電子對抗系統數字化樣機建設思路綜述

劉德龍，陳 旭，張 琛

(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

電子對抗系統的開發是一個十分復雜的系統工程。面對錯綜復雜的工作環境、性能提升的低截獲雷達技術、日益強烈的反電子對抗手段，電子對抗系統需要越來越復雜，指標要求也越來越高。研制一個電子對抗系統，耗資大，周期長，難以預測的因素多，實驗難度大，在研制時往往需要跨企業、跨部門、跨系統的多個團隊共同完成。在這種由多個設計小組共同參與的項目中，層次化、模塊化的設計流程可以大大方便項目管理，明確各個項目開發小組的設計目標，進而縮短產品的開發周期。而數字化平臺建設及數字化樣機研制工作使得研發的總體部門、各分機設計、加工部門在實踐中不斷完善工作流程、仿真流程，增進了跨部門合作，積累了過往工程設計經驗，提升了項目總師、設計人員、管理人員素質和工作效率，縮短了新項目研發周期，提高了產品可靠性和功能擴展性能，增強了信息化體系作戰條件下現代信息裝備研制的核心競爭力[1]。

1 數字化樣機建設現狀

1.1 產品方案設計沒有統一的仿真環境，模型不統一，難以共享與重用

系統設計模型分為3層：作戰需求分析、產品方案設計和功能單元設計,對于每一層模型，設計與仿真形成閉環。其中，作戰需求分析層由作戰仿真軟件支持仿真驗證；功能單元設計層可以由相關的專業軟件支持仿真驗證；而產品方案設計層目前還沒有能夠支持仿真驗證的環境。如圖1所示，系統設計師一般的手段是構建相應的VC、Matlab仿真模型來仿真驗證自己的設計。但是如圖2所示，目前這些模型沒有統一的仿真運行平臺，導致建模沒有統一的規范，難以統一管理而散亂于各個設計師自己手里，致使模型難以被共享、被重用；同時又由于模型難以被共享、重用，導致設計師仿真需要的重復工作多，工作量大，影響設計師的工作效率[2]。

圖1 系統設計建模仿真中存在的問題

圖2 已有模型難以重用

1.2 模型構建層次不清晰

由于數字化樣機的研發技術和信號處理技術比較類似，研發團隊一般也以該團隊成員為主，因而當前數字化樣機多為信號級樣機。而這類樣機優缺點明顯，不能解決所有用戶的需求，因此理清當前數字化樣機建設需求與手段、清晰化模型構建層次是當前數字化樣機建設的前提[3]。

1.3 現有仿真模型偏理想，未結合實測數據

目前，正常的產品方案設計都是做了仿真的，但是仿真主要考慮理想條件下的仿真，沒有接入實際的數據進行仿真推演。大多數產品難以避免在被實際做出來之后，存在與之前的設計預期不符，甚至達不到所設計的功能和性能。如圖3所示，天線方向的理想與實測相差較大；如圖4所示，理想信號與實測信號的頻譜也不盡相同。

圖3 天線方向圖的理想與實測之間有較大差異

圖4 理想信號與實測環境信號

1.4 軟件開發與調試依賴硬件實物

在電子戰設備實際研發中，由于電子戰系統軟件部分的開發與調試較強地依賴硬件，導致軟件部分的開發與調試往往需要等硬件部分有實物之后才能開展，進而使得電子戰系統中的軟件研發滯后于硬件研發，影響整個系統研發周期。特別是未來大數據、智能化、態勢生成等真實的環境場景很難構建，因此需要建設數字化的仿真平臺以滿足軟件開發需求。

2 數字化樣機構建層次及目的

一般情況下，電子對抗系統的數字化樣機在實現形式上分成功能級數字化樣機、信號級數字化樣機以及介于兩者之間的一些其他形式的數字化樣機，下面分別介紹這些數字化樣機的優缺點及應用范圍。

2.1 數字化樣機的應用范圍

2.1.1 功能級數字樣機

功能級數字樣機由于計算量少，因此可以實現實時處理，能夠支持多系統之間的實時在線仿真。這類數字化樣機主要用于作戰場景的展示以及戰術戰法的推演，從而可充分了解每個設備中各項指標的重要性，對裝備指標體系建設有一定的幫助。但是功能級的數字樣機由于仿真顆粒度過于粗糙，無法用于指導設備研制。

2.1.2 信號級數字樣機

信號級數字化樣機的仿真重點在于數字信號處理與波形調制部分的算法模擬與展示，這類仿真的優勢在于對信號處理部分的仿真逼近了真實情況，因此可以通過信號級數字化樣機的仿真推算出設備的基本性能指標，指導設備的研制。一般這類仿真是將仿真時間內的所有數據加載到內存中集中計算處理后再統一展現，典型的仿真軟件有systemvue等。由于其計算量較大，若沒有現場可編程門陣列(FPGA)等硬件的支持與加速，無法實現實時的仿真計算；因此，幾乎無法實時支持對后端信息處理仿真所需要的數據，也無法滿足多系統之間的聯合調試。

2.1.3 數據級數字樣機

數據級數字樣機是基于雷達脈沖描述字(PDW)的仿真。這類仿真實時運行在CPU和圖像處理器(GPU)之中，主要為了驗證電子對抗系統的信息處理軟件實現能力、分系統協同能力和整機工作流程實現能力，解決軟件開發與調試依賴硬件實物和測試環境的問題。這類仿真利用模擬器構建數據流，因此可以實時驗證多傳感器融合，綜合態勢生成、威脅估計等軟件效能，提高對抗設備的智能化水平。

2.2 數字樣機建設需求分析

根據以上論述可知，不同層級的數字化樣機的建設目標與建設需求是不一的，建設手段和建設方案也完全不同，因此總結仿真的層次化關系、仿真目的是非常必要的。現將各層級數字化樣機建設的仿真需求、目的和建設方法總結如表1所示。

需求層次需求條目舉例說明仿真需求要點仿真本質仿真環境與仿真方法多系統級聯合仿真作戰場景的演示展示作戰戰法的演示驗證系統指標需求分析單雷達與電子對抗設備對抗流程演示組網雷達與多電子對抗設備對抗流程演示以平臺對抗為基礎,我方平臺雷達+電子對抗設備面對敵方雷達+電子對抗設備進攻防守演示驗證電子對抗設備指標與作戰效果的聯系界面展示性強、實時性效果好界面展示性強、實時性效果好界面展示性強 雷達方程+干擾方程的時空域展示平臺對抗作戰流程驗證,本質就是找出雷達仿真+干擾方程的“極點”,尋找某設計定型的電子對抗和雷達設備獲得最佳對抗效果的作戰戰法本質即找出設備各指標之間與作戰效果之間的關系,確定最佳設計平衡點,比如靈敏度與截獲概率之間的平衡點,干擾功率和作戰效果之間的平衡點面向對象的界面編程;系統輻射源描述字(EDW)功能級仿真面向對象的界面編程;系統輻射源描述字(EDW)功能級仿真;2個方程尋找極點的仿真Matlab;加入環境場景的2個方程的約束與極點尋找的仿真系統級仿真軟件能力與流程分析驗證態勢生成、威脅估計、智能訓練、工作流程仿真等構件軟件輸入與輸出閉環,搭建軟件環境模擬器模擬戰場數據(硬件處理后的)作戰效能的推理分析基于作戰場景的偵察截獲概率仿真、干擾效果的仿真;雷達抗干擾樣式仿真實時性較弱,抓住核心對抗點,部分算法可簡化仿真2個系統之間的信號處理和流程之間的對抗PDW功能級仿真;利用數據模擬器實現分系統級仿真系統性能指標驗證系統靈敏度驗證;系統測向精度驗證;系統信號檢測能力驗證;干擾波形生成能力系統工作流程驗證接收機與微波控制流程驗證;動態DBF、動態信道化算法驗證等系統架構的1∶1搭建,仿真準確性需要較高,能夠與設備保持一致驗證復雜環境下系統的各項性能指標:比如驗證不同方位、俯仰下信號的靈敏度,以達到指導設備調試的目的。尋找系統最優控制流程,保證在一定硬件設備下,達到系統能力的最優化實時性信號級仿真分機級仿真分機算法驗證、分機性能指標驗證、分機工作流程驗證模塊性能指標驗證微波系統的性能指標仿真驗證接收機多信號同時到達、測向解模糊、測頻精度的仿真信號分選與識別算法仿真驗證微波模塊的性能驗證,比如濾波器的性能驗證仿真結果準確,能指導設備研制仿真結果準確,實時性需與裝備一致仿真結果準確,能指導設備研制尋找微波系統的搭建最優方案Systemvue、Matlab等其他仿真工具(信號級仿真)仿真驗證復雜環境下接收機算法的缺陷點,尋找最優接收處理算法實時性信號級仿真仿真驗證信號分選準則的正確性、識別算法的準確性、算法的最優方式等PDW信號功能+非實時性數據處理仿真(Matlab+GUI)驗證微波模塊設計的最優方案

3 數據級數字化樣機建設思路和總體方案

3.1 基本思路

如圖5所示，根據集成產品開發(IPD)流程結合系統工程設計方法，系統的設計應分為以下3個步驟：(1)作戰需求分析；(2)系統方案設計；(3)子系統(模塊)方案設計。其中作戰需求分析需要通過功能級數字化樣機給出電子戰效能級模型；系統方案設計主要采用PDW功能級數字化樣機，驗證電子戰整機的態勢生成與資源管理架構、整機工作模式、工作流程；子系統級方案設計，主要完成對電子戰接收處理指標驗證、干擾波形調制能力驗證。因此總結數字化樣機的建設思路如下：

圖5 系統設計與仿真業務流程示意圖

(1) 明確各層級數字化樣機的定位

明確數字化樣機的面向對象和建設目標，從而確定數字化樣機分幾個層次、幾個團隊分別建設。要充分發揮每一個層級的數字化樣機的優點，分別解決設計中的一些問題。不能總想利用一個層次的數字化樣機解決不同層次的問題，這樣是不科學的。

(2) 統一的仿真環境、模型

團隊內部數字化樣機的建設需要選擇統一的仿真環境、統一的實現架構、統一的共享形式、統一的模型說明，才能使得數字化仿真變成組織級別的資產，為組織未來的發展提供動力，使得數字化仿真意義擴大化。另外需要建立共享機制，擴大團隊信息共享，提高科研水平。

(3) 一步一個腳印地更新仿真的準確性

馬克思哲學中闡述了認識的本質和過程：實踐是認識的基礎，認識是實踐基礎上主體對客體的能動反映，認知可以指導實踐，實踐可以改變認知，這是一個循序漸進、螺旋式上升的過程。建立數字化樣機也是一樣，一開始不能要求太高，太多的需求可能導致實現困難，工作難以開展。一方面，應當在目前的認知條件下，先做一個基本的樣機架構，完成基本的功能，獲得基本的成果后逐步前進；另一方面應當在已有數字樣機的基礎上，結合更多的實測數據，增強仿真的可信度。

(4) 分離軟硬件數字化仿真，提升仿真設計效率

總的來說，對于天線與微波前端和接收處理、信號調制發射等硬件實現部分，可利用systemvue等軟件，實現信號級仿真，從而達到更準確的仿真效果；對于軟件處理部分，可通過開發前端數據模擬器，模擬各類接收機的PDW、EDW、雷達點跡、航跡等數據，而數字化樣機運行架構應當與設備軟件保持一致，這樣可以使得數字化樣機的開發成果與設備開發更易共享，節約人力資源。

3.2 總體方案

圖6為對抗數字化樣機建設總體框圖，主要包括雷達模型、環境模型和對抗模型。仿真開始，由環境模型配置雙方平臺信息，主要包括：經緯度、運動方位、速度、雷達截面積(RCS)等，然后產生除了雷達與對抗兩方的其他復雜電磁環境，送至對抗模型。接著雷達模型開機，發射電磁波(此處為雷達信號描述字)，通過環境模型計算其空間衰減與坐標轉化，將雷達信號描述字送達對抗模型。對抗模型通過無源偵察模型接收環境模型中傳輸的復雜電磁環境，也包括雷達模型通過環境模型發至偵察模型中的雷達信號描述字，通過智能化決策后由干擾模型輸出干擾信號描述字送至環境模型送達。環境模型根據目標方的RCS、雷達信號功率、兩者徑向運動速度、云、雨等背景影響計算雷達回波，再根據干擾信號描述字生成雷達真實接收的基帶信號，送至雷達接收機。接收機根據回波計算雷達點跡和航跡，將其送至環境模型，環境模型依照兩者真實的方位、速度進行判決，將干擾真實效果送至對抗模型，由此形成閉環，可供機器學習算法實施訓練。

圖6 對抗數字化樣機建設總體框圖

4 結束語

本文首先分析了數字化樣機建設現狀，總結了當前存在的問題；通過分析當前幾種常見的數字化樣機建設模式，總結其優缺點及適用范圍；然后從需求的角度出發，給出了各層級數字樣機的需求層次、仿真要點、仿真本質和適用仿真環境等；最后給出了數字化樣機的基本建設思路和總體方案。