戰場復雜電磁環境的逼真構建方法

戎建剛，唐 莽，王 鑫，魏建寧

（中國航天科工集團8511研究所，江蘇南京210007）

0 引言

現階段使用的武器裝備環境適應性試驗模式，在傳統試驗模式的基礎上已有了很大提高［1－2］，不同程度地加入了敵對雙方的對抗博弈和電子對抗的復雜電磁環境，但受限于對復雜電磁環境的認知水平，試驗結果與實戰條件的一致性仍然是當前亟待解決的一個重大難題。文獻［3］對復雜電磁環境給出了指標體系，為逼真構建打下了理論基礎。文獻［4］研究了威脅電磁環境的特點，歸結為“干擾場景、干擾戰術、干擾技術”三個層次的典型化：典型干擾場景把作戰規模的大小典型化為若干類型，典型干擾戰術按照傳統使用方式分成四類，典型干擾技術按照壓制／欺騙和有源／無源進行分類。文獻［5］進一步研究了威脅電磁環境的分類分級，按照基本干擾類型的不同組合情況，把干擾技術應用情況分成四類，并把復雜電磁環境的二維指標Ψ2＝｛s，m｝在定量化的基礎上劃分為12級。

根據復雜電磁環境的特點，本文提出了逼真構建復雜電磁環境的“四個等效”原則；為了衡量構建環境與實戰環境的逼真性，又提出了以干擾技術逼真度和干擾戰術逼真度為基礎的定量評價指標。在此基礎上，歸納總結出復雜電磁環境的五種等效構建方法。

1 相關概念分析

武器裝備對環境的適應性考核，在傳統的試驗模式（見圖1（a））中，是完成大氣環境、力學環境、電磁兼容環境等試驗，不包含人為對抗性因素，通常分成內場和外場二個階段。

武器裝備在未來的作戰過程中，將面臨更加復雜的電磁環境以及敵對雙方的激烈對抗，尤其是電子對抗引起的復雜電磁環境問題，如圖1（b）所示。因此，在試驗模式上增加了雙方人員的參與，在作戰過程中，根據戰場態勢及時改變或調整策略，形成敵對雙方相互博弈的一個作戰過程。

1.1 等效模擬

研究復雜電磁環境的逼真構建方法，不僅僅是用一系列實裝設備按照作戰想定做出布設和使用，而是要用一系列等效的辦法，更經濟、更高效、更系統地模擬武器裝備面臨的各種復雜電磁環境。文獻［5］把威脅電磁環境構成總結為“干擾場景、干擾戰術、干擾技術、干擾強度”四個要素，據此，可以歸納出構建復雜電磁環境的四個等效原則：

圖1 武器裝備的復雜環境適應性

1）干擾場景等效：按照“作戰規模、攻擊目標、對抗裝備”三要素設置干擾場景，其范圍要滿足干擾戰術的使用要求。

說明：干擾場景的物理空間可以縮比。

2）干擾戰術等效：按照“時間、空間、干擾技術”三要素控制運動過程、選擇干擾組合、確定干擾時機，覆蓋全過程，包含各階段。模擬試驗的過程和關鍵點與實際作戰具有可比性。

說明：一個實際的作戰過程可能需要很長時間，模擬其主要過程及關鍵階段，可以提高試驗效率。

3）干擾技術等效：包括技術體制、信號形式（調頻、調相、調幅、極化等）、干擾信號的種類及組合應用，要與實際作戰的干擾設備一致。

說明：模擬設備的干擾技術參數，在信號級必須與電子對抗裝備相同，其精度要滿足干擾技術逼真性要求。

4）干擾強度等效：以被試設備為模擬視點，其接收天線處的｛s，m｝要與實際作戰過程相同。如圖2所示。

圖2 干擾強度等效模擬

說明：在模擬距離縮比的情況下，按干擾方程確定所需的干擾等效輻射功率。干擾發射機功率、天線增益（尺寸）、干擾參數、干擾場景布設范圍等參數，在相同的干擾強度下可以有不同的組合，可以進行優化分配。

上述的四個等效原則，為尋找多、快、好、省的試驗方法和方案提供了可能性，也為多種試驗方法相互驗證和相互補充提供了可能性。

1.2 逼真度

復雜電磁環境是敵對雙方電子對抗裝備密集部署和激烈對抗的產物，其核心是電子對抗裝備技術性能及其作戰應用，其難點是電子對抗的干擾戰術應用。需要處理兩個問題，一是電子對抗裝備的技術性能，包括實裝設備、模擬設備或數字模型等；二是裝備的作戰應用，也即干擾技術的實際使用。對此，分別提出干擾技術逼真度和干擾戰術逼真度指標來進行定量描述。

1）干擾技術逼真度：是指等效模擬典型電子對抗裝備主要干擾技術性能的近似程度。

為模擬防御方電子對抗裝備的技術性能，常用的方法是利用各種電子戰模擬器進行模擬。按照文獻［6］提出的評價逼真度要求的標準，即“模擬中不包括操作員感知不到的東西”，如果電子對抗裝備上某些功能或者技術指標與關心的問題無關，模擬中就可以不做考慮。電子戰模擬器要能模擬防御方電子對抗裝備在實戰中需要的各種功能及技術指標，同時要模擬其各類技術指標的精度，這兩個方面是考核其干擾技術逼真度的主要內容。圖3為干擾技術逼真度的測試框圖，以參試電子對抗裝備為參照，通過一一對比各主要功能，并對各技術性能指標項的誤差進行統計處理，可以得到電子戰模擬器在模擬該型電子對抗裝備的逼近程度。

圖3 干擾技術逼真度測試

可以直接用防御方實裝設備，也可以用數字模擬，主要是模型及其數據的精度要滿足逼真度要求。

2）干擾戰術逼真度：是指等效模擬電子對抗裝備在作戰過程中使用的典型干擾戰術的近似程度。

干擾戰術是對抗雙方相互博弈的一個動態過程，需要綜合考慮對抗雙方的情況。為了表示干擾戰術的整個過程情況，往往把一個作戰過程細分成若干階段，每一個階段中，時間和空間在變化，干擾技術（樣式）保持不變。也就是說，干擾戰術是作戰過程中不斷選擇不同干擾技術的過程，可以把作戰過程分解為干擾技術與時間和空間的一系列組合。因此，干擾戰術逼真度主要指模擬作戰過程中干擾技術及相關數據的逼真度。表1用于測試干擾戰術逼真度，對于一個想定的干擾戰術，用干擾方程和雷達方程（或者一些電磁環境仿真軟件），從原理上給出干擾戰術各階段在被試設備天線口面處的｛s，m｝作為參照，再用電子戰模擬器進行模擬產生，對二者的誤差進行統計分析，可以得到干擾戰術的逼真度數據。

表1 干擾戰術逼真度測試

在逼真度的模擬中，模擬的費用隨著逼真度以指數函數增長，但一旦達到被試設備的感知門限，逼真度的作用價值就不再增加。因此，只要保證模擬信號的精度滿足被試設備的探測要求即可。

1.3 試驗用例與測試用例

對環境的適應性，關鍵是極端條件的適應性。為全面反映被試設備的環境適應性，一般還要增加典型工作條件的考核。把典型工作條件及極端工作條件的集合稱之為試驗用例。

武器裝備的干擾環境由一組典型干擾場景及其對應的若干種干擾戰術組成，對于每一種干擾戰術，用一組干擾戰術的三要素來定量描述，可以找出這些三要素中電磁環境指標變化過程的邊界（極限）值，作為該干擾戰術的試驗用例。把每一種干擾戰術的試驗用例再進行綜合，再次找極限值得到試驗用例，就可作為該裝備復雜電磁環境的試驗用例。

因此，被試設備的試驗用例主要過程為：

1）定量化的干擾戰術｛t1，w1，（s1，m1）｝，｛t2，w2，（s2，m2）｝，…

2）按照“最不利原則”找出作戰階段中電磁環境的邊界值：｛s1，m1｝，｛s2，m2｝，…

3）把每一種干擾戰術的邊界值都包括進來，再找極限值，得到一個集合：｛si，mi｝，i＝1，…，n，可作為該型武器裝備復雜電磁環境的試驗用例。

作為一個完整的試驗用例，還需要考慮典型試驗條件的適應性。

復雜電磁環境的試驗用例可以理解為電磁環境的強度指標，類似于EMC測試中的RS103（電場輻射敏感度），注意這里只關心被試設備工作頻帶內的信號。

試驗用例解決了干擾強度問題，對于同樣強度下的各種干擾技術可能的組合應用，還要設計一組測試用例來考核。干擾技術的組合應用是一個人為選擇的問題，同樣的干擾場景、同樣的干擾設備，在作戰試驗過程中如何選用干擾技術，不同專業知識背景和操作使用經驗的人會做出不同的選擇。為此，給出測試用例的設計原則：

1）測試用例的代表性：測試用例需要分析設計，以滿足測試覆蓋性要求（不同干擾場景、不同干擾戰術、不同干擾技術）。

2）測試結果的可判定性：測試執行結果的正確性是可判定的，每一個測試用例都應有相應的期望結果。

3）測試結果的可再現性：同樣的被試設備狀態用同樣的測試用例，試驗結果應當是相同的。

1.4 靜態模擬與動態模擬

為滿足試驗用例的測試要求，需要模擬產生規定要求的電磁環境。一般情況下，這種電磁環境的強度要求較高，產生后保持不變，供被試設備作為測試的輸入，既可以空饋，也可以線饋。因為電磁環境產生后維持不變，所以稱之為靜態模擬，相應的試驗也稱之為靜態試驗。

測試用例也需要考慮不同干擾技術及其組合應用情況，既有幾種干擾技術的同時組合，也有分時組合，一般情況下其干擾強度選擇適中即可。這里需要的電磁環境是一種按照要求不斷變化的電磁環境，可以稱之為動態模擬，相應的試驗稱之為動態試驗。

電子對抗的效果同時取決于干擾的技術和戰術，需要分別開展技術性能和戰術性能的考核。技術性能考核一般采用靜態試驗，重點考核各單項性能。戰術性能考核一般采用動態試驗，重點考核對各種不同情況的適應能力。

2 復雜電磁環境的逼真構建方法

復雜電磁環境分成背景電磁環境和威脅電磁環境兩部分，背景電磁環境主要是一些背景輻射信號和各種雜波信號，已有比較成熟的理論和方法。本文重點討論威脅電磁環境的逼真構建問題。

2.1 電子對抗裝備逼真模擬方法

實戰中電子對抗裝備是產生復雜電磁環境的源頭，復雜電磁環境的復雜程度主要取決于電子對抗裝備的性能及其戰術應用。從構建復雜電磁環境的角度來說，基于等效的概念，可以用不同的替代設備來實現。

2.1.1 實裝設備

選擇與敵方裝備在功能和性能的主要技術指標相近的己方設備，盡量模擬實戰中敵方設備的作用。這是目前模擬中最逼真的近似于實戰的環境構建方法，在一些軍演的紅藍對抗中經常采用。由于實戰中對抗裝備的數量及品種較多，以及各國裝備的技術水平差距較大，要藍軍完全達到實戰環境，也存在不少困難。

2.1.2 模擬設備

與實裝相比，電子戰模擬器具有技術先進、多功能等顯著特點，可以等效模擬出絕大多數實裝設備的功能和性能，用模擬器構建復雜電磁環境是目前國內外在構建電子靶場中經常采用的方法。下面就幾類典型裝備的模擬替代方案進行分析說明。

1）有源干擾裝備的模擬問題：這類裝備一般都具有多功能、技術先進、裝備數量大等特點，是電子戰裝備中最主要的部分。在模擬這類裝備方面，主要在技術體制、信號形式、干擾技術、干擾戰術等方面達到逼真性要求，在輸出功率方面可以做縮比處理。

2）無源干擾裝備的模擬問題：傳統的無源干擾裝備主要有箔條彈、角反射器、煙幕彈、曳光彈等，這些干擾裝備的特點是干擾參數固定不變，干擾使用方式相對簡單，設備一次性使用、單價較低。在構建逼真威脅環境時，用模擬設備替代，費效比不占優勢，可以直接用這些裝備。

2.1.3 數學模型

根據等效性原則，數學模型既可以在物理域上模擬產生，也可以在數字域上虛擬產生。只是目前大多數數學模型的精度或準確性尚不夠，完全在數字域上產生還有困難。

2.2 目標特性的逼真模擬方法

如果有真實目標，將是最理想的狀態。否則，需要用各類模擬器模擬產生雷達、紅外、形狀、運動等特性與被試設備傳感器有關的信息。這里也存在一個模擬逼真度的問題，可以參照2.1節的三種方法模擬產生。

2.3 被試設備

一般來說，復雜電磁環境的構建都是圍繞被試設備的試驗需求進行的，因此被試設備不再由模擬器替代。但也有一些特殊情況，比如在驗證一種新技術或新方案時，沒有可用的被試設備，只能用一些與研究問題相關的類似設備做被試品，這個被試品可看作是被試設備的模擬器。

2.4 背景電磁信號模擬方法

一個實際的作戰環境，大量的用頻裝備密集部署，與被試設備工作頻率相同或相近的其它一些用頻裝備，盡管只是完成其自己的特定任務，不是用于攻擊被試設備，但是由于頻率相近，從電磁兼容的角度來看，也會有一定的影響。為了反映這種影響，需要用模擬器設置一些背景信號。因為這類裝備與被試設備不存在對抗問題，所以重點是模擬信號要達到與實裝設備信號的技術逼真度要求，其模擬方法及評價標準與電子對抗裝備相同，不再贅述。

如果是在內場或者數字模擬，則還需要考慮雜波模擬問題。目前的主流方法有：基于雜波數學模型的模擬方法；采用被試設備外場實錄雜波數據的模擬方法。在使用數學模型時，模擬逼真度還不理想，高逼真模擬以實錄數據更好。

2.5 復雜電磁環境逼真構建方法

將上面的幾種方法結合起來，形成幾種典型的構建方法如下：

1）實裝設備＋模擬設備。這是目前大型外場試驗和軍演的常用方法，可以適應大規模、高逼真場合，具備高費效比。

2）模擬設備＋數字模型。這種方法在新技術研究及方案論證中比較適合，把研究問題聚焦到一些需要解決的關鍵環節上，為技術攻關構建針對性的復雜電磁環境。這種方法在內場比較適用。

3）實裝設備＋模擬設備＋數字模型。例如，美軍的“千年挑戰2002”采用了實兵部隊與計算機作戰模擬相結合的方式，20%的戰斗由實兵部隊和各種實際的裝備設施在9個軍事基地進行，80%的戰斗則是使用多種作戰模擬系統，在18個模擬戰場上進行，試驗訓練使能架構（TENA）技術和產品得到了有效運用，將多個靶場的試驗和訓練資源有機集成在一起。

2.6 復雜電磁環境構建逼真性評價方法

按照威脅電磁環境的干擾場景“三要素”、背景電磁環境的電磁輻射信號與雜波信號等要求，本文構建了復雜電磁環境，該如何來評價所構建環境的逼真性？可從評價逼真性的角度再來看復雜電磁環境的“四個等效”原則：

在干擾場景等效方面，干擾場景用于表示實戰場景規模大小，在物理空間上，實際戰場一般都會比模擬場景大，但二者達到的用途應該相同?；蛘哒f，除了戰場物理空間不同，其它戰場組成要素基本一致。因此，評判二者的逼真性，只要在組成要素上做一個簡單的比較即可，比如，各類模擬器（電子對抗裝備、攻擊目標、背景輻射源）的數量、種類及部署的相對位置等等與實際戰場一致。

在干擾強度等效方面，建立了以被試設備感受到的干擾強度等效研究方法，為采用更高效、更廉價、更可操作的模擬實現提供了理論基礎。因此，干擾強度等效是復雜電磁環境構建的一種優化方法。

在干擾技術等效方面，各類模擬設備或實裝替代設備的技術性能與實戰裝備一一比較，滿足干擾技術逼真度要求?，F代戰場一般都是體系作戰，戰場上出現的裝備在種類和數量上非常龐大，以被試設備為參考，與其有影響的裝備要一一分析對比，包括產生背景電磁信號的各類裝備。在評價模擬設備與實戰裝備的技術逼真度時，各類背景信號模擬設備與電子戰模擬設備一并考慮。

在干擾戰術等效方面，各個階段的干擾戰術使用方式及其產生的干擾強度與實戰狀態一一對比，滿足干擾戰術逼真度要求。

復雜電磁環境中，只有電子對抗存在干擾戰術逼真度問題，這是電子戰特有的問題，也是復雜電磁環境中最復雜的部分。所以，從評價構建環境與實戰環境逼真性的要求來看，定性指標主要體現在干擾場景等效和干擾強度等效，定量指標主要體現在干擾技術逼真度和干擾戰術逼真度。把技術和戰術的逼真度指標描述清楚，再加上干擾場景上的一致性要求，就可以定量評價出所構建環境與實戰環境的逼近程度。

3 復雜電磁環境的實現方式

3.1 五種等效試驗方案

以實物、半實物、數字三種模擬技術為基礎，有常用的五種等效試驗方案，可以相互驗證。

1）數字仿真試驗：在內場條件下，針對被試設備、攻擊目標、電子對抗設備、背景環境等，建立數學模型，形成虛擬對抗條件。優點是可利用外場試驗數據進行模型修正或把外場試驗數據作為實物模型進行應用，使用靈活方便，試驗消耗低；缺點是建模難度大，置信度受到限制。

2）半實物仿真試驗：在暗室條件下，被試設備以轉臺形式模擬其運動過程，攻擊目標以天線陣列形式模擬，天線陣列上同時還模擬各種干擾及環境信號。優點是避免了建模置信度難題，試驗結果可信度較高，試驗消耗低，重復性好；缺點是作戰過程的模擬細節以及雜波模擬的逼真性不如外場真實試驗環境。

3）地面靜態試驗：在外場地面條件下，被試設備以角轉臺為平臺，采用實裝或模擬實裝方法形成目標與干擾環境，在關鍵對抗點上進行試驗。優點是為被試設備提供較好的角運動環境，試驗消耗較低，重復性好，外場背景環境比較逼真；缺點是只能對被試設備的部分指標進行試驗驗證，試驗環境的逼真度依賴于試驗環境設計。

4）掛飛試驗：被試設備以飛機或其他飛行器為運動平臺，采用實裝或模擬實裝方法形成目標與干擾環境。優點是為被試設備提供了較為真實的環境；缺點是試驗消耗較大，只能對被試設備的主要戰術指標進行試驗驗證，逼真度還依賴于平臺特性及試驗環境設計。

5）飛行試驗：被試設備參加全尺度試驗測試，采用模擬實裝方法形成目標與干擾環境。優點是為被試設備提供真實的作戰環境，可直接得到被試設備的最終指標（比如導彈命中精度）；缺點是形成的目標與干擾環境較為單一，試驗消耗巨大，試驗樣本少，保密及安全性較差。

3.2 試驗方案選取原則

上面的五種等效試驗方案，各有優點和不足，如何合理選擇？一般按照“內場測試、外場驗證、綜合試驗”的選取原則執行。

對于裝備的一系列抗干擾功能和指標要求，在內場做全面測試，選擇其中一部分到外場更加逼真的環境中做驗證性試驗，以確認大量內場試驗的有效性。戰術背景下的綜合試驗是最終的全系統實戰條件下的試驗，考核各種影響因素的綜合效應，包括電子對抗的影響。

靜態試驗主要針對干擾強度試驗，動態試驗主要針對干擾戰術試驗，按照先簡單后復雜的原則開展試驗，即“先靜態、后動態；先單項、后系統；先地面、后飛行”，可以提高試驗效率。

4 結束語

本文在等效概念的基礎上提出了逼真度的定量描述指標，為評估構建復雜電磁環境的逼真性提供了量化數據。同時，考慮到被試設備的種類和用途不同，其面臨的復雜電磁環境也各具特色，針對這一特點，本文還探討了幾種復雜電磁環境逼真構建方法及其優化選擇方案。■

［1］ 崔積豐，田益明，韓偉.電子裝備試驗電磁環境構建方法［J］.電子信息對抗技術，2012，27（1）：60－64.

［2］ 焦淑瑜，張建軍.復雜電磁環境下火控雷達試驗方法研究［J］.火控雷達技術，2012，41（1）：72－75.

［3］ 戎建剛，王鑫，張衡，等.復雜電磁環境的指標體系［J］.航天電子對抗，2013，29（3）：54－57.

［4］ 戎建剛，黃和國，王鑫，等.威脅電磁環境的定量描述方法［J］.航天電子對抗，2013，29（4）：18－21.

［5］ 戎建剛，王鑫，魏建寧.威脅電磁環境的分級方法［J］.航天電子對抗，2013，29（6）：33－36.

［6］ Adamy DL.電子戰建模與仿真導論［M］.吳漢平，等譯.北京：電子工業出版社，2004.