基于計算機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜電磁環(huán)境下雷達兵模擬訓(xùn)練系統(tǒng)

吳桂生，舒亞海

(1.海軍軍訓(xùn)器材研究所，北京 102308;2.海軍駐江南造船集團有限責任公司軍事代表室，上海 201913)

0 引言

復(fù)雜電磁環(huán)境是信息化戰(zhàn)場的重要特征，是信息化條件下交戰(zhàn)雙方新的博弈空間，對戰(zhàn)爭進程和結(jié)局具有重要的、甚至是決定性的影響［1］。復(fù)雜電磁環(huán)境訓(xùn)練條件下雷達兵的訓(xùn)練對于雷達兵作戰(zhàn)能力提高具有重要意義。通常，雷達兵進行復(fù)雜電磁環(huán)境條件下的訓(xùn)練實施方法包括實裝模擬、半實物模擬和計算機模擬仿真。計算機模擬仿真是在科學(xué)分析部隊實裝的基礎(chǔ)上，按照實戰(zhàn)模式在計算機軟件環(huán)境中配置影響雷達裝備訓(xùn)練活動的各類電磁輻射設(shè)備，構(gòu)成一個立體、全方位的“虛擬戰(zhàn)場”。利用計算機仿真技術(shù)構(gòu)建雷達裝備訓(xùn)練復(fù)雜環(huán)境的一個突出特點，就是可以將虛擬裝備置于虛擬電磁環(huán)境中，達到“實驗”戰(zhàn)爭和“重復(fù)”戰(zhàn)爭的目的。另外，利用網(wǎng)絡(luò)分布式交互仿真技術(shù)，還可將分散于不同地點的電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)連接起來，構(gòu)建一體化復(fù)雜電磁環(huán)境，使有限、分散的訓(xùn)練資源聯(lián)為一個整體，進行協(xié)同訓(xùn)練。

計算機仿真模擬是一種能夠達到很好效果和非常經(jīng)濟的一種方法，具有以下優(yōu)勢:

(1）可模擬戰(zhàn)場實際，具有客觀性。構(gòu)建時貼近戰(zhàn)場實際，真實而客觀地反映復(fù)雜電磁環(huán)境下實施雷達裝備面對的戰(zhàn)場電磁態(tài)勢。

(2）可以作戰(zhàn)為牽引，具有針對性。在不同的作戰(zhàn)對象、時空、任務(wù)、行動和戰(zhàn)法下，雷達裝備面臨的電磁環(huán)境會表現(xiàn)出不同的變化和特征。由此，要想提高訓(xùn)練效果，必須要以作戰(zhàn)為牽引，構(gòu)建有針對性的復(fù)雜電磁環(huán)境。

(3）能適應(yīng)戰(zhàn)場變化需要，具有靈活性。構(gòu)建雷達裝備訓(xùn)練復(fù)雜電磁環(huán)境，能適應(yīng)戰(zhàn)場變化需要，體現(xiàn)出靈活性。要能夠根據(jù)不同階段、不同類型訓(xùn)練的需求，靈活控制和調(diào)整所模擬電磁環(huán)境輻射信號的頻率、功率、方向、信號樣式等參數(shù)。

(4）保密防護，具有安全性。計算機模擬仿真不需真實發(fā)射電磁信號，對敵完全屏蔽，具有很強的安全性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

復(fù)雜電磁環(huán)境條件下雷達兵網(wǎng)絡(luò)化訓(xùn)練模擬系統(tǒng)如圖1所示。

系統(tǒng)基于計算機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，包括教員機、學(xué)員機及服務(wù)器。服務(wù)器提供訓(xùn)練系統(tǒng)所需的仿真模型數(shù)據(jù)、訓(xùn)練數(shù)據(jù)、應(yīng)用等的管理服務(wù)功能，是由模型、一系列數(shù)據(jù)服務(wù)和應(yīng)用服務(wù)構(gòu)成的。教員機通過設(shè)置和產(chǎn)生各種雷達干擾信號通，并經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到各臺學(xué)員機。學(xué)員機(雷達兵席位）模擬雷達顯控終端，把雷達模擬回波和干擾進行疊加顯示，以模擬仿真實裝雷達在受到干擾時的情況，操作員可以根據(jù)不同的干擾類型上進行相應(yīng)的雷達抗干擾訓(xùn)練。

圖1 網(wǎng)絡(luò)化訓(xùn)練系統(tǒng)組成

圖2所示為訓(xùn)練系統(tǒng)原理圖。

為了減少網(wǎng)上傳輸數(shù)據(jù)量，干擾、雜波實時計算單元設(shè)在學(xué)員機。學(xué)員機根據(jù)教員機提供的干擾想定，提取服務(wù)器中干擾模型，計算出干擾和噪聲，并與正常地物和目標回波合成輸出至顯示器供雷達兵進行干擾判別。雷達兵可進行實時抗干擾操作。雷達兵操作過程記錄后作為訓(xùn)練效果評判的依據(jù)。

干擾通常來自干擾平臺，如機載或艦載，在教員機上需要想定干擾平臺的運動參數(shù)和干擾樣式、強度。

圖2 訓(xùn)練系統(tǒng)原理圖

2 雷達回波、干擾和雜波的模擬設(shè)計

復(fù)雜電磁環(huán)境模擬是本系統(tǒng)的關(guān)鍵。在分析復(fù)雜電磁環(huán)境特點的基礎(chǔ)上，利用復(fù)雜電磁環(huán)境仿真涉及的主要數(shù)學(xué)模型，包括目標回波信號仿真模型、干擾信號功率模型和環(huán)境雜波模型等進行干擾數(shù)據(jù)的仿真生成。

(1）目標回波信號仿真

目標回波信號仿真中根據(jù)模擬目標的數(shù)量和雷達方程，實時計算每一個目標到達雷達接收機端的回波功率，根據(jù)每一個目標與雷達的距離和速度計算目標回波所需的延遲時間和多普勒頻率。模擬的雷達目標回波信號應(yīng)反映真實環(huán)境下雷達目標回波的各種特性，包括目標的頻率、相位、多普勒頻移、幅度、距離延遲等。仿真時采用的數(shù)學(xué)模型是Swerling 模型。

(2）干擾信號仿真

有源干擾中以干擾方式區(qū)分通常包括遮蓋性干擾和欺騙性干擾。遮蓋性干擾是降低敵接收機輸出信號的質(zhì)量?？梢圆捎迷肼曊{(diào)幅、噪聲調(diào)頻以及噪聲調(diào)幅調(diào)頻等方式，由于調(diào)幅噪聲可以充滿整個接收機帶寬，降低輸出信噪比，干擾機通常采用噪聲調(diào)幅的方式。遮蓋性干擾包括阻塞式干擾、瞄準式干擾、掃頻式干擾等方式，大量應(yīng)用在通信干擾和遠距離雷達干擾等方面。欺騙性干擾是通過距離拖引、角度拖引等方式，破壞雷達對目標的鎖定跟蹤，使雷達處理單元將目標誤判在其他的位置上;欺騙干擾通常適用于自衛(wèi)干擾，包括距離波門拖引干擾、速度波門拖引干擾、自動增益控制干擾、組合干擾、交叉極化干擾等多種模式。干擾信號仿真中，根據(jù)干擾方程實時計算每一個干擾信號到達雷達接收機端的功率;根據(jù)干擾機平臺與雷達的距離和相對速度，考慮到實際干擾機所需的延遲，計算模擬的干擾信號。

(3）環(huán)境雜波仿真

雜波信號是電磁環(huán)境仿真中必不可少的環(huán)節(jié)。由于目標信號混雜了大量的雜波信號而難以檢測目標，又是雷達千方百計想要濾除的信號。通常雜波信號分為面雜波和體雜波，地雜波和海雜波一般視為面雜波，雨、雪、雹以及箔條一般視為體雜波。根據(jù)雷達天線方向圖，雷達與地面(海面）的距離與視角，實時計算雷達天線波束照射范圍，在照射區(qū)內(nèi)看成由許多小單元組成，每一單元的回波強度和多普勒頻率計算方法同目標回波產(chǎn)生法一樣，把所有小單元進行矢量疊加，便可得到雷達環(huán)境雜波信號。環(huán)境雜波仿真包括面雜波仿真和體雜波仿真。面雜波的模擬方法，首先是在地面或海面上建立起一個雜波單元，并且給該單元分配一個散射體，用該散射體的雷達截面積來描述該雜波單元總的雷達截面積，然后確定出該散射體的距離及多普勒頻率，并且將雷達截面積映象到雷達空間。體雜波的仿真方法與面雜波的仿真方法類似，只是雷達截面積處理方法不同而已。

需要說明的是，常規(guī)雜波的數(shù)學(xué)模型［2］與真實雜波相比雖然具有較好的分布特性，但其顯示特征與實裝雷達相比逼真度不是很好。雜波的模擬采用實采數(shù)據(jù)進行簡單處理后往往能達到良好的顯示模擬逼真度。

3 訓(xùn)練軟件設(shè)計與系統(tǒng)實現(xiàn)

復(fù)雜電磁環(huán)境條件下雷達兵網(wǎng)絡(luò)化訓(xùn)練系統(tǒng)用于為雷達模擬顯控終端提供復(fù)雜電磁干擾環(huán)境，雷達兵可在模擬終端上進行干擾辨識和抗干擾操作。軟件設(shè)計包括服務(wù)器軟件、教員機軟件、學(xué)員機軟件。教員機具有新建、打開、修改、刪除、保存各種干擾參數(shù)想定文件以及向雷達顯控終端學(xué)員機發(fā)送選定的干擾參數(shù)想定等功能。它運行于局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，在與雷達顯控終端學(xué)員機配合使用的情況下，可以為受訓(xùn)人員提供雷達各種干擾處置的仿真操作訓(xùn)練。

按照雷達經(jīng)常遭遇的干擾類型，訓(xùn)練模塊設(shè)計了各種類型干擾參數(shù)想定?？梢栽O(shè)置的各種干擾參數(shù)包括寬帶阻塞式干擾、窄帶瞄準式干擾、有源假目標干擾、同頻異步干擾、窄帶噪聲干擾、掃頻噪聲干擾、雜亂脈沖干擾、寬帶阻塞+假目標干擾、窄帶噪聲+假目標干擾、箔條干擾、調(diào)制有源假目標干擾、寬帶阻塞+調(diào)制假目標干擾、窄帶噪聲+調(diào)制假目標干擾、海雜波以及云雨雜波干擾。

在進行訓(xùn)練之前，教員可以在教員機上首先設(shè)置當次訓(xùn)練的干擾類型及參數(shù)。其中，所有的干擾類型都需要設(shè)置干擾的時間、強度、干擾平臺運動軌跡。當選定的干擾類型中存在假目標干擾時，還需要設(shè)置假目標;當設(shè)置云雨雜波時，需要設(shè)置云雨雜波的等級。當設(shè)置好合適的干擾參數(shù)以及選定好需要訓(xùn)練的干擾類型后，就可以將這些設(shè)置通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到每一臺雷達顯控終端學(xué)員機進行抗干擾訓(xùn)練

雷達復(fù)雜電磁環(huán)境訓(xùn)練仿真軟件主要由人機界面交互模塊、干擾數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、干擾數(shù)據(jù)顯示模塊、干擾平臺設(shè)置模塊、雷達復(fù)雜電磁環(huán)境仿真主控模塊、仿真數(shù)據(jù)計算模塊及數(shù)據(jù)文件生成模塊等7個主要模塊組成。圖3 給出了這些模塊之間的關(guān)系。

圖3 仿真軟件主要模塊結(jié)構(gòu)

各模塊的主要功能說明如下:

(1）人機界面交互模塊提供仿真軟件的人機界面交互功能，主要用來編輯和加載動態(tài)場景文件，顯示干擾平臺列表以及接受用戶的仿真命令和參數(shù)輸入等。

(2）干擾數(shù)據(jù)發(fā)送模塊用來對仿真平臺產(chǎn)生的各種干擾數(shù)據(jù)進行發(fā)送。

(3）干擾平臺設(shè)置模塊用來對各干擾平臺的綜合參數(shù)進行設(shè)置，如平臺名稱、雷達開關(guān)機時間、天線波束類型、天線掃描參數(shù)以及平臺運動參數(shù)的設(shè)置等。

(4）雷達信號設(shè)置模塊用來對各干擾平臺的雷達信號類型進行設(shè)置，如雷達載頻、重頻及脈寬參數(shù)的設(shè)置，以及系統(tǒng)接收誤差大小的設(shè)置等。

(5）雷達復(fù)雜電磁環(huán)境仿真主控模塊是整個仿真軟件的核心模塊。它根據(jù)仿真的流程，控制和調(diào)用其他各個功能模塊。

(6）仿真數(shù)據(jù)計算模塊是根據(jù)設(shè)置的各干擾平臺的初始狀態(tài)及運動參數(shù)，對各干擾平臺的航跡以及偵察平臺與各干擾平臺之間的空間相對位置(包括距離和方位角）進行計算，并根據(jù)各干擾平臺技術(shù)參數(shù)及天線掃描方式計算各干擾在各個時刻到達雷達平臺的參數(shù)值。

(7）數(shù)據(jù)文件生成模塊用來綜合處理得到的各種仿真試驗數(shù)據(jù)結(jié)果，并以數(shù)據(jù)文件的形式對數(shù)據(jù)進行存盤，以供后續(xù)的分析處理使用。

4 仿真訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)用方法

系統(tǒng)仿真與訓(xùn)練的流程框圖如圖4所示。根據(jù)設(shè)置的各干擾平臺的初始狀態(tài)及運動參數(shù)，系統(tǒng)仿真主控模塊對各干擾平臺的航跡進行計算，確定各干擾平臺之間的空間相對位置(包括距離和方位角），并根據(jù)雷達技術(shù)參數(shù)和雷達天線掃描方式以及設(shè)定的系統(tǒng)誤差計算出各干擾在某一時段內(nèi)到達雷達平臺的各參數(shù)。

圖4 系統(tǒng)仿真流程圖

5 結(jié)束語

現(xiàn)代戰(zhàn)爭對復(fù)雜電磁環(huán)境條件下的訓(xùn)練提出了前所未有的高要求。復(fù)雜電磁環(huán)境條件下的訓(xùn)練已經(jīng)滲透到每個參戰(zhàn)人員。計算機網(wǎng)絡(luò)化復(fù)雜電磁環(huán)境條件下的訓(xùn)練以其低訓(xùn)練成本、易于廣泛推廣使用、訓(xùn)練條件靈活多樣等特點，必將越來越在軍事訓(xùn)練領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

［1］王世忠，趙捷.復(fù)雜電磁環(huán)境及其可視化［J］.軍事學(xué)術(shù)，2007(1）:48-50.

［2］吳順君，梅曉春.雷達信號處理和數(shù)據(jù)處理技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.