机载电子侦察系统仿真研究

程 呈，涂 鹏，刘利民，梁玉英，韩壮志

（军械工程学院，石家庄 050003）

机载电子侦察系统仿真研究

程 呈，涂 鹏，刘利民，梁玉英，韩壮志

（军械工程学院，石家庄 050003）

随着现代电子装备的迅速发展，电子对抗成为国内外竞相研究的热点问题。结合现代战争的作战模式以及战场复杂的电磁环境，通过数学模型的建立，提出一种建立基于欠定盲信号分解的机载电子侦察仿真系统的方法。为算法研究、装备效能评估、综合演练以及部队教学提供平台。

电子侦察，雷达组网，欠定盲分离，电子对抗，SystemVue

0 引言

随着电子装备的普及，作战平台所处的电磁环境日趋复杂，面临的威胁越来越多，电子对抗已从过去单一兵器之间的对抗向系统对抗、体系对抗转变。在现代空战中，我方战机所面临的最大威胁已不是敌方部署的各型雷达，面临的则是由敌方各型雷达有机结合的雷达网。雷达的组网，使得雷达的作战性能得到了整体提升，生存能力大大提高。对于空中战机而言，只有寻求更有效的雷达信号处理技术，更快、更准确地识别出雷达网中每一部雷达的地理位置、工作模式，才有可能在现代战争中抢占先机［1］。然而要想在战场外，完全实现真实的物理仿真，不仅十分困难而且面临成本高、周期长等问题。因此，建立一套仿真系统进行效能评估、教学训练是必要的。

本系统通过SystemVue软件仿真以及实际装备实现模拟战场雷达组网与空中战机之间的电子对抗的目的。并在信号分选算法上，运用欠定条件下的盲信号分离技术代替传统的信号分选技术。通过半实物模拟仿真系统的建立，可以对电子侦察、信号分选算法的优劣进行比较、研究。同时半实物仿真更接近实际环境，得到的仿真结果更有说服力。

1 电子侦察系统组成

机载电子侦察系统主要是模拟现代战场上载机与地面雷达组网之间的电子对抗，整个系统分为3方，分别是：红方、蓝方以及白方。

红方：雷达组网模块。主要根据真实战场雷达发射信号的特点以及雷达组网布站形式，产生真实的雷达组网信号，并且根据战场复杂电磁环境，形成复杂电磁环境下的组网雷达信号，对蓝方战机进行侦察，并得到蓝方战机的必要信息，例如：航迹、方位等。

蓝方：机载雷达侦察模块。主要模拟机载雷达接收机的工作原理，包括前端截获、信号处理。目的是分选出雷达组网中每一部雷达的发射信号，进而处理接收到的雷达信号，对雷达辐射源定位，并且获得雷达的工作状态信息。

白方：战场裁判模块。白方作为战场裁判贯穿整个对抗始终。在对抗过程中，白方将红方和蓝方的信息流进行汇总，得到实时数据并进行存储。在对抗结束后，通过对数据的整合判定对抗胜负。

具体工流程如图1所示。

图1 系统工作流程

2 系统实现

2.1 复杂电磁环境模拟下雷达信号产生

在电子对抗中，火控雷达为武器系统提供目标数据，进而控制己方火力打击系统摧毁威胁目标。火控雷达发射信号可用如下复数形式表示［2］：

其中，a（t）为调制函数包络，fc为载频，φ（t）为调制函数相位，u（t）为复包络。

对于本系统所针对的某型火控雷达，考虑其常规单载频脉冲形式，则其包络信号u（t）可以表示为：

将该型火控雷达信号相关参数载入雷达模拟设备，在仿真节点的控制下，模拟产生火控雷达的辐射信号，通过发射天线对外辐射。

针对本系统开放空间的特点，采用辐射式电磁环境模拟技术来构建复杂战场电磁环境。结合真实的作战背景需要，在软件层面模拟产生通讯信号、杂波信号、干扰信号、其他种类雷达信号等来构成复杂电磁环境。

要想模拟产生真实的物理电磁环境，必须通过硬件来形成射频模拟信号，最后通过天线在背景空间中辐射，形成所需的战场电磁环境。信号生成系统主要由以下几部分组成：信号控制模块、中频产生模块、射频辐射模块。将软件生成的各种信号存入信号控制模块形成“信号库”，根据需要，调整信号相关参数，产生能反映真实战场环境的复杂电磁信号群，并定时向中频模块输送；中频模块在得到控制模块传来的信号流之后，迅速对其作出处理，利用数字滤波、数字上变频、D/A转换后形成中频信号；中频信号生成后送入射频辐射模块，最后经过天线发射，形成辐射式电磁环境。

信号生成系统原理如图2所示：

图2 信号生成流程图

根据系统复杂度和战场环境实际需要，电磁环境模拟器可以不止使用一部，需要在导调中心的控制下，在不同的位置辐射产生不同形式、密度、功率、能流的复杂电磁环境。

2.2 接收系统

对于电子侦察系统而言，接收系统包括了信号的截获以及分选。截获主要通过天线对组网雷达信号产生模块产生的复杂电磁环境下的雷达信号进行接收。信号分选则是通过算法，对截获的复杂信号进行分选。本系统摒弃了传统的信号分选算法，而是利用盲信号分离的算法，对截获的复杂信号进行盲分离，得到混合信号中所关注的雷达信号波形，利用雷达信号波形，得到脉冲描述字，从而进一步处理。

对于组网雷达与战机之间的电子对抗，雷达的发射信号源较多，而战机的接收信道较少，从而形成了一种多源少元的现象。符合欠定条件下盲信号分离的前提，因此，考虑利用欠定盲信号分解对截获信号进行处理。但对抗双方是非合作的，所以辐射源个数一般无法确定。利用交叉验证技术对雷达辐射源个数进行估计［3］，本系统主要是利用文献[4]的欠定信号盲分离的算法，在此不再赘述。

2.3 辐射源定位

对辐射源进行定位利用的是单站无源辐射源定位技术。在此说明：本仿真系统辐射源固定。数学模型如图3所示：

图3 无源瞬时定位数学模型

P为飞机，R为辐射源，M为P在XOY平面上的投影点。由图中位置关系可得：

而飞机在运动，辐射源静止，所以对于P点的三坐标参量都是时间t的函数，式（4）中前两式对t求导得：

而对P点x轴坐标的导数即飞机此时在x轴方向的速度，由此关系可得：

上式中唯一需要计算的是角度变化率，通过干涉仪天线阵列即可求出。至此可以得到辐射源的距离信息，从而实现对辐射源瞬时的定位。

2.4 关键技术

本系统在SystemVue仿真环境中实现。该软件是基于Windows操作系统平台上进行系统设计与分析的高级仿真工具。SystemVue软件中相应的雷达模块库以及电子对抗模块库，对于机载电子侦察系统的搭建提供帮助。

该软件能够通过引入实际条件进行建模仿真，这大大降低了实验成本。而且，该软件具有将不同软件、格式设计的子系统、算法结合到一起进行系统仿真的性能。对于机载电子侦察系统，雷达信号的产生、复杂电磁环境的产生、信号分选算法以及辐射源定位算法都可以利用Matlab编写代码，形成对应模块，接入SystemVue软件仿真当中，实现对应功能。

SystemVue软件既可以使用其自带模块进行纯软件系统仿真，也可以结合实际硬件进行半实物系统仿真。对于机载电子侦察系统，复杂电磁环境下的组网雷达信号的发射以及电子侦察的接收都是利用实际硬件实现的。

3 系统评估方法

3.1 接收机截获评估

接收机对目标的截获是机载告警装置的关键，因此，评估此系统中接收机截获概率的大小就有着十分重要的意义。截获概率（POI）是指在某种信号环境中接收机接收的脉冲百分比，它与这个环境中脉冲的密度和分布有关［5］，在本系统使用的告警接收机中，“信干比”、角度测量范围以及检测概率是衡量的侧重指标。

截获概率可以用如下公式衡量：

3.2 战场电磁环境评估

战场电磁环境的一般复杂性,是用来定量描述特定战场上客观的、共同的、宏观的电磁环境特征［6］,一般性评估不同于特定性评估，它与战场上个别的特殊的传感器感知战场能力没有直接关系，而是电磁环境在战场态势的综合反映。针对机载接收机与火控雷达的对抗，主要考虑如下指标来衡量电磁环境的一般复杂性。信号的频域分布密度ρf，功率分布密度ρp，空间强度Es和环境影响度σn（环境影响度表征外界其他非系统因素对系统的影响总和）。每个指标对应不同的影响度因子εi，其中

于是，战场电磁环境一般复杂度BT可用下式表示：

其中，B（ρf）、B（ρp）、B（Es）、B（σn）分别表示对ρf、ρp、Es、σn的归一化。

3.3 盲分解算法评估

对于信号盲分解的结果，可以利用相似系数以及性能指数两个参数来评价。

相似系数，顾名思义就是对比源信号与估计信号的相似程度。定义ξ为相似函数：

由式（4）可知，当相似系数为1时，相似度最佳；当相似系数为0时，两信号独立。所以只有当由相似系数组成的相似系数矩阵的每一行有且仅有一个元素接近1，其他元素都接近0时，则说明此分离算法对于该问题而言效果理想。

性能指数（Performance Index，PI）定义为：

当源信号的波形与估计信号波形完全相同时，PI为0。所以，一般而言，当PI达到10-2时，就已经说明该算法效果不错。

4 结束语

本系统利用SystemVue软件以及实际装备对组网雷达和战机之间的电子对抗进行了半实物仿真。该仿真能够模拟两者之间的电子对抗，又由于本系统是半实物仿真，更接近真实环境，提高了仿真的逼真度，达到模拟真实电子侦察的目的。该系统不仅可以运用在算法的研究、对比以及改进方面，同时也为部队教学、装备评估以及研究战术战法提供了思路。

机载电子侦察系统的半实物仿真可以根据需求调整系统中各部分关系、参数，使系统更加灵活，应用领域更广，也可把该系统作为一个子系统，应用于实现更大、更复杂的系统仿真模拟当中，真正达到模拟真实现代战场的目的。

［1］王星，程嗣怡，刘海彬，等.组网电子对抗技术研究［J］.电子对抗，2011，137（2）：1-4.

［2］Richards M A.雷达信号处理基础［M］.北京：电子工业出版社，2008.

［3］王荣杰，詹宜巨，周海峰，等.人工蜂群算法在复数盲源分离中的应用［J］.中国科学，2014,44(2):199-220.

［4］徐尚志，苏勇，叶中付.欠定条件下的盲分离算法［J］.数据采集与处理，2006，21（2）：128-132.

［5］王湛.电子接收机的选择［J］.船舶电子对抗，2004，13（2）：133-137.

［6］邵国培，刘雅奇，何俊.战场电磁环境的定量描述、模拟构建与复杂性评估［J］.电子对抗，2010，130（1）：1-4.

［7］姜宁，胡维礼，马颖，等.舰艇电子对抗系统的仿真研究［J］.系统工程与电子技术，2001，24（4）：91-93.

［8］刘聪锋，杨洁，王奉帅.运动观测站对固定辐射源频差定位算法［J］.电子学报，2012，40（5）：907-910.

［9］金国庆，张达增，谢井.无源探测瞬时测距技术研究［J］.现代雷达，2001，13（2）：23-26.

［10］沈文亮，李艳斌，陈卫东，等.基于无源测距的快速定位方法研究［J］.电子学报，2009，37（6）：1343-1347.

［11］Li Y Q，Amari S，Cichocki A，etal.Underdetermined Blind Source Separation Based on Sparse Representation［J］.IEEE Transactionson SignalProcessing，2006，54（2）：22-25.

Research on Simulation of Airborne Electronic Reconnaissance System

CHENGCheng，TUPeng，LIU Li-min，LIANGYu-ying，HAN Zhuang-zhi
（Ordnance Engineering College,Shijiazhuang 050003，China）

With the rapid development of electronic equipments,electronic countermeasures has become a researching hotspot both at home and abroad.According to the combatmode at present and the complex electromagnetic environment,amethod how to establish the simulation system of Airborne Electronic Reconnaissance based on blind separation of underdetermined mixtures is presented in this paper.The system provides a good platform for effectiveness evaluation of equipments,exercises and education in troops.

electronic reconnaissance，sets of radar，blind separation of underdetermined mixtures，electronic countermeasures，SystemVue

TN97

A

1002-0640（2015）11-0123-04

2014-10-05

2014-11-13

程 呈（1991- ），男，山西运城人，硕士研究生。研究方向：电子侦察模拟系统、电子侦察算法以及盲信号分离。