復雜電磁環境模擬及偵察測試系統設計

肖文定， 譚紅芳

(成都天奧測控技術有限公司， 成都 611731)

復雜電磁環境主要由3個要素構成：① 自然現象形成的電磁環境. 主要包括太陽活動引起的電離層變化、 宇宙和大氣噪聲， 以及氣象、 地磁活動形成的電磁環境. 可簡單記憶為“靜電、 雷電和其它自然電磁輻射的總稱”. ② 民用用頻設備輻射形成的電磁環境. 主要包括民航、 交通、 移動通信、 廣播電視等系統的用頻設備， 以及輻射電磁波的工、 科、 醫等設備形成的電磁環境. 它們雖構成了電磁環境， 但對機載通信不會產生太大的影響. ③ 軍用用頻裝備設備輻射形成的電磁環境. 主要包括作戰雙方導航定位、 信息傳遞、 指揮控制、 武器制導和預警探測等系統使用的用頻裝備設備， 以及輻射電磁波的非用頻設備形成的電磁環境[1-9].

上述構成要素中軍用用頻裝備設備輻射形成的電磁環境是構成戰場復雜電磁環境的主體， 特別是敵我雙方激烈的電磁對抗形成的電磁環境， 對武器裝備效能和部隊作戰行動有嚴重影響[10]. 電磁環境效應設計是飛機設計的一個重要組成部分， 飛機要想得到適航認可， 必須對電磁環境效應的各個構成要素進行驗證通過[11]. 本文所設計的測試系統主要對軍用用頻設備輻射形成的復雜電磁環境進行模擬， 實現對機載偵察系統的各項性能指標、 極限指標進行測試， 檢驗出機載設備的實戰戰術性能.

1 系統設計

整個復雜電磁環境模擬測試系統主要由硬件系統與軟件系統組成.

測試系統主要工作流程分為3個階段：

第1階段：戰爭場景的規劃與布置， 在這個階段完成虛擬戰爭的規模、 兵種、 武器平臺種類以及各類武器電磁分布與特性規劃(武器電磁模型參數設定)等.

第2階段：戰爭場景的規劃與布置完成后， 各種武器電磁模型根據設置的參數實時解算出各種的輻射源參數信息， 同時將這些信息實時傳送給各種的輻射源模擬器.

第3階段：模擬器在接收到各自輻射源參數后， 實時產生各種輻射源模擬信號， 輻射源信號經過上變頻到相應波段， 最后通過被測天線單元輻射出去.

在模擬仿真過程中， 各個單元動態接收場景計算機的指令， 實時調整各自的工作狀態， 逼真模擬戰場復雜電磁環境.

1.1 硬件設計

硬件系統主要包括顯控與場景控制計算機、 基帶信號模擬單元、 射頻變頻單元和射頻調理單元等6部分組成. 其硬件原理框圖如圖 1 所示.

圖 1 系統組成框圖Fig.1 System composition diagram

圖 1 所示測試系統硬件各部分功能為：

1) 顯控與場景系統控制計算機

顯控與場景系統控制計算機是整個系統的控制中心， 主要包括劇戰情規劃與控制、 各種平臺與輻射源模型、 顯示控制以及通訊總線控制等， 用于實現設備人機交互、 操作界面管理及總線操作控制， 硬件部分主要由主控計算機(刀片機)組成.

2) 通信和綜合控制單元

通信和綜合控制單元接收主控計算機發送過來的參數及命令， 產生各個模塊的時序及其他控制信號， 配合雷達目標回波、 雷達及通信輻射源信號， 模擬復雜電磁環境下各個指定方向上的輻射信號.

3) 基帶信號模擬單元

基帶信號模擬單元主要用于接收戰情模擬計算機的指令， 在各個仿真模型的協同下模擬各種通信信號， 同時在綜合控制模塊的控制下， 模擬不同遠場方向的通信輻射信號， 以完成不同場景下不同戰情電磁環境信號的模擬.

4) 射頻變頻單元

射頻變頻單元主要用于接收計算機的指令， 在各個仿真模型的協同下， 在基帶信號的基礎上完成模擬各種通信信號， 以完成不同場景下不同戰情電磁環境信號的模擬.

5) 射頻調理單元

射頻調理單元主要用于對輸出的各類射頻信號按照計算機的指令完成信號的功分、 通路選擇和幅度大小的控制等功能.

6) 機柜和機械結構

機柜和機械結構是整個復雜電磁環境模擬系統的載體， 可快速方便地建立保障檢查測試環境， 包括3個信號模擬機箱和相關機械結構.

7) 設備附件

主要包括電纜附件、 天線、 天線支架、 拆裝專用工具等測試保障器材和工具.

復雜電磁環境模擬測試系統在內外場測試過程中， 為確保試驗人員的人身安全， 通過遠程顯控單元， 操作人員可在電磁環境更安全的場所， 通過以太網遠程控制的方式完成檢測試驗.

1.2 軟件設計

測試系統的軟件從總體上來看主要有4個方面的內容， ① 系統管理； ② 劇情設計； ③ 綜合檢測； ④ 輔助功能. 系統軟件功能組成框圖見圖 2.

圖 2 軟件平臺組成框圖Fig.2 System software composition diagram

圖 3 系統管理模塊界面Fig.3 System maintenance module softpanel

1) 系統管理模塊

系統管理模塊主要實現系統級的操作、 設置、 校準及相關顯示的功能. 模塊設計了系統自檢、 儀器校準、 通信設置和狀態顯示4個功能區， 便于系統進行管理. 系統管理模塊界面如圖 3 所示.

系統自檢：完成所有激勵/測試功能的硬件、 測試/激勵通路、 軟件模塊的自我監測， 顯示自檢結果， 形成自檢報告.

儀器校準：設備必須達到系統所需的量程、 精度等指標要求. 隨著時間環境的變化， 設備不可避免地發生參數漂移， 為了彌補硬件設備參數漂移帶來的測量誤差， 系統采用從軟件層面上進行參數校準補償的辦法解決該問題.

通信設置：設備對外具有基于光纖， 網口和串口的傳輸協議， 對內具有基于網口的傳輸協議， 通信設置功能保證了傳遞各種命令、 狀態和數據的準確快速交互， 也完成了所需參數的配置、 測試與保存.

狀態顯示：主要功能是針對當前測試中監視到的各分系統當前狀態以及回讀數據進行顯示， 判斷各分系統正常與否， 并予以在人機交互界面上顯示輸出， 供測試人員判斷.

2) 劇情設計模塊

劇情設計模塊主要實現對測試劇情進行相應參數及流程配置， 管理各種設定的測試劇情. 模塊設計了劇情配置管理、 測試參數設置和劇情測試3個功能區， 便于用戶進行操作， 劇情設計模塊界面如圖 4 所示.

圖 4 劇情設計模塊界面Fig.4 Plot design softpanel

圖 5 綜合檢測模塊界面Fig.5 Integration test softpanel

劇情配置管理：主要完成設備檢測項目的添加、 修改、 刪除和查詢等維護工作.

測試參數設置：主要完成雷達輻射信號模擬、 紫外信號模擬、 紅外信號模擬和IFF應答信號模擬等各個測試項目所需功能及參數的設定.

劇情測試：用于選擇設置綜合檢測的3大檢測劇情， 包括機械日檢查、 6個月定檢和24個月定檢等檢測項目， 并設計用配置文件的形式進行保存， 方便保存和更改， 并自主記錄用戶最近3次所設定的檢測條件， 方便用戶選擇使用.

3) 綜合測試模塊

綜合測試模塊主要實現對測試劇情具體各項目的測試. 模塊設計了雷達測試、 電子對抗測試、 敵我識別測試和雷電綜合與自兼容測試4個功能區， 便于用戶進行相關測試操作. 綜合測試模塊界面如圖 5 所示.

電子對抗測試：主要完成對電子對抗系統的測試工作， 并能配置其測試項目和測試流程， 用戶可以進行選項測試和自動測試.

雷達測試：主要完成對雷達系統的測試工作， 并能配置其測試項目和測試流程， 用戶可以進行選項測試和自動測試.

敵我識別測試：主要完成對敵我識別的測試工作， 并能配置其測試項目和測試流程， 用戶可以進行選項測試和自動測試.

圖 6 輔助功能模塊界面Fig.6 Assistant function softpanel

雷電綜合與自兼容測試：主要完成對雷電綜合與自兼容的測試工作， 并能配置其測試項目和測試流程， 用戶可以進行選項測試和自動測試.

4) 輔助功能模塊

輔助功能模塊主要完成對后臺數據的存儲備份和管理、 對人機交互操作的幫助等必要的輔助操作. 模塊設計了用戶管理、 數據管理、 日志管理和用戶幫助4個功能區， 便于不同的用戶進行相關操作. 輔助功能模塊界面如圖 6 所示.

用戶管理：擁有設備管理員權限的用戶可以進行用戶注冊、 權限的分配和回收等動作.

數據管理：采取相應的加密措施處理相關的技術參數和測試數據， 保證相關指標和測試數據的安全性. 輔助功能模塊通過海量存儲設備以及用戶管理功能， 來保證數據的完整性和安全性， 并提供簡潔的管理功能， 方便數據檢索、 重現及分析.

日志管理：主要用來記錄用戶登錄和設備使用情況， 記憶相關的必要信息. 在每一次測試結束后都可以輸出文本日志記錄并存儲下來.

用戶幫助：主要結合具體任務提供給相關的用戶幫助文檔， 可以在線查詢測試方式方法以及各種操作提示， 幫助用戶正確理解和使用設備.

2 關鍵技術

2.1 “四綜合”設計理念

為了真實模擬戰場電磁環境的復雜性， 滿足某型飛機偵察設備多功能、 多模式、 多組合的功能及性能測試需求， 本測試系統打破傳統設計思路， 針對機上所有的偵察設備的測試需求， 采用各級綜合化的設計思路， 將電子設備的信號產生器集成在一起， 頻率覆蓋從低頻到高頻， 輻射源信號幾乎涵蓋所有的信號形式， 通過任意組合的方式充分滿足所有電子戰設備的測試要求. 系統設計體現了綜合控制、 綜合仿真、 綜合數字中頻、 綜合射頻的“四綜合”理念. 同時， 由于數據融合功能模擬需要綜合了戰情中電磁輻射源特性和對電子戰設備的電磁輻射特性， 因此， 采用“四綜合”設計是整個測試系統設計的重要技術途徑.

2.2 采用開放式架構， 提高系統可升級性

圖 7 軟件開放式處理體系架構Fig.7 Software open processing architecture

開放式架構的優點在于：由于模塊是按功能劃分的， 每一種模塊完成一種功能， 所以對于重要的功能可以冗余配置， 從而使整個系統具有魯棒、 容錯重組能力； 因為組成開放式體系結構中的模塊是按功能劃分的， 隨著電子技術的發展和器件更新換代， 實現某種功能的設計發生了變換， 那么只要更新相應的模塊， 而不會改變系統的整體結構； 采用開放式的系統結構設計， 便于構成分布式系統， 使系統易于更新， 易于發展， 易于采用新技術.

本測試系統設計采用了開放式架構， 主要從射頻架構、 數字處理及軟件架構3個方面并行推進.

射頻架構方面， 采用基于開放的射頻體系結構， 實現在18 GHz 頻段內各種射頻信號產生的不同模式之間的橋接， 實行資源利用的最大化， 并且實現了各種頻段間的兼容工作.

數字處理方面， 充分體現了數字化、 模塊化、 通用化、 標準化的思路. 模塊結構形式貫徹通用標準. 模塊互連則基于高速串行標準接口. 高速串行標準傳輸協議， 與物理層一起構建基于高速串行傳輸的數據交換機制， 形成了數字處理方面的可重構、 可擴展體系架構.

軟件架構方面， 依托于通用化硬件平臺， 構筑層次化、 具有可移植性通用軟件. 開放式軟件共包括4層：第1層為板級驅動層， 為信號處理模塊提供板級驅動. 第2層為函數庫層， 提供了實時高效的底層函數功能. 第3層為軟件中間件層， 是應用軟件提供了屏蔽硬件資源特性的中間層軟件. 第4層為應用軟件層， 完成具有針對性的各種處理算法. 基于該架構， 處理軟件設計開發可以做到與硬件無關， 設計師能更加關注信號處理算法與系統性能優化.

2.3 人機工效優化設計， 提高應用效能

被測系統的電子設備傳感器種類比較多、 頻率覆蓋范圍廣、 功能復雜. 如何利用最少的人員配置完成眾多復雜的測試和驗證任務， 將是系統設計中的一個難點， 這也將關系到測試系統是否真正管用、 實用. 美國國防部自動測試系統執行局對陸、 海、 空軍、 海軍陸戰隊及工業部門聯合開發的新一代自動測試系統(NxTest)的一條基本要求就是：“通過提高測試系統的互操作能力， 使最終用戶獲得最大限度的測試靈活性”.

提高人機工效的根本是提高“自動化”程度. 作為一部自動測試設備， 必須充分體現“自動化”的特點. 本測試系統設計從方案階段充分考慮融入自動決策及人工智能的思想， 在盡量減少人員的干預的情況下， 根據所給定的場景自動完成劇情生成及相關射頻信號的產生.

提高人機工效還要進行的人機界面的優化. 人機界面要滿足整個測試系統按任務需要靈活配置； 高效簡便、 降低操作負荷、 形象生動的視覺效果及提高操作直觀性等要求. 并從優化設計的角度考慮顯示畫面的清晰度和邏輯性、 畫面的合理安排及畫面字符的可讀性.

3 結束語

復雜電磁環境模擬及偵察測試系統設計實踐中充分運用了綜合控制、 綜合仿真、 綜合數字中頻、 綜合射頻的“四綜合”理念， 采用了開放式架構， 進行了人機工效優化設計， 達到了該任務要求的各項戰術性能指標. 該測試系統已應用于某部多個型號的飛機測試， 得到了一致好評. 隨著電子技術及測試技術的飛速發展， 各種相關的先進理念和技術在測試設備/系統研制中的應用研究也應該跟上步伐， 后續還需要進行更加系統的、 深入的研究.