基于模型的雷達對抗仿真系統構建技術

韓文彬,李 洋,王華兵,戚宗鋒

（解放軍63892部隊,洛陽 471003）

0 引 言

雷達對抗作為重要的作戰樣式,其仿真模型體系不斷膨脹,如何提高仿真模型的復用能力已逐漸引起仿真應用單位的重視。

為了對仿真模型進行有效管理,文獻[1]提出了仿真模型庫系統的概念,它是提高模型重用性的重要途徑。國防科技大學按照基本對象模型（BOM）標準開發的可擴展仿真系統框架,提高了模型開發的規范化和自動化水平。文獻[3]、[4]分別介紹了基于BOM進行仿真開發的實例和方法。

在基于模型的仿真開發平臺逐漸完善的同時,雷達對抗專業人員有必要著重研究相關仿真系統的高層架構和模型體系。本文按照基于模型的理念,分析了導彈突防背景下的雷達對抗仿真系統總體架構設計、模型體系設計以及系統構建的方法。

1 總體架構設計

1.1 系統組成結構

本仿真系統采用基于高層體系結構（H LA）的分布式仿真結構。系統高層結構如圖1所示,共由8個分系統組成。本文重點關注仿真主控、雷達仿真、導彈仿真、干擾仿真和在線評估等5個分系統,它們分別實現仿真控制、對抗實體仿真和仿真結果評估的功能,是仿真系統最重要的組成部分。根據具體戰情需求,雷達仿真、干擾仿真和導彈仿真可以有多個運行實體。戰情設計、數據采集、視景仿真等3個分系統作為仿真系統的附加分系統,本文不再 介紹。

圖1 仿真系統運行結構

1.2 系統運行流程

仿真系統的運行流程如圖2所示。首先,啟動各個仿真分系統；然后,由仿真主控系統讀入仿真戰情,進行戰情分解,將子戰情分發給其它分系統；最后,仿真試驗開始運行,雷達、導彈、干擾等實體仿真分系統通過運行支撐環境（RTI）進行仿真交互,在線評估分系統提取仿真數據進行實時評估。圖2中,虛線部分代表系統外部資源,為仿真運行提供戰情數據、威脅數據,并收集仿真試驗數據。

圖2 仿真系統運行流程圖

2 模型體系設計

基于H LA的仿真技術提供了系統高層結構的有效方案,因此在此著重分析各個分系統內部模型體系的設計方法。

2.1 仿真主控分系統

仿真主控分系統實現對仿真系統的控制與管理,包括仿真系統的運行控制、戰情的加載與下發等。該分系統模塊結構如圖3所示,用戶界面模塊負責以窗口、菜單、表格等圖形方式與用戶進行交互,數據管理與仿真控制模塊是用戶界面模塊、數據源訪問模塊和 HLA事件總線接口模塊的中間構件,數據源訪問模塊為數據管理和仿真控制模塊提供透明的戰情數據下載和格式轉換服務,HLA事件總線接口模塊主要實現聯邦狀態管理、時間同步和控制指令、戰情等數據的公布與訂購。

圖3 仿真主控分系統模塊圖

2.2 雷達仿真分系統

雷達仿真分系統模擬導彈防御系統中的關鍵雷達,主要功能包括小區域搜索、目標跟蹤、逆合成孔徑雷達（ISAR）成像、目標識別以及抗干擾等。

如圖4所示,根據各個雷達功能之間的耦合關系,將分系統劃分為不同的仿真模塊。其中,雷達主控模塊作為頂層模塊,負責與其它分系統進行交互,調度各個模塊有序地完成雷達系統的仿真運行；資源調度模型負責接收雷達資源請求,按照優先級為每個請求安排雷達事件,完成波束調度,實現對多個彈道導彈目標的搜索、確認、跟蹤、識別；信號產生模塊用于模擬雷達接收信號,包括導彈回波、有源干擾信號以及接收機噪聲等；信號處理模型負責對雷達接收信號進行處理,得到點跡、一維像等信息；數據處理模塊對信號處理得到的點跡、一維像等信息進行數據處理,并且可以利用處理結果進行目標識別處理；天線模塊包括天線模擬函數庫,用于計算雷達波束在目標方向的增益及波束測角差斜率,提供給信號產生模塊以生成回波信號。

如表1所示,雷達仿真分系統模型體系比較復雜。其中,前一級模型可以由后一級模型組合擴充實現,或者在仿真中使用后一級模型。

圖4 雷達仿真分系統模塊圖

表1 雷達仿真分系統模型層次結構表

2.3 導彈仿真分系統

導彈仿真分系統提供導彈飛行過程中的位置、姿態以及雷達截面積（RCS）等信息。根據彈道導彈從出發點到目標點的運動過程受力情況,可將彈道分為推進段、自由段（中段）和再入段。

導彈仿真分系統的模型結構如圖5所示。按照導彈飛行階段,彈道導彈模型根據仿真需要,分別調用推進段、中段、再入段模型,實現導彈全程或者部分階段仿真。各個飛行階段模型都包含彈體動力學模型和自動駕駛儀模型,用于模擬導彈飛行狀態。除此之外,推進段模型包括熱輻射子模型和RCS子模型,用于紅外探測和雷達探測；中段模型包括RCS子模型。

圖5 導彈仿真分系統模型層次圖

2.4 干擾仿真分系統

干擾仿真分系統模擬彈載干擾機,接收導彈運動參數,公布干擾信號描述字。

如圖6所示,干擾機模型根據干擾設備的工作過程分別調用偵察引導、干擾決策、干擾信號產生模型,模擬帶偵察引導單元的雷達干擾設備工作過程,也可以根據需要模擬無偵察引導的雷達干擾設備工作過程。其中,干擾信號產生模型有不同的實現,例如假目標、距離波門拖引、噪聲干擾等。

圖6 干擾仿真分系統模型層次圖

2.5 在線評估分系統

在線評估分系統的構成如圖7所示,該分系統提取雷達仿真分系統的仿真輸出信息,基于不同的評估策略對仿真過程進行在線評估,得到實時更新的評估結果。由于評估方法的多樣性,系統仿真重在模塊劃分和組織,具體實現部分典型評估模型,并關注于分系統的可擴展性。

3 仿真系統構建

在完成了系統分析與模型劃分之后,進行仿真系統的構建,包括模型開發、組件生成、系統實現以及運行分析等階段。

圖7 在線評估分系統模型層次圖

3.1 模型開發

首先應該從模型庫選擇可用或者相近的模型,然后由仿真對象專業領域人員進行模型確認或者修改。只有對于模型庫中沒有的模型,才會進行從“空白”開始的開發。模型開發首先需要明確仿真目的,繼而給出模型詳細定義,即為數學模型。數學模型的建立必須圍繞仿真目的對真實對象進行合理的抽象,既要逼真地反映對象的真實特性,又要忽略次要因素。數學模型建立后,根據預先約定的模塊輸入輸出接口,利用編程語言開發實現仿真模型。

3.2 組件生成

BOM技術以及相關工具軟件為仿真模型的組件化提供了有效手段。在模型開發完畢后,利用BOM生成工具對專業模型進行封裝,添加必要的模型描述,從而生成符合規則的BOM組件。對于復合模型組件,需要利用BOM組裝技術對子模型組件進行組合實現。對于新生成組件,要及時納入項目模型庫,并在完善之后納入總模型庫。

3.3 系統實現

單個的分系統,本質上也是許多模型的組合。因而,系統也是基于BOM組件組裝的方式,將系統所需的子組件按照既定的接口進行BOM組合得到的。由于仿真系統是基于HLA RTI運行的,因而分系統可以實現為聯邦成員。在聯邦成員的實現過程中,還要遵循聯邦對象模型（FOM）和仿真對象模型（SOM）的約束,建立與仿真平臺相關的仿真系統。

3.4 運行分析

仿真系統建立之后,通過仿真運行來分析系統性能,確定系統是否滿足設計要求。在運行過程中,需要關注系統運行效率是否可以接收,了解模型對各種不同輸入數據及各種不同仿真機制的輸出響應情況,來確定模型逼真度和仿真系統合理性。運行分析之后,針對暴露的問題進行模型改進和系統優化,該過程需要不斷迭代進行。

4 結束語

基于模型的雷達對抗仿真系統構建是一次非常有意義的嘗試,為模型管理和復用以及基于模型的仿真開發提供了經驗。本文既對雷達對抗中的典型實體進行了實用的模型劃分,又提出了基于模型的系統構建方法,具有較大的參考價值。

[1] 戚宗鋒,徐忠富,武忠國,等.仿真模型庫系統設計與建設研究[A].“十一五”仿真技術預先研究項目中期技術交流會論文集[C].北京,2009.

[2] 龔建興.基于BOM的可擴展仿真系統框架研究[D].長沙:國防科技大學,2007.

[3] 曾艷麗,李華,王飛.基于裝備模型驅動的電子對抗仿真系統開發模式的研究與應用[A].“十一五”仿真技術預先研究項目中期技術交流會論文集[C].北京,2009.

[4] 韓文彬,李盾,汪連棟,等.基于BOM 的雷達對抗仿真系統設計[J].指揮控制與仿真,2009,34（1）:90-93.

[5] 王象.相控陣雷達建模方法與仿真應用研究[D].長沙:國防科技大學,2007.

[6] 王國玉,汪連棟.雷達電子戰系統數學仿真與評估[M].北京:國防工業出版社,2004.

[7] 張毅,肖龍旭,王順宏.彈道導彈彈道學[M].長沙:國防科技大學出版社,2005.

[8] 趙國慶.雷達對抗原理[M].西安:西安電子科技大學出版社,2005.