機載航電系統半實物仿真技術研究與平臺構建

錢忠洋 惠言 張剛

摘要：基于現代空戰對航空裝備的作戰需求，圍繞機載設備的工作特性和真實作戰場景搭建半實物仿真環境，是地面評估機載航電設備性能和飛機作戰效能的重要仿真方法。本文圍繞半實物仿真平臺建設過程中的關鍵技術進行分析，結合多型號飛機航電綜合環境實際，構建機載航電系統半實物仿真聯合試驗平臺。

關鍵詞：機載航電系統；半實物仿真；作戰效能評估；聯合仿真試驗

Keywords： airborne avionics system；hardware-in-the-loop simulation；operational effectiveness evaluation；joint simulation experiment

0 引言

隨著現代武器裝備設計水平的不斷提高和新型作戰模式的不斷變化，相關武器裝備的保障需求呈現出新特點，在要求功能達標的基礎上開始關注裝備的系統作戰能力。機載航電系統是現代軍用飛機信息感知、顯示處理和武器交聯的中心，尤其以雷達、電子戰、光電雷達為代表的航電設備的技戰術性能水平直接或間接影響飛機的作戰效能。有效評估航電系統的性能是精準定位缺陷和故障、提升飛機戰斗力的重要保證。

半實物仿真是指采用仿真設備為待測對象構建物理環境，以物理模型、數學模型聯合開展仿真試驗，是包含機載航電系統在內的復雜工程系統必不可少的仿真方法[1]。在新型飛機航電系統的研制過程中，設計單位通常會利用計算機仿真技術，圍繞航電系統典型作戰（訓練）流程設計航電綜合環境[2]。各型航電裝備通過機上電纜互聯構建機載航電系統，仿真管理計算機利用接口仿真技術，間接實現仿真資源共享、航電工作流程下發和仿真過程控制，可開展航電設備的功能、接口、控制邏輯、顯示正確性等檢查任務。然而，因缺乏與航電設備適配的模擬戰場環境，無法完成航電設備的性能評估。通過分析機載設備半實物仿真技術，本文在基于多型飛機航電綜合環境的基礎上，構建機載航電系統半實物仿真平臺框架，為航電設備及航電系統性能評估提供支撐。

1 航電系統半實物仿真中的關鍵技術

目標及其環境特性作為戰場仿真的最基本資源，是評估武器裝備對戰場環境中目標探測、跟蹤和識別的依據和前提[3]。航電系統相關的戰場環境仿真技術包括射頻動態目標/場景仿真技術和紅外動態目標/場景仿真技術。

1.1 射頻動態目標/場景模擬技術

射頻動態目標模擬實現雷達、電子戰等探測目標的射頻特性和空間屬性，射頻特性包括幅度、多普勒頻移、頻率、幅度起伏等，空間屬性包括距離、速度、加速度、角速度及角加速度等。常見的仿真技術包括機械式、陣列式和機電混合式，特點如下。

1）機械式目標模擬功能簡單，實現容易，適用于規則運動的單目標仿真，可模擬的目標/場景種類有限。

2）陣列式目標模擬采用電子控制方式實現目標的射頻和空間特性，由信號產生系統、射頻目標陣面和陣列目標饋電系統組成[4，5]。其中，信號產生系統根據載機、目標的位置信息及控制指令，生成包含調制形式、輸出功率、信號延時等信息的無線電信號，通過陣列目標饋電系統，將射頻目標（或干擾、背景噪聲）信號通過陣面天線輻射，實現合成等效輻射中心的位置精確定位和實時運動模擬。載機和射頻目標的相對運動均需通過控制不同位置的陣面天線輻射實現，對射頻目標陣面和陣列目標饋電系統的規模要求較高，建設難度大，成本高。

3）機電混合式目標模擬在陣列式目標模擬基礎上引入姿態模擬設備（如三軸轉臺），通過伺服機構配合陣面天線輻射控制，減少射頻目標陣面的規模，實現小角度范圍內多個目標模擬，在目標和背景復雜度有限的情況下是一種經濟實惠的方案。

1.2 紅外動態目標/場景模擬技術

紅外動態目標模擬可實現光電雷達探測目標的紅外特性和空間動態屬性，其典型系統由紅外成像組件、驅動控制系統、圖像生成計算機和姿態模擬設備組成。紅外成像方法分為直接紅外輻射法和紅外輻射調制法，前者包括紅外陰極射線管（CRT）、激光二極管陣列和電阻陣列，后者包括紅外液晶光閥和數字微鏡器件（DMD）紅外投影系統，其中以電阻陣列和DMD紅外投影在半實物仿真領域應用最廣。

1）電阻陣列式紅外成像技術。該技術依據的原理是電流流過分立電阻時會產生熱量。由于輻射能力由電阻溫度、占空因子和輻射率決定，利用電阻陣列內的控制電路來控制流過電阻的電流即可控制每個電阻的溫度，從而達到顯示紅外圖像的目的。電阻陣是一種最接近真實物理環境輻射特性的模擬器，其溫度范圍寬、動態特性好、對比度和溫差性能指標高，模擬目標、背景的紅外輻射和運動特性優勢明顯[6]。

2）DMD紅外投影。采用微電子機械原理，利用鋁濺射工藝在半導體硅片上生成數以萬計的方形微鏡面，形成高速數字式光反射開關陣列器件。DMD成像采用微鏡轉動完成，微鏡的位置不同，反射光的出射角度也就不同，類似于光開關。當光開關處于“開態”時，反射光可通過投影透鏡在屏幕上形成亮點，處于“關態”時在屏幕上形成暗點。利用二進制脈寬調制技術控制微鏡轉動角度、光線通斷時長，實現紅外成像對比度及亮點的精準控制。DMD紅外投影的優勢在于模擬的溫度、場景圖像分辨率高[7]。

2 航電系統半實物聯合仿真試驗平臺搭建

評估機載航電系統的整體效能除需有貼近真實的模擬環境外，還需有半實物仿真支撐平臺。該平臺具有將雷達、電抗和光雷等航電設備通過機上線纜互聯搭建航電綜合試驗平臺，以及兼容不同機型，集中控制仿真過程，并分析評估指定航電系統作戰效能的能力。航電系統半實物聯合仿真試驗平臺的總體架構如圖1所示，包括聯合試驗支撐平臺、航電綜合試驗環境、射頻仿真試驗環境和紅外仿真試驗環境。

聯合試驗支撐平臺作為半實物仿真試驗的總控端，為仿真試驗的全生命周期包括試驗準備、試驗運行和試驗分析提供相應服務。

1）在試驗準備階段，根據試驗項目完成仿真初始化，包括場景設定、設備加電、轉臺歸位、“握手”通信、參數裝訂等，并根據參試設置的具體情況選擇授時方案，如解析仿真數據中的時間戳信息或基于統一GPS/BD授時服務器，實現參試設備時間同步。

2）在試驗運行階段，總控端實時與航電綜合臺和半實物仿真環境交互數據，監控仿真設備的運行狀態，根據需要暫停或終止當前任務，以確保仿真應用正常、穩定執行。一方面，主控端通過仿真代理從航電綜合臺讀取載機運動信息和目標變化信息（如目標數量、目標的絕對位置或與載機的相對位置數據、目標速度、航向、載機坐標和姿態數據等），解析后借助仿真代理發送到半實物試驗環境，間接實現轉臺、目標和環境控制；另一方面，主控端通過仿真代理獲取機載航電總線信息，掌握參試航電設備的工作狀態。相關數據借助態勢仿真系統驅動LED顯示，同時存入仿真試驗數據庫。

3）射頻仿真主控臺實時解算載機、目標及場景信息，將載機及目標姿態發送到轉臺控制系統，控制三軸轉臺實現參試設備俯仰、橫滾、航向等三個姿態角的變化模擬。參試設備的射頻發射信號經過波導、電纜等饋入信號產生系統，通過RCS、多普勒效應、距離延時、距離衰減等目標回波特性處理后，形成目標回波信號。信號產生系統實時接收目標及場景信息，并結合回波信號，模擬到達角（AOA）、雜波等，饋入微波暗室分系統的球面目標陣列，由陣列目標饋電系統控制目標陣列，在指定的角位置上輻射出去，為雷達、電抗測試構建目標、背景環境。

4）紅外動態目標模擬系統通常采用五軸轉臺實現參試設備的動態特性模擬[8]，接收轉臺控制系統傳送的載機、目標和場景信息。其中，三軸部分安裝光電雷達實物，模擬載機運動過程中的俯仰角、滾動角和航向角等三個姿態角變化；兩軸部分安裝目標成像模擬器件，模擬載機與目標相對運動過程中的視線方位角與視線高低角變化。圖像生成系統根據場景特征、載機及目標信息，實時解算生成動態、高分辨率視頻信號。紅外目標模擬器將視頻信號轉換為紅外波段動態光信號，經過光學投影系統投射至光電雷達探測范圍。

5）試驗分析包括動態在線分析評估和事后離線分析評估兩種功能。前者將實時分析的結果通過態勢LED終端展示，形式包括消息彈框、特殊色標記和數據實時刷新。后者利用數據庫和記錄信息，基于效能評估模型評估參試航電設備的局部作戰性能和航電系統的綜合作戰效能。

3 結束語

基于半實物仿真理論和射頻、紅外半實物仿真領域的最新研究成果，搭建了航電系統半實物聯合仿真試驗平臺框架，為機載航電系統技戰術性能評估系統的搭建提供支撐。聯合試驗平臺建設是一項復雜的系統工程，除射頻、紅外目標/場景模擬技術外，還需關注微波暗室設計、大負載三軸/五軸轉臺設計、異構系統集成、作戰效能評估模型設計、總線遠程級聯等技術。

參考文獻

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