复杂电磁环境模拟及侦察测试系统设计

肖文定， 谭红芳

(成都天奥测控技术有限公司， 成都 611731)

复杂电磁环境主要由3个要素构成：① 自然现象形成的电磁环境. 主要包括太阳活动引起的电离层变化、 宇宙和大气噪声， 以及气象、 地磁活动形成的电磁环境. 可简单记忆为“静电、 雷电和其它自然电磁辐射的总称”. ② 民用用频设备辐射形成的电磁环境. 主要包括民航、 交通、 移动通信、 广播电视等系统的用频设备， 以及辐射电磁波的工、 科、 医等设备形成的电磁环境. 它们虽构成了电磁环境， 但对机载通信不会产生太大的影响. ③ 军用用频装备设备辐射形成的电磁环境. 主要包括作战双方导航定位、 信息传递、 指挥控制、 武器制导和预警探测等系统使用的用频装备设备， 以及辐射电磁波的非用频设备形成的电磁环境[1-9].

上述构成要素中军用用频装备设备辐射形成的电磁环境是构成战场复杂电磁环境的主体， 特别是敌我双方激烈的电磁对抗形成的电磁环境， 对武器装备效能和部队作战行动有严重影响[10]. 电磁环境效应设计是飞机设计的一个重要组成部分， 飞机要想得到适航认可， 必须对电磁环境效应的各个构成要素进行验证通过[11]. 本文所设计的测试系统主要对军用用频设备辐射形成的复杂电磁环境进行模拟， 实现对机载侦察系统的各项性能指标、 极限指标进行测试， 检验出机载设备的实战战术性能.

1 系统设计

整个复杂电磁环境模拟测试系统主要由硬件系统与软件系统组成.

测试系统主要工作流程分为3个阶段：

第1阶段：战争场景的规划与布置， 在这个阶段完成虚拟战争的规模、 兵种、 武器平台种类以及各类武器电磁分布与特性规划(武器电磁模型参数设定)等.

第2阶段：战争场景的规划与布置完成后， 各种武器电磁模型根据设置的参数实时解算出各种的辐射源参数信息， 同时将这些信息实时传送给各种的辐射源模拟器.

第3阶段：模拟器在接收到各自辐射源参数后， 实时产生各种辐射源模拟信号， 辐射源信号经过上变频到相应波段， 最后通过被测天线单元辐射出去.

在模拟仿真过程中， 各个单元动态接收场景计算机的指令， 实时调整各自的工作状态， 逼真模拟战场复杂电磁环境.

1.1 硬件设计

硬件系统主要包括显控与场景控制计算机、 基带信号模拟单元、 射频变频单元和射频调理单元等6部分组成. 其硬件原理框图如图 1 所示.

图 1 系统组成框图Fig.1 System composition diagram

图 1 所示测试系统硬件各部分功能为：

1) 显控与场景系统控制计算机

显控与场景系统控制计算机是整个系统的控制中心， 主要包括剧战情规划与控制、 各种平台与辐射源模型、 显示控制以及通讯总线控制等， 用于实现设备人机交互、 操作界面管理及总线操作控制， 硬件部分主要由主控计算机(刀片机)组成.

2) 通信和综合控制单元

通信和综合控制单元接收主控计算机发送过来的参数及命令， 产生各个模块的时序及其他控制信号， 配合雷达目标回波、 雷达及通信辐射源信号， 模拟复杂电磁环境下各个指定方向上的辐射信号.

3) 基带信号模拟单元

基带信号模拟单元主要用于接收战情模拟计算机的指令， 在各个仿真模型的协同下模拟各种通信信号， 同时在综合控制模块的控制下， 模拟不同远场方向的通信辐射信号， 以完成不同场景下不同战情电磁环境信号的模拟.

4) 射频变频单元

射频变频单元主要用于接收计算机的指令， 在各个仿真模型的协同下， 在基带信号的基础上完成模拟各种通信信号， 以完成不同场景下不同战情电磁环境信号的模拟.

5) 射频调理单元

射频调理单元主要用于对输出的各类射频信号按照计算机的指令完成信号的功分、 通路选择和幅度大小的控制等功能.

6) 机柜和机械结构

机柜和机械结构是整个复杂电磁环境模拟系统的载体， 可快速方便地建立保障检查测试环境， 包括3个信号模拟机箱和相关机械结构.

7) 设备附件

主要包括电缆附件、 天线、 天线支架、 拆装专用工具等测试保障器材和工具.

复杂电磁环境模拟测试系统在内外场测试过程中， 为确保试验人员的人身安全， 通过远程显控单元， 操作人员可在电磁环境更安全的场所， 通过以太网远程控制的方式完成检测试验.

1.2 软件设计

测试系统的软件从总体上来看主要有4个方面的内容， ① 系统管理； ② 剧情设计； ③ 综合检测； ④ 辅助功能. 系统软件功能组成框图见图 2.

图 2 软件平台组成框图Fig.2 System software composition diagram

图 3 系统管理模块界面Fig.3 System maintenance module softpanel

1) 系统管理模块

系统管理模块主要实现系统级的操作、 设置、 校准及相关显示的功能. 模块设计了系统自检、 仪器校准、 通信设置和状态显示4个功能区， 便于系统进行管理. 系统管理模块界面如图 3 所示.

系统自检：完成所有激励/测试功能的硬件、 测试/激励通路、 软件模块的自我监测， 显示自检结果， 形成自检报告.

仪器校准：设备必须达到系统所需的量程、 精度等指标要求. 随着时间环境的变化， 设备不可避免地发生参数漂移， 为了弥补硬件设备参数漂移带来的测量误差， 系统采用从软件层面上进行参数校准补偿的办法解决该问题.

通信设置：设备对外具有基于光纤， 网口和串口的传输协议， 对内具有基于网口的传输协议， 通信设置功能保证了传递各种命令、 状态和数据的准确快速交互， 也完成了所需参数的配置、 测试与保存.

状态显示：主要功能是针对当前测试中监视到的各分系统当前状态以及回读数据进行显示， 判断各分系统正常与否， 并予以在人机交互界面上显示输出， 供测试人员判断.

2) 剧情设计模块

剧情设计模块主要实现对测试剧情进行相应参数及流程配置， 管理各种设定的测试剧情. 模块设计了剧情配置管理、 测试参数设置和剧情测试3个功能区， 便于用户进行操作， 剧情设计模块界面如图 4 所示.

图 4 剧情设计模块界面Fig.4 Plot design softpanel

图 5 综合检测模块界面Fig.5 Integration test softpanel

剧情配置管理：主要完成设备检测项目的添加、 修改、 删除和查询等维护工作.

测试参数设置：主要完成雷达辐射信号模拟、 紫外信号模拟、 红外信号模拟和IFF应答信号模拟等各个测试项目所需功能及参数的设定.

剧情测试：用于选择设置综合检测的3大检测剧情， 包括机械日检查、 6个月定检和24个月定检等检测项目， 并设计用配置文件的形式进行保存， 方便保存和更改， 并自主记录用户最近3次所设定的检测条件， 方便用户选择使用.

3) 综合测试模块

综合测试模块主要实现对测试剧情具体各项目的测试. 模块设计了雷达测试、 电子对抗测试、 敌我识别测试和雷电综合与自兼容测试4个功能区， 便于用户进行相关测试操作. 综合测试模块界面如图 5 所示.

电子对抗测试：主要完成对电子对抗系统的测试工作， 并能配置其测试项目和测试流程， 用户可以进行选项测试和自动测试.

雷达测试：主要完成对雷达系统的测试工作， 并能配置其测试项目和测试流程， 用户可以进行选项测试和自动测试.

敌我识别测试：主要完成对敌我识别的测试工作， 并能配置其测试项目和测试流程， 用户可以进行选项测试和自动测试.

图 6 辅助功能模块界面Fig.6 Assistant function softpanel

雷电综合与自兼容测试：主要完成对雷电综合与自兼容的测试工作， 并能配置其测试项目和测试流程， 用户可以进行选项测试和自动测试.

4) 辅助功能模块

辅助功能模块主要完成对后台数据的存储备份和管理、 对人机交互操作的帮助等必要的辅助操作. 模块设计了用户管理、 数据管理、 日志管理和用户帮助4个功能区， 便于不同的用户进行相关操作. 辅助功能模块界面如图 6 所示.

用户管理：拥有设备管理员权限的用户可以进行用户注册、 权限的分配和回收等动作.

数据管理：采取相应的加密措施处理相关的技术参数和测试数据， 保证相关指标和测试数据的安全性. 辅助功能模块通过海量存储设备以及用户管理功能， 来保证数据的完整性和安全性， 并提供简洁的管理功能， 方便数据检索、 重现及分析.

日志管理：主要用来记录用户登录和设备使用情况， 记忆相关的必要信息. 在每一次测试结束后都可以输出文本日志记录并存储下来.

用户帮助：主要结合具体任务提供给相关的用户帮助文档， 可以在线查询测试方式方法以及各种操作提示， 帮助用户正确理解和使用设备.

2 关键技术

2.1 “四综合”设计理念

为了真实模拟战场电磁环境的复杂性， 满足某型飞机侦察设备多功能、 多模式、 多组合的功能及性能测试需求， 本测试系统打破传统设计思路， 针对机上所有的侦察设备的测试需求， 采用各级综合化的设计思路， 将电子设备的信号产生器集成在一起， 频率覆盖从低频到高频， 辐射源信号几乎涵盖所有的信号形式， 通过任意组合的方式充分满足所有电子战设备的测试要求. 系统设计体现了综合控制、 综合仿真、 综合数字中频、 综合射频的“四综合”理念. 同时， 由于数据融合功能模拟需要综合了战情中电磁辐射源特性和对电子战设备的电磁辐射特性， 因此， 采用“四综合”设计是整个测试系统设计的重要技术途径.

2.2 采用开放式架构， 提高系统可升级性

图 7 软件开放式处理体系架构Fig.7 Software open processing architecture

开放式架构的优点在于：由于模块是按功能划分的， 每一种模块完成一种功能， 所以对于重要的功能可以冗余配置， 从而使整个系统具有鲁棒、 容错重组能力； 因为组成开放式体系结构中的模块是按功能划分的， 随着电子技术的发展和器件更新换代， 实现某种功能的设计发生了变换， 那么只要更新相应的模块， 而不会改变系统的整体结构； 采用开放式的系统结构设计， 便于构成分布式系统， 使系统易于更新， 易于发展， 易于采用新技术.

本测试系统设计采用了开放式架构， 主要从射频架构、 数字处理及软件架构3个方面并行推进.

射频架构方面， 采用基于开放的射频体系结构， 实现在18 GHz 频段内各种射频信号产生的不同模式之间的桥接， 实行资源利用的最大化， 并且实现了各种频段间的兼容工作.

数字处理方面， 充分体现了数字化、 模块化、 通用化、 标准化的思路. 模块结构形式贯彻通用标准. 模块互连则基于高速串行标准接口. 高速串行标准传输协议， 与物理层一起构建基于高速串行传输的数据交换机制， 形成了数字处理方面的可重构、 可扩展体系架构.

软件架构方面， 依托于通用化硬件平台， 构筑层次化、 具有可移植性通用软件. 开放式软件共包括4层：第1层为板级驱动层， 为信号处理模块提供板级驱动. 第2层为函数库层， 提供了实时高效的底层函数功能. 第3层为软件中间件层， 是应用软件提供了屏蔽硬件资源特性的中间层软件. 第4层为应用软件层， 完成具有针对性的各种处理算法. 基于该架构， 处理软件设计开发可以做到与硬件无关， 设计师能更加关注信号处理算法与系统性能优化.

2.3 人机工效优化设计， 提高应用效能

被测系统的电子设备传感器种类比较多、 频率覆盖范围广、 功能复杂. 如何利用最少的人员配置完成众多复杂的测试和验证任务， 将是系统设计中的一个难点， 这也将关系到测试系统是否真正管用、 实用. 美国国防部自动测试系统执行局对陆、 海、 空军、 海军陆战队及工业部门联合开发的新一代自动测试系统(NxTest)的一条基本要求就是：“通过提高测试系统的互操作能力， 使最终用户获得最大限度的测试灵活性”.

提高人机工效的根本是提高“自动化”程度. 作为一部自动测试设备， 必须充分体现“自动化”的特点. 本测试系统设计从方案阶段充分考虑融入自动决策及人工智能的思想， 在尽量减少人员的干预的情况下， 根据所给定的场景自动完成剧情生成及相关射频信号的产生.

提高人机工效还要进行的人机界面的优化. 人机界面要满足整个测试系统按任务需要灵活配置； 高效简便、 降低操作负荷、 形象生动的视觉效果及提高操作直观性等要求. 并从优化设计的角度考虑显示画面的清晰度和逻辑性、 画面的合理安排及画面字符的可读性.

3 结束语

复杂电磁环境模拟及侦察测试系统设计实践中充分运用了综合控制、 综合仿真、 综合数字中频、 综合射频的“四综合”理念， 采用了开放式架构， 进行了人机工效优化设计， 达到了该任务要求的各项战术性能指标. 该测试系统已应用于某部多个型号的飞机测试， 得到了一致好评. 随着电子技术及测试技术的飞速发展， 各种相关的先进理念和技术在测试设备/系统研制中的应用研究也应该跟上步伐， 后续还需要进行更加系统的、 深入的研究.