电磁对抗干扰仿真的装备性能评估方法*1



电磁对抗干扰仿真的装备性能评估方法*1

马静

(航天系统仿真重点实验室，北京100854)

摘要：随着战场电磁环境的日益复杂，对复杂电磁环境的建模与仿真研究需求的紧迫性不断加剧。根据复杂对抗干扰建模与仿真技术中所涉及的内涵与特点，从仿真模式上归纳出复杂电磁环境的半实物仿真模式与通用方法，并详细介绍其中若干关键要素的建模与仿真关键技术。同时，实现了根据半实物仿真结果，真实复现战场效果，实现作战性能评估。

关键词：电磁对抗干扰；电磁环境；建模与仿真；作战性能评估；半实物仿真；评估

0引言

近年来，世界各国纷纷加大了复杂电磁环境的研究力度，早在20世纪八、九十年代就开展了复杂电磁环境的军事训练[1-2]。国外对电磁环境效应的研究，除了直接使用实装模拟电磁环境进行军事演习外，主要是大量依靠各类信号模拟器、计算机模拟技术、分布式交互仿真技术等，构建用于电磁环境效应研究的试验场，不断进行仿真分析和效应试验，并制定一系列有关电磁环境效应研究的内容和方法[3-4]。

半实物仿真与外场飞行试验、数学仿真相比，具有物理复现目标回波，导引头实物接入制导仿真系统的特点。在对抗干扰方面，半实物仿真对作战性能评估具有与生俱来的优势，它可将数学仿真中无法精确建模的干扰电磁特征和电磁信号与导引头的作用效果精确的模拟出来，并可重复设置各种对抗环境，反复分析武器系统抗干扰的性能。根据半实物仿真结果做出的作战性能评估，能够更加准确、高效。

本文将介绍在模拟复杂对抗干扰过程中的若干关键要素的建模与仿真关键技术。同时，介绍了根据半实物仿真结果，真实复现战场效果，实现作战性能评估。

1电磁对抗干扰分类

复杂电磁环境的分类方法很多。本文将按照5种方式进行分类，并总结各种分类间的相关性。

1.1按照威胁信号来源分

通信干扰：其示意图如图1所示。其干扰效果使用干扰/信号比(J/S)来衡量。有用信号和干扰信号从各自的发射机传播到接收机，接收到的干扰信号功率和接收到的有用信号功率之比即为干信比(J/S)。J/S的值越高，说明干扰效果越好。J/S是干扰机辐射功率与有用信号辐射功率之比，和通信距离平方与干扰距离平方之比的函数。J/S达到10时，被认为可达到通信干扰的理想效果[5]。

图1　通信干扰Fig.1　Communication jamming

雷达干扰：其示意图如图 2所示。J/S是到达雷达接收机的干扰功率与雷达回波信号功率之比。有几个复杂的因素需要考虑[6]。一是需要考虑雷达天线的方向性，其次是干扰信号功率和目标回波功率与雷达距离所成幂次不同，三是雷达干扰需要考虑目标的雷达反射截面积(RCS)。因此，如图 2所示那样，雷达干扰中的J/S是雷达到目标距离4次方除以雷达到干扰机距离平方的函数，它同时还是干扰机辐射功率与雷达辐射功率之比，以及雷达旁瓣增益与主瓣增益之比的函数。最后需要考虑目标的RCS，其他参数相同时，RCS越小，J/S就越大[7]。

图2　雷达干扰Fig.2　Radar jamming

1.2按照干扰能量的来源分

有源干扰：其干扰能量是由雷达发射信号以外的其他辐射源产生的。

无源干扰：其干扰能量是由非目标的物体对雷达照射信号的散射产生的。

1.3按照干扰的产生因素分

有意干扰：由人为因素而有意产生的干扰。

无意干扰：由自然或其他因素无意识产生的干扰。

1.4按照干扰信号作用的原理分

遮盖性干扰：指在雷达接收机中干扰背景与目标回波叠加在一起，使雷达难以从中检测目标信息。

欺骗性干扰：指在雷达接收机中干扰信号与目标回波信号难以区分，以假乱真，使雷达不能正确地检测目标信息。

1.5按照战术运用分

按照战术运用分类的示意图3所示， 可分为远

图3　电磁环境按战术运用分类Fig.3　Classes of electromagnetism　　　environment by tactics

距支援干扰(stand-off jamming,SOJ)、随队干扰(escort-support jamming,ESJ)、自卫干扰(self-screening jamming,SSJ)和近距干扰(stand-forward jamming,SFJ)。

远距支援干扰：干扰机远离雷达和目标，通过辐射强干扰信号掩护目标。它的干扰信号主要是从雷达天线的旁瓣进入接收机的，一般采用遮盖性干扰。

随队干扰：干扰机位于目标附近，通过辐射强干扰信号掩护目标。它的干扰信号是从雷达天线的主瓣(ESJ与目标不能分辨时)或旁瓣(ESJ与目标能分辨时)进入接收机的，一般采用遮盖性干扰。掩护运动目标的ESJ具有同目标一样的机动能力。空袭作战中的ESJ往往略微领前于其他飞机，在一定的作战距离上还同时实施无源干扰。出于自身安全考虑，进入危险区域时的ESJ常由无人驾驶飞行器担任[8]。

自卫干扰：干扰机位于目标上，干扰的目的是使自己免遭雷达威胁。它的干扰信号是从雷达天线主瓣进入接收机，一般采用欺骗干扰，有时也采用遮盖干扰。SSJ是现代作战飞机、舰艇、地面重要目标等必备的干扰手段[9]。

近距干扰：干扰机到雷达的距离领先于目标，通过辐射干扰信号掩护后续目标。由于距离领先，干扰机可获得宝贵的预先引导时间，使干扰信号频率对准雷达频率。主要采用遮盖性干扰。距离越近，进入雷达接收机的干扰能量也越强。由于自身安全难以保障，SFJ主要由投掷式干扰机和无人驾驶飞行器担任。

1.6分类方式间的相关性

虽然干扰信号可以按照能量来源、产生因素、作用原理来分类，但各种干扰信号分类之间相互关联，互相影响，如图4所示。

虽然电磁环境可以按照战术运用和干扰信号分类，但按照战术运用分类信号的干扰信号作用形式又可按照干扰信号的能量来源、产生因素、作用原理分类，如表1所示。

图4　电磁环境按照干扰信号分类Fig.4　Classes of electromagnetism environment by jamming

战术运用分类所采用的干扰信号形式远距支援干扰遮盖性干扰随队干扰 遮盖性干扰无源干扰自卫干扰 欺骗干扰遮盖性干扰近距干扰 遮盖性干扰

1.7干扰样式

经过对干扰信号形式和战术使用方式的全面分析，可归纳出基本干扰样式和战术使用方式。再根据实战对象的干扰装备技术发展水平，赋予这些干扰样式以及典型的干扰参数，基本干扰样式已达到较先进的技术水平，见表2所示。

2电磁干扰仿真技术

目标与干扰半实物仿真将弹上制导控制系统设备作为仿真系统的一部分接入系统，与仿真设备共同完成飞行器在试验室环境下的模拟飞行。目标与干扰半实物仿真系统有物理仿真设备和目标及干扰的数学仿真模型，如图5所示。物理仿真主要有天线阵列馈电系统、射频信号源、三轴飞行转台和负载模拟器，以及各仿真设备的控制计算机、仿真计算机、接口装置、仿真软件等。

目标与干扰信号生成系统用来给飞行器探测系统提供与真实环境等效的射频信号功率和飞行器与目标间相对运动特性；弹体飞行姿态模拟器，也称飞行模拟转台，用来安装飞行器系统的参试设备，提供弹体的俯仰、偏航、滚动三维角运动；仿真计算机的主要功能是实时完成飞行器全量动力学和运动学模型计算，输出飞行器角运动和质心运动参量，以及飞行器与目标相对运动距离和相对视线角信息给伺服控制计算机，用于形成飞行模拟转台和目标系统的控制指令；同时与参试的弹上实物和半实物仿真系统其他设备进行实时信息交换，形成一个实时闭环半实物仿真试验系统[10]。

对于目标与干扰的仿真是由目标及干扰的数学仿真模型将对飞行器所面临的各类目标及对抗干扰进行数学建模，在仿真设备的控制计算机中运行数学模型，产生基带信号，将基带信号输出仿真设备调制中频并变频到射频信号发射，将导引头接收信号实现对导引头抗干扰性能评定[11]。对目标与干扰的角位置信息的模拟，需要将目标角位置数学模型和干扰角位置数学模型控制天线阵列，包括角位置模型、角闪烁模型、近场效应模型、角度欺骗干扰、多路径和角反射器。目标与干扰的功率、距离、速度信息的模拟，需要将目标模型和干扰数学模型控制射频信号源，包括多普勒、时延、幅度、体目标散射点、速度欺骗干扰、距离欺骗干扰、压制噪声干扰模型。对于计算量大的统计型自然环境模型，如地/海杂波、箔条干扰和目标电磁特征计算模型，需要在高速并行计算机/计算机群中进行运算，将基带信号输入信号源控制机控制射频信号源设备。

表2　基本干扰样式及有关参量

图5　目标与干扰半实物仿真系统Fig.5　Target and jamming hardware-in-loop simulation system

3复杂对抗干扰建模与仿真试验对作战性能的评估

半实物仿真与外场飞行试验、数学仿真相比，具有物理复现目标回波，导引头实物接入制导仿真系统的特点。外场飞行试验虽然置信度较高，但对飞行器运动特性和交会关系难以模拟，耗时、费力、代价高昂。数学仿真的置信度依赖于模型准确性，模型依靠外场和半实物仿真校验。半实物仿真的仿真逼真度高，试验场景可灵活设置，可多次重复试验，是飞行试验前设计验证、飞行试验后故障定位和试验鉴定必不可少的手段[12-13]。

在对抗干扰方面，半实物仿真对作战任务规划具有与生俱来的优势，它可将数学仿真中无法精确建模的干扰电磁特征和电磁信号与导引头的作用效果精确地模拟出来，并可重复设置各种对抗环境，反复分析武器系统抗干扰的性能，同时可复现外场飞行试验的故障情况，详细分析其中的原因。

设对一次弹道武器性能作战规划部署如下(本次规划只是学术研究中的假设)：假设蓝军有2个来袭目标，一个目标是需打击目标，另一个目标带干扰是为掩护打击目标。红军有2发同等性能的防御性飞行器进行拦截，怎样有效打击目标侵犯。虽然是2发防御飞行器打击2个来袭目标，但来袭目标具有主动性强、机动能力大、突发范围广等特点，因此防御武器是存在单发杀伤概率的，即打准目标是有一定的概率的。更何况是在复杂电磁环境中，有干扰机掩护目标，其打击概率会有很大程度的降低。这种作战部署，可在半实物仿真系统中设置与战情完全相同的环境，实现近乎逼真的战场环境模拟，以实现最完美的作战规划[14-15]。

首先，选择直接打击目标的作战规划。将防御飞行器设定为瞄准目标打击，在半实物仿真系统中设置相应参数，重复20次仿真试验。从半实物仿真结果可看出，防御飞行器受到干扰机的影响，无法实现精确命中目标，如图6所示。

图6　防御飞行器直接打击目标Fig.6　Firing target directly by defense aerocraft

因此，考虑是否可以先打落干扰机，再打击目标。但干扰机的信号样式复杂多变，不易跟踪，同时如果先打干扰再打目标，会有失去攻击的最佳时间，使得目标逃离。在半实物仿真系统中，设置相应参数，重复20次仿真试验。从半实物仿真结果可看出，防御飞行器搜索跟踪上了干扰机，可将其击中，如图 7所示；再发射第2发飞行器，可击中需命中目标，如图 8所示。通过半实物仿真对作战规划的复现，可有效地确定最佳作战规划部署。

图7　防御飞行器打击干扰机Fig.7　Firing jammer by defense aerocraft

图8　防御飞行器打击目标Fig.8　Firing Target by defense aerocraft

4结束语

随着战场电磁环境的日益复杂，对复杂干扰对抗的建模与仿真研究需求的紧迫性不断加剧。本文从仿真模式上归纳出复杂电磁环境的半实物仿真模式与通用方法，并详细介绍其中若干关键要素的建模与仿真关键技术。从仿真模式上归纳出复杂电磁环境的半实物仿真模式与通用方法，并详细介绍其中若干关键要素的建模与仿真关键技术。同时，实现了根据半实物仿真结果，真实复现战场效果，实现作战性能评估。

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Assessment of Equipment Performance Based on Electromagnetism Environment Simulation

MA Jing

(Science and Technology on Special System Simulation Laboratory，Beijing 100854,China)

Abstract:As electromagnetism environment is complicated in the battle field, the study on simulation for complicated electromagnetism environment is demanded urgently. According to the content and characteristics of modeling for anti-jamming, the hardware-in-loop (HWIL) method and key technique for electromagnetism environment simulation are introduced, which can evaluate the capability of radar in battle.

Key words:electromagnetism jamming; electromagnetism environment; modeling and simulation; the assessment of the operational performance; hardware-in-loop simulation; assessment

中图分类号：TN973;TP391.9

文献标志码：A

文章编号：1009-086X(2015)-05-0001-06

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.05.001

通信地址：100854北京市142信箱30分箱E-mail：phd.jingma@gmail.com

作者简介：马静(1982-)，女，陕西西安人。高工，博士，研究方向为射频仿真。

基金项目：有

*收稿日期：2014-10-10；修回日期：2015-02-11

编者按：“2014年复杂战场环境与精确制导技术研讨会”成功举行。会议得到了国内从事空天防御的军方、军工单位、科研院所、高校等的积极响应和大力支持，共征集到近70篇论文。《现代防御技术》特开辟专栏陆续分期刊登此次会议的部分优秀论文，供读者参考。