復雜電磁環境下武器裝備試驗與評估*

孫 翱

(91550部隊 大連 116023)

復雜電磁環境下武器裝備試驗與評估*

孫 翱

(91550部隊 大連 116023)

未來信息作戰戰場環境的復雜性,主要表現為戰場電磁環境的復雜性。同樣,圍繞復雜電磁環境試驗的理論和相關技術問題亟需我們探索和解決。論文描述了復雜電磁環境對裝備試驗與鑒定的影響；提出了復雜電磁環境生成框架和剖面的構建方法,并進行了電磁環境特性分析與裝備效能評估相關計算。

電磁環境; 生成框架; 評估; 靶場; 試驗

Class Number O44

1 引言

20世紀90年代,北約通過多種渠道獲得了大量的蘇式電子設備,建立了抗電子干擾專業訓練基地——波利岡(Polygon)電子戰靶場,通過與作戰對手電子裝備實體的針對性訓練,北約軍事力量的復雜電磁環境下作戰和生存能力得到了顯著提高[1]。1983年,北約成立了一支規模很小卻擁有豐富經驗的專業部隊——多軍種電子戰支援大隊。作為一支電子戰力量假想敵,該部隊承擔為訓練和試驗提供逼真的電磁威脅環境,配合部隊進行電子戰強化訓練。同時,美軍大西洋電子戰靶場配備的大量電磁信號模擬器,可模擬多種武器平臺電子戰系統、通信干擾機和波段干擾機等用頻設備發出的電磁輻射信號,為參訓力量提供充滿威脅的電磁環境,使訓練更加貼近實戰。

2 復雜電磁環境對裝備試驗與鑒定的影響

復雜電磁環境下裝備試驗與鑒定要求在典型戰場復雜電磁環境條件下進行,和背景相對“干凈”的簡單試驗相比,其試驗內容的變化主要體現在:一是試驗項目都將放在貼近實戰的戰場復雜電磁環境條件下進行,這是開展復雜電磁環境下裝備試驗與鑒定的必然要求；二是復雜電磁環境下裝備試驗與鑒定是對在不同復雜程度的電磁環境下裝備戰技術性能、作戰使用性能、作戰效能及因果聯系進行驗證和評定,這必然要求對被試裝備在多種電磁環境下進行測試、檢驗、考核、分析和評定,試驗的內容大大增加[2～4]。

2.1 試驗方法

在常態的裝備研制、試驗和鑒定中,主要依靠外場進行試驗。而在復雜電磁環境下,由于外場試驗需要布設大量的配試裝備和威脅環境來提供所需的貼近實戰的電磁環境,這樣試驗代價大、周期長、信號的復雜度和參數也不易改變,不符合戰場實際,而且由于試驗條件和手段的限制,很多的試驗場景外場無法提供。因此,僅僅依靠外場試驗的方法對復雜電磁環境下裝備進行試驗是不現實的,必須充分發揮外場實裝試驗和內場計算機仿真、半實物仿真試驗的作用,各種方法揚長避短、綜合集成,盡可能有效地考核被試裝備的作戰效能。

2.2 試驗系統

復雜電磁環境下裝備試驗與鑒定是在試驗場所生成貼近實戰的電磁環境,在對抗條件下進行的。在試驗實施前,不僅要構建貼近實戰的電磁環境,并對構建的電磁環境進行評估,還要根據被試電子裝備的性能和作戰任務進行試驗戰情想定；在雙方對抗的試驗過程中,要對電磁環境進行監測和管控,對試驗戰情進行導調,這些都是傳統裝備試驗中未曾考量的。同時,電磁環境動態多變、需要采集數據量大而繁雜,加上試驗方法的變化,必然對試驗數據的采集和處理工作提出新的挑戰。這一切必然要求試驗組織系統進行相應地調整變化,以適應復雜電磁環境下電子裝備試驗的需要。

2.3 試驗進程

復雜電磁環境下裝備試驗增加了貼近實戰電磁環境的構建、評估和監測,對抗試驗戰情想定,試驗過程中雙方態勢的戰情導調,針對各個試驗項目的試驗規劃等環節和步驟,由于試驗內涵、要求、條件和環境的變化,這必然使得復雜電磁環境下裝備試驗與鑒定的流程相對于傳統的常態下試驗流程有較大變化,試驗將圍繞“武器裝備(戰術技術性能和作戰使用性能)—試驗戰情想定(戰法/作戰運用方式方法)—作戰效能(作戰效果/因果聯系)”三維視圖來組織實施[5]。

3 電磁環境生成框架

針對武器裝備試驗和訓練特點,通常電磁環境構建框架由電磁環境剖面、電磁環境生成、電磁環境監測和電磁環境控制四部分組成,見圖1。其中,電磁環境生成、電磁環境監測和電磁環境控制這三部分構成了電磁環境生成的一個閉環流程。

電磁環境剖面是環境剖面的重要組成部分,是構建試驗訓練電磁環境的藍圖。參考GJB899《可靠性鑒定和驗收試驗》給出的任務剖面、環境剖面和試驗剖面的定義,將試驗訓練電磁環境剖面界定為對訓練過程中各種電磁信號源的分布及其電磁輻射隨時間變化的描述[6]。電磁環境生成就是在預定試驗訓練地域內,按照電磁環境剖面設定各電磁輻射源,并通過調整各電磁輻射源發射電磁信號的頻率、功率,以及信號輻射方向等參數,靈活模擬戰場電磁態勢。電磁環境監測是為了感知和掌握電磁環境的狀態,利用專門的監測與偵查措施,對一定空間內的電磁輻射進行的監測和識別,并為訓練提供客觀、直觀化、結論性的電磁環境數據。電磁環境控制就是根據電磁環境分析結論,對生成的電磁環境進行評估,與電磁環境剖面進行對照,為糾正電磁環境生成的偏差提供建議。

4 試驗訓練電磁環境剖面的構建方法

電磁環境剖面是構設試驗訓練電磁環境的依據,其可以從宏觀和微觀兩個方面進行描述。宏觀電磁環境剖面描述試驗訓練場地的總體電磁環境態勢及其隨時間的變化,電磁環境態勢通常從頻域、能域、空域、時域四個方面描述戰場電磁環境的形態特征。微觀電磁環境剖面描述試驗訓練場地內各具體電磁輻射源的分布及其電磁輻射隨時間的變化。重點是根據各軍用電磁輻射源的作戰運用規律,包括輻射源的戰場分布、機動、運用時機、用頻規律等,描述各電磁輻射源隨著試驗訓練進程其工作位置、工作頻段、發射功率等參數的取值。構建試驗訓練電磁環境剖面的基本程序如下。

4.1 構建軍事概念模型

試驗訓練電磁環境的構建應該是在特定的作戰背景下來考慮的,因此,構建訓練電磁環境的第一步是確定軍事概念模型。在這里,軍事概念模型描述的重點是敵我雙方軍用電磁輻射源的種類和數量、戰技性能指標、工作體制、信號特征和組網方式,以及在聯合作戰中的作戰運用規律,包括輻射源的編成隸屬關系、戰場分布規律、機動規律、運用時機、用頻規律等[7]。

4.2 構建任務剖面

分析試驗訓練任務,構建任務剖面。任務剖面是在完成規定任務期間,所經歷的事件和環境的時序描述,還包括了任務執行過程中面臨的威脅、所處的環境和采用的戰術等條件。試驗訓練任務剖面是根據訓練的目的和想定,按一定的規則對裝備保障任務剖面進行適當的簡化處理后確定的。

4.3 典型電磁環境分析

現代戰爭面臨的電磁環境十分復雜而且瞬息萬變,要確切地描述清楚是非常困難的,只有通過研究敵我雙方的電子對抗技術和戰術、輻射源的性能,從大量個別、特殊的電磁環境中確定典型的電磁輻射源,推出一般的最具代表性、適應性和擴展性的典型電磁環境,并將其概括成在試驗訓練中能模擬的電磁環境。

4.4 構建試驗訓練電磁環境剖面

構建試驗訓練電磁環境剖面可以采取先總后分或先分后總兩種方式。先總后分,即根據軍事想定和考核方案,首先確定訓練過程中不同階段的宏觀電磁態勢,如初始電磁態勢、若干中間電磁態勢和最終電磁態勢,然后對宏觀電磁態勢進行分解和分配。分解是按照系統論原理,將電磁態勢分解為若干相互獨立的要素即子空間。分配是利用功能分析或信號分析的方法,根據可獲得的電磁輻射源,將電磁態勢要求分配到各類電磁輻射源上,并進一步分配到各具體的電磁輻射源上。先分后總,即根據軍事想定和考核方案,首先確定考核場地要配置的電磁輻射源的種類、型號和數量,根據作戰、保障原則和考核方案確定各電磁輻射源的運用方式[8]。在此基礎上,確定其主要工作參數與時間的關系圖。在此基礎上,經過綜合計算可得出在訓練不同階段的總體電磁態勢。

5 試驗訓練電磁環境生成和監測方法

經過多年的理論探索和實踐,已總結出了很多構建復雜電磁環境的方法,這里將構建復雜電磁環境的基本方法歸納為實裝模擬構設、模擬器材構設、計算機模擬構設和情況虛擬構設四種。在實際應用中,根據需要這些構設方法既可以單獨使用,也可以幾種方法綜合使用。根據不同試驗訓練階段對象、內容、方法的特點,可確定部隊不同試驗訓練階段電磁環境構設方法。由于靶場擁有的較大型的電子裝備數量有限,而且,實裝構建復雜電磁環境復雜、費用高,而計算機仿真模擬的技術性強。因此,在組織開展復雜電磁環境下試驗訓練時,要綜合利用各方面資源,采取挖掘潛力自建、融入合成聯建、依托基地構建等方法。

電磁環境監測是對一定空間內的電磁輻射進行的監測和識別,主要包括輻射源參數測量、目標識別和電磁態勢分析等內容。

5.1 輻射源參數測量

輻射源參數測量是電磁環境監測的基礎性工作,主要包括通過實時頻譜、時頻特性等多種電磁特征提取技術,借助行之有效的分析控制策略,自適應地對復雜電磁環境的頻域、空域、時域參數進行測量。頻域參數主要包括載波中心頻率、頻率帶寬和多普勒頻率；空域參數主要指輻射源的方向參數；時域參數包括了輻射源的工作時間特性,例如開關機時間、開關機規律和不同工作模式的轉換時間等。

5.2 目標識別

目標識別通過對待識別輻射源的工作參數和特征參數進行分析,提取輻射源的特征,識別目標輻射源的體制、類型、型號、調制特性及可能的運載平臺,判定輻射源的敵我/屬性,確定輻射源目標的威脅等級。

5.3 電磁態勢分析

電磁環境態勢分析主要為管理和控制戰場電磁資源提供客觀的、直觀化的、結論性的分析數據。戰場電磁態勢分析主要包括了敵我輻射源分布態勢分析、電磁資源占用情況分析、電磁干擾態勢分析、敵我電子對抗力量對比分析以及頻譜控制與使用分析等內容。

構建與未來實戰完全一致的復雜電磁環境既不切實際,也無法操作。這里提出的構建試驗訓練電磁環境的思路是:把戰場電磁環境應力典型化,將其概括成在訓練中能模擬的環境,根據作戰和保障需求進行有選擇性構建。以此為指導,提出了電磁環境剖面的概念,建立了訓練電磁環境框架,分析了每一部分的主要功能和關鍵技術,為指導部隊構建訓練電磁環境提出了一套系統的思路和方法。

6 電磁環境構建模式

構建方法是從構建的手法來進行分類,而構建模式是從構建的層次和目的來分類。根據試驗訓練的不同層次和不同訓練目的,電磁環境的構建也有不同要求,形成了不同構建模式。

6.1 模擬化專業訓練電磁環境

構建某特定狀態下的電磁訓練環境,為單個訓練對象如單兵種訓練、單武器測試等制造逼真的虛擬電磁環境,使訓練對象熟悉適應作戰環境,暴露潛在問題,為制定輔助措施提供條件。例如,利用火箭測試發控模擬專業訓練電磁環境,對發控人員進行復雜電磁環境下的飛行器遙測遙控、模擬發射訓練；利用模擬太空電磁環境,檢測航天儀器設備的防輻射性能等。

6.2 網絡化指揮訓練電磁環境

利用計算機網絡技術、大規模分布處理技術等,將分布各地的單個武器平臺及其仿真系統鏈接起來,構建虛擬的電子對抗環境,針對聯合作戰訓練的需要,完成武器系統聯合測試評估及部隊聯合訓練,增強指揮訓練的實戰感。主要可分為信息采集電磁環境、通信傳輸電磁環境、智能決策電磁環境、管理控制電磁環境。其中,信息采集環境是指各種偵察系統構造的電磁環境；通信傳輸環境是指各個通信通道與節點；智能決策環境是指智能計算機、多媒體系統、文電處理系統及其他配套措施；管理控制環境是指各個檢測、報警、控制裝置。

6.3 基地化合成試驗訓練電磁環境

利用現有條件、武器裝備,綜合運用實物、半實物、計算機仿真等手段,在特定區域構造靶場真實電磁環境,以滿足一定規模的訓練、指揮、武器檢驗、電磁環境評估任務,例如一些大型武器試驗場、聯合戰役訓練基地等。為打贏信息化條件下的未來戰爭,必須運用各種技術手段營造近似實戰的復雜電磁環境。構建的靶場電磁環境必須體現戰場的電子對抗特色,具有戰術背景功能；能夠生成訓練需要的各種電磁信號,生成信號靈活易控；仿真環境對訓練效果的影響要能真實記錄,客觀評估。

7 電磁環境特性分析與裝備效能評估

7.1 電磁環境特性分析

7.1.1 空域特性

海戰電磁環境空域特性主要描述各種輻射源在空海域的分布以及電磁能量或場強在空海域的分布。它是無形的電磁波在有形的立體空間中的表現形態。海戰中每個陣地分布著種類龐雜、數量眾多、頻率寬廣、功率各異、輻射強烈的電磁波[9]。美航母編隊配備的電磁輻射源超過2000個。通常使用三種形式來描述海戰電磁環境空域特性:輻射源分布圖、背景噪聲輻射強度分布圖和電磁輻射強度分布圖。輻射源分布圖主要根據平時和戰時的情報和電子偵察監視情報顯示敵我雙方主要軍用電子設備的部署位置及有關參數,包括輻射源種類、用途、發射功率、工作頻率頻段等技術、戰術參數和敵我類型。背景噪聲輻射強度分布圖用來顯示民用電磁輻射、自然電磁輻射、背景噪聲的強度分布。電磁輻射強度分布圖用來顯示戰場上任何一點在某一時刻,指定頻率或頻段上的輻射強度的分布。

7.1.2 時域特性

海戰電磁環境時域特性主要描述電磁輻射在時間序列上的表現形態。海戰中大量的電磁信號是交戰雙方有目的地控制電子設備實施有意輻射所產生的。在不同的作戰時間,出于不同的作戰目的,產生的電磁信號數量、種類、密集程度隨時間而變化,且變化方式難以預測。從時域上看,有時表現為相對靜默,有時表現為非常密集,即整體上持續連貫,但卻會集中突發。通常使用各種電子信息系統工作時序圖,電磁信號密度隨時間變化趨勢圖,信號強度隨時間變化函數圖來直觀表示電磁環境時域特性。

7.1.3 頻域特性

海戰電磁環境頻域特性主要描述電磁輻射占用頻譜的情況。現代海戰空間上電磁信號幾乎覆蓋了所有的頻段,電磁頻譜的典型應用如圖2所示。但由于大氣衰減、電離層反射和吸收等傳播因素影響,電子信息裝備只能使用電磁頻譜的幾個有限的頻段,在這些頻段上,電磁信號密集重疊。例如,實際的雷達裝備只工作在不連續的頻段上,并非覆蓋圖中的整個雷達頻段[10]。通常用電磁頻譜圖來表示電磁環境頻域特性,即各種電磁輻射占用頻率或頻段及其在各種頻率上能量分布的定量,用譜線的長短表示能量的大小。在電磁頻譜圖上,通過對照可以查出互擾頻點和被敵方干擾的頻點或頻段。

7.1.4 能域特性

海戰電磁環境能域特性主要描述電磁輻射強度,通常使用能量密度來描述。電磁能量密度的高低直接決定著對電子設備的影響程度。如電子干擾可以使雷達效能成倍下降,數據傳輸中斷。因此,許多軍事強國大力發展功率微波武器、電磁脈沖武器、高能激光武器等。

7.2 復雜電磁環境中裝備效能評估

海戰電磁環境具有信號密集、種類復雜、沖突激烈和動態交迭的特征,通常稱之為海戰復雜電磁環境。復雜電磁環境直接影響了探測系統的戰場感知能力和通信系統的信息傳輸能力,導致探測系統作戰效能大幅降低通信中斷。

7.2.1 復雜電磁環境中雷達效能評估

假設雷達發現目標的概率為Pt和發現距離為Rmax,雷達接收到的信號與噪聲功率之比為S/N,則發現概率和信噪比的計算公式如下:

(1)

式中,n為雷達一次掃描的脈沖積累數；S0為發射功率；Gt為天線增益；σ為目標雷達反射截面積；λ為雷達工作波長；R為雷達到目標的距離；ni為內噪聲；nb為背景噪聲；na為干擾噪聲。因此,隨著干擾噪聲增大,雷達效能(Pt,Rmax)降低。

7.2.2 復雜電磁環境中制導系統效能評估

制導系統效能主要體現在對目標的跟蹤精度和跟蹤誤差。理論和實踐都證明,制導雷達接收到的信噪比越大,則它的跟蹤精度就越高[11]。某制導雷達的制導精度σ2的計算公式:

(2)

式中,R為雷達到目標的距離；S/N為雷達接收到的信噪比；a1,a2,a3為常數。

在復雜電磁環境下,制導雷達制導概率計算公式為

w=1-e-0.5(D/σ)2

(3)

式中,D為制導距離。由式(2)可知,干擾噪聲N增大,制導誤差σ2增大,制導概率W減小。

7.2.3 復雜電磁環境對通信系統效能評估

復雜電磁環境中,通信效能主要評估因子為誤信率和誤碼率,分別用于語音通信評估和數字通信評估,它們都是信噪比的減函數。在復雜電磁環境下,通信誤信率和誤碼率與信噪比、通信質量成反比關系,當它突破門限值時,通信中斷或通信距離減小。如,在大信噪比條件下,2FSK(二進制調頻)數字通信誤碼率Pe為:

(4)

式中,Pi為信噪比。

7.2.4 復雜電磁環境中裝備生存效能評估

復雜電磁環境中裝備生存力是裝備躲避和承受電子偵察、電子干擾和反輻射摧毀等攻擊行為的能力,可以用雷達效能、制導效能和通信效能等指標來定量描述復雜電磁環境對裝備系統生存效能評估。

8 結語

綜上所述,要以裝備試驗考核為牽引,進一步完善環境構設方法。同時,以電磁威脅研究為重點,建立環境構設的典型目標。還要開展基于實兵對抗的武器裝備試驗模式是信息化條件下開展武器裝備電磁環境適應性檢驗。在現代戰爭中,制電磁權、制信息權已成為戰爭結局的勝負手,信息化武器裝備作戰效能的發揮,與電磁適用能力息息相關。靶場就是和平時期的戰場,只有立足于復雜電磁環境,開展與試驗相結合的戰法演練,對武器裝備電磁環境適應能力作出考核評價,才能使裝備在未來作戰中立于不敗之地。

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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

孫翱,男,博士,高級工程師,研究方向:試驗總體、測量控制。

O44

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.04.022