劉德龍，陳 旭，張 琛

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

電子對抗系統(tǒng)的開發(fā)是一個十分復雜的系統(tǒng)工程。面對錯綜復雜的工作環(huán)境、性能提升的低截獲雷達技術(shù)、日益強烈的反電子對抗手段，電子對抗系統(tǒng)需要越來越復雜，指標要求也越來越高。研制一個電子對抗系統(tǒng)，耗資大，周期長，難以預測的因素多，實驗難度大，在研制時往往需要跨企業(yè)、跨部門、跨系統(tǒng)的多個團隊共同完成。在這種由多個設(shè)計小組共同參與的項目中，層次化、模塊化的設(shè)計流程可以大大方便項目管理，明確各個項目開發(fā)小組的設(shè)計目標，進而縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。而數(shù)字化平臺建設(shè)及數(shù)字化樣機研制工作使得研發(fā)的總體部門、各分機設(shè)計、加工部門在實踐中不斷完善工作流程、仿真流程，增進了跨部門合作，積累了過往工程設(shè)計經(jīng)驗，提升了項目總師、設(shè)計人員、管理人員素質(zhì)和工作效率，縮短了新項目研發(fā)周期，提高了產(chǎn)品可靠性和功能擴展性能，增強了信息化體系作戰(zhàn)條件下現(xiàn)代信息裝備研制的核心競爭力[1]。

1 數(shù)字化樣機建設(shè)現(xiàn)狀

1.1 產(chǎn)品方案設(shè)計沒有統(tǒng)一的仿真環(huán)境，模型不統(tǒng)一，難以共享與重用

系統(tǒng)設(shè)計模型分為3層：作戰(zhàn)需求分析、產(chǎn)品方案設(shè)計和功能單元設(shè)計,對于每一層模型，設(shè)計與仿真形成閉環(huán)。其中，作戰(zhàn)需求分析層由作戰(zhàn)仿真軟件支持仿真驗證；功能單元設(shè)計層可以由相關(guān)的專業(yè)軟件支持仿真驗證；而產(chǎn)品方案設(shè)計層目前還沒有能夠支持仿真驗證的環(huán)境。如圖1所示，系統(tǒng)設(shè)計師一般的手段是構(gòu)建相應(yīng)的VC、Matlab仿真模型來仿真驗證自己的設(shè)計。但是如圖2所示，目前這些模型沒有統(tǒng)一的仿真運行平臺，導致建模沒有統(tǒng)一的規(guī)范，難以統(tǒng)一管理而散亂于各個設(shè)計師自己手里，致使模型難以被共享、被重用；同時又由于模型難以被共享、重用，導致設(shè)計師仿真需要的重復工作多，工作量大，影響設(shè)計師的工作效率[2]。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計建模仿真中存在的問題

圖2 已有模型難以重用

1.2 模型構(gòu)建層次不清晰

由于數(shù)字化樣機的研發(fā)技術(shù)和信號處理技術(shù)比較類似，研發(fā)團隊一般也以該團隊成員為主，因而當前數(shù)字化樣機多為信號級樣機。而這類樣機優(yōu)缺點明顯，不能解決所有用戶的需求，因此理清當前數(shù)字化樣機建設(shè)需求與手段、清晰化模型構(gòu)建層次是當前數(shù)字化樣機建設(shè)的前提[3]。

1.3 現(xiàn)有仿真模型偏理想，未結(jié)合實測數(shù)據(jù)

目前，正常的產(chǎn)品方案設(shè)計都是做了仿真的，但是仿真主要考慮理想條件下的仿真，沒有接入實際的數(shù)據(jù)進行仿真推演。大多數(shù)產(chǎn)品難以避免在被實際做出來之后，存在與之前的設(shè)計預期不符，甚至達不到所設(shè)計的功能和性能。如圖3所示，天線方向的理想與實測相差較大；如圖4所示，理想信號與實測信號的頻譜也不盡相同。

圖3 天線方向圖的理想與實測之間有較大差異

圖4 理想信號與實測環(huán)境信號

1.4 軟件開發(fā)與調(diào)試依賴硬件實物

在電子戰(zhàn)設(shè)備實際研發(fā)中，由于電子戰(zhàn)系統(tǒng)軟件部分的開發(fā)與調(diào)試較強地依賴硬件，導致軟件部分的開發(fā)與調(diào)試往往需要等硬件部分有實物之后才能開展，進而使得電子戰(zhàn)系統(tǒng)中的軟件研發(fā)滯后于硬件研發(fā)，影響整個系統(tǒng)研發(fā)周期。特別是未來大數(shù)據(jù)、智能化、態(tài)勢生成等真實的環(huán)境場景很難構(gòu)建，因此需要建設(shè)數(shù)字化的仿真平臺以滿足軟件開發(fā)需求。

2 數(shù)字化樣機構(gòu)建層次及目的

一般情況下，電子對抗系統(tǒng)的數(shù)字化樣機在實現(xiàn)形式上分成功能級數(shù)字化樣機、信號級數(shù)字化樣機以及介于兩者之間的一些其他形式的數(shù)字化樣機，下面分別介紹這些數(shù)字化樣機的優(yōu)缺點及應(yīng)用范圍。

2.1 數(shù)字化樣機的應(yīng)用范圍

2.1.1 功能級數(shù)字樣機

功能級數(shù)字樣機由于計算量少，因此可以實現(xiàn)實時處理，能夠支持多系統(tǒng)之間的實時在線仿真。這類數(shù)字化樣機主要用于作戰(zhàn)場景的展示以及戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法的推演，從而可充分了解每個設(shè)備中各項指標的重要性，對裝備指標體系建設(shè)有一定的幫助。但是功能級的數(shù)字樣機由于仿真顆粒度過于粗糙，無法用于指導設(shè)備研制。

2.1.2 信號級數(shù)字樣機

信號級數(shù)字化樣機的仿真重點在于數(shù)字信號處理與波形調(diào)制部分的算法模擬與展示，這類仿真的優(yōu)勢在于對信號處理部分的仿真逼近了真實情況，因此可以通過信號級數(shù)字化樣機的仿真推算出設(shè)備的基本性能指標，指導設(shè)備的研制。一般這類仿真是將仿真時間內(nèi)的所有數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存中集中計算處理后再統(tǒng)一展現(xiàn)，典型的仿真軟件有systemvue等。由于其計算量較大，若沒有現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)等硬件的支持與加速，無法實現(xiàn)實時的仿真計算；因此，幾乎無法實時支持對后端信息處理仿真所需要的數(shù)據(jù)，也無法滿足多系統(tǒng)之間的聯(lián)合調(diào)試。

2.1.3 數(shù)據(jù)級數(shù)字樣機

數(shù)據(jù)級數(shù)字樣機是基于雷達脈沖描述字(PDW)的仿真。這類仿真實時運行在CPU和圖像處理器(GPU)之中，主要為了驗證電子對抗系統(tǒng)的信息處理軟件實現(xiàn)能力、分系統(tǒng)協(xié)同能力和整機工作流程實現(xiàn)能力，解決軟件開發(fā)與調(diào)試依賴硬件實物和測試環(huán)境的問題。這類仿真利用模擬器構(gòu)建數(shù)據(jù)流，因此可以實時驗證多傳感器融合，綜合態(tài)勢生成、威脅估計等軟件效能，提高對抗設(shè)備的智能化水平。

2.2 數(shù)字樣機建設(shè)需求分析

根據(jù)以上論述可知，不同層級的數(shù)字化樣機的建設(shè)目標與建設(shè)需求是不一的，建設(shè)手段和建設(shè)方案也完全不同，因此總結(jié)仿真的層次化關(guān)系、仿真目的是非常必要的?，F(xiàn)將各層級數(shù)字化樣機建設(shè)的仿真需求、目的和建設(shè)方法總結(jié)如表1所示。

需求層次需求條目舉例說明仿真需求要點仿真本質(zhì)仿真環(huán)境與仿真方法多系統(tǒng)級聯(lián)合仿真作戰(zhàn)場景的演示展示作戰(zhàn)戰(zhàn)法的演示驗證系統(tǒng)指標需求分析單雷達與電子對抗設(shè)備對抗流程演示組網(wǎng)雷達與多電子對抗設(shè)備對抗流程演示以平臺對抗為基礎(chǔ),我方平臺雷達+電子對抗設(shè)備面對敵方雷達+電子對抗設(shè)備進攻防守演示驗證電子對抗設(shè)備指標與作戰(zhàn)效果的聯(lián)系界面展示性強、實時性效果好界面展示性強、實時性效果好界面展示性強 雷達方程+干擾方程的時空域展示平臺對抗作戰(zhàn)流程驗證,本質(zhì)就是找出雷達仿真+干擾方程的“極點”,尋找某設(shè)計定型的電子對抗和雷達設(shè)備獲得最佳對抗效果的作戰(zhàn)戰(zhàn)法本質(zhì)即找出設(shè)備各指標之間與作戰(zhàn)效果之間的關(guān)系,確定最佳設(shè)計平衡點,比如靈敏度與截獲概率之間的平衡點,干擾功率和作戰(zhàn)效果之間的平衡點面向?qū)ο蟮慕缑婢幊?系統(tǒng)輻射源描述字(EDW)功能級仿真面向?qū)ο蟮慕缑婢幊?系統(tǒng)輻射源描述字(EDW)功能級仿真;2個方程尋找極點的仿真Matlab;加入環(huán)境場景的2個方程的約束與極點尋找的仿真系統(tǒng)級仿真軟件能力與流程分析驗證態(tài)勢生成、威脅估計、智能訓練、工作流程仿真等構(gòu)件軟件輸入與輸出閉環(huán),搭建軟件環(huán)境模擬器模擬戰(zhàn)場數(shù)據(jù)(硬件處理后的)作戰(zhàn)效能的推理分析基于作戰(zhàn)場景的偵察截獲概率仿真、干擾效果的仿真;雷達抗干擾樣式仿真實時性較弱,抓住核心對抗點,部分算法可簡化仿真2個系統(tǒng)之間的信號處理和流程之間的對抗PDW功能級仿真;利用數(shù)據(jù)模擬器實現(xiàn)分系統(tǒng)級仿真系統(tǒng)性能指標驗證系統(tǒng)靈敏度驗證;系統(tǒng)測向精度驗證;系統(tǒng)信號檢測能力驗證;干擾波形生成能力系統(tǒng)工作流程驗證接收機與微波控制流程驗證;動態(tài)DBF、動態(tài)信道化算法驗證等系統(tǒng)架構(gòu)的1∶1搭建,仿真準確性需要較高,能夠與設(shè)備保持一致驗證復雜環(huán)境下系統(tǒng)的各項性能指標:比如驗證不同方位、俯仰下信號的靈敏度,以達到指導設(shè)備調(diào)試的目的。尋找系統(tǒng)最優(yōu)控制流程,保證在一定硬件設(shè)備下,達到系統(tǒng)能力的最優(yōu)化實時性信號級仿真分機級仿真分機算法驗證、分機性能指標驗證、分機工作流程驗證模塊性能指標驗證微波系統(tǒng)的性能指標仿真驗證接收機多信號同時到達、測向解模糊、測頻精度的仿真信號分選與識別算法仿真驗證微波模塊的性能驗證,比如濾波器的性能驗證仿真結(jié)果準確,能指導設(shè)備研制仿真結(jié)果準確,實時性需與裝備一致仿真結(jié)果準確,能指導設(shè)備研制尋找微波系統(tǒng)的搭建最優(yōu)方案Systemvue、Matlab等其他仿真工具(信號級仿真)仿真驗證復雜環(huán)境下接收機算法的缺陷點,尋找最優(yōu)接收處理算法實時性信號級仿真仿真驗證信號分選準則的正確性、識別算法的準確性、算法的最優(yōu)方式等PDW信號功能+非實時性數(shù)據(jù)處理仿真(Matlab+GUI)驗證微波模塊設(shè)計的最優(yōu)方案

3 數(shù)據(jù)級數(shù)字化樣機建設(shè)思路和總體方案

3.1 基本思路

如圖5所示，根據(jù)集成產(chǎn)品開發(fā)(IPD)流程結(jié)合系統(tǒng)工程設(shè)計方法，系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)分為以下3個步驟：(1)作戰(zhàn)需求分析；(2)系統(tǒng)方案設(shè)計；(3)子系統(tǒng)(模塊)方案設(shè)計。其中作戰(zhàn)需求分析需要通過功能級數(shù)字化樣機給出電子戰(zhàn)效能級模型；系統(tǒng)方案設(shè)計主要采用PDW功能級數(shù)字化樣機，驗證電子戰(zhàn)整機的態(tài)勢生成與資源管理架構(gòu)、整機工作模式、工作流程；子系統(tǒng)級方案設(shè)計，主要完成對電子戰(zhàn)接收處理指標驗證、干擾波形調(diào)制能力驗證。因此總結(jié)數(shù)字化樣機的建設(shè)思路如下：

圖5 系統(tǒng)設(shè)計與仿真業(yè)務(wù)流程示意圖

(1) 明確各層級數(shù)字化樣機的定位

明確數(shù)字化樣機的面向?qū)ο蠛徒ㄔO(shè)目標，從而確定數(shù)字化樣機分幾個層次、幾個團隊分別建設(shè)。要充分發(fā)揮每一個層級的數(shù)字化樣機的優(yōu)點，分別解決設(shè)計中的一些問題。不能總想利用一個層次的數(shù)字化樣機解決不同層次的問題，這樣是不科學的。

(2) 統(tǒng)一的仿真環(huán)境、模型

團隊內(nèi)部數(shù)字化樣機的建設(shè)需要選擇統(tǒng)一的仿真環(huán)境、統(tǒng)一的實現(xiàn)架構(gòu)、統(tǒng)一的共享形式、統(tǒng)一的模型說明，才能使得數(shù)字化仿真變成組織級別的資產(chǎn)，為組織未來的發(fā)展提供動力，使得數(shù)字化仿真意義擴大化。另外需要建立共享機制，擴大團隊信息共享，提高科研水平。

(3) 一步一個腳印地更新仿真的準確性

馬克思哲學中闡述了認識的本質(zhì)和過程：實踐是認識的基礎(chǔ)，認識是實踐基礎(chǔ)上主體對客體的能動反映，認知可以指導實踐，實踐可以改變認知，這是一個循序漸進、螺旋式上升的過程。建立數(shù)字化樣機也是一樣，一開始不能要求太高，太多的需求可能導致實現(xiàn)困難，工作難以開展。一方面，應(yīng)當在目前的認知條件下，先做一個基本的樣機架構(gòu)，完成基本的功能，獲得基本的成果后逐步前進；另一方面應(yīng)當在已有數(shù)字樣機的基礎(chǔ)上，結(jié)合更多的實測數(shù)據(jù)，增強仿真的可信度。

(4) 分離軟硬件數(shù)字化仿真，提升仿真設(shè)計效率

總的來說，對于天線與微波前端和接收處理、信號調(diào)制發(fā)射等硬件實現(xiàn)部分，可利用systemvue等軟件，實現(xiàn)信號級仿真，從而達到更準確的仿真效果；對于軟件處理部分，可通過開發(fā)前端數(shù)據(jù)模擬器，模擬各類接收機的PDW、EDW、雷達點跡、航跡等數(shù)據(jù)，而數(shù)字化樣機運行架構(gòu)應(yīng)當與設(shè)備軟件保持一致，這樣可以使得數(shù)字化樣機的開發(fā)成果與設(shè)備開發(fā)更易共享，節(jié)約人力資源。

3.2 總體方案

圖6為對抗數(shù)字化樣機建設(shè)總體框圖，主要包括雷達模型、環(huán)境模型和對抗模型。仿真開始，由環(huán)境模型配置雙方平臺信息，主要包括：經(jīng)緯度、運動方位、速度、雷達截面積(RCS)等，然后產(chǎn)生除了雷達與對抗兩方的其他復雜電磁環(huán)境，送至對抗模型。接著雷達模型開機，發(fā)射電磁波(此處為雷達信號描述字)，通過環(huán)境模型計算其空間衰減與坐標轉(zhuǎn)化，將雷達信號描述字送達對抗模型。對抗模型通過無源偵察模型接收環(huán)境模型中傳輸?shù)膹碗s電磁環(huán)境，也包括雷達模型通過環(huán)境模型發(fā)至偵察模型中的雷達信號描述字，通過智能化決策后由干擾模型輸出干擾信號描述字送至環(huán)境模型送達。環(huán)境模型根據(jù)目標方的RCS、雷達信號功率、兩者徑向運動速度、云、雨等背景影響計算雷達回波，再根據(jù)干擾信號描述字生成雷達真實接收的基帶信號，送至雷達接收機。接收機根據(jù)回波計算雷達點跡和航跡，將其送至環(huán)境模型，環(huán)境模型依照兩者真實的方位、速度進行判決，將干擾真實效果送至對抗模型，由此形成閉環(huán)，可供機器學習算法實施訓練。

圖6 對抗數(shù)字化樣機建設(shè)總體框圖

4 結(jié)束語

本文首先分析了數(shù)字化樣機建設(shè)現(xiàn)狀，總結(jié)了當前存在的問題；通過分析當前幾種常見的數(shù)字化樣機建設(shè)模式，總結(jié)其優(yōu)缺點及適用范圍；然后從需求的角度出發(fā)，給出了各層級數(shù)字樣機的需求層次、仿真要點、仿真本質(zhì)和適用仿真環(huán)境等；最后給出了數(shù)字化樣機的基本建設(shè)思路和總體方案。