一種對反艦導彈的自衛式干擾效果評估仿真系統設計方法

王傳虎，張殿友

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

水面艦艇電子對抗裝備是對抗來襲反艦導彈的有效手段，對反艦導彈的干擾有效性評估是長期困擾業界的瓶頸技術之一。簡單的數學計算和傳統的基于信息級的功能仿真驗證方法已不能適應電子對抗裝備技術發展的需求,外場試驗和軍事實戰演練雖然是武器研制不可或缺的手段,局限性在于，一方面需要投入大量的人力、物力和財力；另一方面，周期長，保密性差,操作不夠靈活，協調難度大，可重復性研究困難，難以全面反映并掌控電子對抗裝備的工作性能及其在各種復雜干擾環境下的干擾能力。為了能夠對艦載電子對抗系統反導對抗性能進行有效評估，進一步挖掘或改進裝備的對抗性能,仿真設計模型建立的正確性、逼真性以及相關的仿真試驗驗證和分析技術是有效技術途徑。電子對抗仿真技術[1-2]的發展為解決這些問題提供了良好的應用前景。

反艦導彈自衛式干擾仿真涉及多學科專業知識，下面結合筆者已經完成的一些研究工作，重點介紹和闡述基于中央處理單元(CPU)+圖像處理單元(GPU)結構在信號級的艦艇電子對抗裝備對反艦導彈干擾效果評估仿真系統的總體設計方法和思路，對涉及功能性的仿真數學建模、雷達與對抗原理等，不是本文重點，限于篇幅不作詳細論述，僅提供了相關參考文獻。

1 仿真系統設計

1.1 仿真系統功能結構

艦載自衛式干擾仿真系統包括電子干擾功能單元、反艦導彈末制導功能單元、仿真配置與調度控制功能單元、過程數據記錄與分析評估單元和人機交互/可視化功能單元，如圖1所示。

圖1 自衛式電子干擾仿真系統功能結構

對反艦導彈發射平臺、反艦導彈(包括末制導系統、彈道飛行控制)、反艦導彈攻擊的水面艦艇的運動姿態控制、電子干擾系統、環境條件等仿真。

1.2 仿真系統軟硬件配置及運行環境

導彈末制導雷達、電子偵察和電子干擾等基于信號級建模仿真，采用CPU+GPU協同處理架構[1]下的軟件形式實現，仿真系統軟件包括系統支持軟件和應用軟件，運行在一臺高性能計算機或服務器上，底板具備3個以上PCI-e總線擴展槽位。CPU為計算機主板上主處理器，配置單塊PCI-e總線多GPU(3個以上)卡或3塊PCI-e總線單GPU板卡，如圖2所示。

圖2 軟件及運行環境

系統支持軟件包括商用操作系統和數據庫管理軟件。應用軟件包括信息處理軟件、電子偵察(ESM)信號處理軟件、干擾信號產生軟件、仿真配置與調度控制軟件、人機交互可視化軟件。系統軟件采用C/C++語言開發。

信息處理、仿真配置與調度控制、人機交互、過程數據記錄和分析評估等軟件運行在CPU處理器上。信號處理軟件(電子偵察(ESM)信號處理、干擾信號產生和雷達信號處理)分別運行在各自的GPU處理器上，CPU和GPU間通過計算機系統高速總線進行數據交換。

系統調度控制軟件仿真雷達干擾系統控制時序，統一調度控制系統運行，以數據流和消息觸發機制同步CPU與各GPU之間的協作關系。

1.3 各軟件單元功能

(1) 導彈攻擊發射平臺

仿真導彈發射平臺的位置、運動速度、運動方向為反艦導彈的動態發射提供基礎。根據導彈發射平臺和防御艦(待攻擊的目標)以及自然環境的相關信息進行火控解算，裝定反艦導彈的射擊諸元。

(2) 反艦導彈

對反艦導彈進行全系統、6個自由度、全彈道仿真，包括反艦導彈末制導雷達、自動控制系統(含航向控制回路、俯仰控制回路、傾斜控制回路以及舵回路)、發動機系統、戰斗部系統以及彈體(包括動力學和運動學環節)。全彈道包括初始段(含助推段)、自控段、自導段。

(3) 末制導雷達

為全面、準確、細膩地表現末制導雷達的工作及其在各種電子干擾作用下的反應，確保反艦導彈電子干擾仿真的可信度，對末制導雷達的仿真基于信號級。

(4) 防御艦艇

對防御艦涉及反艦導彈攻擊和電子干擾使用約束進行仿真，包括防御艦艇的位置、運動速度、運動方向及艦首方向、艦艇的雷達截面(RCS)值隨不同舷角的取值及其概率分布，以及隨時間的隨機起伏變化，艦艇電子干擾收發天線隔間離度及艦艇其它用頻設備匿影對電子干擾設備收發約束條件仿真等。

(5) 電子干擾系統仿真

對電子干擾系統基于信號級仿真，包括雷達偵察、雷達有源干擾、舷外有源誘餌、無源/光電干擾以及雷達有源+無源復合干擾等，能夠產生已知的、針對反艦導彈末制導雷達的有關干擾樣式。

(6) 仿真配置/調度控制

仿真配置包括對抗場景設置，生成對抗態勢數據。選擇用于攻擊的反艦導彈的類型、數量和發射時機，設置反艦導彈末制導雷達、攻擊平臺、防御艦艇等的相關參數，選擇干擾樣式并設置干擾參數，設置環境參數等。

環境仿真包括海雜波、氣象、大氣密度、電磁波傳播衰減等。對海雜波的仿真是基于信號級的。

調度控制包括仿真控制的開始、暫停、繼續和中止、電子干擾過程時序控制等。

(7) 人機交互/顯示

對反艦導彈運動狀態、艦艇運動軌跡等進行實時顯示。對反艦導彈飛行狀態/工作階段、反艦導彈坐標、艦艇坐標、末制導雷達工作狀態、電子干擾樣式/干擾實施時刻等同步顯示。

仿真數據可視化工具可以同時對末制導雷達以及電子干擾系統的多個節點上產生的仿真數據同時進行波形察看、比較，分析末制導雷達的工作過程以及干擾/抗干擾過程。

(8) 過程數據記錄

對配置仿真態勢數據、過程數據和控制指令按照時間節拍順序完整記錄并自動存入數據庫中，提供效果評估并進行波形察看、回放和分析。

(9) 分析評估

仿真結束后，對記錄下來的仿真數據進行統計計算和分析，根據干擾效果判決準則[2]對干擾效果進行評估。

ESM信號處理、電子干擾(ECM)信號產生器、末制導雷達信號接收處理、信號發射和控制軟件分別運行在3個GPU上，它們在CPU仿真調度總控軟件的調度下完成并行解算工作。由于傳輸的數據量較大，為了提高對抗過程仿真的時效性和逼真性，需在軟件模塊并發運行中進行流并發優化和異步流傳輸優化[3]，確保各模塊運行中同步和協調一致性。

2 仿真模型設計及技術途徑

2.1 反艦末制導雷達建模仿真

世界上裝備的反艦導彈類型繁多，制導參數和性能各不相同，為便于仿真驗證，采用面向對象的設計方法建立反艦導彈和末制導雷達模型庫。末制導雷達距離、方位搜索和目標檢測判別規測等因其類型不同而異，需建立在末制導雷達的參數數據庫中。

有關反艦導彈的彈道飛行控制模型、末制導雷達仿真接收、檢測和信號處理分析建模等參見文獻[4]～[8]。

末制導雷達模型的建立需模擬其實際工作過程、信號流向、時序關系等。根據單脈沖雷達工作原理,末制導雷達模型包括射頻單元、接收單元和檢測處理與控制等功能模塊,在仿真中雷達發射單元起發射參數作用，無需進行高頻仿真,置于同步信號單元中。為提高仿真時效性,避免全數字仿真數據量大的問題，降低建模復雜度，末制導雷達仿真選擇在數字中頻信號級，該技術已得到廣泛應用，模型參見文獻[9],箔條運動和質心、假目標干擾仿真模型的建立參見文獻[10]～[12]。反艦末制導雷達功能仿真模型如圖3所示。

圖3 反艦末制導雷達功能仿真模型框圖

2.2 環境因素建模仿真

環境建模仿真包括電磁波在大氣中的傳播衰減、大氣層引起的電波折射、雷達直視距離、海雜波和海況等影響。海雜波是末制導雷達工作環境中主要的散射雜波,嚴重的海雜波將影響末制導雷達對海面目標的檢測與跟蹤，海面反射波會影響電子偵察信號分選的正確率。為了真實反映系統在實際環境中的工作狀態和工作性能,需對海雜波進行準確的建模仿真。另外,從仿真簡化原則考慮,環境仿真以海雜波建模為主體,其他因素將在末制導雷達綜合處理系統建模中得到體現,例如,大氣層引起的電波折射等因素將運用在導彈與目標實時距離計算子模塊中，雷達直視距離因素將運用在目標回波生成模塊中。

海雜波仿真根據雷達的帶寬、入射角和波束寬度，考慮發射波束和接收波束的方向圖特性，對距離單元上的雜波按照方位向進行網格劃分，結合導彈的飛行狀態參數，計算相應網格單元的雜波功率和多普勒頻率，進而對所有散射單元的數據求和，得到對應距離分辨單元內的雜波仿真數據[13-15]。

2.3 艦載自衛式干擾仿真

自衛式干擾仿真的重點和關鍵在于電子偵察接收處理、有源干擾樣式及信號產生、無源/光電干擾受環境因素的影響等。

還需考慮對防御艦涉及反艦導彈攻擊和電子干擾使用的約束條件，包括防御艦艇的位置、運動速度、運動方向及艦首方向、艦艇的RCS值隨不同舷角的取值及其概率分布，以及隨時間的隨機起伏變化，本艦電子干擾收發天線隔離度及本艦雷達匿影對電子干擾系統約束條件仿真等。

艦載電子對抗系統因受安裝等條件限制，存在收發隔離問題，導致電子對抗裝備偵察干擾不能同時工作，只能分時工作，對電子對抗裝備多目標干擾性能影響較大，在仿真設計中需考慮該影響因素。

艦艇自衛式干擾的成功率與艦艇RCS分布相關，不同的艦艇RCS分布特性差異較大。采用目標角閃爍和RCS聯合統計仿真的方法，仿真得出艦艇RCS分布特性曲線。

為提高仿真系統逼真性和降低開發工作量，本仿真系統中有關電子偵察接收處理、有源干擾樣式及信號產生和干擾調度控制等，通過對某對抗裝備實裝軟件裁剪后移植實現，根據干擾樣式參數以及時域、空域、頻域及功率域等約束條件，在GPU中進行解算，產生最終的能進入末制導雷達接收機的干擾信號，通過內部總線傳送到運行在另一個GPU上的末制導雷達仿真軟模塊中，實現與導彈末制導雷達接收機接收的目標回波信號疊加。

3 典型場景下測試效果分析

以水面艦載ECM裝備對抗某型反艦導彈攻擊為典型場景，應用本仿真系統進行測試分析，仿真實驗環境參數設置如表1所示。

表1 仿真試驗對象主要參數

3.1 典型應用測試一

艦載干擾機首先實施阻塞噪聲+瞄準噪聲破壞末制導雷達的距離跟蹤，同時施放距離假目標干擾，干擾樣式及參數設置如表2所示。

表2 有源組合干擾特征參數

反艦導彈在仿真試驗開始后的第46 s末制導開機，進入搜索狀態，第47.3 s，末制導雷達跟蹤艦艇，其信號波形和跟蹤態勢如圖4和圖5所示。

圖4 反艦導彈末制導雷達信號波形

艦載有源干擾機在第49.2 s對末制導雷達實施阻塞噪聲+瞄準噪聲+距離假目標干擾，受到干擾后末制導雷達距離波門被破壞，丟失距離信息，導引頭無距離信息，會重新搜索捕捉到目標，艦載有源干擾機再次實施干擾，其距離再次失鎖，幾個回合后，導彈在第93 s后脫靶入水，實施干擾后的信號波形如圖6所示。該干擾方式與舷外箔條配合使用對抗單脈沖末制導雷達干擾效果會更加顯著，對具有跟雜功能的導引頭效果欠佳，需要與舷外雷達有源誘餌配合使用。

圖6 實施有源干擾后信號波形和態勢圖

實施有源干擾后信號波形和態勢圖如圖6所示。

3.2 典型應用測試二

艦載干擾機實施瞄準噪聲破壞末制導雷達的距離波門，同時發射舷外箔條彈實施假目標干擾，干擾方式和干擾參數設置如表3所示。

表3 有源無源組合干擾方式及參數設置

反艦導彈在仿真開始后的46 s末制導雷達開機，進入搜索狀態，第47.6 s，末制導雷達跟蹤艦艇，末制導雷達信號波形和態勢圖如圖4和圖5所示。

第49.8 s，艦載雷達有源干擾機對末制導雷達實施瞄準噪聲干擾，同時發射質心干擾彈。末制導雷達距離跟蹤波門被破壞，丟失目標距離信息，方位未偏離，如圖7所示；第56.8 s，箔條假目標干擾形成，第57.8 s，停止有源干擾，反艦末制導雷達丟失目標，進入方位和距離搜索狀態，如圖8所示。

圖7 實施瞄準干擾后信號波形和態勢圖

圖8 停止瞄準干擾后信號波形和搜索態勢圖

第60.5 s，末制導雷達捕獲到箔條假目標，并建立穩定的距離和方位跟蹤，艦船規避，第97 s脫離末制導雷達跟蹤波束，如圖9所示。

圖9 跟蹤假目標信號波形和跟蹤態勢

在艦艇、反艦導彈、環境參數和干擾樣式不變的條件下，改變導彈攻擊方位，對上述兩個典型應用分別進行50次Monte Carlo仿真試驗。測試的干擾成功概率分別達到62%和70%；對諸如距離波門拖引、箔條轉移干擾等，在同等條件下應用本仿真系統進行試驗測試，干擾成功率相對較低，不再具體分析介紹。

4 結束語

干擾效果評估仿真技術是一個永恒的研究課題，本文結合筆者已完成的一些研究工作，提出基于CPU+GPU結構干擾效果評估仿真系統設計方法，較傳統信息級仿真更貼近實際情況，成本較半實物仿真系統大幅降低，時效性、可升級、可擴展性顯著提高。文中設定的場景和仿真試驗結論并不具有普遍性，供業界研究人員參考。有關在復雜電磁環境下對抗跟雜及多模復合制導反艦導彈效果評估仿真有待進一步研究。