)系總體呈線性，且頻率的起始和終止值與初始設(shè)置一致。脈沖寬度外部全無信號和噪聲，是由于在時域參數(shù)測量模塊得到各脈沖的TOA、PW和PA后，系統(tǒng)附加了脈沖抽取模塊，僅保留了脈沖寬度內(nèi)部的信號波形，便于中間波形的查看。

圖11 頻域測量圖

表1中給出了空域測量參數(shù)DOA測量值的統(tǒng)計，方位測量值與真實值相差近似180o，將真實的方位角向下折疊到[0,180o]，即以180o進(jìn)行求余操作得到模糊的角度值，與測量值相差0.005o，且各脈沖的測量值相差極小。

表1 輻射源角度測量結(jié)果

綜上表明，基于此系統(tǒng)開展的電子對抗仿真測試，仿真數(shù)據(jù)與真實值誤差偏小，仿真流程是合理的，結(jié)果數(shù)據(jù)是可信的。另外，仿真效率表征了仿真速度的快慢，其可通過仿真時效比衡量。仿真時效比為真實耗費時間與仿真時間的比值。仿真實效比大于1表示仿真速度快，小于表示仿真速度慢。實際仿真速度還跟仿真硬件配置有著較大關(guān)系，此次仿真采用的計算機為高配置圖形工作站，因此仿真實效比達(dá)到了6.44[11-12]。

7 結(jié)束語

依照本文所述方法搭建的分布式仿真系統(tǒng)不僅能夠利于Simulink工具箱信號處理模型庫，還對m文件模型有著良好的兼容性，此外借助狀態(tài)機進(jìn)行仿真控制使得控制流程更清晰。對于Simulink模型運行效率問題也可以通過RTW解決。最后通過紅藍(lán)電子對抗想定場景仿真驗證，進(jìn)一步證明該仿真系統(tǒng)搭建方法是可信的，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建新型航空電子作戰(zhàn)需求仿真平臺是可行的。