空战场雷达电磁环境仿真系统设计与实现

张 杨，石 川，耿宏峰，乔会东

（中国洛阳电子装备试验中心，河南 洛阳 471003）

空战场雷达电磁环境仿真系统设计与实现

张 杨，石 川，耿宏峰，乔会东

（中国洛阳电子装备试验中心，河南 洛阳 471003）

构建逼真的战场电磁环境是未来信息化条件下作战、训练的迫切需要。在分析空战场雷达电磁环境特点的基础上，采用功能仿真的方法，利用信号描述字模型，设计并实现了一个空战场雷达电磁环境仿真系统，该系统可以实现对多种体制不同密度级的雷达信号环境仿真，并支持电磁环境态势的实时显示，可以为信息化联合训练以及空中作战系统的研制提供一定的环境背景支持。

空中战场，电磁环境仿真，雷达信号模型，脉冲描述字

0 引言

被誉为现代高技术缩影的空战场是运用现代高技术最多、最密集的领域之一，各种先进电子武器装备的广泛应用使有限的空间电磁环境变得更加恶劣复杂。未来空战场复杂电磁环境不仅影响到各类电子装备的效能发挥，也直接影响到整个部队的战斗力和战场生存能力。

雷达辐射源在战场各种辐射源中占有重大比重［1］，武器平台在不同的时段要面临包括侦察预警、雷达探测、雷达干扰等不同地域、不同频段、不同类型的各种雷达电磁威胁，进行雷达电磁环境的仿真研究对于战场电磁环境的研究具有一定的代表性和普遍意义。如何把握雷达对抗电磁信号特点规律，构建贴近实战的可视化电磁环境，已经成为信息化条件下联合作战和训练的迫切需要。本文以飞机空中突防作战为战术背景，采用功能仿真方法，构建了全数字雷达电磁环境仿真系统，并完成了预设战情下的仿真实验。

1 空战场雷达电磁环境特点

空战场电磁环境是指在空战场一定时空和频段范围内，以空间自然电磁环境为背景，人为电磁活动为主体，由空域、时域、频域、能量上分布的多类型、全频谱、高密度、动态交迭的电磁辐射信号构成的，对电子信息系统、信息化装备和作战产生显著影响的电磁环境［2］。防空作战中，战场地理环境、装备种类及运动特性、战术原则都有其自身的特点，从而决定了空战场雷达电磁环境自身的显著特征［3-5］。

1.1 武器平台种类多、信号密级复杂

防空作战中，作战平台分布于不同地理位置，种类多、数量大、工作体制多样，工作频率集中，再加上作战方法的多样灵活以及自然条件的不确定因素，导致作战区域内的电磁信号高度密集，样式复杂多变。

1.2 空域、时域、频域环境信息实时变化

防空作战中，可以搭载的作战平台包括飞机、导弹等都是处于运动状态的，因此，导致雷达辐射源的辐射信号也是在空域实时变化的。同时为了实现有效的侦察、定位、干扰，在不同空间，不同时刻，雷达的开机时间、工作模式、干扰样式、信号强度等都会发生变化，这就造成了空战场雷达电磁环境的空、时、频域的多变特性。

1.3 对抗性突出，双面性并存

超强的对抗性，是空中战场复杂电磁环境的突出特点。为了取得战争的胜利，作战双方需要通过侦察与反侦察、干扰与反干扰、压制与反压制、摧毁与反摧毁等一系列对抗活动来加强对对方装备的侦察、监视、跟踪，打击。但在电子信息系统制发射电磁信号，影响和制约对方的同时，也可能会影响到自己，在一定程度上降低己方电子信息装备的性能。对抗性和双面性并存的特点，使电子信息装备工作在更加复杂的电磁环境中。

1.4 作战环境的局部可控

作战过程中，对抗双方根据对战场态势的判断，对参战兵力进行有计划的部署和调动，环境中的可控制部分主要为双方武器平台和装备，以及作战计划、空情规划、时序控制等。这也为电磁环境建模仿真的实现提供了基础。

2 空战场雷达电磁环境仿真系统设计

2.1 系统组成

结合上述特点，进行空战场雷达电磁环境仿真系统设计。仿真系统以飞机空中突防作战为战术背景，利用计算机模拟产生能反映目标雷达电磁信号、己方雷达电磁信号以及其他背景信号的综合电磁信号环境数据，并基于MapX实现作战空域内或突防航线上电磁环境态势的统计分析和实时显示。系统组成如图1所示。

空战场雷达电磁环境仿真系统主要包括电磁环境仿真与显示和电磁环境数据库管理与应用两大功能模块。

电磁环境仿真与显示模块包括战情管理、仿真管理与控制和仿真结果显示3个子模块。战情管理模块根据空中的任务特点编制战情，并形成战情文件供仿真管理与控制模块调用；仿真管理与控制模块通过调用战情文件进行参数设置，根据仿真模型进行雷达信号传播过程仿真，生成预定空域的电磁信号环境数据；仿真结果显示模块实现可视化输出，输出结果包括数据文件、统计图表和基于电子地图的二维电磁态势显示。

电磁环境数据库管理与应用模块包括数据库和数据库管理软件两部分。数据库包括雷达装备数据库、雷达干扰装备数据库和仿真结果数据库3个子库，分别存储雷达、雷达干扰装备和信号特征参数以及仿真结果数据。数据库管理软件完成用户管理和数据添加、删除、修改等功能。

2.2 雷达电磁环境仿真模型

仿真系统采用功能仿真的方法进行作战空域的电磁环境仿真，利用基于信号描述字的电磁环境特征表征方法构建电磁环境仿真数学模型，仿真模型分类如图2所示。

2.2.1 信号环境模型

信号环境模型包括雷达信号描述模型和雷达干扰信号描述模型。

通常突防飞机所在位置面临的电磁环境由该处接收到的雷达辐射源脉冲信号流表示，仿真系统的信号环境模型主要采用脉冲流描述字（PDW）模型描述［6-7］。

雷达信号描述模型包括5项参数：脉冲前沿到达时间（TOA）、脉冲载频（RF）、脉冲宽度（PW）、脉冲功率密度（PD）、脉冲到达角（AOA）。由于雷达装备型号和用途不同，各个参数的特点、分类也不同，仿真中的模型分类如图3所示。

雷达干扰信号包括欺骗干扰和噪声干扰，其仿真模型分类如图4所示。其中欺骗干扰信号样式与雷达信号样式一致，其数学描述模型参见雷达信号描述模型。噪声干扰信号采用噪声信号描述字（NDW）描述。主要包括以下参数：噪声调制类型（NM）、噪声平均功率密度（PD）、噪声干扰信号带宽（NBW）、信号到达角（AOA）等。

文献［6，8-9］已经对上述模型进行了叙述，本文不再详细说明。

2.2.2 信号统计模型

通过对时域、频域、功率域等的仿真信号结果统计分析，实现电磁环境态势显示，主要完成装备体制-装备数量，信号频段-装备数量，信号频段-脉冲数，功率密度-脉冲数，合成功率密度峰值-到达角，信号频段-合成功率密度峰值，脉冲宽度-脉冲数的统计分析。

2.2.3 天线模型

天线模型按照扫描样式建模。当雷达装备与飞机间距离小于跟踪距离，雷达处于跟踪状态，此时扫描方式为固定指向，归一化天线方向图函数F（θ）=1；当雷达装备与飞机间距离大于跟踪距离，雷达处于搜索状态，此时扫描方式为圆扫或其他扫描方式，归一化天线方向图函数受雷达波束形状和扫描方式的影响。

2.2.4 传播模型

传播模型用于计算电磁信号的空间传输损耗，主要由系统发射损耗和大气传输损耗两方面构成，如式（1）所示。其中系统损耗可以根据装备资料查表得到。

大气衰减主要考虑对流层折射、吸收的影响，则大气对电磁波信号的损耗为：

2.2.5 共用模型

仿真中，装备平台和突防飞机的位置信息由地理纬度、经度、海拔高度来确定，采用的是WGS84坐标（大地坐标系）。在进行环境信息计算时，要在以突防飞机为原点的直角坐标系下计算信号传播距离、到达角等信息，因此，需要进行坐标转换，分以下两步进行。

首先，分别将装备平台和突防飞机的大地坐标（L，B，H）转换成空间大地直角坐标（X，Y，Z），转换模型为：

其次，将装备平台的空间大地直角坐标（XD，YD，ZD）转换成以突防飞机为原点的垂线坐标系中的坐标（XC，YC，ZC），转换模型为：

式中，λ0、φ0是突防飞机天文经纬度，可以由其大地坐标经纬度计算得到；XD0、YD0、ZD0是突防飞机的空间大地直角坐标。

仿真系统中的平台运动模型根据运动航迹不同，分为直线型、跑道型和自定义型。其中自定义航迹是根据战术规划，自行设计的任一平台运动轨迹。

2.3 软件结构设计

利用面向对象的方法进行软件结构设计。仿真软件由数据库和应用软件两部分组成，其中数据库主要用于存储装备信息和用户信息；应用软件包含战情设置与管理、仿真管理与控制和数据库管理与应用3个软件配置项和用户管理软件部件。仿真软件层次结构如图5所示，其中软件基础层包含软件实现所需要的控件或基础类包，软件中间层包含通用的服务和数据，软件应用层包含应用3个配置项及用户管理有关的类和包，具体说明如表1所示。

2.4 系统仿真流程

一般辐射源信号发射是独立进行的，在进行突防飞机某位置的仿真时依次计算每部装备产生的电磁环境信息，然后将所有装备的信息进行稀释排序，就得到当前位置的雷达电磁环境信息。系统仿真流程如下页图6所示。完成初始化设置和参数设置后，进行突防飞机当前位置的电磁环境信息计算。每推进一个步长，就计算飞机所在位置的雷达电磁环境信息，飞机按预设战情完成飞行任务后，就可以获取并实时显示整个突防航线上的电磁环境态势。

雷达脉冲描述字（PDW）的生成需要考虑到排序和重叠问题。PDW数据流排序是按照TOA先后顺序对各个脉冲进行排序，方法有冒泡排序、两分法，归并法和快速排序等，随着元素数目的增加，快速排序法是最快的排序方法之一。软件中选用VC中自带的快速排序函数sort（）对存放PDW数据流的动态数组进行排序。

对于同时到达的脉冲信号，现实中处理的方式比较复杂。在数学仿真实现时，有脉冲合并、简单丢失、按某种参数优选、随机产生新脉冲等方法［10］。仿真系统中采用脉冲合并的方法对排序后脉冲流信号进行处理，按照到达时间的先后，丢失其中一个或几个脉冲，将其合并为一个脉冲。脉冲合并过程如图7所示，合并流程如图8所示。

3 仿真实验

设置突防飞机沿某跑道型航迹飞行，读取预设战情文件，利用雷达电磁环境仿真系统进行仿真实验，得到飞机整个突防航线上的电磁环境仿真结果。参与仿真的装备类型如表2所示。

下页图9～图14给出了突防飞机在坐标位置为：经度119.98°，纬度26.025°，高度1 000 m时的部分仿真统计结果。

从图9、图10与表1对比可以看出，装备体制统计结果与参数设置一致，表明当前位置所有装备都处于工作状态。图11、图12显示了当前位置脉冲流的频域分布，从图中可以看出，雷达信号集中于P、L、S、X波段，且在L波段数量较大，表明当前雷达装备多数工作于L波段；雷达干扰信号集中于S、C、X波段，且脉冲数量在各波段分布比较均匀。图13、图14显示了在突防飞机观测系下功率密度的空域分布，这里到达角为突防飞机-辐射源连线方向的方位角，从图中可以看出，雷达信号覆盖方位范围较大，且在216°～252°区间的强度最大；雷达干扰信号覆盖方位范围小，分布均匀。

通过对飞机整个突防航线上电磁环境进行仿真分析，实时观测空域电磁环境特点，可以看出在不同突防阶段，电磁环境的特性相差很大，充分显示出空战场电磁环境在时域、空域、频域复杂多变的动态特性。仿真结果与参数设置、战情规划一致，基本上正确反映了飞机突防空域的电磁环境信息。

4 结束语

在未来信息化条件作战中，战场复杂电磁环境将对各类信息化武器装备及部队作战能力产生严重影响，迫切需要开展复杂电磁环境研究。本文围绕未来空中战场电磁环境研究需求，在分析空战场电磁环境特点的基础上，利用数学仿真的方法，构建了功能级的空战场雷达电磁环境仿真系统，并进行了仿真实验。仿真结果表明，系统仿真模型能够较全面地反映预设战情下辐射源的信号特性，仿真系统可以实现对多种体制不同密度级的雷达信号环境仿真，可以为信息化联合训练以及空中作战系统的研制提供信号环境背景支持。

［1］吴委，廖学军.战场电磁环境仿真中的雷达信号建模与仿真［J］.计算机技术与应用进展，2008（9）:158-163.

［2］王汝群.战场电磁环境［M］.北京:解放军出版社，2006.

［3］赵晶，刘义，来庆福，等.防空作战电磁环境建模与仿真［J］.系统仿真学报，2012，24（2）:258-262.

［4］王兴华，雷文太.空中战场复杂电磁环境分析［J］.装备环境工程，2009，6（2）:93-97.

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［7］洪丽娜，狄东宁，王华兵，等.空战场全数字模拟电磁环境表示方法［J］.航天电子对抗，2013，29（1）:35-38.

［8］刘娜，时海，杨建华.虚拟战场电磁环境雷达信号建模方法［J］.指挥控制与仿真，2007，34（6）:98-102.

［9］蒙洁，汪连栋，王国良，等.雷达电子战系统电磁环境仿真［J］.计算机仿真，2004，30（12）:21-24.

［10］江绪庆.多辐射源雷达信号环境仿真技术［D］.成都：电子科技大学，2006.

Design and Implementation of Radar Electromagnetic Environment Simulation System in Aerial Battlefield

ZHANG Yang，SHI Chuan，GENG Hong-feng，QIAO Hui-dong
（China Luoyang Electronic Equipment Test Center，Luoyang 471003，China）

It is important for future information-based battle and training to construct the reality battlefield electromagnetic environment.The characteristics of aerial battlefield radar electromagnetic environment are analyzed.Then a radar electromagnetic environment simulation system is designed and implemented based on function simulation method and signal describing modeling.The system can accomplish simulation for radar signals with multi type and density class.It also supports real-time display of the electromagnetic environment situation.The system can provide signal background for information-based joint training and aerial combat system development.

aerial battlefield，electromagnetic environment simulation，radar signal model，PDW

TP391.9

A

1002-0640（2015）10-0172-06

2014-08-05

2014-09-07

张 杨（1981- ），女，河南巩义人，硕士，助理研究员。研究方向：建模与系统仿真。