一種電子戰(zhàn)訓練仿真系統(tǒng)的設計

許 坤 張名明 鄭 俊

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所 揚州 225001)

一種電子戰(zhàn)訓練仿真系統(tǒng)的設計

許 坤 張名明 鄭 俊

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所 揚州 225001)

論文設計了一種電子戰(zhàn)訓練仿真系統(tǒng),可用于構建作戰(zhàn)區(qū)域,進行戰(zhàn)情設置、演練,用于對電子戰(zhàn)操作人員進行日常訓練。給出了訓練仿真系統(tǒng)的設計方法,并應用該系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù),模擬了協(xié)同無源定位的功能,從而驗證了該系統(tǒng)的可行性與有效性。

電子戰(zhàn); 訓練仿真系統(tǒng); 建摸

Class Number TP391

1 引言

電子戰(zhàn)系統(tǒng)是一種高科技軍用電子設備,其作戰(zhàn)效能與電子戰(zhàn)指戰(zhàn)人員應用電子戰(zhàn)裝備的水平密切相關[6]。電子戰(zhàn)指戰(zhàn)人員戰(zhàn)技水平的提高重在平時的長期訓練,在戰(zhàn)時才能熟能生巧,充分發(fā)揮電子戰(zhàn)裝備的性能,達到控制電磁頻譜的目的。在現(xiàn)代高技術電子戰(zhàn)場,電子戰(zhàn)系統(tǒng)可能面對數(shù)百部多種體制的雷達形成的高密度復雜電磁信號環(huán)境,依靠外場用真實電子設備產(chǎn)生這樣的電磁信號環(huán)境[6,12],不論人力物力都存在極大的困難。而電子戰(zhàn)訓練仿真系統(tǒng)的開發(fā)與應用能夠有效地幫助我們實現(xiàn)平時的訓練目標[1]。

要實現(xiàn)仿真，核心是尋找所研究系統(tǒng)的替身，這個替身就是模型。模型是對某個系統(tǒng)、實體、現(xiàn)象或過程的一種物理的、數(shù)學的或邏輯的表述[7]。模型的建立是對系統(tǒng)進行仿真的基礎[4～5,9,11]。模型一般分為物理模型和數(shù)學模型兩類，根據(jù)采用模型的不同，可把系統(tǒng)仿真分為實物仿真、半實物仿真和計算機仿真三種[4]。其中，計算機仿真以數(shù)學模型為基礎，使用數(shù)學模型代替實際的、設計中的或概念中的系統(tǒng)進行試驗，用定量化的方法分析系統(tǒng)變化的過程。

本文設計的電子戰(zhàn)訓練仿真系統(tǒng)，即屬于計算機仿真范疇。用計算機模擬復雜電磁環(huán)境；模擬對目標信號的偵察識別并把識別結果發(fā)送到電子戰(zhàn)指揮分系統(tǒng)；模擬干擾機的目標跟蹤與干擾發(fā)射狀態(tài)。這種訓練仿真系統(tǒng)可在日常作為電子戰(zhàn)模擬訓練的工具，配合電子戰(zhàn)指揮分系統(tǒng)完成對操作人員的訓練。

2 仿真系統(tǒng)建模

2.1 作戰(zhàn)區(qū)域與坐標系

作戰(zhàn)區(qū)域是敵我雙方交戰(zhàn)的空間。這是一個多維空間,包括時域、空域、頻域等多種因素。在構建作戰(zhàn)區(qū)域模型時,要考慮到把全部的參戰(zhàn)兵力都容納進來,整個作戰(zhàn)行動在多大的地域范圍展開,在距離多遠時雙方開始對抗,是否考慮高度的影響等等[3]。在此基礎上,建立方便于作戰(zhàn)仿真運行的坐標系。

針對海上電子戰(zhàn)的具體特點,對于水面艦艇之間的對抗,掠海飛行的反艦導彈等,可以在二維空間建立作戰(zhàn)區(qū)域模型[3]。對于有飛機參戰(zhàn)的情況,高度會產(chǎn)生影響,若模擬逼真度要求很高,可考慮建立三維空間模型。當作戰(zhàn)區(qū)域尺度較大時,高度的影響下降,則可簡化為建立二維空間模型。

關于坐標系,在二維空間模型中,以我方平臺初始位置為原點建立直角坐標系是個可行的選擇。當建立三維空間模型時,既可選擇使用大地坐標系(λ、φ、h),也可考慮使用三維直角坐標系(X、Y、Z),見圖1(這里把地球簡化為規(guī)則的球體)。

圖1 大地坐標系與直角坐標系

二者之間的轉換關系如下:

(1)

式中:λ、φ分別為地球的經(jīng)度、緯度；h為相對地面的高度；R為地球半徑。

本文建立的坐標系是三維空間模型中的大地坐標系。

2.2 參戰(zhàn)兵力

海上電子戰(zhàn)建模涉及的雙方兵力包括有艦艇、反艦導彈、飛機等平臺類型。我們必須詳細設定各參戰(zhàn)平臺的相關屬性,布置各平臺的態(tài)勢分布。

對于敵方平臺,主要考慮其初始位置、運行速度、運行軌跡、攜帶輻射源的數(shù)量、攜帶輻射源的開關機時間、攜帶輻射源的信號特征等。

對于我方平臺,主要考慮其有效反射面積RCS、初始位置、運行速度、運行軌跡、可采取的對抗措施等。其中RCS值是一個重要屬性,它隨入射角不同而變化。可根據(jù)實測RCS數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫,通過查表獲取RCS值,或通過計算與入射角有關的RCS公式來獲得。平臺運行軌跡用方程來表示。

2.3 作戰(zhàn)仿真控制

作戰(zhàn)過程用仿真時鐘來控制。每隔一個時鐘周期,依據(jù)運動方向和速度解算各參戰(zhàn)平臺的坐標位置,推導各目標平臺相對于我方艦艇的方位、距離、俯仰,并判斷目標平臺攜帶雷達的工作狀態(tài)和我艦電子戰(zhàn)干擾措施的實施狀態(tài)。

作戰(zhàn)仿真的結束可以由人工來控制。對于對抗反艦導彈的仿真過程,也可以通過判斷導彈是否已擊中我艦,來結束仿真。

3 仿真系統(tǒng)設計

3.1 設計思路

仿真系統(tǒng)由戰(zhàn)情設定、戰(zhàn)情演練、數(shù)據(jù)庫管理、綜合顯示等功能模塊組成,每個模塊又包含若干個子模塊。見圖2。

圖2 電子戰(zhàn)訓練仿真系統(tǒng)模塊組成

3.2 戰(zhàn)情設定

平臺設定:設定海上目標平臺(艦艇)數(shù)、空中目標平臺(飛機、導彈)數(shù)。

輻射源設定:設定目標平臺攜帶的輻射源參數(shù)。輻射源參數(shù)較多,包括載頻、重頻、脈寬、功率、天線掃描方式、天線掃描周期、雷達開機時間、雷達關機時間等等。對這些輻射源參數(shù)的設置可分為兩類:對雷達開機、關機時間,可直接輸入設定；對載頻、重頻等其它參數(shù),可在雷達目標庫中選擇。

運動軌跡設定:設定各平臺初始位置及運行軌跡。采用大地坐標系(λ、φ、h),并對高度維作簡化設計:h=0,則平臺坐標可簡化為用(λ、φ)來表示。

海情設定:設定風速風向。

3.3 戰(zhàn)情演練

戰(zhàn)情演練的過程由仿真時鐘控制。時鐘在戰(zhàn)情演練命令下發(fā)時即初始化歸零,此后按照仿真步長周期性觸發(fā),統(tǒng)一各平臺的解算步驟。

平臺位置解算:是后續(xù)參數(shù)解算的基礎。根據(jù)預案中對敵我雙方平臺的運動軌跡設置,依據(jù)時鐘計算當前時刻各運動平臺的位置。

目標方位距離解算:根據(jù)敵我雙方平臺位置,解算目標平臺至我方平臺的真方位α和距離S。

設某一時刻我艦位置為A(λm,φm),目標位置為B(λe,φe)。根據(jù)大地坐標系(λ、φ、h)與三維直角坐標系(X、Y、Z)之間的轉換關系式(1),把我艦位置和目標位置轉換為直角坐標,有:

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

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

設O為地球球心,θ為A、B兩點對O點的張角,由向量積公式有:

(2)

推導得:

=cosφmcosφecos(λe-λm)+sinφmsinφe

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

(3)

目標的真方位α為

(4)

考慮電子戰(zhàn)偵察機測向誤差,假設該誤差分布為0°～1°范圍內(nèi)的隨機分布,則ESM信息中的方向碼α′為

α′=α+(Rnd-0.5)·2

(5)

式(5)中,Rnd表示(0,1)之間的隨機數(shù)。

偵收與探測判別:判斷電子戰(zhàn)系統(tǒng)前端接收機對敵方輻射源的偵收情況,對輻射源信號中不可接收到的部分進行過濾,降低處理密度。主要通過頻率判別和距離判別進行處理。距離判別是指依據(jù)偵察方程(6)[1]計算偵察作用距離Rr,并與目標平臺的實際距離S進行比較:若S>Rr,則濾除該平臺上的目標信息。根據(jù)偵收判別的結果,發(fā)出ESM信息等。

(6)

式中:Pt為雷達發(fā)射功率；Gt為雷達天線增益；Gr為偵察天線增益；λ為信號波長；Psen為偵察接收機靈敏度。

目標跟蹤回報:響應威脅目標引導命令,對引導的目標參數(shù)(目標載頻、脈寬、重頻等)與識別信息進行比較,如比對符合一定的容差,則回送目標已跟蹤信息。對于消失的目標,則主動回送目標丟失跟蹤信息。

3.4 數(shù)據(jù)庫管理

目標庫管理:可在目標庫中添加新目標、刪除既有目標,或者更新某個目標的參數(shù),例如載頻、重頻、脈寬等。

預案管理:可添加預案、刪除預案；若既有預案中個別參數(shù)不合理,達不到演練的目的,則可對該預案的相關參數(shù)進行更新并保存。

3.5 綜合顯示

戰(zhàn)場態(tài)勢顯示:在構建的模擬戰(zhàn)區(qū)中,包含我艦、友艦、敵方海上目標(艦艇)、空中目標(飛機、導彈)等平臺。以綜合態(tài)勢顯示描述雙方兵力布置及其運動態(tài)勢。

平臺參數(shù)顯示:顯示各平臺的當前位置、航速、攜帶的輻射源個數(shù)等。

演練時間顯示:顯示當前預案演練的時間(秒數(shù))。

海情參數(shù)顯示:顯示當前風速、風向。

4 仿真系統(tǒng)應用

本節(jié)利用訓練仿真系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)進行協(xié)同無源定位測試,并對測試結果進行分析,從而驗證了訓練仿真系統(tǒng)的有效性。

4.1 協(xié)同無源定位的原理

圖3 測向交叉定位原理圖

無源定位是指電子戰(zhàn)系統(tǒng)在不發(fā)射電磁波的條件下獲取目標的位置。無源定位一般需要多偵察站協(xié)同工作。多站協(xié)同定位的一種方法是,多站在同一時刻對目標進行測向,獲得多條方位線,對這些方位線進行交叉定位即得到目標位置。這種定位方法也稱為測向交叉定位[2]。

測向交叉定位的原理見圖3。

假設兩個偵察站的位置為(X1,Y1)、(X2,Y2),兩站測得目標方位角為α、β,則目標位置(X0,Y0)應滿足以下公式:

解得:

(7)

(8)

4.2 仿真條件設定

仿真條件設置如下:

我艦與友艦共2艘編隊作戰(zhàn),對3艘敵艦實施協(xié)同無源定位。

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

航速:我艦、友艦處于靜止狀態(tài)；

敵艦1以20m/s的航速沿北偏東60°方向行駛,敵艦2以20m/s的航速沿北偏東110°方向行駛,敵艦3以30m/s的航速沿北偏西15°方向行駛。

我艦和友艦的測向精度均為1°,測向誤差均在0°～1°范圍內(nèi)隨機分布。每3min進行一次定位,連續(xù)定位10次。

4.3 仿真結果分析

在訓練仿真系統(tǒng)中,依以上條件設定戰(zhàn)情并執(zhí)行演練。

以我艦初始位置為原點、正北為Y軸方向建立直角坐標系,進行定位運算。

定位結果見圖4～圖7。

圖4 對敵艦1定位結果與真實位置比較

圖5 對敵艦2定位結果與真實位置比較

圖6 對敵艦3定位結果與真實位置比較

圖7 測向交叉定位航跡與真實航跡比較

在圖7中,實心點為真實航跡,空心點為定位航跡。

由數(shù)據(jù)和航跡圖可分析得出,在目標至偵察站距離超過兩偵察站間距離時,目標越遠,定位的誤差越大；反之,目標越近,則定位的誤差越小。與理論分析相吻合。

以上仿真結果,是電子戰(zhàn)訓練仿真系統(tǒng)應用于協(xié)同無源定位的一個例子,結果驗證了訓練仿真系統(tǒng)的可行性與有效性。

5 結語

本文介紹了一種電子戰(zhàn)訓練仿真系統(tǒng)的設計方法,對構建作戰(zhàn)區(qū)域與建模提出了合理的建議。最后驗證了該訓練仿真系統(tǒng)的可行性與有效性。進一步的研究方向包括:創(chuàng)建功能更為完整的電子戰(zhàn)仿真評估系統(tǒng)；對建立的數(shù)學模型進行優(yōu)化、細化。

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[12] 郭齊勝,董志明.戰(zhàn)場環(huán)境仿真[M].北京:國防工業(yè)出版社,2005.

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

許坤,男,高級工程師,研究方向:電子戰(zhàn)仿真技術。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.018