基于反艦導彈作戰試驗背景的戰場電磁環境構建

衛 鑫，姜 寧，劉星璇

(1.中國人民解放軍91550部隊，遼寧 大連 116023；2.海軍大連艦艇學院學員五大隊，遼寧 大連 116018；3.海軍大連艦艇學院信息系統系，遼寧 大連 116018 )

0 引言

武器裝備試驗鑒定分為性能試驗、作戰試驗和在役考核三個階段，作戰試驗鑒定作為承接研制定型和列裝部隊的關鍵環節，通過著力構建逼真戰場環境，確保被試裝備在近似實戰條件下進行深度試驗鑒定[1]，對裝備作戰效能、保障效能和部隊適用性開展研究。由于海戰場電磁環境的多變性和復雜性、對抗雙方兵力行動的隨機性和不可預測性，至今尚未形成通用的戰場電磁環境構建的準則和方法[2]。

1 導彈面臨的戰場電磁環境分析

1.1 反艦導彈面臨的戰場電磁環境

反艦導彈面臨的戰場電磁環境，是指在一定的時域、空域、頻域、能域上，對反艦導彈作戰運用產生重要影響的各種電磁信號構成的戰場環境[3]。具體來講，在特定海戰場時空范圍內，各種類型電磁輻射源、電磁波傳播介質、電磁波接收設備和電磁波敏感設備，通過電磁波的輻射、傳導和接收，形成的相互作用和影響反艦導彈攻防對抗的特殊戰場環境。

1.2 反艦導彈面臨的戰場電磁環境特點

1) 電磁信號密度高、頻域寬，密集復雜

隨著信息技術的不斷發展，現代信息化海戰交戰雙方將投入越來越多種類繁多、體制復雜的信息化裝備。紅外對抗、電視對抗和激光對抗，波長從1 mm～0.005 μm；雷達對抗、通信對抗、導航對抗、制導對抗、敵我識別對抗、遙控遙測對抗等，波長從米波、厘米波到毫米波。電磁信號涉及整個電磁頻譜[4]，海戰場電磁環境異常復雜。

2) 電磁信號類型廣、平臺多，動態多變

在激烈的海戰場電子對抗中，為奪取制信息權，遠距離支援干擾飛機、反輻射導彈攻擊飛機、定向能武器、電子對抗無人機和地面、海面的電子干擾站等多種平臺，綜合運用多種對抗手段，交戰雙方的電磁輻射活動時而對抗凸顯、時而相對平靜，導致反艦導彈面臨的戰場電磁環境動態多變。

3) 電子對抗手段全、時間長，對抗激烈

現代化海戰中，作戰雙方圍繞戰場電磁信號的偵察與反偵察、干擾與反干擾、控制與反控制的較量，貫穿海上作戰的全過程、全流程和全時空。隱身、偽裝、欺騙、隱蔽、保密及佯動等各種電子對抗手段層出不窮、推陳出新，偵察與干擾結合、有源干擾與無源干擾結合、壓制性干擾與欺騙干擾結合等戰術戰法不斷完善，反艦導彈面臨的電子對抗態勢異常復雜激烈。

4) 軟硬殺傷攻防兼備，威脅巨大

隨著反輻射武器、定向能武器以及隱身技術的出現，電子對抗的概念也在不斷擴大。融入了“硬殺傷”和隱身技術的電子對抗發展成了當今的“電子戰”概念。基于“軟殺傷”和“硬殺傷”相結合的電子戰，集電子偵察、電子防衛和電子進攻等功能于一身[5]，軟硬結合、攻防兼備，使整個軍事系統的作戰效能產生倍增效果。

1.3 戰場電磁環境構建方法

戰場電磁環境構建，從大的方面可以分為兩類，即：實物構建方法和模擬構建方法。實物構建法是采用現役電磁輻射裝備或專用裝備構造效果逼真的戰場電磁環境。模擬構建法是采用計算機模擬與仿真技術來模擬戰場環境、設備以及戰斗過程。具體可以細分為利用現役裝備實兵構建、利用專用模擬裝備構建、利用半實物仿真模擬構建、利用全數字仿真模型構建。

各種戰場環境的構建方法都有其不同的用途和優缺點，具體分析見表1[6]。針對單一類型導彈的作戰試驗設計，可以在實驗室采用建立全數字仿真模型的方法進行構建。得到實驗室仿真結果后，采取專用裝備模擬構建的方法，進行試驗驗證。

表1 海戰場電磁環境構建方法對比

2 基于高層體系結構(HLA)的戰場電磁環境建模

2.1 HLA模型

隨著仿真技術的發展，分布交互式仿真逐漸成為仿真領域的前沿和熱點，尤其在軍事領域的應用價值，已引起各國的高度關注。經過SIMNET、DIS、ALSP等階段，分布式仿真目前應用最廣泛的是以高層體系結構(HLA)為核心的共同技術框架模型。

建模與仿真技術框架主要包括三方面的內容：高層體系結構(HLA)、任務空間概念模型(CMMS)和數據標準(DS)。其主要目的是實現仿真構件的互操作性，提高仿真資源的重復利用率。HLA的核心思想就是采用面向對象的方法，設計、開發及實現系統不同層次的對象模型[7]，來獲得仿真部件和仿真系統高層次上的互操作性和可重用性。

2.2 反艦導彈雷達導引頭模型

反艦導彈作戰使用過程中，將面臨雷達對抗、光電對抗、通信對抗、制導對抗等多種類型的復雜戰場對抗環境，針對某反艦導彈作戰試驗鑒定需求，本文僅以雷達對抗為例進行戰場環境構建的仿真與分析，對影響其導引頭抗干擾性能及作戰效能的核心部件進行建模，同時構建反艦導彈的運動模型及其制導規律模型。

1) 雷達導引頭輻射方向圖RP模型

主動雷達導引頭輻射方向圖、增益、波瓣寬度是表征雷達導引頭天線性能的主要參數。通常采用辛可函數來近似雷達導引頭輻射方向圖，形狀參數β取為14，其近似公式[8]可表達為：

y=Gr+80lg(|sin(βπx/180)/(βπx/180)|)

式中，x表示目標方向與天線軸線的夾角，y為天線在目標方向上的增益，Gr為天線主軸方向上的增益。

2) 海雜波模型

在反艦導彈的作戰使用過程中，雷達導引頭受海面雜波干擾的影響很大，是反艦導彈對抗模型構建中必須考慮的因素。海雜波作為雷達雜波中最為復雜的一種形式，受諸多因素的影響，本文構建了較為簡化的海雜波功率模型。

Pc=PtGtGrλ2σ0cτθLrIc/(2(4π)3R3)

式中，Pt表示雷達發射機功率，Gt為天線在目標方向上的發射增益，Gr天線在目標方向上的接收增益，λ為雷達波長，σ0為海面歸一化反射系數，τ為雷達發射脈沖寬度，θ為天線的3dB波束寬度，Lr為雷達綜合損耗，Ic為雷達信號處理增益，R為海面到雷達的距離。

3) 接收機噪聲模型

式中，k為波爾茲曼常數，BR為雷達瞬時帶寬，NF為接收機的噪聲系數。接收機噪聲的瞬時功率Pn表示為：

式中，xi，yi均為服從(0,1)均勻分布的隨機數。

2.3 戰場電磁環境PDW模型

對戰場復雜電磁環境的仿真，采用功能仿真的方法來描述。利用脈沖描述字(PDW)對輻射源主要特征進行描述，主要包括脈沖載頻、寬度、幅度、脈沖到達時間、脈沖到達角等。建立以下數學模型。

2.3.1雷達輻射源模型

1) 脈沖載頻模型

單載頻雷達：單載頻雷達的輻射信號頻率固定。其脈沖載頻(RF)數學模型為：

RF=RF0+δRF∏ (-1,1)

式中，RF0表示輻射源固定頻率，δRF表示載頻隨機抖動量，∏ (-1,1)表示區間(-1,1)均勻分布的獨立隨機數。

頻率捷變雷達發射的相鄰脈沖的載頻在一定頻帶內隨機快速改變的脈沖雷達，每個時間周期內有N個頻率值，各自的中心頻率為RFj，變頻范圍為ΔRFj，在每個頻率值上發射nj個工作脈沖。其脈沖載頻(RF)數學模型為：

RF=RFj(k)+ΔRFj(k)∏ (-1,1)+δRF∏ (-1,1)

2)脈寬模型

固定脈寬雷達只發射單一脈寬的脈沖信號，其脈寬(PW)數學模型為：

PW=PW0+δPW∏ (-1,1)

式中，PW0為固定脈寬，δPW為脈寬隨機抖動量。

脈寬參差雷達脈寬(PW)數學模型為：

PW=PWj(k)+ΔPWj(k)∏ (-1,1)+δPW∏ (-1,1)

式中，PWj為脈寬中心值，ΔPWj為脈寬變化范圍，N為脈寬值。

3)脈沖到達角模型

脈沖到達角，是雷達發射的電磁波到達接收設備處的方向，也就是該脈沖發射時刻輻射源平臺相對被動雷達平臺的方向。

雷達發射第n個脈沖的時間為t，則該脈沖到達雷達的到達角DOA為：

式中，[xv,yv,zv]為輻射源平臺在被雷達直角坐標系的坐標值，R為輻射源與雷達之間的距離，α為方位到達角，β為俯仰到達角。

2.3.2雷達干擾設備模型

雷達干擾機發射信號的中心頻率，取決于電子偵察設備發出的指令，雷達干擾機載頻模型由電子干擾策略確定。電子干擾策略和手段不同，干擾機頻率變化模型也隨之改變。

1)壓制式噪聲干擾數學模型表示為：

RF=RF0+δRF∏ (-1,1)

式中，RF0為中心固定頻率，δRF為載頻隨機抖動值。

2)掃頻式噪聲干擾數學模型表示為：

RF=RF0+kt,t∈[0,T]

式中，RF0為干擾機頻率下限值，k為掃頻斜率，t為當前時刻除以周期的余數，T為信號變化周期。

3)隨機噪聲干擾數學模型表示為：

RF=RF0+ΔRF∏ (-1,1)+δRF∏ (-1,1)

式中，RF0為中心固定頻率，ΔRF為頻率變化區間。

4)欺騙式干擾數學模型表示為：

式中，RF0為干擾頻率RF的中心值，ΔPRI為干擾機RF變化范圍，L為剩余的脈沖數。

3 反艦導彈面臨的雷達對抗環境仿真設計與實現

基于導彈作戰試驗背景的戰場電磁環境仿真系統由作戰想定分系統、態勢顯示分系統、電磁環境分系統、進程控制分系統組成。整個系統基于HLA構成一個聯邦，各分系統以聯邦成員的身份加入聯邦，各成員之間的數據交互通過運行支撐環境(RTI)來完成。戰場電磁環境仿真系統組成如圖1所示。系統仿真流程如圖2所示。

主要分系統功能設計為：

1) 作戰想定分系統

讀取基礎數據庫中的海圖、輻射源、目標特征、導彈、艦船航跡等數據，根據反艦導彈作戰試驗大綱要求，確定試驗想定方案，以作戰試驗海域為背景，構建己情、敵情和戰場態勢，部署敵、己艦船發射平臺及武器裝備，設計試驗流程，并生成戰情文件，提供各分系統。

圖2 戰場電磁環境仿真系統軟件運行流程圖

圖1 戰場電磁環境仿真系統構成

2) 進程控制分系統

進行仿真進程的控制，各分系統仿真模塊的管理，仿真數據的記錄與存儲，支持仿真過程的導調、修改、回放等操作管理。

3) 態勢顯示分系統

根據戰情文件及作戰試驗仿真需求，綜合顯示反艦導彈作戰試驗戰場二維態勢。具體顯示內容包括：敵己態勢、敵己艦船平臺位置及航跡信息、裝載武器裝備、待打擊艦艇平臺攜帶輻射源及電子戰設備的工作狀態信息、導彈航跡信息等內容。

4) 電磁環境分系統

根據戰情文件，綜合分析艦艇目標運動航跡、導彈飛行航跡及參數、雷達及輻射源天線掃描方式及方向圖，計算所有目標的運動特性和電磁輻射特性參數，完成坐標轉換、運動目標、PDW模型生成等工作。

4 結束語

高技術條件下的現代戰爭，電子對抗日趨激烈，戰場電磁環境異常復雜，反艦導彈面臨的復雜戰場環境對反艦導彈的作戰運用會產生嚴重的影響。針對反艦導彈作戰試驗需求，通過構建反艦導彈、戰場電磁環境PDW數學模型，研究和探討基于HLA的虛擬戰場電磁環境仿真系統的設計開發關鍵技術，初步實現了軟件的開發應用。根據設計的導彈作戰試驗想定情景和試驗流程，進行了簡單的系統仿真運算，為導彈作戰試驗鑒定提供了仿真依據。■