联合战场导航对抗仿真评估系统设计与实现

张 伟，何 晶，谢晓伟，赵国强，陈 真

（1.空军工程大学信息与导航学院，陕西 西安 710077；2.中国人民解放军93303部队，辽宁 沈阳 110043；3.中国人民解放军94198部队，新疆 哈密 839101）

0 引 言

未来联合作战不再是单一战场的较量，而是在多维空间展开的综合实力对抗，信息化技术在现代化战争中得到了不断发展与应用，未来联合作战中其应用会越来越广泛。在导航卫星支持下的远程巡逻、高维侦察、高速机动、精确打击都是现代战争的鲜明特点，因此开展联合战场环境下针对卫星导航的干扰和抗干扰技战术研究，有着重要的理论和现实意义［1］。

电磁领域实兵对抗演练，需要耗费大量的人力、物力、财力，且我国周边的外军军事基地众多，严密的电磁侦察活动导致保密性差，同时，我国周边的国际贸易往来密切，民商航空、船舶繁忙，实兵演练对于社会经济发展有一定的矛盾和冲突。但是信息化联合作战战场是海、陆、空、天、电、网等跨域协同、多域联动的联合战场，通过软件仿真技术，不断融合各种约束因素，对真实战场的电磁态势和自然环境变化进行仿真，将敌侦查、巡逻、常规火力武器等平台进行建模入库，可在很大程度上节省人力、物力、财力等战备资源，用现代化的手段指导保障军事备战训练，这也是美军将作战推演与仿真系统广泛应用于军事训练演习、作战分析研究、武器装备采办等领域的重要原因［2-4］。因此，推动联合战场导航信息对抗仿真评估系统的开发与试验，不断完善导航信息保障任务统筹、导航干扰兵力配置部署等战法战术，通过建立数据特征的直观表达，将对抗效果进行可视化呈现，更好服务指挥与保障的辅助决策，是导航对抗理论向实战化演进很好的尝试和探索［5-8］。

1 系统总体方案

联合战场导航对抗仿真评估系统（以下简称“仿真评估系统”）用于联合战场导航信息对抗的作战行动预演、方案研讨和战术优化，以及指挥人员作战指挥过程训练。根据系统需求分析、系统设计思路、系统工作框架来描述系统总体方案，并由此形成系统功能设计，系统研究内容采用模块化设计，便于系统模型修正和升级，细化工作流程设计，对当前主要干扰技术和抗干扰技术进行建模，运用高级电磁传播模型（advanced propagation model，APM）模拟真实电磁波传播环境，通过仿真推演测试验证系统任务模拟有效性、评估结果可用性，为后期联合战场导航对抗任务的技战术模拟分析提供可靠平台。

1.1 系统功能

仿真评估系统提供联合战场中红蓝双方的常用兵力载荷，其中导航干扰类型有压制式干扰、欺骗式干扰，导航抗干扰技术有时域滤波、频域滤波、空时滤波，对双方的导航对抗任务想定进行仿真推演与效果评估。建立联合战场中常用固定式、车载式、机载式（无人机和有人机）、浮空实体、星基等载体平台用于搭载干扰载荷，空中载体平台（各型飞机、巡航导弹）用于搭载精确制导武器导航载荷。在系统提供的仿真驱动框架下，构建导航系统的观测模型和干扰环境，对全球卫星导航系统（global navigation satellite system，GNSS）制导武器平台侦察、巡逻、打击轨迹进行建模入库管理，以进行作战任务想定仿真并提供任务过程的轨迹编辑、演示、调整功能；干扰方通过研判，对干扰源进行配备、部署，系统根据干扰源的干扰样式、干扰频率、功率等参数，仿真计算干扰源覆盖区域内干扰信号的功率，能够对仿真数据和导航响应模型的定位数据进行定位误差评估，实现任务场景环境的装备导航性能及作战效能评估。系统可对GNSS制导武器平台的飞行运动轨迹进行2D、3D展示，并输出信噪比、载噪比、水平误差、干扰威力变化等可视化结果，对指挥管理人员和专业技术人员提供辅助决策支持［9-12］。

1.2 系统组成

仿真评估系统运行在Windows7旗舰版操作系统环境，在Visual Studio 2013开发平台中采用C＋＋语言编程实现，通过VS-QT-Addin、Visual_Assist_X-2013来实现界面编程和提高代码阅读性，并且后期可以用CMake程序包实现便捷的软件管理和项目配置，SVN工具实现代码版本的升级管理。

按照系统工程思想，为了便于升级维护和程序修改，仿真评估系统采用模块化设计，如图1所示，包括仿真控制管理模块、仿真想定编辑模块、战场环境仿真模块、导航对抗信号／功能级仿真模块、导航对抗评估模块。该设计思想使模块耦合度低，便于后期在仿真测试中对于出现问题模块的判断和修正。

图1 系统功能模块设计Fig.1 System function module design

仿真控制管理模块用于对仿真进程进行调度管理和随时干预，能够实现仿真的初始化、开始、暂停、结束、回放等控制功能；能够对系统仿真时间进行统一管理，实现快进等功能，保证仿真系统时间的一致性。

仿真想定编辑模块用于以可视化的形式制定作战想定，包括红蓝双方的任务规划、作战过程等，编辑兵力实体模型的运动轨迹，支持如直线、圆形、8字形、跑道形等典型轨迹和用户自定义或导入轨迹，存储在想定文件中。

战场环境仿真模块用于以数据驱动方式对导航对抗仿真过程中的所有要素进行3D呈现，包括战场地理环境、固定或机动式地面干扰源、空中干扰源、武器平台（如巡航导弹、无人侦察机）、武器平台的飞行轨迹、干扰源波束、特征信息、场景切换等功能。

导航对抗信号／功能级仿真模块用于利用第三方提供的导航响应模型（DLL库），构建卫星导航接收装备的数字化模型，并进行信号级及功能级仿真。根据目标兵力平台位置，获取当前卫星星座信息，计算导航信号功率，并根据干扰信号功率计算干信比，输出兵力位置信息、定位信息、干信比等相关信息，用于定位误差信息计算。

导航对抗评估模块用于对仿真数据和导航响应模型的定位数据进行定位误差评估，实现导航对抗任务场景下装备导航性能及干扰作战效能评估。

1.3 系统工作流程

根据对研究功能的刻画和描述，结合不同作战样式创建导航对抗任务想定，通过载荷添加、兵力增加、兵力属性、任务规划的给定，完成干扰装备和导航装备的属性、状态、任务、轨迹编辑。

属性编辑与状态编辑中，分别对导航装备参数（实体类型、位置、速度、作战半径、攻击范围等）、干扰装备参数（频率范围、视场范围、干扰类型、发射功率等）进行设置，并根据经验情报参数对发射、接收天线性能参数（中心频率、脉冲周期、带宽、平均功率、馈线损耗、采样率等）进行配置。任务编辑中，通过对装备开关机时间，干扰源的地理坐标信息（经纬高）、姿态信息（俯仰、方位、横滚）、导航链路配置（选星能力）、干扰链路配置（扫描方式、方向图调整、极化方式等）进行部署。轨迹编辑中，通过设计GNSS制导武器平台的起终点等关键节点地理坐标信息、运动轨迹类型（直线型、圆型、8字型、跑道型等）等实现作战巡航轨迹的刻画。

对不同作战想定进行导航对抗任务仿真，根据欺骗干扰、压制干扰的不同样式输出相应干扰结果并进行评估。深度结合系统工程和软件工程方法，形成仿真评估系统工作流程，如图2所示。

图2 仿真评估系统工作流程Fig.2 Workflow of simulation evaluation system

2 卫星导航对抗模型及算法

现代GNSS普遍采用的是无源、三球交会定位原理。在实际测距过程中，由于钟差的存在，导致测量值与真值存在误差［13-18］。当两钟间存在钟差Δt时，这样测得的距离并不是用户和卫星间的真实距离r，而是一个带有误差距离的伪距r*，这就需要测量用户终端接收机到4颗卫星的伪距，建立4个方程式解出用户位置坐标。之后，GNSS用户终端接收机的处理器进行协调控制，经过通道的信号截获、信号跟踪、数据收集，形成位置、速度、时间（position，velo-city，time，PVT）解，进而指导武器平台的行动轨迹［19］。

而导航对抗作战行动，是交战双方在导航信息领域进行进攻与防御行动。导航对抗进攻行动是以各种平台干扰装备和手段对敌方实施软杀伤，通过欺骗、限制对方导航信息的保障作用，达到降低对手武器平台作战效能发挥水平的目的。包括欺骗式干扰和压制式干扰两大类，前者是利用虚假的GNSS信号来干扰、欺骗对方GNSS接收机对GNSS信号的正常接收，使其无法分辨接收到的信号正确与否，利用其中错误的GNSS参数进行定位解算，导致无法正确定位导航。后者是通过发射一定带宽、频率和功率的干扰信号，造成GNSS接收机的相关接收通道不能正常接收GNSS卫星信号，使其无法正常导航定位。

导航对抗防御行动主要是指GNSS抗干扰技术和干扰源探测与定位技术。当前各国主要的抗干扰技术有频域滤波、空域滤波、空时滤波、自适应调零天线技术、数字多波束天线技术、空时自适应数字滤波技术、窄带干扰处理技术、直接P码捕获技术、抗多径干扰技术、GNSS／惯导（inertial navigation system，INS）组合导航技术、从GNSS卫星考虑的信号功率增强技术与专用军码（M码）技术等，仿真评估系统中可采用设置情报参数对主要抗干扰技术进行模拟仿真。

2.1 欺骗干扰模型及算法

欺骗干扰是根据GNSS定位原理，通过给出伪导航信息（伪卫星坐标）或增加信号传播时延使GNSS接收机测量的伪距产生偏差的技术，分别对应于产生式和转发式两种欺骗干扰体制。产生式欺骗干扰对P码加密后形成的Y码以及军用M 码干扰难度很大，需要突破关键技术获得GNSS码以及导航电文数据。而转发式欺骗干扰是将接收到的GNSS卫星信号重新广播出去，利用人为信号时延构造伪GNSS卫星信号，使用户终端接收机定位解算出现偏差，相比产生式干扰更容易实现，其关键在于解决信号收发隔离问题，即从-20～-30 dB的信噪比中提取、放大信号，保证信号减少畸变并提高信噪比。

仿真评估系统主要针对转发欺骗干扰进行研究，在战区上空设置4套转发式欺骗干扰转发器Ji（i＝1，2，3，4），对欲干扰目标的轨迹拟合，根据可视区域导航卫星星座空间集合分布情况，筛选出符合目标位置点几何精度因子（geometric dilution of precision，GDOP）值最优的4颗卫星进行转发，调节转发增益，计算转发卫星信号接收功率P转发和真实卫星信号接收功率P真实，若两者之比大于5 dB，认为欲干扰目标接收转发欺骗信号。之后，在各路转发器中注入独立时延Δτi（i＝1，2，3，4）。要迫使欲干扰目标接收机错误定位于欺骗点D，则转发器的位置和时延需满足

式（2）为时延T与欲干扰目标定位偏差ΔX的映射关系，通过计算式（2）的最小二乘解，可得

欺骗干扰模型的算法流程如图3所示。

图3 转发式欺骗干扰算法流程图Fig.3 Flow chart of forward deception jamming algorithm

2.2 压制干扰模型及算法

压制干扰是通过干扰源发射干扰信号来遮蔽对方GNSS信号频谱使其接收机降低甚至丧失正常工作能力，包括连续波干扰、多音干扰、带限高斯噪声干扰、相关伪码干扰、脉冲干扰和组合干扰等干扰样式。

首先，建立作战想定，通过武器数据库确定蓝方武器平台类型及其组合导航方式（松耦合、紧耦合、深耦合）、惯导精度和接收机类型等参数，录入仿真评估系统；根据已知情报设定对方接收机抗干扰滤波方式，来确定红方的干扰样式及参数，并形成压制干扰源部署方案。其次，通过APM高级电磁传播理论，计算在真实环境中的干扰信号到达GNSS接收机前端的功率，计算接收机前端载噪比C／N J，系统绘制干信比、载噪比变化曲线，以判断抗干扰滤波方式的有效性。最后，在干扰有效的情况下，计算载波锁相环的振荡器颤动σJPLL与非相干超前减滞后功率（noncoherent early minus late power，NELP）处理码跟踪环路产生的码跟踪误差σJDLL，并与相应门限值进行比较，判断接收机解调过程载波环或码环是否失锁。未失锁时，干扰造成码相位跟踪误差，从而引起伪距误差，伪码误差乘以参与定位卫星的GDOP值，被干扰目标采用有误差的GNSS数据定位，系统绘制定位误差曲线；干扰造成码相位跟踪环路失锁时，则被干扰目标采用自身惯导系统进行定位，根据惯导精度逐渐产生偏差，系统计算并绘制蓝方巡航导弹定位误差曲线［20-23］。

压制干扰下载波锁相环的振荡器颤动σJPLL的计算公式为

其中，设定B P＝2 Hz或18 Hz（若为松、紧耦合，则接收机环路带宽为18 Hz；若为深耦合，则接收机环路带宽为2 Hz）；T d＝0.02 s；GNSS接收机前端接收卫星信号载噪比，βr为接收机前端等效预相关带宽，PJ为进入跟踪环路的干扰功率；GJ（f）为归一化的干扰信号功率谱密度，取值随着干扰样式的变化而变化，如式（4）所示；Gs（f）为接收卫星信号的功率谱密度，如式（5）所示。深耦合可不考虑动态应力误差，当式（3）中σJPLL＞15°时，载波相位跟踪环路失锁［24-26］。

式中：f J表示单频干扰中心频率；n表示多音干扰频点数；βJ表示干扰带宽；fde表示噪声调频有效调频带宽；f J表示噪声调频中心频率；GS（f）表示相关伪码干扰信号功率谱与相对应的卫星信号功率谱相同；τ为脉冲宽度；T为脉冲周期；T cp表示P（Y）码码元宽度；T cm表示M 码码元宽度；f S为M码副载频。民用C／A码的功率谱密度函数与P码相似，只是码元宽度不同。

干扰下的NELP 处理码跟踪环路产生的码跟踪误差为

式中：B D设置同B P；T c为伪码码元宽度；T d为相关积分时间；d为1或1／8。由码跟踪误差可以得到伪距测量误差，乘以GDOP可得定位误差。深耦合可不考虑动态应力误差，σJDLL＞d／6时，码跟踪环路失锁［27-28］。

压制性干扰模型的算法流程如图4所示。

图4 压制干扰算法流程图Fig.4 Flow chart of suppression jamming algorithm

2.3 APM

仿真评估系统考虑战场环境真实性，增加复杂环境下电磁传播路径损耗算法，采用APM 理论［29-30］。该理论最早是来自于Hitney提出的混合模型，后来由美国海军将其发展为高级传播模型。APM 是射线光学和抛物方程理论的混合模型，克服了抛物方程模型计算量大的缺点，将传输区域分为4个部分：平面地球（flat earth，FE）模型、射线光学（ray optics，RO）模型、混合光学（parabolic equation，PE）模型和抛物线方程（extended optics，XO）模型，如图5所示。

图5 APM算法计算区域划分Fig.5 Calculation area division of APM algorithm

其中，在天线仰角大于5°或距离小于5 km的情况下使用FE模型，计算中忽略了折射和地球曲率的影响；当距离大于FE区的最大距离时，使用RO模型，计算时考虑了折射率和地球曲率的影响；PE模型应用于距离超出RO区，但高度小于PE解法要求的最大高度，这一最大高度取决于快速傅里叶变换（fast Fourier transform，FFT）的点数；高度超过PE区的范围时应用XO模型。

3 仿真评估实例

根据仿真评估系统总体方案和导航对抗原理，进行导航对抗作战想定的仿真评估推演测试。创建作战想定，依据双方的兵力情报参数进行属性编辑和链路配置，进行仿真计算，对推演过程进行3D与2D拓展图场景展示，如图6和图7所示。

图6 仿真评估系统启动界面Fig.6 Start interface of simulation evaluation system

图7 仿真评估系统任务编辑对话框Fig.7 Task editing dialog box of simulation evaluation system

下面以多站转发欺骗式干扰和组合压制式干扰为例，进行干扰任务仿真，验证系统仿真评估结果是否可用、有效。

（1）以多站转发欺骗式干扰为例进行系统测试，假定蓝方巡航导弹以均匀直线运动攻击目标，红方部署多干扰源对蓝方巡航导弹进行持续性欺骗式干扰，以黄线代表巡航导弹预定轨迹，蓝线代表受干扰后轨迹，绿线为巡航导弹所接收的卫星星座信号，计算导弹受干扰后的位置偏差。兵力部署情况如图8所示。干扰任务场景如图9所示，干扰结果如图10所示。

图8 双方兵力部署Fig.8 Deployment of forces for both sides

图9 多站转发欺骗式干扰对抗任务场景Fig.9 Multi-station forward deceptive jamming countermeasure task scenario

图10 多站转发欺骗式干扰结果Fig.10 Results of multi-station forward for deceptive jamming

从图10多站转发欺骗干扰结果中，可以看到蓝方巡航导弹的实时属性与时空信息变化情况，显示施加干扰后偏离预定轨迹，红方的重要目标可得到保护。

（2）以组合压制干扰为例进行系统测试，假定蓝方巡航导弹以匀速直线运动，红方在战区范围内部署多个固定基站压制干扰源，采用多种干扰样式对来袭目标进行干扰，系统后台采集巡航导弹的导航信息进行干信比、定位误差等数据采集分析，判断干扰结果。干扰场景如图11所示，蓝方巡航导弹的时空信息实时显示。

图11 组合压制干扰场景展示Fig.11 Combined suppression jamming scene display

图12为蓝方巡航导弹在任务过程中受到干扰后的干信比变化曲线，图13为蓝方巡航导弹定位误差变化曲线，从两条曲线的变化情况中可以看到，巡航导弹在飞行穿越预设干扰源的航线过程中，巡航导弹受干扰后的干信比与“导弹-干扰源”间距离成反比，定位误差急剧增大。在越过干扰源后，随着巡航导弹背离干扰源部署区，巡航导弹经过GNSS信息源的链路重构，定位误差回到正常水平，重回预定航迹。

图12 蓝方巡航导弹干信比变化曲线Fig.12 Change curve of interference to signal ratio of blue side cruise missile

图13 蓝方巡航导弹定位误差变化曲线Fig.13 Change curve of positioning error of blue side cruise missile

4 结 论

联合战场导航对抗仿真评估系统用于建立导航系统和干扰仿真环境，深入分析导航对抗作战原理，融合电波传播模型和用户终端导航响应模型，可以仿真不同干扰部署环境对导航系统的影响，为导航系统的干扰仿真评估提供参考依据。仿真推演者可充分运用统计学、概率论、博弈论等科学方法，对导航对抗任务全过程进行仿真、模拟与推演，专业技术人员可以通过对信噪比曲线、定位误差曲线以及距离曲线进行干扰效果评估，并为指挥管理人员提供干扰任务辅助决策参考，制定导航对抗任务策略，以加强联合战场电磁环境建设，按照军事规则研究和塑造战场局势。