基于Simulink的電子對抗分布式仿真系統研究

康祥熙，杜 增，張云濤，王 雷

(1.中國西南電子技術研究所，成都 610036；2.西安飛機工業集團有限責任公司，陜西 閻良 710089)

0 引言

Simulink是Matlab軟件重要組件，是交互式動態系統建模仿真和分析的圖形環境[1]，雖然Simulink是進行系統仿真開發的重要工具軟件，但是對于復雜的機載傳感器系統，僅依靠Simulink單一模型很難做到全系統基于場景的動態仿真，為此可以通過組建分布式仿真系統解決大規模復雜系統的仿真問題。

如今大規模系統仿真方法有基于HLA開發的分布式仿真系統。雖然HLA分布式仿真系統具有良好的結構層次，但對于底層模型要求較高，很難實現Matlab/Simulink模型的調用，即使通過S函數、Matlab引擎的方法調用，也很難保證模型運行效率。也有通過C語言開發專用模型仿真程序，在仿真時序的調度下，通過UDP或者中間件的形式相互通信，雖然此種仿真系統運行效率較高，但需要投入較大人力開發，且聯試費時費力，需求變更時只能通過修改代碼完成，不如圖形化的建模方式直觀快捷。

因此基于Simulink搭建分布式仿真系統，并通過RTW編譯模型生成可執行文件即解決了Matlab/Simulink模型兼容問題又解決了仿真系統運行時效上的問題，同時還能保留Simulink圖形化建模的直觀性、便捷性、易維護性等優點[2]。

1 系統組成

Simulink分布式仿真系統如圖1所示由傳感器及環境分系統、環境部署分系統、數據記錄及顯示分系統SLD、主控分系統構成。

圖1 系統組成

傳感器及環境分系統：由飛機平臺模型、射頻環境模型、雷達，ESM，XX鏈通信傳感器模型構成；其中，飛機平臺運動模型為六自由度模型，射頻環境模型提供空間衰減、雜波、多徑模擬；雷達模型模擬機載相控陣雷達工作流程及功能；ESM模型完成信號分選、方向測量、頻率測量、到達時間和脈沖寬度測量，最終輸出PDW及信號分選識別信息；XX鏈通信模型完成長機和瞭機間數據通信功能。

環境部署分系統：由想定場景編輯、運行部署軟件構成；其中，想定場景編輯進行戰場態勢環境的編輯，飛機航路規劃，目標部署等；運行部署軟件對系統中各個模型進行網絡部署，運行資源部署。

數據記錄及顯示分系統SLD：由可視化顯示、數據記錄軟件構成；其中，可視化顯示軟件進行仿真可視化信息回放，包含二維、三維及傳感器探測分析結果信息；數據記錄軟件記錄系統仿真過程數據，支撐仿真可視化回放。

主控分系統：由主時間控制MTC、平臺指揮與控制PCC、網絡通信COM構成；其中，主時間控制MTC組件控制系統整體仿真時序，保證各個模型時間同步同步；平臺指揮與控制PCC組件控制模型、平臺運行；網絡通信COM組件負責系統底層通信(TCP/IP通信)。

2 系統架構

想定場景的多樣性會帶來場景規模可變，系統模型接口尺寸可變等特性。如何在即不修改模型，又不采用全集建模和固定接口等粗放方法前提條件下完成仿真，是系統架構構建的關鍵因素。系統通過引入平臺模型-系統模型概念(類似C++中類和對象)，自動適配想定場景生成模型，不僅保證了仿真的正常運行，還實現了資源的零浪費。

系統模型間的通過4種類型數據流通道相互交互[3]。

1) 數據記錄數據流通道：仿真過程中的系統運動數據、模型仿真數據；

2) 時間控制數據流通道：確定仿真時間，控制與同步各個模型間的仿真時序；

3) 數據請求及交互數據流通道：仿真模型間的交互數據；

4) 運動控制數據流通道：載體模型的運動軌跡、姿態等控制，傳感器模型的工作參數控制，包括波束方位、俯仰、模式等。

系統底層通信方式采用TCP/IP，TCP為可靠的通信鏈路方式，客服端與服務器端通信鏈路建立時，需進行“三次握手”，對通信數據包進行校驗，對丟包，錯誤包等情況進行重傳，保證了通信可靠，數據完整。

其中，數據記錄及顯示模塊中負責通信的部分為服務器端，與之交互的飛機平臺、射頻環境、雷達、ESM、機間數據鏈通信模型中負責通信的部分為客戶端；主控時間模塊中負責通信的部分為服務器端，與之交互的飛機平臺、射頻環境、雷達、ESM、機間數據鏈通信模型中負責通信的部分為客戶端。

圖2 Simulink分布式仿真系統架構

3 工作流程

添加Simulink模型到指定文件路徑，并打開仿真主控界面完成仿真環境設置，包括模型添加、交互參數填寫等。

選定要創建紅藍雙方對抗想定場景地圖區域，同步加載高程數據。對抗要素為搭載電子戰模型的藍方兩架飛機平臺對抗搭載雷達模型的紅方兩架飛機平臺。依據仿真時間在系統模型對應PCC模塊完成飛機平臺的航跡、姿態規劃，雷達模型的開機時間、工作模式、波束范圍等的設置。

圖3 系統工作流程

依據創建分布仿真的計算機配置，將藍方平臺及模型部署在PC1上，將紅方平臺及模型部署在PC2上，將主時間控制MTC部署在PC4上，數據記錄及顯示SLD部署在PC3。最后生成想定文件和模型部署文件(.mat)。

編譯想定文件，生成對象模型，RTW將上述對象模型編譯生成可執行程序，并將其復制到網絡中的計算機。開始仿真運行和數據記錄，在仿真過程中可隨時暫停、運行和停止。打開SLD模型加載仿真數據，完成回放，回放同時支持二維圖形數據顯示及3D場景顯示。

4 關鍵技術

4.1 標準模型架構

復雜想定場景中有眾多傳感器模型和平臺模型，模型間交聯關系復雜，數據傳輸量大。因此從仿真系統總體設計的角度考慮，需對模型的建模方式、外部接口形式進行規范化約束，以保證模型能夠被迅速集成到仿真系統中。

通過開發標準模型模板，可以實現快捷規范的模型嵌入、集成和測試。圖4為模型架構的頂層視圖。

圖4 模型標準架構

虛線框為仿真系統中其他節點，通過TCP/IP與模型通信。

1)平臺運動控制模型送運動控制參數給平臺運動控制模塊，在參數控制下實現飛機平臺預定航跡和雷達等工作方式切換；

2)系統控制器模塊在主時間控制模型的統一調度下，完成本模型的時序、收發處理使能等控制；

3)如果模型為傳感器一般為主動系統，如果為平臺模型則設定為被動系統。被動系統一般只輸出參數，如飛機的航跡和姿態。主動系統則可以進行信號的輻射和目標回波信號的接收處理；

4)系統模型模塊即算法模型，是完成運算處理的核心。如雷達的發射機模型、接收機模型均置于此；

5)數據記錄與顯示模塊將待記錄的數據通過以太網傳輸至數據記錄與現實模型，由它匯總記錄。

4.2 基于 Stateflow的時間同步機制

時間同步機制的好壞是確保分布式仿真系統能夠整齊、統一運行的關鍵。該系統采用Stateflow狀態機控制時間的運行。Stateflow是有限狀態機的圖形化實現工具，主要用于控制和檢測邏輯關系的表示和狀態切換[4]。系統通過設置輸入/輸出將Stateflow模塊直接嵌入到Simulink 模型，從而實現連續系統與離散事件系統的混合。

仿真時間主控(MTC)同步整個仿真系統中所有模型的運行。MTC針對每一個模型都內建服務器端與客戶端，客戶端置于每一個模型的系統控制器內，服務端置于仿真時間主控內，主控MTC通過接入仿真時鐘，在每個仿真步長，通過TCP/IP實現模型間握手交互，具體流程如下。

1) 在MTC服務端與客戶端建立通信連接；

2) 初始化模型；

3) 時間脈沖分發及同步；

4) 使能和等待模型處理完成；

5) 更新所有模型緩存；

6) 下一個仿真步長重復3)至5)步驟直到仿真結束。

5 系統建模

5.1 飛機平臺模型

飛機平臺模型主要由動力學和自動駕駛儀模型組成。其中動力學模型為六自由度(DOF)模型[5]，包括沿著X軸(東)、Y(北)、Z(天)的直線運動，繞著X軸(俯仰)、Y軸(橫滾)、Z軸(航向)旋轉的運動。

慣性坐標系下的飛機運動學方程如下所示：

(1)

(2)

其中：F為飛機的受合力矢量，m為飛機的瞬時質量，v為飛機的合速度矢量，M為瞬時力矩矢量。

(3)

自動駕駛儀模型具備兩個控制回路，即力控制和力矩控制，分別采用各自的比例積分控制器進行控制[7-8]。

(4)

飛機運動學模型和自動駕駛儀模型計算流程如圖6所示。

圖6 飛機運動模型計算流程

仿真運行獲得的飛機平臺航跡和姿態數據如圖7所示。

圖7 飛機平臺航跡和姿態

5.2 雷達電子戰模型

雷達電子戰無源探測仿真模型典型組成包含三部分，即雷達模型、射頻環境模型、無源探測模型[9]。

圖8 雷達電子戰模型工作流程

1) 雷達模型包含發射機模塊、接收機模塊、天線模塊、波束調度模塊、信號處理模塊、濾波跟蹤模塊[10]。雷達發射機輻射信號參數可設置功率、采樣率、信號中頻、脈寬、脈沖個數、PRI等。信號經天線完成增益、極化方式等參數模擬，并送至射頻環境模型。雷達接收機收到射頻環境的目標回波信號在完成信號處理和測距測向后，進行信號的濾波和航跡的預測，從而控制跟蹤門，完成波束的控制，實現目標的跟蹤。

2) 射頻環境模型主要模擬信號的無線信道衰落特性包括功率衰減、時延、多普勒頻移、相移、多徑。模擬雜波和干擾的影響。RCS模擬通過查表方式實現；

3)無源探測模型主要包含信號檢測、分選識別和定位跟蹤三部分。首先ESM對接收信號進行檢測，并對輻射源信號進行參數測量，形成脈沖描述字流即PDW。然后信號處理模塊根據已知的信號特征參數庫，對輸入的PDW信號流進行輻射源分選、參數估計、輻射源識別、威脅程度判別和作戰態勢判別等。最后完成輻射源的定位和跟蹤。

輻射源發射信號一般可表示為：

(5)

(6)

6 仿真與分析

6.1 場景規劃

構建紅藍雙方2v2飛機電子對抗場景。紅方兩架飛機從機場起飛，保持編隊飛行并通過數據鏈進行態勢共享，紅2飛機開啟雷達探測目標。紅方飛機進入藍方無源探測系統截獲半徑范圍內，雷達信號被無源探測系統偵收測向。

圖9 想定場景

6.2 仿真測試

仿真測試步驟如下所示。

1) 根據想定場景設置輻射源個數，以及輻射源的信號參數，為無源探測系統提供波形輸入；

2) 根據場景設置的輻射源與無源探測系統所在載機平臺的運動軌跡信息，實時解算出各輻射源相對無源探測系統的徑向距離、徑向速度、方位俯仰角(東北天坐標系)；

3) 輻射源的時域交疊脈沖串輸入時域測量模塊，從而獲得脈沖時域參數，驗證本模塊能有效截獲輻射源脈沖信號，并以較高精度測量得到脈沖的時域參數TOA、PW、PA；

4) 頻域參數測量模塊輸出時頻曲線，用于測量瞬時頻率；

5) 依據不同來向的輻射源脈沖信號采用二維干涉儀測向獲取目標方位、俯仰角；

6) TOA序列輸入雷達信號分選模塊，獲得所有的PRI估計值以及對應的PRI序列；

7) 脈內參數測量模塊以輻射源脈沖序列和時頻曲線為輸入，獲得脈內調制類型及調制類型相關參數。

6.3 結果與分析

輻射源時域重疊信號經時域測量模塊處理得到的數據如圖10所示。星號表征檢測到的脈沖TOA，即脈沖上升沿。該點對應的縱坐標代表了該脈沖的PA。可以看到，模塊檢測到的TOA與真實的脈沖前沿非常接近。同時，由于作用距離、不同輻射源發射天線在ESM載機平臺方向的不同天線增益等影響，進入時域參數測量模塊的輻射源脈沖序列具有不同的PA，但同一輻射源內部的各脈沖PA起伏很小。

圖10 時域測量圖

查看圖11所示的時頻曲線，脈沖內部時頻關系總體呈線性，且頻率的起始和終止值與初始設置一致。脈沖寬度外部全無信號和噪聲，是由于在時域參數測量模塊得到各脈沖的TOA、PW和PA后，系統附加了脈沖抽取模塊，僅保留了脈沖寬度內部的信號波形，便于中間波形的查看。

圖11 頻域測量圖

表1中給出了空域測量參數DOA測量值的統計，方位測量值與真實值相差近似180o，將真實的方位角向下折疊到[0,180o]，即以180o進行求余操作得到模糊的角度值，與測量值相差0.005o，且各脈沖的測量值相差極小。

表1 輻射源角度測量結果

綜上表明，基于此系統開展的電子對抗仿真測試，仿真數據與真實值誤差偏小，仿真流程是合理的，結果數據是可信的。另外，仿真效率表征了仿真速度的快慢，其可通過仿真時效比衡量。仿真時效比為真實耗費時間與仿真時間的比值。仿真實效比大于1表示仿真速度快，小于表示仿真速度慢。實際仿真速度還跟仿真硬件配置有著較大關系，此次仿真采用的計算機為高配置圖形工作站，因此仿真實效比達到了6.44[11-12]。

7 結束語

依照本文所述方法搭建的分布式仿真系統不僅能夠利于Simulink工具箱信號處理模型庫，還對m文件模型有著良好的兼容性，此外借助狀態機進行仿真控制使得控制流程更清晰。對于Simulink模型運行效率問題也可以通過RTW解決。最后通過紅藍電子對抗想定場景仿真驗證，進一步證明該仿真系統搭建方法是可信的，以此為基礎構建新型航空電子作戰需求仿真平臺是可行的。