导弹武器战场电磁环境构建及半实物仿真技术

唐 莽，孙卫民，张 进，王 奎

（中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京 210007）

0 引言

导弹武器系统在信息化作战环境下的作战效能，是武器系统论证、考核的核心问题，其不仅与导弹武器系统的性能指标密切相关，而且还取决于作战使用环境和作战运用方法。在现代战场电磁环境下，导弹武器所面临的电磁环境是异常复杂的，要考核其作战效能，无论从效率还是从耗费上都不可能用穷尽法来建立各种复杂战场条件进行实装对抗试验。如果找到一种方法能够构建一个虚拟的战场动态电磁环境，在内场半实物仿真条件下可以通过多次试验获得足够多的试验样本，对于评估导弹武器在实战条件下的作战效能具有十分重要的意义。运用计算机仿真技术可模拟典型作战地区、末制导交战时间段内自然电磁现象、密集的电磁设备、敌方电磁威胁和自身电磁设备互扰所形成的电磁辐射，输出可量化的表征电磁信号特征的数据文件，并依托内场半实物仿真平台重构虚拟战场动态电磁环境，为导弹武器作战效能评估提供近似实战的复杂电磁环境，这是一种既贴近实战、又非常经济有效的作战效能评估手段。本文基于这一需求提出了一种采用数字场景规划和仿真计算＋半实物电磁环境重构的战场电磁环境构建方法，并基于该方法，探讨了在内场开展导弹武器抗干扰性能半实物仿真试验的思路。

1 导弹武器面临的战场电磁环境特征分析

传统的内场抗干扰试验依靠电磁信号模拟器模拟目标回波及各种典型的干扰样式，这是一种信号级的模拟方式，在此条件下检验导弹武器的抗干扰性能，是一种孤立的、静态的指标分析方法，不能准确反映导弹武器在战场电磁环境下所表现出来的特性。在战场条件下，导弹武器面临的复杂电磁环境除了目标回波及各种背景雷达、目标施放的自卫及支援式干扰信号外，还有这些信号在战场环境下的地海杂波、多路径等反射信号；从交战过程来看，攻防双方施放的电磁信号内容随着作战态势及情报侦察的结果而在动态变化；从效应结果来看，电磁环境信号还受大气、云、雨等自然条件的影响。以反舰导弹为例，给出其面临的典型战场电磁环境，如图1所示。

图1 反舰导弹面临的典型战场电磁环境

在图1中：

1）电磁环境：攻防双方用频装备发射的各种电磁信号；

2）自然环境：指交战过程中，用频装备信号有效照射覆盖区域内的三维地理环境，如海面、山地、丘陵等对电磁环境的影响；

3）气象环境：主要包括大气、云、雨、雷电等气象条件对电磁环境的影响。

由此可见，战场条件下的复杂电磁环境，是双方用频装备密集部署的结果，首先是极为复杂的，而且由于自然环境、气象环境的影响，加剧了这种复杂性；其次，随着作战场景的变化，具有动态变化的特征。

2 导弹武器战场电磁环境构建

2.1 战场电磁环境构建的基本思路

根据第1节的分析，战场电磁环境具有复杂而动态可变的特征，且受自然及大气环境条件的多重影响。在仿真暗室构建战场动态电磁环境，就是要仿真模拟在设定的作战场景及自然、气象条件下，各用频装备的频域、能量域、时域、空域及极化域等的变化特征，使内场构建的电磁环境可以近似战场动态电磁环境。结合当前的高性能计算机运算仿真能力，提出一种逼真构建战场电磁环境的基本思路，如图2所示。

1）场景规划：针对导弹武器面临的典型作战场景，进行攻防对抗全过程的预先想定和用频装备、地形地貌、气象环境等参数设置。

图2 战场电磁环境构建的基本思路

2）仿真计算：以场景规划为输入条件，按时间进度进行仿真推演，对作战过程中，作战区域内所有电磁活动和现象以及造成的态势进行模拟，并计入空间地理环境、气象环境的影响，求解辐射源的动态变化对被试对象在一个完整的制导飞行过程中的空间的电磁辐射效应，并形成描述这种效应的辐射信号特征数据文件，如到达角、到达时间、接收功率、传播延时、多普勒频移等，文件内容应具有时间刻度标签。

3）模拟重构和视景仿真：以统一的时间同步为基准，调用数字仿真计算形成的电磁信号特征数据文件，去驱动各种电磁信号模拟设备和天线面阵、三轴仿真转台等试验设备，复现想定的战场电磁信号特征，并按仿真时间刻度为间隔进行数据更新，从而等效实现了战场环境的动态模拟。为了直观地掌握仿真进程，仿真试验时，还需要根据仿真进程及弹目坐标位置等参数进行同步的视景仿真。

由此可见，逼真战场电磁环境的构建过程实际上是一个数字和半实物相结合的仿真过程。其中数字仿真的作用将在下节中展开。

进行基于此种数字＋半实物模式的导弹武器抗干扰性能半实物仿真试验时，其工作流程如图3所示。如果需要模拟非常复杂的电磁环境，可以将复杂的电磁环境拆分为多个简单的场景进行多次计算。最后将多次计算数据进行数据叠加处理，其工作流程如图4所示。

图3 电磁环境构建工作流程（简单）

2.2 战场电磁环境构建之数字仿真

2.2.1 主要功能

逼真构建战场复杂电磁环境，要求数字仿真应具备以下主要功能：

1）具备复杂环境建模能力，可以进行地形（地球物理模型）、地貌、海面（统计模型）、大气、云雨等环境建模。

图4 电磁环境构建工作流程（复杂）

2）具备攻防双方目标及电磁信号电波传播建模和计算能力，提取复杂环境对电磁性能的影响数据，根据不同的平台特点，采用相应算法进行电波传播计算；并反映到被试对象位置所面临的电磁信号的时域、频域、能量域、空域及极化域等动态变化特征，且具有数据文件输出能力。

3）具备战术地图创建、攻防过程规划（飞行路径及运动参数可规划和设置）及作战场景想定功能，可以设置仿真过程中，交战双方装备工作状态及指标。

4）具备驱动模拟设备进行电磁场景重构的能力。

5）能够同步进行电磁环境场景仿真及视景显示。

2.2.2 场景规划

电子对抗场景规划包括战场想定、环境建模两部分。

1）战场想定：主要指战场上的装备、部署及行动方案，具体包括设置战场环境、武器系统、雷达及对抗系统、平台及目标的位置、航迹、战术指标参数及运行状态等。同时，想定模块还要确定仿真任务、匹配仿真过程中的各个参数、模型、算法和各种仿真数据的输入输出，约定仿真中各个装备的运动和状态变化，配置用频装备的互连信息，使仿真按照想定剧本的内容进行推演。

战场想定主要由以下模块组成：

a）攻防双方用频装备设定模块：完成对战场上攻防双方的武器平台及其用频装备部署，配置各个武器平台的用频装备参数（运动轨迹、姿态变化、天线特性等）。能够将信息化的用频装备模块加载到各种武器平台上，建立相应的关联关系，为计算模块和视景仿真模块提供数据，为仿真提供多视角、逼真的三维视景显示。

b）作战阶段设定模块：可以将一次作战想定细分为多个作战阶段，在每个作战阶段中可以配置各个武器平台的运动轨迹并且设置用频装备的工作状态和工作参数。

2）环境建模：主要对想定场景中各实体进行建模，具体包括想定的战场地理及气象环境建模、复杂电磁环境建模等。需要通过一些必要的基础数据库进行支持，包括全球三维地形数据库、三维海洋场景特效插件、气象模型数据库、武器装备模型库、雷达装备数据库及电子对抗装备数据库等。

2.2.3 电磁计算引擎

场景规划的目的是仿真计算各用频装备在虚拟战场环境中的电磁信号特征。为了简化仿真计算量，可以从对被试导弹武器的影响效应角度出发，只需仿真计算按照时间推进的、以导弹武器所处位置为中心的一定空域、一定频域范围的电磁信号特征。在电磁信号的仿真计算中，需要用到几个典型的电磁计算引擎：

1）电波传播与预测仿真器

电波传播与预测仿真器包括海面蒸发波导传播模型以及射线追踪模型。其中海面蒸发波导传播模型需要调用对流层基础环境数据库和对流层大气波导环境数据库；射线追踪模型使用了计算机图形的方法加速模型的建立和处理，采用了2D、3D以及快速3D的算法，根据散射的特性以及跟物体相关的反射、透射系数来评估电场、磁场，并且可以考虑武器平台或建筑物对电波传播的反射、折射，精确计算出接收功率、路径损耗、到达时间以及到达角度等。

2）目标RCS及散射中心求解器

目标RCS及散射中心求解器采用高频算法求解目标的RCS数据以及散射中心，可以通过分布式架构将其计算结果提交到系统中，用于雷达信号级计算。

3）天线方向图求解器

天线方向图求解器采用全波方法，根据天线实际结构计算天线三维方向图数据，可以通过分布式架构将其计算结果提交到系统中进行联合仿真。

仿真计算的输出结果应是一个以被试导弹飞行弹道为中心的、按时间划分刻度的电磁信号特征数据库文件，包括弹目位置、信号到达角、路径及大气损耗、传播时延、多普勒频移、极化特征等等，可以根据试验需求进行增删。

2.2.4 动态场景视景展示

动态场景视景展示的主要目的是将场景规划的战场环境、目标、雷达以及电子对抗设备准确地定位在二维和三维的地理信息系统上，并能够描绘作战平台的运动轨迹、用频装备的天线波束扫描等，使用户拥有最直观的认知。

2.2.5 弹道的迭代

需要注意的是，在进行场景规划时，被试导弹的弹道是预先设定的；但在实际作战过程中，在导弹自导段，导弹的飞行弹道是按导引头测量信息进行导引和控制飞行的。这两种情况下导弹的飞行弹道可能有较大差异（特别是受到干扰时），导致导引头天线口面接收到的电磁信号特性也会存在差异。

在半实物仿真条件下，实时读取导引头测量信息，建立惯导模型，进行 “惯性＋雷达导引头末寻的”的复合制导控制计算，再通过三轴转台实现相对真实的自导段弹道模拟的能力，并可以记录仿真飞行的弹道数据。因此，可以采用弹道迭代的方式，将半实物仿真过程中形成的弹道数据代入数字仿真场景中进行再次计算，以逼近导弹武器所面临的真实电磁环境，解决这一问题的基本思路如图5所示。

图5 弹道迭代基本思路

也就是说，数字仿真系统还应具有接收半实物仿真平台在仿真试验过程中形成的弹道数据，并代入替换原有弹道规划数据，再次进行场景仿真的能力。

弹道迭代可以多次进行，以尽量真实地模拟被试导弹飞行过程中所面临的电磁环境。

2.3 战场电磁环境构建之电磁环境重构

电磁环境重构的基本方法是根据数字仿真的计算结果去驱动内场半实物仿真平台的各类电磁信号模拟器和天线面阵，产生具有典型战场环境特性的各类电磁信号并表现其变化过程，从而重现数字仿真中的规划场景，其目的是为导弹武器抗干扰性能试验提供逼真的战场电磁环境。

电磁环境重构场景配置如图6所示。

图6 电磁环境重构场景配置

3 基于电磁环境重构的导弹武器抗干扰半实物仿真技术

3.1 半实物仿真平台构成

基于电磁环境重构的导弹武器抗干扰半实物仿真平台是实施战场复杂电磁环境下导弹武器抗干扰性能试验与评估的基础条件，该平台依托于微波暗室，是一个具有较高实时性的半实物仿真系统。平台在统一的时间基准下，通过仿真主控计算机推动，将仿真重构计算的数据文件进行分发，并控制各种电磁信号模拟器输出信号通过天线阵列空馈输出，模拟导弹武器面临的威胁电磁信号环境，同时通过三轴飞行转台承载参试导弹导引头并模拟飞行姿态，以此构建逼真的攻防交战过程，通过试验数据采集并依据评估准则进行分析和定量评估，给出评估结果，检验导引头在威胁电磁环境下的抗干扰性能。

半实物仿真平台硬件主要由仿真计算机群、复杂电磁环境模拟分系统、复杂电磁环境监测分系统、阵列馈电分系统、三轴飞行转台、时统等组成，平台组成框图如图7所示。

3.2 仿真试验流程

以反舰导弹导引头为例，说明半实物仿真平台开展仿真试验的工作流程：

1）试验准备

a）试验前，参试导引头安装于三轴飞行转台上，并进行初始角度校准。

b）根据试验大纲编制试验场景文件，由试验规划计算机进行场景设置（根据试验项目内容，设置典型试验场景、干扰战术和干扰技术）。

c）进行数字仿真计算，形成逼真战场电磁环境信号数据文件。

d）试验规划计算机将数据文件传送给仿真主控计算机，由其进行分解，形成各分系统的控制文件并分发，各分系统按此文件完成系统初始化。

2）仿真试验

初始化完成后，由仿真主控机下达启动仿真指令，各分系统按照仿真场景的规划，在统一的时间基准下，同步开展以下工作：

a）仿真主控计算机将规划场景及弹目实时坐标位置送试验规划计算机进行视景仿真显示。

b）仿真主控计算机将数据文件中的弹目位置信息及目标特征参数发送给目标模拟器，产生实时目标特征信号（目标的散射特性由给定的散射系数实时卷积并调制形成）。在此，需要接收到导引头信号后才产生相参目标回波输出，否则目标模拟器无输出，但仿真过程中的位置、延迟等计算一直进行。

c）仿真主控计算机将目标在参考坐标系下的位置坐标换算为在天线阵列上相对于零点的角度信息，将此信息传给阵列控制计算机。阵列控制计算机形成最终的目标阵列位置信息，这个信息就对应于目标阵列上某一个特定三元组内的某一个特定的点。

图7 半实物仿真平台组成框图

d）各环境模拟器接收从仿真主控计算机送来的电磁环境特征信息，产生场景设置的各类雷达和干扰信号及其特征，环境雷达及干扰信号通过阵列馈电的选通后，由天线阵列的干扰天线发射（目标和自卫干扰信号通过目标阵列发射，背景和支援干扰信号通过干扰阵列发射）。

e）当弹目位置到导引头预定开机位置后，仿真主控计算机控制导引头开机（导引头也可在仿真试验一开始即开机），开始搜索跟踪目标，导弹进入雷达末制导阶段，参试导引头接收到信号后，完成目标导引，将测量参数和导引头状态一路输出到弹道仿真计算机，另一路由数据录取计算机进行实时记录，供事后评估分析。

f）弹道仿真计算机根据导引头测量信息并结合惯导模型计算出的测量信息进行“惯性＋雷达导引头末寻的”的复合制导控制计算，并将计算结果形成的角度信息（弹体姿态信息）发送给转台控制器和仿真主控计算机，由转台控制器去控制三轴飞行转台的转动角度，完成对弹体姿态的控制。

g）仿真主控计算机接收弹体姿态信息后，根据弹目的飞行速度（预设），实时计算导弹和目标的坐标位置以及弹目相对距离，坐标位置送给试验规划计算机进行视景显示。在此，导引头开机前，仿真主控计算机按规划航迹计算弹目坐标，导引头开机自导后，导弹的坐标位置根据弹道仿真计算机实时计算给出的弹体姿态并结合预设弹速等参数而计算得到。

h）当仿真主控计算机计算得到弹目相对距离小于某特定距离阈值时，仿真试验结束；当仿真主控计算机计算并判断弹目相对距离由递减转变为递增，且持续特定时间阈值时，仿真试验结束。

i）试验过程中，各分系统实时记录各自的过程数据并打上时标，电磁环境监测及采集记录分系统也实时采集导引头天线口面电磁信号参数，供试验评估。

3）数据处理及评估

a）试验终止后，各分系统对记录数据进行处理，并将处理结果汇总给效能评估计算机，由其根据评估准则及评估模型，进行本次试验的评估，并给出评估结果。

b）系统也可设置相同场景，进行多次试验，并由效能评估计算机进行多次试验的综合评估，给出统计分析的评估结果。

在试验开始前或进行中，可通过实时频谱仪对试验区域内用频设备发射信号进行监测，并将监测结果发送给监控计算机进行监测，确认各用频设备处于正常工作状态。

试验生成弹道可以再次代入试验规划计算机进行弹道迭代仿真计算，并可再次进行半实物仿真，重复上述过程。

4 结束语

本文提出了一种数字＋半实物仿真相结合的逼真战场电磁环境构建方法，通过数字仿真手段进行战场电磁场景的规划、各种仿真要素的建模，并以被试导弹武器为中心，进行多要素影响条件下的电磁信号综合计算，再结合半实物仿真平台，进行战场电磁场景的逼真重构，为导弹武器抗干扰性能试验验证提供了一种全新的、既贴近实战又非常经济有效的复杂电磁环境逼真构建方法。

［1］何立萍.战场电磁环境及其对导弹武器装备的威胁［J］.航天电子对抗，2009，25（1）：1－3.

［2］王晶.虚拟战场电磁环境构建方法研究［J］.现代防御技术，2009，37（6）：11－16.

［3］陈进宝.复杂电磁环境下导弹作战面临的挑战及对策［J］.装备环境工程，2010，7（3）：92－95.

［4］戎建刚.威胁电磁环境的定量描述方法［J］.航天电子对抗，2013，29（4）：18－21.