白 文 程小梦 任新涛 韦 娟
(1.中国人民解放军32206部队 榆林 719000)(2.四川九洲电器集团有限责任公司 绵阳 621000)
武器系统在训练过程中,雷达训练一般采用两种方法:一是外场测试,对真实飞机和导弹等实体目标进行探测跟踪;二是目标模拟,利用计算机技术模拟目标的雷达回波来完成探测[1~5]。虽然两种方法都能对雷达进行性能评估和验证,但前者需耗费大量的人力、物力、财力,并且灵活性差、复现能力差,更存在一定的泄密风险,现在广泛使用后者方法,即采用雷达训练模拟器对雷达系统及使用人员进行训练。
常规雷达训练模拟的原理图见图1。
从图1可以看出,常规雷达训练模拟器中,直接调用了雷达的部分模块以便减少成本,从发射到接收的内部通道见图2。
图1 常规雷达训练模拟系统原理图
图2 目标模拟内部通道结构图
雷达目标模拟的工作流程见图3。
图3 雷达目标模拟流程示意图
通过常规雷达模拟训练器的通道原理图和工作流程图可知,通过波束驻留模拟可以分时产生雷达多目标,通过延时发射完成目标距离模拟,通过和差通道幅相差异完成目标角度模拟[6~7],但常规雷达训练模拟器仍存在以下问题。
1)目标特性不真实
目标初始装订参数一般较为简单,只有位置速度等信息,虽然能调制出回波信号,但缺失了目标RCS特性,只能以基于统计的单散射点目标进行模拟。一般而言,雷达目标的统计类型按照起伏特点分为swerling1~5,这些模型虽然简便,却不准确。
当今战争面临的目标种类繁多,固定翼飞机、旋翼直升机、隐身飞机、巡航导弹、超音速导弹的RCS各有特点,宽带体制下常见单散射点模型更加不适用。而对目标RCS准确模拟是雷达进行检测概率分析和目标分类识别的前提。不考虑目标RCS特性的雷达目标模拟器在训练时严重影响作战策略和训练效果。
2)干扰模拟缺失
目前雷达模拟器中,雷达接收机的信号非常“干净”,仅包括目标回波信号和弹上设备应答信号。真实作战环境中,各种干扰应有尽有,包括噪声干扰(瞄准式噪声干扰、阻塞式噪声干扰、扫频噪声干扰、脉冲干扰、卷积噪声干扰)、欺骗干扰(距离拖引、速度拖引、距离速度联合拖引等)、假目标(多个均匀假目标或多个独立假目标)、闪烁干扰、梳状谱、拖曳干扰。不考虑干扰或考虑不全面的雷达目标模拟器在训练时基本只能发挥自检作用,难以训练作战人员的实战能力。
3)没有环境监测
目标模拟中,没有考虑地理环境、天气环境和背景环境。而在实际作战中,地形因素对目标探测影响极大,恒虚警门限系数的选择严重依赖于杂波特性。因此各种地形如沙漠、农田、城市、植被、山林、雪地等地形杂波特性研究长盛不衰,甚至有各种对杂波的统计学模型被应用到仿真分析,但这些模型的参数难调缺少校验,与工程使用还有较大差距。
在恶劣气象条件下,例如云雨天气,不但雷达回波衰减严重,还会产生大量气象杂波,这些杂波体积大,结构复杂,还能运动,对目标检测带来很大难度。同时由于火力单元工况复杂,背景环境中包含了各类电磁信号泄露、设备遮挡、无意干扰等。这些环境因素对目标探测造成了不良影响,必须要在雷达目标模拟中得到体现。
4)模拟不成体系
一般雷达模拟器随雷达集成,在单平台制导相对体制下完成全流程的探测打击均无问题,而多平台机动协同或跨型号作战训练时,需要一个共同基准即绝对体制。采用绝对体制后,也便于大场景的航迹设置,便于实际地形的获取,便于火力交叉分析等。
综上所述,电子发射系统针对模拟目标进行模拟打靶,由于雷达目标模拟过于简化,导致整个电子发射系统仅能解决自检,若不改进雷达目标模拟而直接将电子发射系统用作训练,则会造成不良后果。
危害一:可能引发错误的作战策略。由于没有包含目标特性,目标识别变得困难和不可靠,进而影响目标威胁排序和目标逃逸区分析,这将导致目标火力分配和射击诸元计算不准,最终影响了作战策略,导致单平台作战训练和体系作战训练时作战效率降低。
危害二:训练结果可信度差。不考虑作战任务规划,导致轨迹运行后不支持更改,更不能通过事件触发任意释放干扰,导致目标跟踪在数据处理和信号处理两个层面都极大降低了难度。再者,回波信号中无战场地理环境天气环境杂波,也不附加平台本身电磁兼容性模拟,这可能导致不同作战场景训练结果一致或者平台在遮蔽角上稳跟目标。因此,不考虑干扰和环境的训练,不能给出可信的训练评判。
危害三:不利于实战化训练建设。基于理想目标理想环境的作战模拟训练难度远低于实战化训练,导致实战化训练推广难度大,训练人员难以得到有效成长。这与习总书记所倡导的实战化训练矛盾,不利于实战化训练建设。
为保证训练状态尽量贴近实战,需对现有的训练系统中的雷达目标模拟部分进行适应性改进。主要改进点为:目标特性真实化、干扰对抗真实化、战场环境真实化、目标模拟通用化。
通过改进目标模拟平台提升训练能力,改进后的雷达训练模拟系统结构见图4。
图4 改进后的雷达目标模拟系统结构图
改进型雷达训练模拟器以适应真实作战训练场景为目标,可实时接收雷达发射机射频信号,可不受捷变频或波形切换控制指令影响以减少多余接口,同时可精确记录发射信号的相噪杂散等非理想特性。通过下变频进行数字储频,可以减少记录负担和后续回波解算负担。其中:
1)目标回波模块通过查询和内插对应角度和频率的复杂目标RCS数据库,读取目标回波信息,解决目标特性不真实的问题。
2)电子对抗模拟模块可实时产生干扰信号,通过干扰装订信息及触发条件实现干扰信号添加,解决干扰模拟缺失的问题。
3)杂波模拟模块直接调用日常采集积累的杂波数据库,完成各类作战环境下雷达信号的对应杂波的回放,解决没有环境监测的问题。
4)采用软件平台化设计思想,目标模拟接受平台调度;基于真实地理坐标信息构建统一战场环境,设计无线有线等各类通信接口,支持多平台统筹交互训练,解决模拟不成体系的问题。
目标回波、干扰和环境杂波经数字频率存储与处理模块合路后上变频输出,在数字基带部分按照接收通道进行延时和功率衰减,延时量由雷达波控计算机控制。雷达接收机在接收模拟信号后,对目标进行跟踪、分选、射击决策等一系列工作均按武器系统正常流程模拟。
改进后的雷达训练模拟器采用单通道射频输入、多通道射频输出的设计思路,其中输出通道数可根据需求进行配置。其射频输入通道可实时采集雷达输出信号,多个输出射频通道用于模拟目标角度信息,宽频带范围可模拟多种类型的干扰和背景信号,雷达装备和雷达目标模拟器之间共用时钟和参考以保证频率和时间的同步性。具体系统架构见图5。
图5 改进型雷达训练模拟器系统架构框图
改进型雷达训练模拟器由采集存储模块、回波生成模块、回波注入模块三大模块组成。其中,采集存储模块工作在雷达发射机射频前端,完成对雷达发射信号的采集,并将雷达信号和雷达参数存储起来,以便进行后续的回波生成。回波生成模块完成高真实雷达目标回波信号的仿真生成。回波注入模块将产生的目标回波进行通道相位延时后再通过射频注入的方式发送到雷达接收机。
回波生成模块是该系统的关键,主要完成复杂RCS、延时、相位及多普勒合成,欺骗干扰、噪声干扰等干扰生成,杂波信号回放等功能。其中,复杂RCS通过缩比模型实测或者商业仿真软件仿真产生;延时、相位及多普勒通过时域脉冲相干法等算法实现;欺骗干扰通过对存储的雷达信号进行延时转发、幅频参数变换、多普勒伪装等操作,以模拟电子对抗干扰场景;杂波信号回放功能通过对真实采集并存储的杂波信号进行回放实现。
改进型雷达训练模拟系统具有如下功能特点。
1)真实性高
支持简单脉冲、线性调频、步进频宽带波形的录取生成;
目标RCS属性真实模拟,可实时模拟不同种类复杂目标的RCS、位置和运动相关特征;
电子对抗实时干扰真实模拟,可模拟噪声干扰、欺骗干扰、假目标干扰等多种类型干扰组合信号;
低成本创建逼真的“人工合成复杂战场环境”,包括地理环境、大气环境和背景环境等。
2)体系性强
预留多种类型通信接口,适应多平台组网作战的需求,支持多型号、多体制雷达组网作战和训练并兼容作战场景规划系统。
3)统筹性好
模块化设计,方便安装维修,支持多通道扩展。
通过对常规雷达训练模拟器平台进行改进,构建基于真实作战场景的雷达训练模拟器,可以支撑构建多种目标在指定环境及复杂电子对抗条件下进行实战化训练,预期效益如下。
1)形成一个系统
形成了一个基于高真实信号模拟的作战训练系统,通过对常规训练系统的雷达目标模拟部分进行改进,达到贴近实际作战、改进战术战法、优化作战效能的目的。
2)保障两个要素
保障装备发展,通过作战训练系统可评估装备的作战效能,对工业部门的装备设计提出使用反馈和改进建议,保障装备健康良性发展。
保障人才培养,通过作战训练系统进行针对性训练,不断优化作战战法,培养懂作战、懂指挥、懂装备使用的高端军事人才。
3)完成三个转变
完成雷达训练目标特性转变,从起伏点目标变为复杂体目标,目标特性涵盖固定翼飞机、直升机、隐身飞机、无人侦察机、预警机、干扰机、巡航导弹、超音速导弹等。
完成雷达训练干扰对抗转变,从无干扰变为多干扰组合触发,包括瞄准式噪声干扰、阻塞式噪声干扰、扫频噪声干扰、脉冲干扰、卷积噪声干扰、距离拖引、速度拖引、距离速度联合拖引、多假目标、闪烁干扰、梳状谱、拖曳干扰等。
完成雷达训练环境复现转变,从纯净背景变为沙漠、农田、城市、植被、山林、雪地等地形在雨、云、雪天气下的场景复现。