红外导引头抗干扰性能仿真试验与评估技术研究

2020-12-26唐善军王丙乾

空天防御 2020年4期

李奇，李凡，唐善军，王丙乾，张励

(上海机电工程研究所，上海 201109)

0 引言

在信息化战争中，敌方制造复杂电磁环境能力不断增强，各种有源干扰、无源干扰和组合干扰广泛应用，新的战场复杂光电环境不断出现。导引头在复杂光电环境下抗干扰能力减弱、性能下降等问题，已成为制约红外制导武器作战效能的瓶颈之一。为了提升红外导引头对复杂战场环境的适应性和作战能力，迫切需要开展复杂光电环境下红外导引头抗干扰性能仿真试验与评估技术研究[1]。

国外主要军事强国对导弹武器装备的复杂电磁环境适应性鉴定与评估以外场试验为主，综合运用数字仿真试验、半实物仿真试验和外场试验3种基本手段，已形成高水平的电子战试验能力。美国艾格林空军基地的制导武器鉴定设施是美国及其盟国中唯一可以实现支持全频谱武器寻的器设计的试验设施，可以进行参数测量、数字和半实物仿真、反干扰试验和性能分析。美国海军航空系统司令部的综合电子对抗评估系统[2]可进行抗干扰半实物仿真试验，可模拟红外与紫外信号。美国空军电子战评估仿真中心[3]的红外光电对抗测试设施已具备红外光电对抗测试环境仿真能力，可模拟包括红外制导导弹和某些航空器的飞行及光电对抗中的机动飞行、各种点源曳光弹、灯光和激光干扰系统。

国内的抗干扰性能试验与评估技术从20世纪80年代末起步，在定量描述防空导弹武器系统典型电磁干扰环境、抗干扰能力指标、抗干扰性能设计、性能评估方面开展了大量基础性研究和工程应用，已形成了一些抗干扰设计、抗干扰评估试验方法等方面的行业规范。西北工业大学采用层次分析的方法，详细分析了影响红外空空导弹抗干扰性能的若干因素[4]。南京航空航天大学构建了红外导引系统抗干扰评估指标体系，运用层次分析方法确定各性能指标的综合权重值[5]。国防科技大学从红外空空导弹导引系统、制导与控制系统软硬件本身性能出发，分析影响导弹抗干扰性能的要素，构建适用于抗干扰评估的指标体系[6]。上海机电工程研究所按照红外导弹与红外诱饵的对抗过程和导弹制导控制原理对抗干扰成功概率的影响，采用综合抗干扰成功概率表征红外导引系统抗干扰性能的方法，构建了一套反映研究对象整体属性的指标体系和评估方法[7-8]。

仿真技术在红外导引头设计研制、试验验证、性能评估、使用训练、作战研究等军事领域的应用越来越多，对仿真正确性和可信度要求也越来越高，能否采信仿真试验结果，也逐步成为业内关心的重要问题之一[7,9]。

1 红外导引头抗干扰性能仿真试验与评估技术原理

红外导引头抗干扰性能验证试验与评估技术所涉及的工作包括抗干扰能力评估指标体系研究、复杂红外干扰环境建模与仿真、抗干扰性能验证试验设计、抗干扰性能仿真试验系统可信度分析等工作。红外导引头抗干扰性能仿真试验与评估的流程如图1所示。

图1 红外导引头抗干扰仿真试验与评估流程Fig.1 Anti-jamming simulation test and evaluation process of infrared seeker

第一步，根据战场复杂光电对抗环境下红外制导导弹的作战过程和系统特征，分析红外导引头抗干扰性能仿真试验与评估的目的，明确不同任务需求下试验与评估的目标及具体要求；第二步，通过关键指标梳理和综合权重分析，建立红外导引头抗干扰能力评估指标体系；第三步，结合红外干扰环境复杂度量化分析[10]，设计典型的红外对抗场景，并进行独立或联合多种方式的抗干扰性能仿真试验设计；第四步，经过全数字/半实物/外场等不同类型的试验实施，获取抗干扰性能试验数据，并完成可信度分析；最后，进行红外抗干扰性能评估。

基于评估指标体系和评估方法，依据评估指标算法计算得出单项评估指标值；对单项评估指标进行规范化，综合得到各层评估指标值；整理分析抗干扰性能评估结果，给出抗干扰性能仿真试验与评估报告。此外，可基于评估结果进一步对抗干扰性能进行比较与分析，对原有的评估指标体系、评估方法、试验设计和数据处理方法进行优化，提升红外导引头抗干扰性能仿真试验与评估的技术水平。

2 红外导引头抗干扰性能评估指标体系研究

构建一套能够完整反映红外导引头抗干扰综合性能的指标体系，选取抗干扰评估指标是评估过程中的重点和难点。红外导引头抗干扰评估指标体系构建以导弹、导引头和制导控制系统为对象，分别对导弹抗干扰能力战技指标、验证评估指标以及导引头和制导控制系统抗干扰能力指标开展研究。抗干扰能力战技指标是总体指标，验证评估指标主要用于评估在作战样本条件下的抗干扰能力水平；导引头和制导控制系统抗干扰能力指标主要用于评价导弹导引头和制导控制系统的抗干扰能力水平。

2.1 红外弹-红外诱饵对抗原理分析

结合红外制导导弹的对抗原理梳理红外导引头抗干扰性能的关键评估指标。常见的目标机施放诱饵弹干扰红外导引头的基本原理主要有如下3种：①通过施放大能量的干扰弹掩盖目标机，在某些情况下使来袭导弹导引头信号处理装置短时间内信号饱和，从而出现对目标的误判；②在较短时间内施放大量干扰，使来袭导弹视场内充满干扰，甚至完全无法从空间上区分目标和干扰，降低导引头识别出目标的概率；③目标机长时间连续施放干扰弹，使得来袭导弹长时间处于抗干扰状态，导致导引头逐步丧失积累目标正确信息的能力，从而加大导弹抗干扰失败的概率。

2.2 抗干扰性能评估指标体系构建

根据实际空战分析得到的红外空空导弹作战应用的典型样本空间，凝练出用于考核所研制导弹抗干扰能力是否满足要求的评估指标，评估指标包含不同等级对抗环境下的抗干扰概率(简称分级抗干扰概率)、典型作战条件下的抗干扰概率和综合抗干扰概率3项指标。建立的典型空空弹红外导引头抗干扰性能评估指标体系如图2所示。

图2 典型红外导引头抗干扰评估指标体系Fig.2 Typical infrared seeker anti-jamming evaluation index system

2.3 抗干扰能力评估指标权重研究

采用层次分析法构造从导弹评估指标分解到识别概率P、压制比Kmin、Kmax、视线角速度误差因子η、干扰结束时间占比因子λ和干扰占空比ε指标,利用层次分析法获得指标权重。

1) 构造判断矩阵

判断矩阵是根据选定的标度通过分析两两元素之间的重要程度得到的。标度问题一直是学者研究的焦点之一，目前已有近10种标度，如1∶9标度法、0∶2标度法、-1∶1三标度法，-2∶2五标度法、分数标度法和指数标度法等。较普遍的方法是采用1∶9标度，具体描述见表1。

表1 1∶9 标度含义Tab.1 Definitions of 1∶9 scale

依照层次分析法，综合各专家意见，构造判断矩阵建立层次分析模型后，就可以在各层元素中进行两两比较，构造出比较判断矩阵。判断矩阵是层次分析法的基本信息，也是进行相对重要度计算的重要依据。

对于n个元素来说，由表1量化得到两两比较的判断矩阵

A=(aij)n×n

(1)

式中，aij表示因素i和因素j相对于目标重要性1～9的标度量化值。

2) 计算各层的权重

3) 一致性检验

在获取当前层次的权重系数后，必须对判断矩阵进行一致性较验，使各判断之间协调一致，不出现与实际相互矛盾的结果。一致性检验方法步骤如下：

(2) 从表2中查找相应的平均随机一致性指标RI;

表2 平均随机一致性指标Tab.2 Average random consistency index

(3) 计算一致性比例CR，CR=CI/RI，当CR<0.1时，认为判断矩阵的一致性是可以接受的；反之，当CR≥0.1时，应该对判断矩阵作适当修正，以保持一定程度的一致性。1阶、2阶矩阵总是完全一致的，此时CR=0。

3 抗干扰能力性能验证试验设计与评估

3.1 红外干扰环境构建

红外干扰环境在数字仿真试验、注入式仿真试验、半实物仿真试验和外场试验过程中的实现方式各不相同。在数字仿真试验和注入式仿真试验中红外干扰环境主要通过数学建模方式实现，设置不同的目标参数、干扰参数、背景参数和环境参数生成干扰环境，并根据实测数据对模型数据进行修正[11]。半实物仿真试验中，在数学建模的基础上，驱动目标模拟器生成红外信息辐射至测试产品视场内。外场试验时，则通过实际投放或放置干扰模拟器实现真实干扰环境的模拟。

红外复杂场景仿真模型可实现导引头红外图像的动态生成，包括目标模型、干扰模型、背景模型、耦合模型、大气传输模型、探测系统和注入式仿真模型。红外复杂场景仿真模型构建了从“目标→背景→干扰→大气→探测系统”的全链路红外高动态空战场景的实时仿真过程。红外复杂场景仿真模型接收弹道数据，结合目标和干扰状态信息，动态渲染生成导引头视场下的二维红外场景图像。

3.2 抗干扰性能仿真试验设计

在所建立的红外导引头抗干扰性能评估指标体系基础上，根据单项指标的特性，分别针对定性指标和定量指标研究其指标获取方法，对抗干扰试验进行设计。红外导引头抗干扰试验设计需要根据试验的目的和要求，在确定试验模式、类型和工程方法的基础上，综合试验资源，运用统计学原理，研究如何融合跨实物、半实物和全数字等试验资源，形成多维一体的整体试验空间，以尽可能少的试验次数获取足够有效的试验信息，得出比较可靠的试验结论。

按照试验设计“随机化、重复性、对照和区组化”的四大基本原则[11-12]，从试验实施系统构建和试验实施方案制定两个方面，有计划、分步骤地开展红外导引头抗干扰性能仿真试验设计。

根据红外导引头抗干扰性能总要求，梳理抗干扰性能验证试验项目，用全数字仿真试验、信号注入式仿真试验、半实物仿真试验、外场抗干扰试验等不同的试验方法来实现抗干扰性能验证。不同试验方法实现抗干扰场景所需的试验设备、仿真模型和控制方式有差异，但必须满足干扰源运动等效和干扰信号辐射等效原则。全数字抗干扰仿真试验主要针对不同的抗干扰场景(如弹道和干扰投放方式和投放参数的组合等)，考虑随机因素影响，利用建立的复杂干扰场景模型和导引头及制导控制系统模型等仿真模型大量重复运行闭环仿真，可获取大量试验样本，作为评估红外导引头抗干扰概率的重要支撑数据。注入式仿真作为信号级仿真试验，通过将干扰场景信号直接注入被试导引头信号处理电路，重点验证导引头抗干扰信号处理算法，缺点是可供注入的场景受到采集状态的制约,一般样本数量不大。抗干扰半实物仿真试验利用飞行转台、目标/干扰模拟器等仿真设备，对被试导引头等实物产品进行闭环试验验证，可获得的试验样本数量中等。外场抗干扰飞行试验是最接近装备真实使用环境的试验类型，但受试验条件和成本的制约，一般样本数量极少。内外场联合抗干扰试验方式受到设备实时性和通信带宽的限制，目前主要还处于研究阶段，实际应用较少。现阶段，在评估导引头抗干扰性能时，可以结合前期内外场不同试验类型获取的样本数据，在后期性能评估阶段进行综合评估。

在抗干扰性能验证试验中，利用全数字仿真进行先期评估，可以为内、外场试验方案和项目的确定提供依据。同时全数字仿真试验可以作为内、外场试验的补充手段，对内、外场干扰场景难以实施的一些抗干扰项目进行大量重复性的试验，以获取更多统计性数据。

图3为红外导引头抗干扰数字仿真系统，由抗干扰仿真系统运行环境、复杂环境建模与仿真子系统、红外制导导弹建模与仿真子系统3部分组成。

图3 红外导引头抗干扰数字仿真系统组成Fig.3 Composition of IR seeker anti-jamming digital simulation system

复杂环境建模与仿真子系统包括干扰环境态势想定库、目标/干扰/背景特征模型库和复杂场景实时生成模块，其中干扰环境态势想定是抗干扰仿真的基础。通过目标/干扰/背景特征模型库，从干扰战术、干扰样式、干扰参数角度建立各干扰源的数学仿真模型。该模型可通过半实物仿真和外场静态/动态试验对模型进行校核验证。在复杂红外干扰环境中，能否甄别出干扰信号和目标信号的细微差别是抗干扰设计的关键，通过目标/干扰/背景特征模型库建立的复杂干扰环境，可以实现从干扰背景中检测出有用目标信号，用于抗干扰性能的评估。

3.3 抗干扰性能仿真试验可信度分析

面向红外导引头抗干扰性能验证试验任务，明确试验可信度评估的概念，对抗干扰性能验证试验的可信度进行分析，为后续阶段能够采信性能验证试验的结果数据提供支撑。按照不同试验类型的特点分析，全数字仿真试验的可信度受到模型精度的影响较大，在模型逼真度不高的情况下，全数字仿真试验的可信度较低；注入式仿真试验的可信度与注入信息的逼真度直接相关，一般比全数字仿真试验要高；半实物仿真试验可以全弹道动态模拟导引头面临的目标环境场景及整个制导系统的工作状态，整体可信度更高；飞行试验因为最接近真实使用环境，可信度是最高的。以半实物仿真试验为例，对红外导引头抗干扰性能仿真试验可信度的分析方法进行具体说明[13]。

仿真系统的可信度评估分为6个部分的工作。首先，在明确其可信度评估需求的基础上建立仿真系统可信度评估过程，并确定可信度评估对象；其次，对影响各评估对象可信度的因素进行分析，根据各评估对象的具体情况(如模型解算过程、对象结构等)建立其可信度评估指标体系；再次，选用适当的可信度评估方法对各个节点进行评估；之后，采用指标综合算法(改进的加权平均)计算出系统的可信度结果；最后，基于指标体系和评估过程完成系统的可信度结果分析，提交给用户以支持系统的应用。可信度评估指标体系如图4所示。