机载航电系统半实物仿真技术研究与平台构建

钱忠洋 惠言 张刚

摘要：基于现代空战对航空装备的作战需求，围绕机载设备的工作特性和真实作战场景搭建半实物仿真环境，是地面评估机载航电设备性能和飞机作战效能的重要仿真方法。本文围绕半实物仿真平台建设过程中的关键技术进行分析，结合多型号飞机航电综合环境实际，构建机载航电系统半实物仿真联合试验平台。

关键词：机载航电系统；半实物仿真；作战效能评估；联合仿真试验

Keywords： airborne avionics system；hardware-in-the-loop simulation；operational effectiveness evaluation；joint simulation experiment

0 引言

随着现代武器装备设计水平的不断提高和新型作战模式的不断变化，相关武器装备的保障需求呈现出新特点，在要求功能达标的基础上开始关注装备的系统作战能力。机载航电系统是现代军用飞机信息感知、显示处理和武器交联的中心，尤其以雷达、电子战、光电雷达为代表的航电设备的技战术性能水平直接或间接影响飞机的作战效能。有效评估航电系统的性能是精准定位缺陷和故障、提升飞机战斗力的重要保证。

半实物仿真是指采用仿真设备为待测对象构建物理环境，以物理模型、数学模型联合开展仿真试验，是包含机载航电系统在内的复杂工程系统必不可少的仿真方法[1]。在新型飞机航电系统的研制过程中，设计单位通常会利用计算机仿真技术，围绕航电系统典型作战（训练）流程设计航电综合环境[2]。各型航电装备通过机上电缆互联构建机载航电系统，仿真管理计算机利用接口仿真技术，间接实现仿真资源共享、航电工作流程下发和仿真过程控制，可开展航电设备的功能、接口、控制逻辑、显示正确性等检查任务。然而，因缺乏与航电设备适配的模拟战场环境，无法完成航电设备的性能评估。通过分析机载设备半实物仿真技术，本文在基于多型飞机航电综合环境的基础上，构建机载航电系统半实物仿真平台框架，为航电设备及航电系统性能评估提供支撑。

1 航电系统半实物仿真中的关键技术

目标及其环境特性作为战场仿真的最基本资源，是评估武器装备对战场环境中目标探测、跟踪和識别的依据和前提[3]。航电系统相关的战场环境仿真技术包括射频动态目标/场景仿真技术和红外动态目标/场景仿真技术。

1.1 射频动态目标/场景模拟技术

射频动态目标模拟实现雷达、电子战等探测目标的射频特性和空间属性，射频特性包括幅度、多普勒频移、频率、幅度起伏等，空间属性包括距离、速度、加速度、角速度及角加速度等。常见的仿真技术包括机械式、阵列式和机电混合式，特点如下。

1）机械式目标模拟功能简单，实现容易，适用于规则运动的单目标仿真，可模拟的目标/场景种类有限。

2）阵列式目标模拟采用电子控制方式实现目标的射频和空间特性，由信号产生系统、射频目标阵面和阵列目标馈电系统组成[4，5]。其中，信号产生系统根据载机、目标的位置信息及控制指令，生成包含调制形式、输出功率、信号延时等信息的无线电信号，通过阵列目标馈电系统，将射频目标（或干扰、背景噪声）信号通过阵面天线辐射，实现合成等效辐射中心的位置精确定位和实时运动模拟。载机和射频目标的相对运动均需通过控制不同位置的阵面天线辐射实现，对射频目标阵面和阵列目标馈电系统的规模要求较高，建设难度大，成本高。

3）机电混合式目标模拟在阵列式目标模拟基础上引入姿态模拟设备（如三轴转台），通过伺服机构配合阵面天线辐射控制，减少射频目标阵面的规模，实现小角度范围内多个目标模拟，在目标和背景复杂度有限的情况下是一种经济实惠的方案。

1.2 红外动态目标/场景模拟技术

红外动态目标模拟可实现光电雷达探测目标的红外特性和空间动态属性，其典型系统由红外成像组件、驱动控制系统、图像生成计算机和姿态模拟设备组成。红外成像方法分为直接红外辐射法和红外辐射调制法，前者包括红外阴极射线管（CRT）、激光二极管阵列和电阻阵列，后者包括红外液晶光阀和数字微镜器件（DMD）红外投影系统，其中以电阻阵列和DMD红外投影在半实物仿真领域应用最广。

1）电阻阵列式红外成像技术。该技术依据的原理是电流流过分立电阻时会产生热量。由于辐射能力由电阻温度、占空因子和辐射率决定，利用电阻阵列内的控制电路来控制流过电阻的电流即可控制每个电阻的温度，从而达到显示红外图像的目的。电阻阵是一种最接近真实物理环境辐射特性的模拟器，其温度范围宽、动态特性好、对比度和温差性能指标高，模拟目标、背景的红外辐射和运动特性优势明显[6]。

2）DMD红外投影。采用微电子机械原理，利用铝溅射工艺在半导体硅片上生成数以万计的方形微镜面，形成高速数字式光反射开关阵列器件。DMD成像采用微镜转动完成，微镜的位置不同，反射光的出射角度也就不同，类似于光开关。当光开关处于“开态”时，反射光可通过投影透镜在屏幕上形成亮点，处于“关态”时在屏幕上形成暗点。利用二进制脉宽调制技术控制微镜转动角度、光线通断时长，实现红外成像对比度及亮点的精准控制。DMD红外投影的优势在于模拟的温度、场景图像分辨率高[7]。

2 航电系统半实物联合仿真试验平台搭建

评估机载航电系统的整体效能除需有贴近真实的模拟环境外，还需有半实物仿真支撑平台。该平台具有将雷达、电抗和光雷等航电设备通过机上线缆互联搭建航电综合试验平台，以及兼容不同机型，集中控制仿真过程，并分析评估指定航电系统作战效能的能力。航电系统半实物联合仿真试验平台的总体架构如图1所示，包括联合试验支撑平台、航电综合试验环境、射频仿真试验环境和红外仿真试验环境。

联合试验支撑平台作为半实物仿真试验的总控端，为仿真试验的全生命周期包括试验准备、试验运行和试验分析提供相应服务。

1）在试验准备阶段，根据试验项目完成仿真初始化，包括场景设定、设备加电、转台归位、“握手”通信、参数装订等，并根据参试设置的具体情况选择授时方案，如解析仿真数据中的时间戳信息或基于统一GPS/BD授时服务器，实现参试设备时间同步。

2）在试验运行阶段，总控端实时与航电综合台和半实物仿真环境交互数据，监控仿真设备的运行状态，根据需要暂停或终止当前任务，以确保仿真应用正常、稳定执行。一方面，主控端通过仿真代理从航电综合台读取载机运动信息和目标变化信息（如目标数量、目标的绝对位置或与载机的相对位置数据、目标速度、航向、载机坐标和姿态数据等），解析后借助仿真代理发送到半实物试验环境，间接实现转台、目标和环境控制；另一方面，主控端通过仿真代理获取机载航电总线信息，掌握参试航电设备的工作状态。相关数据借助态势仿真系统驱动LED显示，同时存入仿真试验数据库。

3）射频仿真主控台实时解算载机、目标及场景信息，将载机及目标姿态发送到转臺控制系统，控制三轴转台实现参试设备俯仰、横滚、航向等三个姿态角的变化模拟。参试设备的射频发射信号经过波导、电缆等馈入信号产生系统，通过RCS、多普勒效应、距离延时、距离衰减等目标回波特性处理后，形成目标回波信号。信号产生系统实时接收目标及场景信息，并结合回波信号，模拟到达角（AOA）、杂波等，馈入微波暗室分系统的球面目标阵列，由阵列目标馈电系统控制目标阵列，在指定的角位置上辐射出去，为雷达、电抗测试构建目标、背景环境。

4）红外动态目标模拟系统通常采用五轴转台实现参试设备的动态特性模拟[8]，接收转台控制系统传送的载机、目标和场景信息。其中，三轴部分安装光电雷达实物，模拟载机运动过程中的俯仰角、滚动角和航向角等三个姿态角变化；两轴部分安装目标成像模拟器件，模拟载机与目标相对运动过程中的视线方位角与视线高低角变化。图像生成系统根据场景特征、载机及目标信息，实时解算生成动态、高分辨率视频信号。红外目标模拟器将视频信号转换为红外波段动态光信号，经过光学投影系统投射至光电雷达探测范围。

5）试验分析包括动态在线分析评估和事后离线分析评估两种功能。前者将实时分析的结果通过态势LED终端展示，形式包括消息弹框、特殊色标记和数据实时刷新。后者利用数据库和记录信息，基于效能评估模型评估参试航电设备的局部作战性能和航电系统的综合作战效能。

3 结束语

基于半实物仿真理论和射频、红外半实物仿真领域的最新研究成果，搭建了航电系统半实物联合仿真试验平台框架，为机载航电系统技战术性能评估系统的搭建提供支撑。联合试验平台建设是一项复杂的系统工程，除射频、红外目标/场景模拟技术外，还需关注微波暗室设计、大负载三轴/五轴转台设计、异构系统集成、作战效能评估模型设计、总线远程级联等技术。

参考文献

[1]黄瑞松，李海凤，刘金，等.飞行器半实物仿真技术现状与发展趋势分析[J].系统仿真学报，2019，31（9）：1763-1774.

[2]徐士博. 基于FC协议的航电任务系统仿真[D]. 成都：电子科技大学，2018.

[3]单家元，孟秀云，丁艳，等.半实物仿真（第2版）[M].北京：国防工业出版社，2013.

[4]刘晓斌，赵峰，艾小峰，等.雷达半实物仿真及其关键技术研究发展[J].系统工程与电子技术，2020，42（7）：1471-1477.

[5]肖秋，乔宏乐.一种阵列式雷达对抗半实物仿真试验系统[J].火控雷达技术，2018，43（1）：80-91.

[6]唐善军，宋敏敏，王碧云，张宇，等.基于MOS电阻阵半实物仿真的红外场景生成技术[J].系统仿真学报，2018，30（4）：1319-1327.

[7]许家林，王晓东，李丙玉，王鹤，等.基于DMD的红外场景模拟器图像数据传输和分割存储方法[J].红外与激光工程，2015，44（9）.

[8]周莉莉，李海凤，佟佳慧，等.红外成像制导半实物仿真技术研究[J].上海航天，2019，36（4）.