战场复杂电磁环境的逼真构建方法

2014-03-23戎建刚魏建宁

航天电子对抗 2014年1期

戎建刚，唐莽，王鑫，魏建宁

（中国航天科工集团8511研究所，江苏南京210007）

0 引言

现阶段使用的武器装备环境适应性试验模式，在传统试验模式的基础上已有了很大提高［1－2］，不同程度地加入了敌对双方的对抗博弈和电子对抗的复杂电磁环境，但受限于对复杂电磁环境的认知水平，试验结果与实战条件的一致性仍然是当前亟待解决的一个重大难题。文献［3］对复杂电磁环境给出了指标体系，为逼真构建打下了理论基础。文献［4］研究了威胁电磁环境的特点，归结为“干扰场景、干扰战术、干扰技术”三个层次的典型化：典型干扰场景把作战规模的大小典型化为若干类型，典型干扰战术按照传统使用方式分成四类，典型干扰技术按照压制／欺骗和有源／无源进行分类。文献［5］进一步研究了威胁电磁环境的分类分级，按照基本干扰类型的不同组合情况，把干扰技术应用情况分成四类，并把复杂电磁环境的二维指标Ψ2＝｛s，m｝在定量化的基础上划分为12级。

根据复杂电磁环境的特点，本文提出了逼真构建复杂电磁环境的“四个等效”原则；为了衡量构建环境与实战环境的逼真性，又提出了以干扰技术逼真度和干扰战术逼真度为基础的定量评价指标。在此基础上，归纳总结出复杂电磁环境的五种等效构建方法。

1 相关概念分析

武器装备对环境的适应性考核，在传统的试验模式（见图1（a））中，是完成大气环境、力学环境、电磁兼容环境等试验，不包含人为对抗性因素，通常分成内场和外场二个阶段。

武器装备在未来的作战过程中，将面临更加复杂的电磁环境以及敌对双方的激烈对抗，尤其是电子对抗引起的复杂电磁环境问题，如图1（b）所示。因此，在试验模式上增加了双方人员的参与，在作战过程中，根据战场态势及时改变或调整策略，形成敌对双方相互博弈的一个作战过程。

1.1 等效模拟

研究复杂电磁环境的逼真构建方法，不仅仅是用一系列实装设备按照作战想定做出布设和使用，而是要用一系列等效的办法，更经济、更高效、更系统地模拟武器装备面临的各种复杂电磁环境。文献［5］把威胁电磁环境构成总结为“干扰场景、干扰战术、干扰技术、干扰强度”四个要素，据此，可以归纳出构建复杂电磁环境的四个等效原则：

图1 武器装备的复杂环境适应性

1）干扰场景等效：按照“作战规模、攻击目标、对抗装备”三要素设置干扰场景，其范围要满足干扰战术的使用要求。

说明：干扰场景的物理空间可以缩比。

2）干扰战术等效：按照“时间、空间、干扰技术”三要素控制运动过程、选择干扰组合、确定干扰时机，覆盖全过程，包含各阶段。模拟试验的过程和关键点与实际作战具有可比性。

说明：一个实际的作战过程可能需要很长时间，模拟其主要过程及关键阶段，可以提高试验效率。

3）干扰技术等效：包括技术体制、信号形式（调频、调相、调幅、极化等）、干扰信号的种类及组合应用，要与实际作战的干扰设备一致。

说明：模拟设备的干扰技术参数，在信号级必须与电子对抗装备相同，其精度要满足干扰技术逼真性要求。

4）干扰强度等效：以被试设备为模拟视点，其接收天线处的｛s，m｝要与实际作战过程相同。如图2所示。

图2 干扰强度等效模拟

说明：在模拟距离缩比的情况下，按干扰方程确定所需的干扰等效辐射功率。干扰发射机功率、天线增益（尺寸）、干扰参数、干扰场景布设范围等参数，在相同的干扰强度下可以有不同的组合，可以进行优化分配。

上述的四个等效原则，为寻找多、快、好、省的试验方法和方案提供了可能性，也为多种试验方法相互验证和相互补充提供了可能性。

1.2 逼真度

复杂电磁环境是敌对双方电子对抗装备密集部署和激烈对抗的产物，其核心是电子对抗装备技术性能及其作战应用，其难点是电子对抗的干扰战术应用。需要处理两个问题，一是电子对抗装备的技术性能，包括实装设备、模拟设备或数字模型等；二是装备的作战应用，也即干扰技术的实际使用。对此，分别提出干扰技术逼真度和干扰战术逼真度指标来进行定量描述。

1）干扰技术逼真度：是指等效模拟典型电子对抗装备主要干扰技术性能的近似程度。

为模拟防御方电子对抗装备的技术性能，常用的方法是利用各种电子战模拟器进行模拟。按照文献［6］提出的评价逼真度要求的标准，即“模拟中不包括操作员感知不到的东西”，如果电子对抗装备上某些功能或者技术指标与关心的问题无关，模拟中就可以不做考虑。电子战模拟器要能模拟防御方电子对抗装备在实战中需要的各种功能及技术指标，同时要模拟其各类技术指标的精度，这两个方面是考核其干扰技术逼真度的主要内容。图3为干扰技术逼真度的测试框图，以参试电子对抗装备为参照，通过一一对比各主要功能，并对各技术性能指标项的误差进行统计处理，可以得到电子战模拟器在模拟该型电子对抗装备的逼近程度。

图3 干扰技术逼真度测试

可以直接用防御方实装设备，也可以用数字模拟，主要是模型及其数据的精度要满足逼真度要求。

2）干扰战术逼真度：是指等效模拟电子对抗装备在作战过程中使用的典型干扰战术的近似程度。

干扰战术是对抗双方相互博弈的一个动态过程，需要综合考虑对抗双方的情况。为了表示干扰战术的整个过程情况，往往把一个作战过程细分成若干阶段，每一个阶段中，时间和空间在变化，干扰技术（样式）保持不变。也就是说，干扰战术是作战过程中不断选择不同干扰技术的过程，可以把作战过程分解为干扰技术与时间和空间的一系列组合。因此，干扰战术逼真度主要指模拟作战过程中干扰技术及相关数据的逼真度。表1用于测试干扰战术逼真度，对于一个想定的干扰战术，用干扰方程和雷达方程（或者一些电磁环境仿真软件），从原理上给出干扰战术各阶段在被试设备天线口面处的｛s，m｝作为参照，再用电子战模拟器进行模拟产生，对二者的误差进行统计分析，可以得到干扰战术的逼真度数据。

表1 干扰战术逼真度测试

在逼真度的模拟中，模拟的费用随着逼真度以指数函数增长，但一旦达到被试设备的感知门限，逼真度的作用价值就不再增加。因此，只要保证模拟信号的精度满足被试设备的探测要求即可。

1.3 试验用例与测试用例

对环境的适应性，关键是极端条件的适应性。为全面反映被试设备的环境适应性，一般还要增加典型工作条件的考核。把典型工作条件及极端工作条件的集合称之为试验用例。

武器装备的干扰环境由一组典型干扰场景及其对应的若干种干扰战术组成，对于每一种干扰战术，用一组干扰战术的三要素来定量描述，可以找出这些三要素中电磁环境指标变化过程的边界（极限）值，作为该干扰战术的试验用例。把每一种干扰战术的试验用例再进行综合，再次找极限值得到试验用例，就可作为该装备复杂电磁环境的试验用例。

因此，被试设备的试验用例主要过程为：

1）定量化的干扰战术｛t1，w1，（s1，m1）｝，｛t2，w2，（s2，m2）｝，…

2）按照“最不利原则”找出作战阶段中电磁环境的边界值：｛s1，m1｝，｛s2，m2｝，…

3）把每一种干扰战术的边界值都包括进来，再找极限值，得到一个集合：｛si，mi｝，i＝1，…，n，可作为该型武器装备复杂电磁环境的试验用例。

作为一个完整的试验用例，还需要考虑典型试验条件的适应性。

复杂电磁环境的试验用例可以理解为电磁环境的强度指标，类似于EMC测试中的RS103（电场辐射敏感度），注意这里只关心被试设备工作频带内的信号。

试验用例解决了干扰强度问题，对于同样强度下的各种干扰技术可能的组合应用，还要设计一组测试用例来考核。干扰技术的组合应用是一个人为选择的问题，同样的干扰场景、同样的干扰设备，在作战试验过程中如何选用干扰技术，不同专业知识背景和操作使用经验的人会做出不同的选择。为此，给出测试用例的设计原则：

1）测试用例的代表性：测试用例需要分析设计，以满足测试覆盖性要求（不同干扰场景、不同干扰战术、不同干扰技术）。

2）测试结果的可判定性：测试执行结果的正确性是可判定的，每一个测试用例都应有相应的期望结果。

3）测试结果的可再现性：同样的被试设备状态用同样的测试用例，试验结果应当是相同的。

1.4 静态模拟与动态模拟

为满足试验用例的测试要求，需要模拟产生规定要求的电磁环境。一般情况下，这种电磁环境的强度要求较高，产生后保持不变，供被试设备作为测试的输入，既可以空馈，也可以线馈。因为电磁环境产生后维持不变，所以称之为静态模拟，相应的试验也称之为静态试验。

测试用例也需要考虑不同干扰技术及其组合应用情况，既有几种干扰技术的同时组合，也有分时组合，一般情况下其干扰强度选择适中即可。这里需要的电磁环境是一种按照要求不断变化的电磁环境，可以称之为动态模拟，相应的试验称之为动态试验。

电子对抗的效果同时取决于干扰的技术和战术，需要分别开展技术性能和战术性能的考核。技术性能考核一般采用静态试验，重点考核各单项性能。战术性能考核一般采用动态试验，重点考核对各种不同情况的适应能力。

2 复杂电磁环境的逼真构建方法

复杂电磁环境分成背景电磁环境和威胁电磁环境两部分，背景电磁环境主要是一些背景辐射信号和各种杂波信号，已有比较成熟的理论和方法。本文重点讨论威胁电磁环境的逼真构建问题。

2.1 电子对抗装备逼真模拟方法

实战中电子对抗装备是产生复杂电磁环境的源头，复杂电磁环境的复杂程度主要取决于电子对抗装备的性能及其战术应用。从构建复杂电磁环境的角度来说，基于等效的概念，可以用不同的替代设备来实现。

2.1.1 实装设备

选择与敌方装备在功能和性能的主要技术指标相近的己方设备，尽量模拟实战中敌方设备的作用。这是目前模拟中最逼真的近似于实战的环境构建方法，在一些军演的红蓝对抗中经常采用。由于实战中对抗装备的数量及品种较多，以及各国装备的技术水平差距较大，要蓝军完全达到实战环境，也存在不少困难。

2.1.2 模拟设备

与实装相比，电子战模拟器具有技术先进、多功能等显著特点，可以等效模拟出绝大多数实装设备的功能和性能，用模拟器构建复杂电磁环境是目前国内外在构建电子靶场中经常采用的方法。下面就几类典型装备的模拟替代方案进行分析说明。

1）有源干扰装备的模拟问题：这类装备一般都具有多功能、技术先进、装备数量大等特点，是电子战装备中最主要的部分。在模拟这类装备方面，主要在技术体制、信号形式、干扰技术、干扰战术等方面达到逼真性要求，在输出功率方面可以做缩比处理。

2）无源干扰装备的模拟问题：传统的无源干扰装备主要有箔条弹、角反射器、烟幕弹、曳光弹等，这些干扰装备的特点是干扰参数固定不变，干扰使用方式相对简单，设备一次性使用、单价较低。在构建逼真威胁环境时，用模拟设备替代，费效比不占优势，可以直接用这些装备。

2.1.3 数学模型

根据等效性原则，数学模型既可以在物理域上模拟产生，也可以在数字域上虚拟产生。只是目前大多数数学模型的精度或准确性尚不够，完全在数字域上产生还有困难。

2.2 目标特性的逼真模拟方法

如果有真实目标，将是最理想的状态。否则，需要用各类模拟器模拟产生雷达、红外、形状、运动等特性与被试设备传感器有关的信息。这里也存在一个模拟逼真度的问题，可以参照2.1节的三种方法模拟产生。

2.3 被试设备

一般来说，复杂电磁环境的构建都是围绕被试设备的试验需求进行的，因此被试设备不再由模拟器替代。但也有一些特殊情况，比如在验证一种新技术或新方案时，没有可用的被试设备，只能用一些与研究问题相关的类似设备做被试品，这个被试品可看作是被试设备的模拟器。

2.4 背景电磁信号模拟方法

一个实际的作战环境，大量的用频装备密集部署，与被试设备工作频率相同或相近的其它一些用频装备，尽管只是完成其自己的特定任务，不是用于攻击被试设备，但是由于频率相近，从电磁兼容的角度来看，也会有一定的影响。为了反映这种影响，需要用模拟器设置一些背景信号。因为这类装备与被试设备不存在对抗问题，所以重点是模拟信号要达到与实装设备信号的技术逼真度要求，其模拟方法及评价标准与电子对抗装备相同，不再赘述。

如果是在内场或者数字模拟，则还需要考虑杂波模拟问题。目前的主流方法有：基于杂波数学模型的模拟方法；采用被试设备外场实录杂波数据的模拟方法。在使用数学模型时，模拟逼真度还不理想，高逼真模拟以实录数据更好。

2.5 复杂电磁环境逼真构建方法

将上面的几种方法结合起来，形成几种典型的构建方法如下：

1）实装设备＋模拟设备。这是目前大型外场试验和军演的常用方法，可以适应大规模、高逼真场合，具备高费效比。

2）模拟设备＋数字模型。这种方法在新技术研究及方案论证中比较适合，把研究问题聚焦到一些需要解决的关键环节上，为技术攻关构建针对性的复杂电磁环境。这种方法在内场比较适用。

3）实装设备＋模拟设备＋数字模型。例如，美军的“千年挑战2002”采用了实兵部队与计算机作战模拟相结合的方式，20%的战斗由实兵部队和各种实际的装备设施在9个军事基地进行，80%的战斗则是使用多种作战模拟系统，在18个模拟战场上进行，试验训练使能架构（TENA）技术和产品得到了有效运用，将多个靶场的试验和训练资源有机集成在一起。

2.6 复杂电磁环境构建逼真性评价方法

按照威胁电磁环境的干扰场景“三要素”、背景电磁环境的电磁辐射信号与杂波信号等要求，本文构建了复杂电磁环境，该如何来评价所构建环境的逼真性？可从评价逼真性的角度再来看复杂电磁环境的“四个等效”原则：

在干扰场景等效方面，干扰场景用于表示实战场景规模大小，在物理空间上，实际战场一般都会比模拟场景大，但二者达到的用途应该相同。或者说，除了战场物理空间不同，其它战场组成要素基本一致。因此，评判二者的逼真性，只要在组成要素上做一个简单的比较即可，比如，各类模拟器（电子对抗装备、攻击目标、背景辐射源）的数量、种类及部署的相对位置等等与实际战场一致。

在干扰强度等效方面，建立了以被试设备感受到的干扰强度等效研究方法，为采用更高效、更廉价、更可操作的模拟实现提供了理论基础。因此，干扰强度等效是复杂电磁环境构建的一种优化方法。

在干扰技术等效方面，各类模拟设备或实装替代设备的技术性能与实战装备一一比较，满足干扰技术逼真度要求。现代战场一般都是体系作战，战场上出现的装备在种类和数量上非常庞大，以被试设备为参考，与其有影响的装备要一一分析对比，包括产生背景电磁信号的各类装备。在评价模拟设备与实战装备的技术逼真度时，各类背景信号模拟设备与电子战模拟设备一并考虑。

在干扰战术等效方面，各个阶段的干扰战术使用方式及其产生的干扰强度与实战状态一一对比，满足干扰战术逼真度要求。

复杂电磁环境中，只有电子对抗存在干扰战术逼真度问题，这是电子战特有的问题，也是复杂电磁环境中最复杂的部分。所以，从评价构建环境与实战环境逼真性的要求来看，定性指标主要体现在干扰场景等效和干扰强度等效，定量指标主要体现在干扰技术逼真度和干扰战术逼真度。把技术和战术的逼真度指标描述清楚，再加上干扰场景上的一致性要求，就可以定量评价出所构建环境与实战环境的逼近程度。