一种电子战训练仿真系统的设计

许 坤 张名明 郑 俊

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所 扬州 225001)

一种电子战训练仿真系统的设计

许 坤 张名明 郑 俊

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所 扬州 225001)

论文设计了一种电子战训练仿真系统,可用于构建作战区域,进行战情设置、演练,用于对电子战操作人员进行日常训练。给出了训练仿真系统的设计方法,并应用该系统提供的数据,模拟了协同无源定位的功能,从而验证了该系统的可行性与有效性。

电子战; 训练仿真系统; 建摸

Class Number TP391

1 引言

电子战系统是一种高科技军用电子设备,其作战效能与电子战指战人员应用电子战装备的水平密切相关[6]。电子战指战人员战技水平的提高重在平时的长期训练,在战时才能熟能生巧,充分发挥电子战装备的性能,达到控制电磁频谱的目的。在现代高技术电子战场,电子战系统可能面对数百部多种体制的雷达形成的高密度复杂电磁信号环境,依靠外场用真实电子设备产生这样的电磁信号环境[6,12],不论人力物力都存在极大的困难。而电子战训练仿真系统的开发与应用能够有效地帮助我们实现平时的训练目标[1]。

要实现仿真，核心是寻找所研究系统的替身，这个替身就是模型。模型是对某个系统、实体、现象或过程的一种物理的、数学的或逻辑的表述[7]。模型的建立是对系统进行仿真的基础[4～5,9,11]。模型一般分为物理模型和数学模型两类，根据采用模型的不同，可把系统仿真分为实物仿真、半实物仿真和计算机仿真三种[4]。其中，计算机仿真以数学模型为基础，使用数学模型代替实际的、设计中的或概念中的系统进行试验，用定量化的方法分析系统变化的过程。

本文设计的电子战训练仿真系统，即属于计算机仿真范畴。用计算机模拟复杂电磁环境；模拟对目标信号的侦察识别并把识别结果发送到电子战指挥分系统；模拟干扰机的目标跟踪与干扰发射状态。这种训练仿真系统可在日常作为电子战模拟训练的工具，配合电子战指挥分系统完成对操作人员的训练。

2 仿真系统建模

2.1 作战区域与坐标系

作战区域是敌我双方交战的空间。这是一个多维空间,包括时域、空域、频域等多种因素。在构建作战区域模型时,要考虑到把全部的参战兵力都容纳进来,整个作战行动在多大的地域范围展开,在距离多远时双方开始对抗,是否考虑高度的影响等等[3]。在此基础上,建立方便于作战仿真运行的坐标系。

针对海上电子战的具体特点,对于水面舰艇之间的对抗,掠海飞行的反舰导弹等,可以在二维空间建立作战区域模型[3]。对于有飞机参战的情况,高度会产生影响,若模拟逼真度要求很高,可考虑建立三维空间模型。当作战区域尺度较大时,高度的影响下降,则可简化为建立二维空间模型。

关于坐标系,在二维空间模型中,以我方平台初始位置为原点建立直角坐标系是个可行的选择。当建立三维空间模型时,既可选择使用大地坐标系(λ、φ、h),也可考虑使用三维直角坐标系(X、Y、Z),见图1(这里把地球简化为规则的球体)。

图1 大地坐标系与直角坐标系

二者之间的转换关系如下:

(1)

式中:λ、φ分别为地球的经度、纬度；h为相对地面的高度；R为地球半径。

本文建立的坐标系是三维空间模型中的大地坐标系。

2.2 参战兵力

海上电子战建模涉及的双方兵力包括有舰艇、反舰导弹、飞机等平台类型。我们必须详细设定各参战平台的相关属性,布置各平台的态势分布。

对于敌方平台,主要考虑其初始位置、运行速度、运行轨迹、携带辐射源的数量、携带辐射源的开关机时间、携带辐射源的信号特征等。

对于我方平台,主要考虑其有效反射面积RCS、初始位置、运行速度、运行轨迹、可采取的对抗措施等。其中RCS值是一个重要属性,它随入射角不同而变化。可根据实测RCS数据建立数据库,通过查表获取RCS值,或通过计算与入射角有关的RCS公式来获得。平台运行轨迹用方程来表示。

2.3 作战仿真控制

作战过程用仿真时钟来控制。每隔一个时钟周期,依据运动方向和速度解算各参战平台的坐标位置,推导各目标平台相对于我方舰艇的方位、距离、俯仰,并判断目标平台携带雷达的工作状态和我舰电子战干扰措施的实施状态。

作战仿真的结束可以由人工来控制。对于对抗反舰导弹的仿真过程,也可以通过判断导弹是否已击中我舰,来结束仿真。

3 仿真系统设计

3.1 设计思路

仿真系统由战情设定、战情演练、数据库管理、综合显示等功能模块组成,每个模块又包含若干个子模块。见图2。

图2 电子战训练仿真系统模块组成

3.2 战情设定

平台设定:设定海上目标平台(舰艇)数、空中目标平台(飞机、导弹)数。

辐射源设定:设定目标平台携带的辐射源参数。辐射源参数较多,包括载频、重频、脉宽、功率、天线扫描方式、天线扫描周期、雷达开机时间、雷达关机时间等等。对这些辐射源参数的设置可分为两类:对雷达开机、关机时间,可直接输入设定；对载频、重频等其它参数,可在雷达目标库中选择。

运动轨迹设定:设定各平台初始位置及运行轨迹。采用大地坐标系(λ、φ、h),并对高度维作简化设计:h=0,则平台坐标可简化为用(λ、φ)来表示。

海情设定:设定风速风向。

3.3 战情演练

战情演练的过程由仿真时钟控制。时钟在战情演练命令下发时即初始化归零,此后按照仿真步长周期性触发,统一各平台的解算步骤。

平台位置解算:是后续参数解算的基础。根据预案中对敌我双方平台的运动轨迹设置,依据时钟计算当前时刻各运动平台的位置。

目标方位距离解算:根据敌我双方平台位置,解算目标平台至我方平台的真方位α和距离S。

设某一时刻我舰位置为A(λm,φm),目标位置为B(λe,φe)。根据大地坐标系(λ、φ、h)与三维直角坐标系(X、Y、Z)之间的转换关系式(1),把我舰位置和目标位置转换为直角坐标,有:

A(λm,φm)→(Rcosφmcosλm,Rcosφmsinλm,Rsinφm)

B(λe,φe)→(Rcosφecosλe,Rcosφesinλe,Rsinφe)

设O为地球球心,θ为A、B两点对O点的张角,由向量积公式有:

(2)

推导得:

=cosφmcosφecos(λe-λm)+sinφmsinφe

S=Rθ=R·arccos[cosφecosφmcos(λe-λm)+sinφesinφm]

(3)

目标的真方位α为

(4)

考虑电子战侦察机测向误差,假设该误差分布为0°～1°范围内的随机分布,则ESM信息中的方向码α′为

α′=α+(Rnd-0.5)·2

(5)

式(5)中,Rnd表示(0,1)之间的随机数。

侦收与探测判别:判断电子战系统前端接收机对敌方辐射源的侦收情况,对辐射源信号中不可接收到的部分进行过滤,降低处理密度。主要通过频率判别和距离判别进行处理。距离判别是指依据侦察方程(6)[1]计算侦察作用距离Rr,并与目标平台的实际距离S进行比较:若S>Rr,则滤除该平台上的目标信息。根据侦收判别的结果,发出ESM信息等。

(6)

式中:Pt为雷达发射功率；Gt为雷达天线增益；Gr为侦察天线增益；λ为信号波长；Psen为侦察接收机灵敏度。

目标跟踪回报:响应威胁目标引导命令,对引导的目标参数(目标载频、脉宽、重频等)与识别信息进行比较,如比对符合一定的容差,则回送目标已跟踪信息。对于消失的目标,则主动回送目标丢失跟踪信息。

3.4 数据库管理

目标库管理:可在目标库中添加新目标、删除既有目标,或者更新某个目标的参数,例如载频、重频、脉宽等。

预案管理:可添加预案、删除预案；若既有预案中个别参数不合理,达不到演练的目的,则可对该预案的相关参数进行更新并保存。

3.5 综合显示

战场态势显示:在构建的模拟战区中,包含我舰、友舰、敌方海上目标(舰艇)、空中目标(飞机、导弹)等平台。以综合态势显示描述双方兵力布置及其运动态势。

平台参数显示:显示各平台的当前位置、航速、携带的辐射源个数等。

演练时间显示:显示当前预案演练的时间(秒数)。

海情参数显示:显示当前风速、风向。

4 仿真系统应用

本节利用训练仿真系统提供的数据进行协同无源定位测试,并对测试结果进行分析,从而验证了训练仿真系统的有效性。

4.1 协同无源定位的原理

图3 测向交叉定位原理图

无源定位是指电子战系统在不发射电磁波的条件下获取目标的位置。无源定位一般需要多侦察站协同工作。多站协同定位的一种方法是,多站在同一时刻对目标进行测向,获得多条方位线,对这些方位线进行交叉定位即得到目标位置。这种定位方法也称为测向交叉定位[2]。

测向交叉定位的原理见图3。

假设两个侦察站的位置为(X1,Y1)、(X2,Y2),两站测得目标方位角为α、β,则目标位置(X0,Y0)应满足以下公式:

解得:

(7)

(8)

4.2 仿真条件设定

仿真条件设置如下:

我舰与友舰共2艘编队作战,对3艘敌舰实施协同无源定位。

初始位置:我舰(113°10′10″,20°10′10″),友舰(113°30′30″,20°10′10″),敌舰1(113°15′15″,20°50′0″),敌舰2(113°12′15″,20°40′0″),敌舰3(113°25′10″,20°30′10″)。

航速:我舰、友舰处于静止状态；

敌舰1以20m/s的航速沿北偏东60°方向行驶,敌舰2以20m/s的航速沿北偏东110°方向行驶,敌舰3以30m/s的航速沿北偏西15°方向行驶。

我舰和友舰的测向精度均为1°,测向误差均在0°～1°范围内随机分布。每3min进行一次定位,连续定位10次。

4.3 仿真结果分析

在训练仿真系统中,依以上条件设定战情并执行演练。

以我舰初始位置为原点、正北为Y轴方向建立直角坐标系,进行定位运算。

定位结果见图4～图7。

图4 对敌舰1定位结果与真实位置比较

图5 对敌舰2定位结果与真实位置比较

图6 对敌舰3定位结果与真实位置比较

图7 测向交叉定位航迹与真实航迹比较

在图7中,实心点为真实航迹,空心点为定位航迹。

由数据和航迹图可分析得出,在目标至侦察站距离超过两侦察站间距离时,目标越远,定位的误差越大；反之,目标越近,则定位的误差越小。与理论分析相吻合。

以上仿真结果,是电子战训练仿真系统应用于协同无源定位的一个例子,结果验证了训练仿真系统的可行性与有效性。

5 结语

本文介绍了一种电子战训练仿真系统的设计方法,对构建作战区域与建模提出了合理的建议。最后验证了该训练仿真系统的可行性与有效性。进一步的研究方向包括:创建功能更为完整的电子战仿真评估系统；对建立的数学模型进行优化、细化。

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Design of An EW Training and Simulation System

XU Kun ZHANG Mingming ZHENG Jun

(No. 723 Institute of CSIC, Yangzhou 225001)

This paper designs a type of training simulation system matching carrier-borne EW system. a war zone is constructed, scenarios are set and a drill is conducted using this training simulation system,which is helpful to perform daily training. Then,the design method of the training simulation system is given. At last, two-ship-cooperative passive location is simulated based on the data provided by the system. Thus, effectivity of the system is validated.

EW, training and simulation system, modeling

2016年7月12日,

2016年8月27日

许坤,男,高级工程师,研究方向:电子战仿真技术。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.018