体系环境下的雷达导引头仿真测试环境

任 晔, 车万方, 曹秀云

(1.中国航天系统科学与工程研究院,北京 100036;2.空军装备研究院,北京 100085)

雷达导引头研发过程中,较高的技战术指标和复杂的工艺使得研发成本高昂且易出现设计缺陷。为降低开发风险,在雷达导引头研制阶段,通过建模与仿真来分析、评估、验证系统设计性能,已成为缩短研发周期、减少研发成本的有效手段[1-2]。

雷达导引头回波信号模拟是面向雷达导引头的全数字/半实物仿真测试环境的关键技术之一。能否有效模拟雷达导引头在作战过程中接收到的回波信号,将直接影响仿真测试环境的可信度。在体系对抗环境中测试、验证武器装备性能的发展趋势下[3],传统的雷达导引头回波信号模拟技术也逐渐暴露出以下不足之处:

(1)现有手段模拟的雷达导引头回波信号是对导弹飞行过程中接收到的回波信号的某些静态片段的复现,未实现对雷达导引头在全作战流程中所接收到的回波信号的动态模拟。

(2)现有手段模拟的雷达导引头回波信号主要用于雷达导引头特定的技战术指标测试,对雷达导引头的作战效能并不能进行有效评估。

(3)现有雷达导引头回波信号模拟中的仿真场景、仿真过程都是人为设定的,缺乏客观性,因此仿真测试的结果具有人为主观性。

在此背景下,本文基于柔性分析建模与训练系统(FLAMES)和高层体系结构(HLA)仿真框架搭建面向雷达导引头的工程级与交战级/任务级联合仿真测试环境,对如何逼真地模拟雷达导引头在体系对抗过程中接收到的动态回波信号这一技术难点进行深入研究。

1 FLAMES概述

FLAMES由仿真引擎(Fire)、想定编辑(Forge)、监控演示(Flash)以及结果分析(Flare)等4个部分组成。FLAMES仿真平台基本结构如图1所示。

图1 FLAMES仿真平台基本结构Fig.1 Basic structure of FLAMES simulation platform

“想定编辑”用于编辑作战想定,并将作战想定数据保存到数据库中;“仿真引擎”从数据库中读取作战想定数据来进行实时解算,然后生成仿真结果并记录下来;“监控演示”能够将仿真系统中敌我双方的作战过程通过动画实时动态显示出来,可以回放;“结果分析”能够读取仿真中的各种文件,并将这些文件转换成数据表,然后利用结构化查询语言(SQL)或其他语言进行查询、分析,最后以表格和图形的方式输出。

1.1 FLAMES模型体系

FLAMES模型包含以下三大类:实体模型、环境模型和辅助模型。实体模型是较为抽象的概念,它不具有任何功能,只有加载装备模型组件或决策模型组件后,才具有移动、侦查、通信、决策等作战功能。装备模型组件分为通信装备、数据处理、电子干扰装备、武器系统、子系统、传感器、平台、弹药等8类模型组件。决策模型组件建模方式与作战人员的指挥决策过程吻合,便于理解和知识获取,可实现灵活的、强大的、用户自定义的决策行为的模拟仿真,是FLAMES中模拟人类行为的基础。

环境模型用于描述体系作战中的空域、大气、地形等环境信息,包括消息模型、特征模型、效果模型、大气模型、空域模型、地形模型等。

辅助模型是挂载方案、目标特性、编队特性和服务等模型的统称,这一部分不属于体系作战的必备模型,可以通过其他方式简化或其他模型代替。FLAMES模型体系架构如图2所示。

图2 FLAMES模型体系架构Fig.2 Architecture of FLAMES model

通过对决策模型和消息模型的灵活应用,FALMES可以较为逼真地体现出作战实体的性能指标、编制部署、作战战术等属性和行为,有利于构建大规模的交战级/任务级仿真测试环境。

1.2 FLAMES拓展功能

在FLAMES的4个基本组成的基础上,为了提高仿真平台的灵活性和可拓展性,赋予FLAMES 13个拓展功能选项,如图3所示。

图3 FLAMES基本组成Fig.3 Basic composition of FLAMES

图3中,高层体系结构选项(FHLA)使FLAMES仿真平台支持加入HLA,并基于各种运行支撑环境(RTI)进行互联[4]。FLAMES HLA选项中的类与RTI类之间的关系如图4所示。图4中SOM为仿真对象模型,FRPR为FHLA中负责仿真运行控制的模块[5-6]。

FLAMES仿真平台中,用来与HLA中其他联邦成员交互的类包括:FLAMES FHLA Object Ambassador、FLAMES FHLA Interaction Ambassador、FLAMES FHLA SOM Manager。这3个类继承RTI的2个大使类和1个管理类。Federate Ambassador和RTI Ambassador类中都包含有Object和Interaction类。图4表示了RTI中的类与FLAMES HLA中的类选项之间的关系。

从图4可以看出,当FLAMES作为一个联邦成员时,联邦成员对象实体类都要依据Fphysical Entity Ambassador大使类进行创建,并且对象实体类属性的公布、订购和更新需使用相应的函数。FLAMES仿真平台内的实体与其他联邦成员信息交互时,FLAMES FHLA Object Ambassador通过相应的函数公布该实体的信息。通过FLAMES FHLA Interaction Ambassador接收和发送仿真实体与其他联邦成员之间的交互信息,实现FLAMES中实体与其他联邦成员通过RTI实时交互的功能。

图4 RTI 和 FLAMES 中类的关系Fig.4 Relationship between RTI classes and FLAMES classes

FLAMES中的HLA选项,极大地拓展了FLAMES仿真平台的功能和仿真灵活性,为实现工程级和交战级/任务级联合建模与仿真奠定了基础。

2 仿真测试环境体系结构设计

面向雷达导引头的仿真测试环境,要求能逼真地模拟雷达导引头在作战过程中接收到的回波信号,完整地复现雷达导引头从信号发射至接收到回波信号这一全过程。

相对于地面雷达,雷达导引头位于机动性很强的导弹上,雷达导引头天线的指向随导弹的飞行不断变化,导致目标在雷达导引头天线坐标系内的方位信息与当前时刻导弹的姿态和运动状态耦合。因此,体系背景下的雷达导引头仿真测试环境是工程级和交战级/任务级的联合仿真。仿真测试环境体系结构如图5所示。

仿真测试环境可分为以下两部分:体系仿真部分和电磁计算部分。体系仿真部分对导弹武器的作战流程、作战环境以及体系对抗过程进行有效仿真模拟,并为电磁计算部分提供足够的数据;电磁计算部分主要将体系仿真部分中产生的数据,通过实时电磁计算(电波传播计算、电磁遮挡计算、地海杂波计算等)生成回波信号,以不同的方式注入到雷达导引头中,用于性能的测试与验证。

2.1 体系仿真部分设计

基于HLA,将FLAMES仿真平台作为一个联邦成员,建立工程级与交战级/任务级联合仿真环境。

FLAMES仿真分系统用于模拟武器装备体系对抗过程。基于FLAMES仿真平台完成整个大系统的作战想定设置,然后将作战想定中的相关数据通过RTI传递给其他仿真分系统。在FLAMES仿真平台中,建立导弹代理模型、干扰代理模型。代理模型不进行具体的解算,其仿真数据均由HLA中对应的仿真分系统通过RTI提供。代理模型通过FLAMES仿真平台中的认知模型和消息模型与其他实体进行交互。在仿真中如爆炸或击毁一个目标,在FLAMES仿真平台中应及时销毁相应的代理模型。

导弹仿真分系统与FLAMES仿真平台中的导弹代理模型进行交互,用于模拟导弹在拦截/追击目标过程中导弹飞行姿态和弹道的变化。实际作战中,雷达导引头位于导弹的头部,随着导弹的飞行,雷达导引头天线的指向随弹体的运动不断变化,其测量坐标系也随着弹体的运动和姿态不断变化。因此,不能将导弹看作一个质点,而是要视为一个既平动又滚动的刚体。此外,为提高仿真逼真度,在导弹仿真分系统内,要对雷达导引头内部信号处理流程进行信号级建模与仿真。也就是说,雷达导引头需通过信号处理才能实现对目标和环境的感知。

干扰仿真分系统与FLAMES仿真平台中的干扰代理模型交互,对作战中常见的干扰样式进行仿真模拟,如箔条干扰、欺骗式干扰、压制式干扰等。

2.2 电磁计算部分设计

电磁计算部分利用体系仿真中的相关数据进行目标回波信号、地海杂波信号、干扰信号的解算,以及这些信号在环境中传播效应的计算,包括信号的损耗、折射、衍射、多路径传播等。电磁计算部分仿真流程如图6所示。

图6 电磁计算部分仿真流程Fig.6 Flow chart of electromagnetic calculation part simulation

经过电磁计算后,可生成体系对抗背景下雷达导引头接收到的回波信号。一方面,回波信号可返回到工程级和交战级/任务级联合仿真环境中,用作雷达导引头信号级模型的输入;另一方面,回波信号可作为雷达导引头半实物仿真测试环境的信号源,通过不同的方式注入到雷达导引头实装中,用于性能测试。

3 体系仿真部分模型设计

(1)导弹六自由度模型

导弹仿真分系统主要包括以下3个模块:制导系统模块、控制系统模块、弹体模块[7]。制导系统模块包括雷达导引头模型和导引律模型,其中雷达导引头模型为信号级模型,用于探测、跟踪目标并产生制导指令。控制系统模块由自动驾驶仪和惯性测量模块(IMU)组成,用于维持弹体的稳定并保持一定的姿态。弹体模块用于导弹运动学和动力学的解算,是制导系统模块和控制系统模块仿真的基础。相关模型较为成熟,在此不再赘述。

(2)目标模型

目标模型主要模拟以下2个方面的内容:目标的运动特性和散射特性[8]。在仿真中,一般将目标视为质点,不考虑目标的姿态信息,在FLAMES作战想定中,可设定目标的飞行速度、飞行方向以及机动形式。目标散射特性的模拟,主要通过随机过程模型来完成。目标雷达截面积(RCS)起伏模型主要包括Swerling I～IV起伏模型、Log-Normal起伏模型、χ2模型和Rice模型等。

(3)干扰装备模型

雷达导引头接收到的电子干扰信号为有源干扰和无源干扰。无源干扰主要以箔条干扰为主,关于箔条的运动模型和散射回波模型较为成熟。有源干扰分为压制式干扰和欺骗式干扰。干扰源一般位于作战平台上,干扰信号的合成除与干扰装备使用的信号调制类型有关外,还与作战平台之间的相对位置有关。由于篇幅限制,此处不再展开。

4 电磁计算部分模型设计

4.1 信号合成

(1)目标回波信号合成

一般地,雷达发射信号描述为

式中:ωck为载频;Pt为发射天线峰值功率;Lt为发射天线综合损耗;gvt(θ)为发射天线方向图;v(t)为复调制函数。

在生成目标回波信号时,主要考虑多普勒频移、目标延时、回波功率和电磁传输效应等因素,其中多普勒频移、目标延时较为简单,此处不再赘述。

目标回波信号功率模型为

式中:Gtn(φ,θ)为在目标(φ,θ)方向的雷达导引头发射天线增益;Grn(φ,θ)为波束在目标(φ,θ)方向的雷达导引头接收天线增益;λn为雷达工作波长;Ls为雷达导引头发射接收综合损耗;σ为目标的RCS;R为目标相对于雷达导引头的距离。

在目标回波信号合成中,需要获得目标在雷达导引头天线坐标系内的方位信息,用于计算天线增益。FLAMES作战想定中武器装备的部署地点、技战术指标以及任务规划信息等都以不同坐标系下的数值录入,如武器装备的部署地点是地心坐标系下的经度、纬度以及海拔高度,雷达的最大探测距离、俯仰角都是在雷达坐标系下的数据。为了实现不同空间实体之间的互操作,FLAMES仿真引擎通常会将作战想定中的数据统一转换到地心坐标系下,再根据相关坐标转换和模型进行仿真运算。在回波信号合成中涉及的坐标转换关系如图7所示。图7中,ϑ、ψ、γ为姿态角,θs、φs为框架角。

图7 坐标系转换关系Fig.7 Transformation relation of coordinate system

图7中,所有坐标系都符合右手系,且从原点沿轴向看顺时针为正。相关坐标系、角度的定义主要参考文献[9]。地面惯性坐标系到雷达导引头天线坐标系的转换矩阵

M04=M14M01

式中:M14为弹体坐标系到雷达导引头坐标系的转换矩阵;M01为地面惯性坐标系到弹体坐标系的转换矩阵。M01、M14的值分别为

通过上述转换矩阵可求得目标在雷达导引头坐标系内的方位信息,电磁计算部分可通过查询天线模式数据文件或实时计算天线在目标方向上的增益。

(2)环境杂波合成

环境杂波从根本上和目标回波一样,是雷达导引头波束对不同目标的散射回波[10]。为简化建模,采用统计学模型对环境杂波进行描述,包括Rayleigh分布、Log-Normal分布、Weibull分布和K分布等。生成服从一定分布的杂波序列的常用方法有零记忆非线性变换法(ZMNL)、球不变随机过程法(SIRP)。目前,ZMNL的使用最为广泛,生成的相参随机序列流程如图8所示。图8中,W1、W2、W3为不相关的随机序列,Xi、Xj为生成的服从一定分布的相关杂波序列。

4.2 电磁传输效应计算

电磁传输效应包括多路径、衍射、大气折射、大气损耗等效应。在实际中,与地基雷达相比,雷达导引头探测距离较近并随着弹体在空中机动,多路径模型、衍射模型和大气折射模型对回波的影响较小,因此在此只考虑大气对信号的吸收损耗、折射损耗。

图8 ZMNL生成的相参随机序列流程Fig.8 Flow chart of coherent random sequence generated by ZMNL

(1)大气吸收损耗

大气吸收损耗包括由氧气、水蒸气的吸收造成的雷达导引头波束的能量损失。大气吸收损耗效应建模分为3个步骤:一是根据一组特定的大气属性,如湿度、高度、温度等,生成大气吸收损耗数据库;二是在仿真过程中,根据信号传输路径高度和信号频率,对大气吸收损耗数据库进行检索,获取高度和频率值对应的每米损耗分贝(dB·m-1);三是在信号传播路径上对其所对应的每米损耗分贝进行积分,获得信号传输过程中大气吸收所产生的损耗。

(2)大气折射损耗

大气透镜效应损耗是由大气折射使电磁波能量发散产生的,计算式如下所示:

式中:R为传输距离,0≤R≤600 km;c3=-3.389 740 000 0×10-9,c2=3.794 745 760 0×10-6,c1=2.847 481 622 2×10-4,c0=2.847 481 622 2×10-4。

5 结语

体系对抗背景下,单件武器装备的设计、研制与测试应充分考虑其在整个装备体系中的角色和作用。本文针对雷达导引头仿真测试的需求,设计了基于FLAMES和HLA的工程级和交战级/任务级联合仿真测试环境。对仿真测试环境的关键技术——雷达导引头回波信号模拟相关的模型算法进行系统分析与设计,为体系背景下的雷达导引头仿真测试环境的工程实现奠定了良好基础,也为其他武器装备仿真测试环境的建设提供参考。