新型舰艇作战系统复杂电磁试验环境构建技术

秦绪凯

(江苏自动化研究所，江苏 连云港 222061)

0 引 言

在当今现代化战争背景下，各种新式武器装备和作战任务不仅依赖于电磁信号，而且还深受电磁环境的影响。随着科技的不断进步，雷达、光电等高精度探测装备大量投入战场使用，拓展了战场电磁环境的应用范围，使其向更高领域、更深层次发展。尤其是通信对抗、雷达对抗和光电对抗等电子对抗手段逐步应用于现代化战争，使得未来战争的外部电磁环境越来越复杂。为了尽可能在高度逼真的作战环境下测试海军新型舰艇作战性能，及早发现装备存在的技术和质量问题，提高装备的可靠性和稳定性，必须构建一套模拟海战场全区域内的复杂电磁环境试验测试系统，以满足未来新型舰艇武器装备试验测试的需求。目前国内基于复杂电磁环境条件下新型舰艇作战系统整体试验测试的研究还存在许多不足，因此研究针对新型作战系统试验测试的复杂电磁环境构建方法，对其提高在真实海洋环境条件下作战能力具有十分重要的现实意义[1]。

1 复杂电磁环境的特点与组成

在特定范围的空间区域内，所有电磁波在频率、功率和时间上分布密集、使用频繁，构成了复杂电磁环境。复杂电磁环境是基于电磁环境的多层次扩展，汇总了某一特定时间或区域范围内高度电磁能量[2]。复杂电磁环境在频域上主要的表现方式为：在特定频段内，可测量频谱线密集分布，电平大小各不相同，变化较大；电磁信号种类较多，占用宽带带宽各异，相互影响交汇，导致信号环境噪声起伏明显，噪声底线提高。在时域上表现方式为：信号形式多样，调试方式复杂，数量多，分布范围大。随着装备发展水平的不断提高，越来越多的装备可以根据不同的作战任务需求，随时变换信号的频载和其他调制参数，并且迅速改变周期大小。

由于敌我双方信息装备以及电子战装备大批量的部署和彼此之间激烈的对抗，形成了复杂电磁环境，因此可将其分解成背景电磁环境、威胁电磁环境[3]和辐射传播因素。其中，背景电磁环境可分为自然辐射电磁环境，民用辐射电磁环境；威胁电磁环境又可分为敌方辐射电磁环境和我方辐射电磁环境，如图1 所示。

图1 复杂电磁环境组成Fig.1 Composition of complex electromagnetic environment

2 复杂电磁环境构建方法

由于电磁环境构建方法以及所使用设备的不同，目前主要有4 种典型构建方式，分别为实装模拟法、半实物模拟法、计算机仿真模拟法和综合模拟法，具体情况见表1。

表1 复杂电磁环境构建方法对比Tab.1 Comparison of construction methods for complex electromagnetic environment

实装模拟法主要依靠大量采用真实的武器装备来模拟构建真实战场电磁环境，这种方式的电磁环境真实性还原程度最高，是进行武器装备电子对抗试验鉴定最有效、最可信的手段。但是这种方式需要大量真实装备配合，真实装备造价高，需要耗费大量的人力、物力和财力，而且由于经费、地域等条件的限制，大型电子装备数量有限，无法做到对复杂电磁环境的全覆盖，因此很难完全依靠实装装备构建复杂电磁环境。

针对实装模拟法的缺陷，半实物模拟法采用信号模拟器来替代实装装备，大大降低了复杂电磁环境构建的成本。采用分布式布置，可以在一个地方布置一个或者多个模拟器，也可以在多个地方布置多个模拟器，模拟整体战场电磁环境电子态势，成本较低，可实施性高。

计算机仿真模拟法是指利用计算机仿真技术，模拟真实战场环境条件下，武器装备系统的作战性能、兵力配置、战斗态势以及虚拟作战的全过程。采用计算机仿真模拟法构建虚拟复杂电磁环境，主要应用于电子对抗设备的设计验证和试验效果评估等方面，具有重复性好，通用性强，成本低廉等优势。但是开发模型的工作量较大，且难度较高，准确性也有待进一步提升。

综合模拟法是指综合运用上述3 种方法构建复杂电磁环境。在电子装备的外场试验中，综合模拟法不仅可以利用真实电子装备的作战态势，还可以利用半实物信号模拟器和计算机全数字仿真模拟技术来构建适用于未来电子装备复杂的电磁作战环境。这样既降低了构建复杂电磁环境的成本，节省了资源，又提高了构建复杂电磁环境的真实性和准确性。

3 复杂电磁环境构建系统

通过对比上述4 种构建方法，结合已有的条件，综合考虑各种因素，本文采用模拟器为主、计算机仿真为辅的综合模拟法构建一种复杂电磁环境。

3.1 系统功能及组成

构建复杂电磁环境系统，主要是用来对整个试验区域内各种电子设备、模拟器和自然电磁环境进行信号采集和存储。采用特定的方法对数字信号进行分析处理和信号回放。同时通过复杂电磁环境系统软件生成不同的电磁信号，构建复杂电磁环境。针对不同体制的雷达设备，还可以选用不同的分系统模拟对应的雷达信号。

目前舰载传感器中的两/三坐标搜索雷达、相控阵雷达、雷达侦察设备、火控跟踪雷达等，都受到复杂电磁环境影响。针对两/三坐标搜索雷达，主要采用旁瓣注入原理，模拟不同目标航迹；针对相控阵雷达，采用辐射阵列模拟方法实现一定范围内目标航迹模拟；针对雷达及雷达侦察设备，采用专用辐射设备模拟雷达辐射和电子干扰；针对火控跟踪雷达，因为其波束扫描方式不同于常规的搜索雷达，无法实现旁瓣注入，因此采用可移动平台搭载信号辐射源方法模拟特定目标在方位和俯仰角度的变化。由此可见，复杂电磁环境系统的构建主要依托于各模拟子系统，其系统组成如图2 所示。

图2 复杂电磁环境构建系统组成Fig.2 Composition of complex electromagnetic environment construction system

3.2 复杂电磁环境多模拟器协同驱动技术

针对不同体制的雷达选用不同的电磁环境模拟系统。电磁环境主控系统主要用来生成电磁态势，通过航迹评估、误差补偿技术达到协同驱动不同的电磁环境模拟系统的目的。复杂电磁环境主控系统结构如图3所示。

电磁环境主控系统主要由态势生成、航迹评估、误差补偿和协同驱动等子系统组成。

电磁环境主控系统软件主要由电磁环境主控子系统软件组成，为模拟器的中枢大脑部分，接收试验中心控制指令和配置参数，完成系统所有数据、逻辑运算，评价航迹规划，预演试验态势，下发控制指令，并可以测试检查所有其他子系统的性能状态。

主要功能如下：

1）接收试验中心发送的控制指令、模拟器参数配置信息、雷达参数信息、航迹信息，进行指令解析、数据封装；

2）对原始数据信息进行运算处理从模拟器角度对试验航迹规划做出评价，并按一定的规则修改航迹并给出修改依据（生成评价报告，标记模拟器模拟能力范围之外的目标及时刻，并告知超出模拟能力原因，方便完善试验航迹规划）。

3）计算模拟器配置信息，将雷达参数、航迹信息解算为阵列振元、转发时延、多普勒频率、雷达转角对应方向图等模拟信息，下发给模拟转发子系统，提供模拟器工作数据。

图3 电磁环境主控系统结构Fig.3 Main control system structure of electromagnetic environment

4）态势预演功能。雷达P 显模块显示解算和修正完毕的航迹信息，构建试验态势的预览。

5）试验控制功能。控制模拟转发子系统开始、暂停或中止播放模拟器工作数据，也可以在试验过程中修改模拟转发子系统的播放数据。

6）测试检验其他子系统的性能和状态，包括每次试验前的子系统自检、系统闭环自检，或是空闲时对各子系统的维护检测。

7）可以生成试验报告、航迹评价报告、自检报告、维护报告等，方便评价试验结果、调整航迹规划或是掌握各子系统状态。

电磁环境主控系统生成的电磁态势航迹结果如图4 所示。

图4 电磁态势航迹结果图Fig.4 Result chart of electromagnetic situation track

电磁环境主控系统生成的电磁态势航迹结果，当原始航迹点符合电磁环境模拟器驱动要求时模拟结果为正常；当原始航迹点不符合模拟器驱动要求时模拟结果有容量超出、功率超出、按边界模拟等评价。

对评价后的航迹点进行选取并对不满足模拟器驱动要求的按边界模拟的点进行误差补偿，形成补偿后满足电磁环境模拟器驱动要求的航迹。整套复杂电磁环境试验系统协同驱动流程如图5 所示。

图5 复杂电磁环境试验系统协同驱动流程Fig.5 Collaborative driving process of complex electromagnetic environment test system

4 复杂电磁环境采集验证方法

为了验证构建的电磁环境的正确性，选用的试验区域稳定固定，可以采用宽带电磁环境监测系统对试验区域进行全面采集，并对采集下的信号进行分析与评估。其工作原理如图6 所示。

图6 复杂电磁环境采集与评估原理图Fig.6 Schematic diagram of complex electromagnetic environment collection and evaluation

1）电磁环境采集系统辐射标准雷达信号，被测模拟设备根据目标航迹及虚拟的角度扫描信息，进行信号模拟调制和辐射；

2）电磁环境采集系统接收辐射信号，同时记录相应的角度信息（或者阵列上滑动小车移动距离）和时刻信息；

3）信号分析软件处理出目标的距离、多普勒、航迹—时间等信息，与预设信息对比，可得到距离模拟、多普勒模拟、方位角度精度误差等信息。

装订辐射信号的参数已知，通过数据采集和信号处理分析得到脉内信息，再计算目标运动参数，通过统计得到运动参数的精度，验证构建的电磁环境。

根据雷达方程，当接收天线距离雷达R 处目标回波功率为[5]：

式中：Pr为雷达接收机接收功率；Pt为雷达发射峰值功率；Gt为雷达天线增益；σ为目标雷达截面积（RCS）；R 为雷达与目标之间距离；Lr和Lt分别为雷达接收损耗因子和雷达发射损耗因子。

天线口面接收到的模拟器发射功率为：

式中：Pr为雷达接收机接收功率；PA为模拟器等效辐射功率；r 为模拟器发射天线至被试雷达处的长度。

由式（1）和式（2）可知，模拟器的等效辐射功率为：

由上述公式可将系统采集得到的信号参数解析与实际装订的参数对比分析，并可根据系统信号回放功能，验证系统构建的电磁环境。

5 结 语

随着新式电子装备的快速发展和应用，对新型舰艇作战系统试验测试环境的要求也不断提高，特别是依托复杂电磁环境条件下的系统试验测试，更是对装备测试的电磁环境提出了更高的要求。针对新型舰艇作战系统的试验，本文提出一种复杂电磁环境系统的构建方法，利用电磁环境主控系统，协同驱动多模拟器，模拟不同装备电磁特征，实用性高，成本低廉，能够支持从单设备到多平台舰艇作战系统的试验测试要求。