體系環境下的雷達導引頭仿真測試環境

任 曄, 車萬方, 曹秀云

(1.中國航天系統科學與工程研究院,北京 100036;2.空軍裝備研究院,北京 100085)

雷達導引頭研發過程中,較高的技戰術指標和復雜的工藝使得研發成本高昂且易出現設計缺陷。為降低開發風險,在雷達導引頭研制階段,通過建模與仿真來分析、評估、驗證系統設計性能,已成為縮短研發周期、減少研發成本的有效手段[1-2]。

雷達導引頭回波信號模擬是面向雷達導引頭的全數字/半實物仿真測試環境的關鍵技術之一。能否有效模擬雷達導引頭在作戰過程中接收到的回波信號,將直接影響仿真測試環境的可信度。在體系對抗環境中測試、驗證武器裝備性能的發展趨勢下[3],傳統的雷達導引頭回波信號模擬技術也逐漸暴露出以下不足之處:

(1)現有手段模擬的雷達導引頭回波信號是對導彈飛行過程中接收到的回波信號的某些靜態片段的復現,未實現對雷達導引頭在全作戰流程中所接收到的回波信號的動態模擬。

(2)現有手段模擬的雷達導引頭回波信號主要用于雷達導引頭特定的技戰術指標測試,對雷達導引頭的作戰效能并不能進行有效評估。

(3)現有雷達導引頭回波信號模擬中的仿真場景、仿真過程都是人為設定的,缺乏客觀性,因此仿真測試的結果具有人為主觀性。

在此背景下,本文基于柔性分析建模與訓練系統(FLAMES)和高層體系結構(HLA)仿真框架搭建面向雷達導引頭的工程級與交戰級/任務級聯合仿真測試環境,對如何逼真地模擬雷達導引頭在體系對抗過程中接收到的動態回波信號這一技術難點進行深入研究。

1 FLAMES概述

FLAMES由仿真引擎(Fire)、想定編輯(Forge)、監控演示(Flash)以及結果分析(Flare)等4個部分組成。FLAMES仿真平臺基本結構如圖1所示。

圖1 FLAMES仿真平臺基本結構Fig.1 Basic structure of FLAMES simulation platform

“想定編輯”用于編輯作戰想定,并將作戰想定數據保存到數據庫中;“仿真引擎”從數據庫中讀取作戰想定數據來進行實時解算,然后生成仿真結果并記錄下來;“監控演示”能夠將仿真系統中敵我雙方的作戰過程通過動畫實時動態顯示出來,可以回放;“結果分析”能夠讀取仿真中的各種文件,并將這些文件轉換成數據表,然后利用結構化查詢語言(SQL)或其他語言進行查詢、分析,最后以表格和圖形的方式輸出。

1.1 FLAMES模型體系

FLAMES模型包含以下三大類:實體模型、環境模型和輔助模型。實體模型是較為抽象的概念,它不具有任何功能,只有加載裝備模型組件或決策模型組件后,才具有移動、偵查、通信、決策等作戰功能。裝備模型組件分為通信裝備、數據處理、電子干擾裝備、武器系統、子系統、傳感器、平臺、彈藥等8類模型組件。決策模型組件建模方式與作戰人員的指揮決策過程吻合,便于理解和知識獲取,可實現靈活的、強大的、用戶自定義的決策行為的模擬仿真,是FLAMES中模擬人類行為的基礎。

環境模型用于描述體系作戰中的空域、大氣、地形等環境信息,包括消息模型、特征模型、效果模型、大氣模型、空域模型、地形模型等。

輔助模型是掛載方案、目標特性、編隊特性和服務等模型的統稱,這一部分不屬于體系作戰的必備模型,可以通過其他方式簡化或其他模型代替。FLAMES模型體系架構如圖2所示。

圖2 FLAMES模型體系架構Fig.2 Architecture of FLAMES model

通過對決策模型和消息模型的靈活應用,FALMES可以較為逼真地體現出作戰實體的性能指標、編制部署、作戰戰術等屬性和行為,有利于構建大規模的交戰級/任務級仿真測試環境。

1.2 FLAMES拓展功能

在FLAMES的4個基本組成的基礎上,為了提高仿真平臺的靈活性和可拓展性,賦予FLAMES 13個拓展功能選項,如圖3所示。

圖3 FLAMES基本組成Fig.3 Basic composition of FLAMES

圖3中,高層體系結構選項(FHLA)使FLAMES仿真平臺支持加入HLA,并基于各種運行支撐環境(RTI)進行互聯[4]。FLAMES HLA選項中的類與RTI類之間的關系如圖4所示。圖4中SOM為仿真對象模型,FRPR為FHLA中負責仿真運行控制的模塊[5-6]。

FLAMES仿真平臺中,用來與HLA中其他聯邦成員交互的類包括:FLAMES FHLA Object Ambassador、FLAMES FHLA Interaction Ambassador、FLAMES FHLA SOM Manager。這3個類繼承RTI的2個大使類和1個管理類。Federate Ambassador和RTI Ambassador類中都包含有Object和Interaction類。圖4表示了RTI中的類與FLAMES HLA中的類選項之間的關系。

從圖4可以看出,當FLAMES作為一個聯邦成員時,聯邦成員對象實體類都要依據Fphysical Entity Ambassador大使類進行創建,并且對象實體類屬性的公布、訂購和更新需使用相應的函數。FLAMES仿真平臺內的實體與其他聯邦成員信息交互時,FLAMES FHLA Object Ambassador通過相應的函數公布該實體的信息。通過FLAMES FHLA Interaction Ambassador接收和發送仿真實體與其他聯邦成員之間的交互信息,實現FLAMES中實體與其他聯邦成員通過RTI實時交互的功能。

圖4 RTI 和 FLAMES 中類的關系Fig.4 Relationship between RTI classes and FLAMES classes

FLAMES中的HLA選項,極大地拓展了FLAMES仿真平臺的功能和仿真靈活性,為實現工程級和交戰級/任務級聯合建模與仿真奠定了基礎。

2 仿真測試環境體系結構設計

面向雷達導引頭的仿真測試環境,要求能逼真地模擬雷達導引頭在作戰過程中接收到的回波信號,完整地復現雷達導引頭從信號發射至接收到回波信號這一全過程。

相對于地面雷達,雷達導引頭位于機動性很強的導彈上,雷達導引頭天線的指向隨導彈的飛行不斷變化,導致目標在雷達導引頭天線坐標系內的方位信息與當前時刻導彈的姿態和運動狀態耦合。因此,體系背景下的雷達導引頭仿真測試環境是工程級和交戰級/任務級的聯合仿真。仿真測試環境體系結構如圖5所示。

仿真測試環境可分為以下兩部分:體系仿真部分和電磁計算部分。體系仿真部分對導彈武器的作戰流程、作戰環境以及體系對抗過程進行有效仿真模擬,并為電磁計算部分提供足夠的數據;電磁計算部分主要將體系仿真部分中產生的數據,通過實時電磁計算(電波傳播計算、電磁遮擋計算、地海雜波計算等)生成回波信號,以不同的方式注入到雷達導引頭中,用于性能的測試與驗證。

2.1 體系仿真部分設計

基于HLA,將FLAMES仿真平臺作為一個聯邦成員,建立工程級與交戰級/任務級聯合仿真環境。

FLAMES仿真分系統用于模擬武器裝備體系對抗過程。基于FLAMES仿真平臺完成整個大系統的作戰想定設置,然后將作戰想定中的相關數據通過RTI傳遞給其他仿真分系統。在FLAMES仿真平臺中,建立導彈代理模型、干擾代理模型。代理模型不進行具體的解算,其仿真數據均由HLA中對應的仿真分系統通過RTI提供。代理模型通過FLAMES仿真平臺中的認知模型和消息模型與其他實體進行交互。在仿真中如爆炸或擊毀一個目標,在FLAMES仿真平臺中應及時銷毀相應的代理模型。

導彈仿真分系統與FLAMES仿真平臺中的導彈代理模型進行交互,用于模擬導彈在攔截/追擊目標過程中導彈飛行姿態和彈道的變化。實際作戰中,雷達導引頭位于導彈的頭部,隨著導彈的飛行,雷達導引頭天線的指向隨彈體的運動不斷變化,其測量坐標系也隨著彈體的運動和姿態不斷變化。因此,不能將導彈看作一個質點,而是要視為一個既平動又滾動的剛體。此外,為提高仿真逼真度,在導彈仿真分系統內,要對雷達導引頭內部信號處理流程進行信號級建模與仿真。也就是說,雷達導引頭需通過信號處理才能實現對目標和環境的感知。

干擾仿真分系統與FLAMES仿真平臺中的干擾代理模型交互,對作戰中常見的干擾樣式進行仿真模擬,如箔條干擾、欺騙式干擾、壓制式干擾等。

2.2 電磁計算部分設計

電磁計算部分利用體系仿真中的相關數據進行目標回波信號、地海雜波信號、干擾信號的解算,以及這些信號在環境中傳播效應的計算,包括信號的損耗、折射、衍射、多路徑傳播等。電磁計算部分仿真流程如圖6所示。

圖6 電磁計算部分仿真流程Fig.6 Flow chart of electromagnetic calculation part simulation

經過電磁計算后,可生成體系對抗背景下雷達導引頭接收到的回波信號。一方面,回波信號可返回到工程級和交戰級/任務級聯合仿真環境中,用作雷達導引頭信號級模型的輸入;另一方面,回波信號可作為雷達導引頭半實物仿真測試環境的信號源,通過不同的方式注入到雷達導引頭實裝中,用于性能測試。

3 體系仿真部分模型設計

(1)導彈六自由度模型

導彈仿真分系統主要包括以下3個模塊:制導系統模塊、控制系統模塊、彈體模塊[7]。制導系統模塊包括雷達導引頭模型和導引律模型,其中雷達導引頭模型為信號級模型,用于探測、跟蹤目標并產生制導指令。控制系統模塊由自動駕駛儀和慣性測量模塊(IMU)組成,用于維持彈體的穩定并保持一定的姿態。彈體模塊用于導彈運動學和動力學的解算,是制導系統模塊和控制系統模塊仿真的基礎。相關模型較為成熟,在此不再贅述。

(2)目標模型

目標模型主要模擬以下2個方面的內容:目標的運動特性和散射特性[8]。在仿真中,一般將目標視為質點,不考慮目標的姿態信息,在FLAMES作戰想定中,可設定目標的飛行速度、飛行方向以及機動形式。目標散射特性的模擬,主要通過隨機過程模型來完成。目標雷達截面積(RCS)起伏模型主要包括Swerling I～IV起伏模型、Log-Normal起伏模型、χ2模型和Rice模型等。

(3)干擾裝備模型

雷達導引頭接收到的電子干擾信號為有源干擾和無源干擾。無源干擾主要以箔條干擾為主,關于箔條的運動模型和散射回波模型較為成熟。有源干擾分為壓制式干擾和欺騙式干擾。干擾源一般位于作戰平臺上,干擾信號的合成除與干擾裝備使用的信號調制類型有關外,還與作戰平臺之間的相對位置有關。由于篇幅限制,此處不再展開。

4 電磁計算部分模型設計

4.1 信號合成

(1)目標回波信號合成

一般地,雷達發射信號描述為

式中:ωck為載頻;Pt為發射天線峰值功率;Lt為發射天線綜合損耗;gvt(θ)為發射天線方向圖;v(t)為復調制函數。

在生成目標回波信號時,主要考慮多普勒頻移、目標延時、回波功率和電磁傳輸效應等因素,其中多普勒頻移、目標延時較為簡單,此處不再贅述。

目標回波信號功率模型為

式中:Gtn(φ,θ)為在目標(φ,θ)方向的雷達導引頭發射天線增益;Grn(φ,θ)為波束在目標(φ,θ)方向的雷達導引頭接收天線增益;λn為雷達工作波長;Ls為雷達導引頭發射接收綜合損耗;σ為目標的RCS;R為目標相對于雷達導引頭的距離。

在目標回波信號合成中,需要獲得目標在雷達導引頭天線坐標系內的方位信息,用于計算天線增益。FLAMES作戰想定中武器裝備的部署地點、技戰術指標以及任務規劃信息等都以不同坐標系下的數值錄入,如武器裝備的部署地點是地心坐標系下的經度、緯度以及海拔高度,雷達的最大探測距離、俯仰角都是在雷達坐標系下的數據。為了實現不同空間實體之間的互操作,FLAMES仿真引擎通常會將作戰想定中的數據統一轉換到地心坐標系下,再根據相關坐標轉換和模型進行仿真運算。在回波信號合成中涉及的坐標轉換關系如圖7所示。圖7中,?、ψ、γ為姿態角,θs、φs為框架角。

圖7 坐標系轉換關系Fig.7 Transformation relation of coordinate system

圖7中,所有坐標系都符合右手系,且從原點沿軸向看順時針為正。相關坐標系、角度的定義主要參考文獻[9]。地面慣性坐標系到雷達導引頭天線坐標系的轉換矩陣

M04=M14M01

式中:M14為彈體坐標系到雷達導引頭坐標系的轉換矩陣;M01為地面慣性坐標系到彈體坐標系的轉換矩陣。M01、M14的值分別為

通過上述轉換矩陣可求得目標在雷達導引頭坐標系內的方位信息,電磁計算部分可通過查詢天線模式數據文件或實時計算天線在目標方向上的增益。

(2)環境雜波合成

環境雜波從根本上和目標回波一樣,是雷達導引頭波束對不同目標的散射回波[10]。為簡化建模,采用統計學模型對環境雜波進行描述,包括Rayleigh分布、Log-Normal分布、Weibull分布和K分布等。生成服從一定分布的雜波序列的常用方法有零記憶非線性變換法(ZMNL)、球不變隨機過程法(SIRP)。目前,ZMNL的使用最為廣泛,生成的相參隨機序列流程如圖8所示。圖8中,W1、W2、W3為不相關的隨機序列,Xi、Xj為生成的服從一定分布的相關雜波序列。

4.2 電磁傳輸效應計算

電磁傳輸效應包括多路徑、衍射、大氣折射、大氣損耗等效應。在實際中,與地基雷達相比,雷達導引頭探測距離較近并隨著彈體在空中機動,多路徑模型、衍射模型和大氣折射模型對回波的影響較小,因此在此只考慮大氣對信號的吸收損耗、折射損耗。

圖8 ZMNL生成的相參隨機序列流程Fig.8 Flow chart of coherent random sequence generated by ZMNL

(1)大氣吸收損耗

大氣吸收損耗包括由氧氣、水蒸氣的吸收造成的雷達導引頭波束的能量損失。大氣吸收損耗效應建模分為3個步驟:一是根據一組特定的大氣屬性,如濕度、高度、溫度等,生成大氣吸收損耗數據庫;二是在仿真過程中,根據信號傳輸路徑高度和信號頻率,對大氣吸收損耗數據庫進行檢索,獲取高度和頻率值對應的每米損耗分貝(dB·m-1);三是在信號傳播路徑上對其所對應的每米損耗分貝進行積分,獲得信號傳輸過程中大氣吸收所產生的損耗。

(2)大氣折射損耗

大氣透鏡效應損耗是由大氣折射使電磁波能量發散產生的,計算式如下所示:

式中:R為傳輸距離,0≤R≤600 km;c3=-3.389 740 000 0×10-9,c2=3.794 745 760 0×10-6,c1=2.847 481 622 2×10-4,c0=2.847 481 622 2×10-4。

5 結語

體系對抗背景下,單件武器裝備的設計、研制與測試應充分考慮其在整個裝備體系中的角色和作用。本文針對雷達導引頭仿真測試的需求,設計了基于FLAMES和HLA的工程級和交戰級/任務級聯合仿真測試環境。對仿真測試環境的關鍵技術——雷達導引頭回波信號模擬相關的模型算法進行系統分析與設計,為體系背景下的雷達導引頭仿真測試環境的工程實現奠定了良好基礎,也為其他武器裝備仿真測試環境的建設提供參考。