复杂电磁环境下武器装备试验与评估*

孙 翱

(91550部队 大连 116023)

复杂电磁环境下武器装备试验与评估*

孙 翱

(91550部队 大连 116023)

未来信息作战战场环境的复杂性,主要表现为战场电磁环境的复杂性。同样,围绕复杂电磁环境试验的理论和相关技术问题亟需我们探索和解决。论文描述了复杂电磁环境对装备试验与鉴定的影响；提出了复杂电磁环境生成框架和剖面的构建方法,并进行了电磁环境特性分析与装备效能评估相关计算。

电磁环境; 生成框架; 评估; 靶场; 试验

Class Number O44

1 引言

20世纪90年代,北约通过多种渠道获得了大量的苏式电子设备,建立了抗电子干扰专业训练基地——波利冈(Polygon)电子战靶场,通过与作战对手电子装备实体的针对性训练,北约军事力量的复杂电磁环境下作战和生存能力得到了显著提高[1]。1983年,北约成立了一支规模很小却拥有丰富经验的专业部队——多军种电子战支援大队。作为一支电子战力量假想敌,该部队承担为训练和试验提供逼真的电磁威胁环境,配合部队进行电子战强化训练。同时,美军大西洋电子战靶场配备的大量电磁信号模拟器,可模拟多种武器平台电子战系统、通信干扰机和波段干扰机等用频设备发出的电磁辐射信号,为参训力量提供充满威胁的电磁环境,使训练更加贴近实战。

2 复杂电磁环境对装备试验与鉴定的影响

复杂电磁环境下装备试验与鉴定要求在典型战场复杂电磁环境条件下进行,和背景相对“干净”的简单试验相比,其试验内容的变化主要体现在:一是试验项目都将放在贴近实战的战场复杂电磁环境条件下进行,这是开展复杂电磁环境下装备试验与鉴定的必然要求；二是复杂电磁环境下装备试验与鉴定是对在不同复杂程度的电磁环境下装备战技术性能、作战使用性能、作战效能及因果联系进行验证和评定,这必然要求对被试装备在多种电磁环境下进行测试、检验、考核、分析和评定,试验的内容大大增加[2～4]。

2.1 试验方法

在常态的装备研制、试验和鉴定中,主要依靠外场进行试验。而在复杂电磁环境下,由于外场试验需要布设大量的配试装备和威胁环境来提供所需的贴近实战的电磁环境,这样试验代价大、周期长、信号的复杂度和参数也不易改变,不符合战场实际,而且由于试验条件和手段的限制,很多的试验场景外场无法提供。因此,仅仅依靠外场试验的方法对复杂电磁环境下装备进行试验是不现实的,必须充分发挥外场实装试验和内场计算机仿真、半实物仿真试验的作用,各种方法扬长避短、综合集成,尽可能有效地考核被试装备的作战效能。

2.2 试验系统

复杂电磁环境下装备试验与鉴定是在试验场所生成贴近实战的电磁环境,在对抗条件下进行的。在试验实施前,不仅要构建贴近实战的电磁环境,并对构建的电磁环境进行评估,还要根据被试电子装备的性能和作战任务进行试验战情想定；在双方对抗的试验过程中,要对电磁环境进行监测和管控,对试验战情进行导调,这些都是传统装备试验中未曾考量的。同时,电磁环境动态多变、需要采集数据量大而繁杂,加上试验方法的变化,必然对试验数据的采集和处理工作提出新的挑战。这一切必然要求试验组织系统进行相应地调整变化,以适应复杂电磁环境下电子装备试验的需要。

2.3 试验进程

复杂电磁环境下装备试验增加了贴近实战电磁环境的构建、评估和监测,对抗试验战情想定,试验过程中双方态势的战情导调,针对各个试验项目的试验规划等环节和步骤,由于试验内涵、要求、条件和环境的变化,这必然使得复杂电磁环境下装备试验与鉴定的流程相对于传统的常态下试验流程有较大变化,试验将围绕“武器装备(战术技术性能和作战使用性能)—试验战情想定(战法/作战运用方式方法)—作战效能(作战效果/因果联系)”三维视图来组织实施[5]。

3 电磁环境生成框架

针对武器装备试验和训练特点,通常电磁环境构建框架由电磁环境剖面、电磁环境生成、电磁环境监测和电磁环境控制四部分组成,见图1。其中,电磁环境生成、电磁环境监测和电磁环境控制这三部分构成了电磁环境生成的一个闭环流程。

电磁环境剖面是环境剖面的重要组成部分,是构建试验训练电磁环境的蓝图。参考GJB899《可靠性鉴定和验收试验》给出的任务剖面、环境剖面和试验剖面的定义,将试验训练电磁环境剖面界定为对训练过程中各种电磁信号源的分布及其电磁辐射随时间变化的描述[6]。电磁环境生成就是在预定试验训练地域内,按照电磁环境剖面设定各电磁辐射源,并通过调整各电磁辐射源发射电磁信号的频率、功率,以及信号辐射方向等参数,灵活模拟战场电磁态势。电磁环境监测是为了感知和掌握电磁环境的状态,利用专门的监测与侦查措施,对一定空间内的电磁辐射进行的监测和识别,并为训练提供客观、直观化、结论性的电磁环境数据。电磁环境控制就是根据电磁环境分析结论,对生成的电磁环境进行评估,与电磁环境剖面进行对照,为纠正电磁环境生成的偏差提供建议。

4 试验训练电磁环境剖面的构建方法

电磁环境剖面是构设试验训练电磁环境的依据,其可以从宏观和微观两个方面进行描述。宏观电磁环境剖面描述试验训练场地的总体电磁环境态势及其随时间的变化,电磁环境态势通常从频域、能域、空域、时域四个方面描述战场电磁环境的形态特征。微观电磁环境剖面描述试验训练场地内各具体电磁辐射源的分布及其电磁辐射随时间的变化。重点是根据各军用电磁辐射源的作战运用规律,包括辐射源的战场分布、机动、运用时机、用频规律等,描述各电磁辐射源随着试验训练进程其工作位置、工作频段、发射功率等参数的取值。构建试验训练电磁环境剖面的基本程序如下。

4.1 构建军事概念模型

试验训练电磁环境的构建应该是在特定的作战背景下来考虑的,因此,构建训练电磁环境的第一步是确定军事概念模型。在这里,军事概念模型描述的重点是敌我双方军用电磁辐射源的种类和数量、战技性能指标、工作体制、信号特征和组网方式,以及在联合作战中的作战运用规律,包括辐射源的编成隶属关系、战场分布规律、机动规律、运用时机、用频规律等[7]。

4.2 构建任务剖面

分析试验训练任务,构建任务剖面。任务剖面是在完成规定任务期间,所经历的事件和环境的时序描述,还包括了任务执行过程中面临的威胁、所处的环境和采用的战术等条件。试验训练任务剖面是根据训练的目的和想定,按一定的规则对装备保障任务剖面进行适当的简化处理后确定的。

4.3 典型电磁环境分析

现代战争面临的电磁环境十分复杂而且瞬息万变,要确切地描述清楚是非常困难的,只有通过研究敌我双方的电子对抗技术和战术、辐射源的性能,从大量个别、特殊的电磁环境中确定典型的电磁辐射源,推出一般的最具代表性、适应性和扩展性的典型电磁环境,并将其概括成在试验训练中能模拟的电磁环境。

4.4 构建试验训练电磁环境剖面

构建试验训练电磁环境剖面可以采取先总后分或先分后总两种方式。先总后分,即根据军事想定和考核方案,首先确定训练过程中不同阶段的宏观电磁态势,如初始电磁态势、若干中间电磁态势和最终电磁态势,然后对宏观电磁态势进行分解和分配。分解是按照系统论原理,将电磁态势分解为若干相互独立的要素即子空间。分配是利用功能分析或信号分析的方法,根据可获得的电磁辐射源,将电磁态势要求分配到各类电磁辐射源上,并进一步分配到各具体的电磁辐射源上。先分后总,即根据军事想定和考核方案,首先确定考核场地要配置的电磁辐射源的种类、型号和数量,根据作战、保障原则和考核方案确定各电磁辐射源的运用方式[8]。在此基础上,确定其主要工作参数与时间的关系图。在此基础上,经过综合计算可得出在训练不同阶段的总体电磁态势。

5 试验训练电磁环境生成和监测方法

经过多年的理论探索和实践,已总结出了很多构建复杂电磁环境的方法,这里将构建复杂电磁环境的基本方法归纳为实装模拟构设、模拟器材构设、计算机模拟构设和情况虚拟构设四种。在实际应用中,根据需要这些构设方法既可以单独使用,也可以几种方法综合使用。根据不同试验训练阶段对象、内容、方法的特点,可确定部队不同试验训练阶段电磁环境构设方法。由于靶场拥有的较大型的电子装备数量有限,而且,实装构建复杂电磁环境复杂、费用高,而计算机仿真模拟的技术性强。因此,在组织开展复杂电磁环境下试验训练时,要综合利用各方面资源,采取挖掘潜力自建、融入合成联建、依托基地构建等方法。

电磁环境监测是对一定空间内的电磁辐射进行的监测和识别,主要包括辐射源参数测量、目标识别和电磁态势分析等内容。

5.1 辐射源参数测量

辐射源参数测量是电磁环境监测的基础性工作,主要包括通过实时频谱、时频特性等多种电磁特征提取技术,借助行之有效的分析控制策略,自适应地对复杂电磁环境的频域、空域、时域参数进行测量。频域参数主要包括载波中心频率、频率带宽和多普勒频率；空域参数主要指辐射源的方向参数；时域参数包括了辐射源的工作时间特性,例如开关机时间、开关机规律和不同工作模式的转换时间等。

5.2 目标识别

目标识别通过对待识别辐射源的工作参数和特征参数进行分析,提取辐射源的特征,识别目标辐射源的体制、类型、型号、调制特性及可能的运载平台,判定辐射源的敌我/属性,确定辐射源目标的威胁等级。

5.3 电磁态势分析

电磁环境态势分析主要为管理和控制战场电磁资源提供客观的、直观化的、结论性的分析数据。战场电磁态势分析主要包括了敌我辐射源分布态势分析、电磁资源占用情况分析、电磁干扰态势分析、敌我电子对抗力量对比分析以及频谱控制与使用分析等内容。

构建与未来实战完全一致的复杂电磁环境既不切实际,也无法操作。这里提出的构建试验训练电磁环境的思路是:把战场电磁环境应力典型化,将其概括成在训练中能模拟的环境,根据作战和保障需求进行有选择性构建。以此为指导,提出了电磁环境剖面的概念,建立了训练电磁环境框架,分析了每一部分的主要功能和关键技术,为指导部队构建训练电磁环境提出了一套系统的思路和方法。

6 电磁环境构建模式

构建方法是从构建的手法来进行分类,而构建模式是从构建的层次和目的来分类。根据试验训练的不同层次和不同训练目的,电磁环境的构建也有不同要求,形成了不同构建模式。

6.1 模拟化专业训练电磁环境

构建某特定状态下的电磁训练环境,为单个训练对象如单兵种训练、单武器测试等制造逼真的虚拟电磁环境,使训练对象熟悉适应作战环境,暴露潜在问题,为制定辅助措施提供条件。例如,利用火箭测试发控模拟专业训练电磁环境,对发控人员进行复杂电磁环境下的飞行器遥测遥控、模拟发射训练；利用模拟太空电磁环境,检测航天仪器设备的防辐射性能等。

6.2 网络化指挥训练电磁环境

利用计算机网络技术、大规模分布处理技术等,将分布各地的单个武器平台及其仿真系统链接起来,构建虚拟的电子对抗环境,针对联合作战训练的需要,完成武器系统联合测试评估及部队联合训练,增强指挥训练的实战感。主要可分为信息采集电磁环境、通信传输电磁环境、智能决策电磁环境、管理控制电磁环境。其中,信息采集环境是指各种侦察系统构造的电磁环境；通信传输环境是指各个通信通道与节点；智能决策环境是指智能计算机、多媒体系统、文电处理系统及其他配套措施；管理控制环境是指各个检测、报警、控制装置。

6.3 基地化合成试验训练电磁环境

利用现有条件、武器装备,综合运用实物、半实物、计算机仿真等手段,在特定区域构造靶场真实电磁环境,以满足一定规模的训练、指挥、武器检验、电磁环境评估任务,例如一些大型武器试验场、联合战役训练基地等。为打赢信息化条件下的未来战争,必须运用各种技术手段营造近似实战的复杂电磁环境。构建的靶场电磁环境必须体现战场的电子对抗特色,具有战术背景功能；能够生成训练需要的各种电磁信号,生成信号灵活易控；仿真环境对训练效果的影响要能真实记录,客观评估。

7 电磁环境特性分析与装备效能评估

7.1 电磁环境特性分析

7.1.1 空域特性

海战电磁环境空域特性主要描述各种辐射源在空海域的分布以及电磁能量或场强在空海域的分布。它是无形的电磁波在有形的立体空间中的表现形态。海战中每个阵地分布着种类庞杂、数量众多、频率宽广、功率各异、辐射强烈的电磁波[9]。美航母编队配备的电磁辐射源超过2000个。通常使用三种形式来描述海战电磁环境空域特性:辐射源分布图、背景噪声辐射强度分布图和电磁辐射强度分布图。辐射源分布图主要根据平时和战时的情报和电子侦察监视情报显示敌我双方主要军用电子设备的部署位置及有关参数,包括辐射源种类、用途、发射功率、工作频率频段等技术、战术参数和敌我类型。背景噪声辐射强度分布图用来显示民用电磁辐射、自然电磁辐射、背景噪声的强度分布。电磁辐射强度分布图用来显示战场上任何一点在某一时刻,指定频率或频段上的辐射强度的分布。

7.1.2 时域特性

海战电磁环境时域特性主要描述电磁辐射在时间序列上的表现形态。海战中大量的电磁信号是交战双方有目的地控制电子设备实施有意辐射所产生的。在不同的作战时间,出于不同的作战目的,产生的电磁信号数量、种类、密集程度随时间而变化,且变化方式难以预测。从时域上看,有时表现为相对静默,有时表现为非常密集,即整体上持续连贯,但却会集中突发。通常使用各种电子信息系统工作时序图,电磁信号密度随时间变化趋势图,信号强度随时间变化函数图来直观表示电磁环境时域特性。

7.1.3 频域特性

海战电磁环境频域特性主要描述电磁辐射占用频谱的情况。现代海战空间上电磁信号几乎覆盖了所有的频段,电磁频谱的典型应用如图2所示。但由于大气衰减、电离层反射和吸收等传播因素影响,电子信息装备只能使用电磁频谱的几个有限的频段,在这些频段上,电磁信号密集重叠。例如,实际的雷达装备只工作在不连续的频段上,并非覆盖图中的整个雷达频段[10]。通常用电磁频谱图来表示电磁环境频域特性,即各种电磁辐射占用频率或频段及其在各种频率上能量分布的定量,用谱线的长短表示能量的大小。在电磁频谱图上,通过对照可以查出互扰频点和被敌方干扰的频点或频段。

7.1.4 能域特性

海战电磁环境能域特性主要描述电磁辐射强度,通常使用能量密度来描述。电磁能量密度的高低直接决定着对电子设备的影响程度。如电子干扰可以使雷达效能成倍下降,数据传输中断。因此,许多军事强国大力发展功率微波武器、电磁脉冲武器、高能激光武器等。

7.2 复杂电磁环境中装备效能评估

海战电磁环境具有信号密集、种类复杂、冲突激烈和动态交迭的特征,通常称之为海战复杂电磁环境。复杂电磁环境直接影响了探测系统的战场感知能力和通信系统的信息传输能力,导致探测系统作战效能大幅降低通信中断。

7.2.1 复杂电磁环境中雷达效能评估

假设雷达发现目标的概率为Pt和发现距离为Rmax,雷达接收到的信号与噪声功率之比为S/N,则发现概率和信噪比的计算公式如下:

(1)

式中,n为雷达一次扫描的脉冲积累数；S0为发射功率；Gt为天线增益；σ为目标雷达反射截面积；λ为雷达工作波长；R为雷达到目标的距离；ni为内噪声；nb为背景噪声；na为干扰噪声。因此,随着干扰噪声增大,雷达效能(Pt,Rmax)降低。

7.2.2 复杂电磁环境中制导系统效能评估

制导系统效能主要体现在对目标的跟踪精度和跟踪误差。理论和实践都证明,制导雷达接收到的信噪比越大,则它的跟踪精度就越高[11]。某制导雷达的制导精度σ2的计算公式:

(2)

式中,R为雷达到目标的距离；S/N为雷达接收到的信噪比；a1,a2,a3为常数。

在复杂电磁环境下,制导雷达制导概率计算公式为

w=1-e-0.5(D/σ)2

(3)

式中,D为制导距离。由式(2)可知,干扰噪声N增大,制导误差σ2增大,制导概率W减小。

7.2.3 复杂电磁环境对通信系统效能评估

复杂电磁环境中,通信效能主要评估因子为误信率和误码率,分别用于语音通信评估和数字通信评估,它们都是信噪比的减函数。在复杂电磁环境下,通信误信率和误码率与信噪比、通信质量成反比关系,当它突破门限值时,通信中断或通信距离减小。如,在大信噪比条件下,2FSK(二进制调频)数字通信误码率Pe为:

(4)

式中,Pi为信噪比。

7.2.4 复杂电磁环境中装备生存效能评估

复杂电磁环境中装备生存力是装备躲避和承受电子侦察、电子干扰和反辐射摧毁等攻击行为的能力,可以用雷达效能、制导效能和通信效能等指标来定量描述复杂电磁环境对装备系统生存效能评估。

8 结语

综上所述,要以装备试验考核为牵引,进一步完善环境构设方法。同时,以电磁威胁研究为重点,建立环境构设的典型目标。还要开展基于实兵对抗的武器装备试验模式是信息化条件下开展武器装备电磁环境适应性检验。在现代战争中,制电磁权、制信息权已成为战争结局的胜负手,信息化武器装备作战效能的发挥,与电磁适用能力息息相关。靶场就是和平时期的战场,只有立足于复杂电磁环境,开展与试验相结合的战法演练,对武器装备电磁环境适应能力作出考核评价,才能使装备在未来作战中立于不败之地。

[1] 赵新生.复杂电磁环境对炮兵作战效能的影响及对策[J].炮兵学院学报,2007(2):30-32.

[2] 漆明贵.复杂电磁环境下作战与训练研究[M].北京:解放军出版社,2007:36-71.

[3] 刘粤军.复杂电磁环境对作战指挥的影响及对策[J].国防大学学报,2007(1):26.

[4] Smith E. Effects-Based Operations: Applying Network Centric Warfare in Peace, Crisis and War[M]. Washington, DC: CCRP, 2002.

[5] 邵涛,胡以华,石亮,等.战场电磁环境复杂度定量评估方法研讨[J].电光与控制,2010,17(1):81-84 .

[6] 尹成友.战场电磁环境分类与分级国家军用标准[S] .合肥:电子工程学院,2008:19-46.

[7] Cebrowski A K, Garstka J J. Network Centric Warfare: Its Origin and Future[J]. U. S. Naval Institute Proceedings,1998,124(1):28-35.

[8] 李峥.全脉冲幅度信息分析的踏浪算法[J].电子对抗,2006(4):24-28 .

[9] 赵保军,刘涛,赵全习,等.复杂电磁环境威胁模型研究[J].现代防御技术,2009,37(4): 144-149 .

[10] 王宇翔.电子产品的电磁兼容性设计与实用经验[J].电子产品可靠性与环境试验,2010,28(4): 52-55.

[11] 陈立虎,张尔扬.一种新的评估电磁环境复杂度方法[J].电子对抗,2009(2):16-18.

Test and Evaluation on the Armament Based on Complex Electromagnetic Environment

SUN Ao

(No. 91550 Troops of PLA, Dalian 116023)

The complexity of the informational battlefield environment in the future mainly reflects in complex electromagnetic environment. The theory and technology questions of complex electromagnetic environment must be explored and settled. This paper describes the infection on the armament test of complex electromagnetic environment. It advances the constructional frame and building method of complex electromagnetic environment, analyses the speciality of the electromagnetic environment and calculates efficiency of the armament.

electromagnetic environment, constructional frame, evaluation, range, test

2016年10月8日,

2016年11月27日

孙翱,男,博士,高级工程师,研究方向:试验总体、测量控制。

O44

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.04.022