基于直接信號注入的反艦導彈攻防對抗仿真系統(tǒng)＊

楊 慶 張建強

（1.南海艦隊司令部 湛江 524001）（2.海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033）

1 引言

反艦導彈作為主要的對海精確打擊武器，以其射程遠、威力大、速度快且能夠低空突防，可從空中、陸地或海上發(fā)射等特點，在精確打擊航速慢、機動性差的水面艦船中效果明顯，已成為當前水面艦艇的主要威脅。如何抑制和破壞反艦導彈的攻擊，即所謂的導彈對抗，具有非常重要的意義。最近幾次局部戰(zhàn)爭表明，以干擾導彈末制導系統(tǒng)使其不能發(fā)現、捕捉、跟蹤和有效攻擊目標為方式的電子對抗手段成為防御反艦導彈的重要途徑。如何檢驗反艦導彈在復雜電磁環(huán)境下的突防效能，怎樣驗證電子對抗手段的有效性以及戰(zhàn)術運用的合理性，成為水面艦艇部隊導彈攻防對抗訓練效益提高的關鍵問題。

由于導彈攻防對抗過程是一個非常復雜的動態(tài)過程，以往單一的打靶訓練已不能滿足復雜電磁環(huán)境下的導彈攻防戰(zhàn)術訓練要求［1］，借鑒國外經驗需綜合利用實物、半實物和數字仿真技術建立導彈攻防對抗仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)中數字仿真技術為實物和半實物仿真克服了電磁環(huán)境生成能力有限的缺點，實裝演練則可對數字仿真模型進行檢驗和修正，克服了數字仿真模型可信度低的缺陷［2］。同時，考慮到投入成本，本文采用“直接信號注入”的方式［3］，設計采用基于注入式仿真技術的反艦導彈攻防對抗半實物仿真系統(tǒng)，即將仿真計算獲得的海戰(zhàn)場電磁環(huán)境或者戰(zhàn)術演練中采集的實際數據直接注入導引頭電子艙，來模擬探測器對電磁環(huán)境的響應輸出，實現電子對抗戰(zhàn)術效果評估，同時也可對導引頭的各種抗干擾與跟蹤算法進行有效的驗證與調試，大大降低了投入費用，同時相對于數字仿真提高了仿真試驗的可信性，為反艦導彈的作戰(zhàn)使用和電子對抗戰(zhàn)術運用提供了一個開放式的研究與訓練平臺，提高了反艦導彈攻防戰(zhàn)術訓練效益。

2 反艦導彈攻防對抗注入式仿真系統(tǒng)

以海戰(zhàn)場導彈攻防對抗過程為仿真對象，采用數字仿真技術與半實物仿真技術，以直接信號注入技術為仿真驗證手段，構建的反艦導彈攻防對抗注入式仿真系統(tǒng)結構如圖1所示，主要由雷達目標信號環(huán)境仿真模塊、信號注入裝置、導引頭（實物）及其測控設備、導彈運動仿真模塊、導引頭性能評估模塊組成。

2.1 仿真導調模塊

進行仿真模式（實時仿真、快速仿真、仿真重演）的設置，作戰(zhàn)態(tài)勢的初始化（包括戰(zhàn)場地理位置、戰(zhàn)場電磁環(huán)境、目標數目、目標及艦艇初始位置、運動參數等），進行作戰(zhàn)態(tài)勢的綜合顯示，對仿真過程進行控制（開始、暫停、繼續(xù)、停止等），獲取仿真運行中相關的數據及信息并進行記錄。

圖1 反艦導彈攻防對抗注入式仿真系統(tǒng)總體框圖

2.2 雷達目標信號環(huán)境仿真模塊

雷達目標信號環(huán)境仿真模塊是系統(tǒng)的核心，該模塊根據仿真導調模塊的初始化設置，綜合利用發(fā)射信號模型、天線增益模型、目標回波信號模型、雜波模型和有源／無源等干擾模型，建立逼真雷達目標信號環(huán)境，生成反艦導彈末制導雷達的回波信號。

2.3 信號注入裝置

信號注入裝置將實裝對抗訓練采集數據或者雷達目標信號環(huán)境仿真模塊模擬的回波信號注入導引頭，是系統(tǒng)的關鍵設備。考慮到數字回波信號抽樣頻率較高，在計算機上直接產生所需的高抽樣率注入信號難度較大，為降低計算機計算壓力，采用二級回波信號產生機制，首先利用計算機生成低抽樣率（幾十到幾百KHz）的基帶回波信號，再借助信號調理板（如圖2所示），生成所需模擬注入信號。

圖2 回波注入信號調理板卡實現框圖

信號調理板卡是信號注入裝置的核心，采用FPGA＋DSP的處理框架［4］，利用帶有嵌入式處理器的FPGA 作為系統(tǒng)的控制核心，完成信號調理板卡與外界間的信息交互。DSP以FPGA 為中介，接收原始基帶處理數據，完成必要信號調理工作，減輕工控機處理壓力，調理產生的數字基帶信號經專用上變頻器調制、插值，得到高抽樣率的頻帶數字回波信號，經高速數模轉換后生成模擬回波信號注入導引頭設備。導引頭接收模擬回波信號后，經導內部處理，輸出角跟蹤信號、距離跟蹤信號、速度跟蹤信號和飛控信號，調理板將相應信息采樣并通過PCI總線反饋給工控機，完成導引頭姿態(tài)調整和戰(zhàn)場態(tài)勢刷新，構成仿真閉環(huán)。

2.4 導彈運動仿真模塊

根據測控設備測得的導彈飛控參數與指令實現導彈飛行軌跡仿真計算：主要包括坐標轉換模型、導彈各飛行階段機動彈道模型以及前置角法模型、比例導引法等導引律模型等。并將計算參數輸入視景系統(tǒng)導彈運動軌跡及其視野的三維展現，增強導彈攻防對抗戰(zhàn)術訓練效果。

2.5 導引頭性能評估模塊

導引頭對抗效能評估模塊根據測控設備測得的導引頭距離跟蹤信息和角跟蹤信息完成對導彈在電子對抗環(huán)境下的作戰(zhàn)效能評估：主要包括圓概率偏差、落點密集度、脫靶率、命中概率、毀傷度、距離跟蹤誤差、角度跟蹤誤差、速度跟蹤誤差、雷達發(fā)現概率等。

3 反艦導彈末制導雷達目標信號環(huán)境的建模與仿真

反艦導彈末制導雷達接收信號中除了目標回波之外不可避免地摻雜了氣象雜波、海雜波等的雜波信號，以及目標艦艇釋放的各種有源、無源干擾信號。因此，雷達導引頭接收信號模型主要包括目標回波信號模型、干擾信號模型、雜波模型等。

3.1 目標回波信號模型

目標回波主要由目標自身的散射特性、目標距離雷達的徑向距離、目標相對雷達徑向速度來決定。因此，建立目標回波信號模型必須在時間上反映由目標距離雷達的徑向距離產生的時延，在頻率上反映由目標相對雷達徑向速度產生的多普勒頻移，在回波幅度上考慮由目標散射統(tǒng)計特性產生的目標RCS起伏變化，以及由天線發(fā)射、接收增益和大氣環(huán)境引起的信號衰減。

3.1.1 目標回波信號的時延與多普勒頻移

設雷達發(fā)射信號為線性調頻信號，即在脈沖持續(xù)期間脈內頻率連續(xù)線性變化的信號，信號復數形式可以表示為

式（1）中rect（t／τ）為矩形函數，A為線性調頻信號的幅度，τ為線性調頻信號的時寬，μ為調頻斜率，ωc是線性調頻信號的中心頻率，線性調頻信號的帶寬B＝μτ／2π。

那么，考慮到時延與多普勒頻移，目標回波信號的表達式如式（2）所示

式（2）中，C為光速，即3×108m／s；ωc為載頻；T為脈沖寬度；ωd為多普勒頻率，ωd＝2Rωc／C；Rk為第k個脈沖與目標相遇時，目標相對于雷達的距離。

3.1.2 目標RCS起伏模型

目標雷達截面積受很多因素的影響，如視角不同時，目標的雷達散射截面也不同，目標回波幅度是起伏的［5］，通常用一個接近且合理的模型來估計目標起伏的影響并進行數學上的分析。最早提出而且目前仍然常用的起伏模型是施威林（Swerling）統(tǒng)計模型，即施威林Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ模型。反艦導彈的主要目標是艦船，艦船類目標可看作由一個主反射體加上多個小反射體組成的目標，回波幅度起伏較慢，采用SwerlingⅢ較合適［4］，其雷達截面積σ的概率密度函數為

式中，σav為目標截面積起伏的平均值。本文中，艦船目標雷達截面積的平均值σav由下面的經驗公式來估計［4］

式中，σav單位為m2；f為雷達頻率，單位為MHz；D為艦船的排水量，單位為kt。

3.1.3 目標回波信號的雙程衰減模型

雷達發(fā)射天線發(fā)射的信號經自由空間的傳播，照射到目標上，因目標的散射特性而產生散射回波，假定目標可以將接收到的功率無損耗的輻射出來，并且考慮到整個系統(tǒng)的損耗，可推導出雷達接收天線接收到的功率為

式中，雷達發(fā)射功率為Pt；發(fā)射天線增益為Gt；接收天線增益為Gr；信號波長為λ；目標截面積σ（swerl）（其中swerl用來代表目標的起伏模型，進而決定目標的截面積）；目標距離為R；系統(tǒng)損耗為L。

從而回波幅度可以由雷達方程計算得到：

綜上所述，可以得出目標經多普勒頻移與時延、雙程衰減后的回波信號。仿真結果：目標與雷達距離為10km，作勻速直線運動，速度為10m／s。雷達發(fā)射功率為Pt＝150W，天線增益為G＝30dB，雷達波長λ＝0.03，采用Swearling Ⅲ起伏模型，目標回波模型如3所示。

圖3 線性調頻信號回波波形

3.2 雷達干擾的建模與仿真

對于反艦導彈末制導雷達來說，目前作戰(zhàn)中面臨的電子干擾分為：有源干擾和無源干擾。其中，無源干擾可分為箔條干擾、反射器、假目標、雷達誘餌等［6］。特別是箔條式干擾在現代艦艇反導作戰(zhàn)中發(fā)揮重要作用，軟硬武器協同反導已成為現代艦艇反導主要作戰(zhàn)模式［7］。限于文章篇幅，本文重點對箔條質心干擾建模仿真。根據箔條云回波信號為各個單根箔條的回波信號矢量和的原理，對箔條云回波信號建模［8］。

1）令箔條云運動的速度起伏vc為一組服從正態(tài)分布的隨機向量，均值為0，方差為σc，其中包含m個元素vci（m為一個雷達分辨單元內箔條的根數），對第i根箔條，其速度起伏引起的多普勒頻移［9］為fd1i＝2vci／λ；

2）第i根箔條的多普勒頻移為fdi′＝fdr＋fd1i，fdr為箔條云引起的多普勒頻移；

3）第i根箔條的回波信號為s1i（t）＝s（t）exp（j2πfdi′t），s（t）為第i根箔條時延衰減后的信號復包絡。嚴格地說，s（t）應該包含該單根箔條的回波幅度信息，但由于單根箔條的RCS確定困難，因此可以在此僅考慮單根箔條對回波相位的調制，回波的幅度在合成箔條云回波后，通過箔條云RCS統(tǒng)計特性共同確定；

假設箔條根數m＝2000，f0＝1000MHz，箔條云多普勒頻移fdr＝50Hz，σc＝20，雷達入射波長λ＝0.03。仿真結果，如圖4所示。

圖4 箔條回波波形及統(tǒng)計特性

仿真結果可知，箔條回波信號的幅度服從瑞利分布，功率譜服從高斯分布，相位服從均勻分布，這與箔條實際回波的時頻分布和統(tǒng)計特性完全相同。

3.3 雜波的建模與仿真

一般來說，常用的雜波幅度分布模型包括：瑞利分布、對數正態(tài)分布、韋伯分布、K 分布等。從雷達信號檢測的角度來看，對數——正態(tài)雜波為最惡劣的雜波環(huán)境，瑞利雜波代表最簡單的雜波環(huán)境，而韋布爾雜波則是中間雜波環(huán)境。在高分辨力雷達、低入射角的情況下一般海情的海浪雜波能夠用韋布爾分布精確地描述，適合反艦導彈末制導雷達雜波模擬。

韋布爾分布的概率密度函數可表示為

其中，α是形狀參數，q是標度參數。圖5為相關韋伯分布隨機序列的產生原理圖。

圖5 相關韋布爾雜波的產生框圖

4 導引律建模仿真與反艦導彈性能評估

4.1 反艦導彈導引律模型

反艦導彈彈道仿真模型包括導彈水平運動模型與導彈高度運動模型，其中導彈水平運動模型包括自控飛行段與導引律飛行段。導引律飛行段導引方法對制導精度和殺傷概率有直接影響。自動尋的制導規(guī)律主要有追蹤法、平行接近法與比例導引法。比例導引法以其簡單易實現被大量采用，假設目標艦艇作勻速直線運動其速度為Vw、航向Kw、舷角qw，導彈的速度Vm、航向Km、舷角qm、比例導引系數a，量測目標距離為D、目標方位角β，則導彈比例導引時的微分方程為［10］

求解式（8）可得導彈與目標艦艇的運動軌跡如圖6所示，其中圖6（a）為水面艦艇采用箔條質心干擾后，隨著水面艦艇與箔條的慢慢分離，由于箔條RCS遠大于艦船，導致導彈飛行彈道越來越偏向箔條，最終偏離目標穿越箔條云入水。

圖6 比例導引下的導彈與目標艦艇運動軌跡曲線

4.2 基于注入式仿真系統(tǒng)的反艦導彈攻防對抗性能評估

反艦導彈攻防對抗注入式仿真系統(tǒng)下，導引頭性能評估主要是基于導彈彈著點這個方面來考慮，對反艦導彈對艦船目標攻擊的過程進行多次動態(tài)仿真后，利用仿真所得到的反艦導彈落點數據求解導彈脫靶率、命中概率、圓概率偏差等性能指標。

仿真場景：假定反艦導彈進入末制導階段，彈目距離12km，導彈飛行速度0.9馬赫，艦船航速30節(jié)。艦船相對于反艦導彈的初始方位為60°，艦船初始航向30°，反艦導彈初始航向為45°，設定海雜波幅度為韋布爾分布的高斯譜雜波。假設反艦導彈雷達導引頭發(fā)射功率10kw，收發(fā)共用天線的增益為30dB，發(fā)射信號波長為3cm，導引頭天線的波束寬度為4°，比例導引系數為4，導引頭跟蹤下線為200m。

分別在無雜波環(huán)境、雜波環(huán)境和箔條干擾三種情況下各進行100 次仿真，反艦導彈的彈著點分布如圖7所示。為簡化計算，將艦船目標認為一個半徑為200m 的圓，若定義反艦導彈脫靶率為未擊中目標艦船次數與攻擊總次數的比值，那么落入該圓圈的情況認為“擊中目標”，反之則為“脫靶”［11］，則根據導彈彈著點分布即可求解脫靶率。

5 結語

圖7 反艦導彈的彈著點分布

本文設計實現了基于直接信號注入的反艦導彈攻防對抗仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用直接信號注入方式，通過信號注入裝置將數字仿真生成的雷達回波信號或實裝對抗訓練采集數據注入導引頭，然后對導引頭信號處理結果建模分析，研究導引頭復雜電磁環(huán)境下的抗干擾與跟蹤能力，驗證電子對抗戰(zhàn)術效果。仿真實驗表明，該系統(tǒng)為裝備科研提供一個開放式的研究平臺，能對反艦導彈導引頭性能進行驗證，同時也能為反艦導彈攻防戰(zhàn)術演練提供一個訓練平臺，能對水面艦艇電子對抗戰(zhàn)術運用效果進行評估，提高導彈攻防戰(zhàn)術訓練效益。

［1］崔建竹，盛驥松.注入式雷達信號仿真技術［J］.艦船電子對抗，2007，30（5）：75-78.

［2］袁俊.仿真系統(tǒng)在導彈武器研制中的作用［J］.中國航天，2005（4）：41-44.

［3］于勁松，郝王松，萬九卿，等.基于直接信號注入的導引頭仿真技術［J］.兵工學報，2006，27（5）：928-931.

［4］曹金燦.多通道雷達目標回波模擬器的實現［D］.南京：南京理工大學.2010.14-19.

［5］高烽.雷達導引頭概論［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.11-18.

［6］湯廣富，陳遠征，趙洪鐘，等.箔條云雷達回波的一種仿真方法［J］.光電技術應用，2005，20（4）：59-62.

［7］李海浩，李海濤，朱寧龍.箔條質心干擾仿真模型研究［J］.電子信息對抗技術，2010，25（1）：52-55.

［8］劉強，劉以安.箔條回波云的一種建模與仿真方法［J］.現代雷達，2006，28（8）：91-94.

［9］蔡萬勇，李俠，萬山虎.大氣環(huán)境下箔條運動軌跡及箔條幕擴散模型［J］.系統(tǒng)工程與電子技術，2009，31（3）：565-569.

［10］王航宇.艦載火控原理［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2006：82-83.

［11］陳長海.反艦雷達導引頭建模與仿真研究［D］.西安：西安電子科技大學，2009：43-49.