电子对抗系统数字化样机建设思路综述

刘德龙，陈 旭，张 琛

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101)

0 引 言

电子对抗系统的开发是一个十分复杂的系统工程。面对错综复杂的工作环境、性能提升的低截获雷达技术、日益强烈的反电子对抗手段，电子对抗系统需要越来越复杂，指标要求也越来越高。研制一个电子对抗系统，耗资大，周期长，难以预测的因素多，实验难度大，在研制时往往需要跨企业、跨部门、跨系统的多个团队共同完成。在这种由多个设计小组共同参与的项目中，层次化、模块化的设计流程可以大大方便项目管理，明确各个项目开发小组的设计目标，进而缩短产品的开发周期。而数字化平台建设及数字化样机研制工作使得研发的总体部门、各分机设计、加工部门在实践中不断完善工作流程、仿真流程，增进了跨部门合作，积累了过往工程设计经验，提升了项目总师、设计人员、管理人员素质和工作效率，缩短了新项目研发周期，提高了产品可靠性和功能扩展性能，增强了信息化体系作战条件下现代信息装备研制的核心竞争力[1]。

1 数字化样机建设现状

1.1 产品方案设计没有统一的仿真环境，模型不统一，难以共享与重用

系统设计模型分为3层：作战需求分析、产品方案设计和功能单元设计,对于每一层模型，设计与仿真形成闭环。其中，作战需求分析层由作战仿真软件支持仿真验证；功能单元设计层可以由相关的专业软件支持仿真验证；而产品方案设计层目前还没有能够支持仿真验证的环境。如图1所示，系统设计师一般的手段是构建相应的VC、Matlab仿真模型来仿真验证自己的设计。但是如图2所示，目前这些模型没有统一的仿真运行平台，导致建模没有统一的规范，难以统一管理而散乱于各个设计师自己手里，致使模型难以被共享、被重用；同时又由于模型难以被共享、重用，导致设计师仿真需要的重复工作多，工作量大，影响设计师的工作效率[2]。

图1 系统设计建模仿真中存在的问题

图2 已有模型难以重用

1.2 模型构建层次不清晰

由于数字化样机的研发技术和信号处理技术比较类似，研发团队一般也以该团队成员为主，因而当前数字化样机多为信号级样机。而这类样机优缺点明显，不能解决所有用户的需求，因此理清当前数字化样机建设需求与手段、清晰化模型构建层次是当前数字化样机建设的前提[3]。

1.3 现有仿真模型偏理想，未结合实测数据

目前，正常的产品方案设计都是做了仿真的，但是仿真主要考虑理想条件下的仿真，没有接入实际的数据进行仿真推演。大多数产品难以避免在被实际做出来之后，存在与之前的设计预期不符，甚至达不到所设计的功能和性能。如图3所示，天线方向的理想与实测相差较大；如图4所示，理想信号与实测信号的频谱也不尽相同。

图3 天线方向图的理想与实测之间有较大差异

图4 理想信号与实测环境信号

1.4 软件开发与调试依赖硬件实物

在电子战设备实际研发中，由于电子战系统软件部分的开发与调试较强地依赖硬件，导致软件部分的开发与调试往往需要等硬件部分有实物之后才能开展，进而使得电子战系统中的软件研发滞后于硬件研发，影响整个系统研发周期。特别是未来大数据、智能化、态势生成等真实的环境场景很难构建，因此需要建设数字化的仿真平台以满足软件开发需求。

2 数字化样机构建层次及目的

一般情况下，电子对抗系统的数字化样机在实现形式上分成功能级数字化样机、信号级数字化样机以及介于两者之间的一些其他形式的数字化样机，下面分别介绍这些数字化样机的优缺点及应用范围。

2.1 数字化样机的应用范围

2.1.1 功能级数字样机

功能级数字样机由于计算量少，因此可以实现实时处理，能够支持多系统之间的实时在线仿真。这类数字化样机主要用于作战场景的展示以及战术战法的推演，从而可充分了解每个设备中各项指标的重要性，对装备指标体系建设有一定的帮助。但是功能级的数字样机由于仿真颗粒度过于粗糙，无法用于指导设备研制。

2.1.2 信号级数字样机

信号级数字化样机的仿真重点在于数字信号处理与波形调制部分的算法模拟与展示，这类仿真的优势在于对信号处理部分的仿真逼近了真实情况，因此可以通过信号级数字化样机的仿真推算出设备的基本性能指标，指导设备的研制。一般这类仿真是将仿真时间内的所有数据加载到内存中集中计算处理后再统一展现，典型的仿真软件有systemvue等。由于其计算量较大，若没有现场可编程门阵列(FPGA)等硬件的支持与加速，无法实现实时的仿真计算；因此，几乎无法实时支持对后端信息处理仿真所需要的数据，也无法满足多系统之间的联合调试。

2.1.3 数据级数字样机

数据级数字样机是基于雷达脉冲描述字(PDW)的仿真。这类仿真实时运行在CPU和图像处理器(GPU)之中，主要为了验证电子对抗系统的信息处理软件实现能力、分系统协同能力和整机工作流程实现能力，解决软件开发与调试依赖硬件实物和测试环境的问题。这类仿真利用模拟器构建数据流，因此可以实时验证多传感器融合，综合态势生成、威胁估计等软件效能，提高对抗设备的智能化水平。

2.2 数字样机建设需求分析

根据以上论述可知，不同层级的数字化样机的建设目标与建设需求是不一的，建设手段和建设方案也完全不同，因此总结仿真的层次化关系、仿真目的是非常必要的。现将各层级数字化样机建设的仿真需求、目的和建设方法总结如表1所示。

需求层次需求条目举例说明仿真需求要点仿真本质仿真环境与仿真方法多系统级联合仿真作战场景的演示展示作战战法的演示验证系统指标需求分析单雷达与电子对抗设备对抗流程演示组网雷达与多电子对抗设备对抗流程演示以平台对抗为基础,我方平台雷达+电子对抗设备面对敌方雷达+电子对抗设备进攻防守演示验证电子对抗设备指标与作战效果的联系界面展示性强、实时性效果好界面展示性强、实时性效果好界面展示性强 雷达方程+干扰方程的时空域展示平台对抗作战流程验证,本质就是找出雷达仿真+干扰方程的“极点”,寻找某设计定型的电子对抗和雷达设备获得最佳对抗效果的作战战法本质即找出设备各指标之间与作战效果之间的关系,确定最佳设计平衡点,比如灵敏度与截获概率之间的平衡点,干扰功率和作战效果之间的平衡点面向对象的界面编程;系统辐射源描述字(EDW)功能级仿真面向对象的界面编程;系统辐射源描述字(EDW)功能级仿真;2个方程寻找极点的仿真Matlab;加入环境场景的2个方程的约束与极点寻找的仿真系统级仿真软件能力与流程分析验证态势生成、威胁估计、智能训练、工作流程仿真等构件软件输入与输出闭环,搭建软件环境模拟器模拟战场数据(硬件处理后的)作战效能的推理分析基于作战场景的侦察截获概率仿真、干扰效果的仿真;雷达抗干扰样式仿真实时性较弱,抓住核心对抗点,部分算法可简化仿真2个系统之间的信号处理和流程之间的对抗PDW功能级仿真;利用数据模拟器实现分系统级仿真系统性能指标验证系统灵敏度验证;系统测向精度验证;系统信号检测能力验证;干扰波形生成能力系统工作流程验证接收机与微波控制流程验证;动态DBF、动态信道化算法验证等系统架构的1∶1搭建,仿真准确性需要较高,能够与设备保持一致验证复杂环境下系统的各项性能指标:比如验证不同方位、俯仰下信号的灵敏度,以达到指导设备调试的目的。寻找系统最优控制流程,保证在一定硬件设备下,达到系统能力的最优化实时性信号级仿真分机级仿真分机算法验证、分机性能指标验证、分机工作流程验证模块性能指标验证微波系统的性能指标仿真验证接收机多信号同时到达、测向解模糊、测频精度的仿真信号分选与识别算法仿真验证微波模块的性能验证,比如滤波器的性能验证仿真结果准确,能指导设备研制仿真结果准确,实时性需与装备一致仿真结果准确,能指导设备研制寻找微波系统的搭建最优方案Systemvue、Matlab等其他仿真工具(信号级仿真)仿真验证复杂环境下接收机算法的缺陷点,寻找最优接收处理算法实时性信号级仿真仿真验证信号分选准则的正确性、识别算法的准确性、算法的最优方式等PDW信号功能+非实时性数据处理仿真(Matlab+GUI)验证微波模块设计的最优方案

3 数据级数字化样机建设思路和总体方案

3.1 基本思路

如图5所示，根据集成产品开发(IPD)流程结合系统工程设计方法，系统的设计应分为以下3个步骤：(1)作战需求分析；(2)系统方案设计；(3)子系统(模块)方案设计。其中作战需求分析需要通过功能级数字化样机给出电子战效能级模型；系统方案设计主要采用PDW功能级数字化样机，验证电子战整机的态势生成与资源管理架构、整机工作模式、工作流程；子系统级方案设计，主要完成对电子战接收处理指标验证、干扰波形调制能力验证。因此总结数字化样机的建设思路如下：

图5 系统设计与仿真业务流程示意图

(1) 明确各层级数字化样机的定位

明确数字化样机的面向对象和建设目标，从而确定数字化样机分几个层次、几个团队分别建设。要充分发挥每一个层级的数字化样机的优点，分别解决设计中的一些问题。不能总想利用一个层次的数字化样机解决不同层次的问题，这样是不科学的。

(2) 统一的仿真环境、模型

团队内部数字化样机的建设需要选择统一的仿真环境、统一的实现架构、统一的共享形式、统一的模型说明，才能使得数字化仿真变成组织级别的资产，为组织未来的发展提供动力，使得数字化仿真意义扩大化。另外需要建立共享机制，扩大团队信息共享，提高科研水平。

(3) 一步一个脚印地更新仿真的准确性

马克思哲学中阐述了认识的本质和过程：实践是认识的基础，认识是实践基础上主体对客体的能动反映，认知可以指导实践，实践可以改变认知，这是一个循序渐进、螺旋式上升的过程。建立数字化样机也是一样，一开始不能要求太高，太多的需求可能导致实现困难，工作难以开展。一方面，应当在目前的认知条件下，先做一个基本的样机架构，完成基本的功能，获得基本的成果后逐步前进；另一方面应当在已有数字样机的基础上，结合更多的实测数据，增强仿真的可信度。

(4) 分离软硬件数字化仿真，提升仿真设计效率

总的来说，对于天线与微波前端和接收处理、信号调制发射等硬件实现部分，可利用systemvue等软件，实现信号级仿真，从而达到更准确的仿真效果；对于软件处理部分，可通过开发前端数据模拟器，模拟各类接收机的PDW、EDW、雷达点迹、航迹等数据，而数字化样机运行架构应当与设备软件保持一致，这样可以使得数字化样机的开发成果与设备开发更易共享，节约人力资源。

3.2 总体方案

图6为对抗数字化样机建设总体框图，主要包括雷达模型、环境模型和对抗模型。仿真开始，由环境模型配置双方平台信息，主要包括：经纬度、运动方位、速度、雷达截面积(RCS)等，然后产生除了雷达与对抗两方的其他复杂电磁环境，送至对抗模型。接着雷达模型开机，发射电磁波(此处为雷达信号描述字)，通过环境模型计算其空间衰减与坐标转化，将雷达信号描述字送达对抗模型。对抗模型通过无源侦察模型接收环境模型中传输的复杂电磁环境，也包括雷达模型通过环境模型发至侦察模型中的雷达信号描述字，通过智能化决策后由干扰模型输出干扰信号描述字送至环境模型送达。环境模型根据目标方的RCS、雷达信号功率、两者径向运动速度、云、雨等背景影响计算雷达回波，再根据干扰信号描述字生成雷达真实接收的基带信号，送至雷达接收机。接收机根据回波计算雷达点迹和航迹，将其送至环境模型，环境模型依照两者真实的方位、速度进行判决，将干扰真实效果送至对抗模型，由此形成闭环，可供机器学习算法实施训练。

图6 对抗数字化样机建设总体框图

4 结束语

本文首先分析了数字化样机建设现状，总结了当前存在的问题；通过分析当前几种常见的数字化样机建设模式，总结其优缺点及适用范围；然后从需求的角度出发，给出了各层级数字样机的需求层次、仿真要点、仿真本质和适用仿真环境等；最后给出了数字化样机的基本建设思路和总体方案。