STK的雷達(dá)對抗干擾動(dòng)態(tài)參數(shù)建模仿真分析*

徐鵬,劉東青,王振華,郭淑芬

(空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢 430019)

0 引言

系統(tǒng)仿真工具包(system toolkit，STK)由美國圖形分析公司(Analytical Graphics INc,AGI)開發(fā)研制，可提供逼真的2D,3D動(dòng)態(tài)可視化場景以及精確的報(bào)告、圖表等，能用于分析海、陸、空、天、電磁等多場景任務(wù)，支持對雷達(dá)對抗場景進(jìn)行仿真建模，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對雷達(dá)的干擾效果進(jìn)行評估。STK/Connect模塊為用戶提供了一種建立第三方應(yīng)用程序與STK之間進(jìn)行通信連接的接口，可通過第三方軟件編寫外部代碼文件實(shí)現(xiàn)對STK的輸入?yún)?shù)進(jìn)行控制。本文利用Matlab編寫插件腳本實(shí)現(xiàn)對STK環(huán)境下干擾機(jī)發(fā)射參數(shù)的動(dòng)態(tài)仿真分析。

目前,國內(nèi)外對STK軟件的開發(fā)利用主要集中在衛(wèi)星仿真和航空航天建模方面[1-6]，涉及雷達(dá)干擾仿真的應(yīng)用文獻(xiàn)較少。文獻(xiàn)[7]基于STK/Matlab建立了地面跟蹤雷達(dá)的可視化系統(tǒng)，地面雷達(dá)對臨近空間目標(biāo)的探測效能進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[8]利用STK軟件建立航天電子偵察場景，并將Matlab作為分析工具進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可提高數(shù)據(jù)分析速度，驗(yàn)證了Matlab對STK進(jìn)行二次開發(fā)的優(yōu)越性。上述文獻(xiàn)都研究了雷達(dá)探測效能評估，但沒有考慮雷達(dá)在干擾條件下的效能，且在STK場景仿真中，雷達(dá)發(fā)射/接收參數(shù)都是靜態(tài)的，與實(shí)際復(fù)雜多變的雷達(dá)對抗電磁環(huán)境不符，對雷達(dá)探測效能的仿真分析具有一定的局限性。

本文針對文獻(xiàn)[7-8]中發(fā)射參數(shù)不可時(shí)變的問題，基于STK/Connect模塊，結(jié)合Matlab強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算能力，以雷達(dá)對抗干擾機(jī)為中心，利用Matlab編寫外部的插件腳本，在STK環(huán)境下建立了動(dòng)態(tài)的干擾機(jī)發(fā)射參數(shù)模型。通過仿真分析驗(yàn)證了該建模方法的可行性和有效性，為建立更加貼近實(shí)際戰(zhàn)場環(huán)境的雷達(dá)對抗場景提供了依據(jù)。

1 STK干擾機(jī)靜態(tài)參數(shù)建模

雷達(dá)對抗干擾機(jī)常用的STK建模方法是將STK中的Aircraft組件、Sensor組件和Transmitter組件相結(jié)合，通過對3個(gè)組件設(shè)置合理的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對干擾機(jī)的靜態(tài)建模[9]。主要方法是：首先在場景中添加Aircraft組件，而后為Aircraft組件添加一個(gè)Sensor子對象，再將Transmitter添加為Sensor的子對象，通過參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)干擾機(jī)建模。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

1.1 添加飛機(jī)組件及參數(shù)設(shè)置

(1) 向場景中添加Aircraft對象。單擊工具欄(Insert Object)按鈕，向場景中插入Aircraft對象，將其名稱修改為“UAV”。

(2) 設(shè)置飛機(jī)三維模型。定位到【3DGraphies】屬性下的【Model】模型設(shè)置頁面，將建好的無人機(jī)模型UAV.mdl文件加載到【Model File】選項(xiàng)。

(3)設(shè)置飛行軌跡。打開飛機(jī)【Basic】屬性下的【Route】屬性頁面設(shè)置，選擇飛行任務(wù)模塊(Aviator)，編輯干擾無人機(jī)飛行路徑，當(dāng)干擾機(jī)抵近雷達(dá)時(shí)采用橢圓形軌道飛行，干擾完成后沿原路徑返回。

1.2 添加傳感器及參數(shù)設(shè)置

(1) 在飛機(jī)上添加傳感器。單擊工具欄(Insert Object)按鈕，為飛機(jī)插入一個(gè)傳感器對象，將其名稱修改為“Targeted”。

(2) 顯示參數(shù)設(shè)置。將傳感器設(shè)置為矩形傳感器，指向無人機(jī)正前方，距離約束最大值設(shè)為50 km，脈沖長度設(shè)為10 km。

1.3 添加發(fā)射機(jī)及參數(shù)設(shè)置

(1) 為傳感器添加Transmitter對象。單擊工具欄(Insert Object)按鈕，在傳感器下添加發(fā)射機(jī)，將其名稱修改為“Jamming”。

(2) 選擇發(fā)射模型。定位到【Basic】屬性下的【Definition】設(shè)置頁面，將類型選擇為復(fù)雜發(fā)射機(jī)模型(Complex Transmitter Model)。

(3) 發(fā)射參數(shù)設(shè)置。在【Modle Specs】模塊中設(shè)置發(fā)射頻率為3 GHz，發(fā)射功率為10 dBm，其他選擇默認(rèn)設(shè)置。

以上方法建立的干擾機(jī)模型發(fā)射參數(shù)固定，雖然其場景動(dòng)畫可以是時(shí)變，但干擾機(jī)頻率、功率和帶寬等發(fā)射參數(shù)均不可時(shí)變，無法利用該模型實(shí)現(xiàn)對干擾信號發(fā)射參數(shù)動(dòng)態(tài)建模，影響對干擾機(jī)效能進(jìn)行有效的評估分析。

2 基于Matlab插件的動(dòng)態(tài)參數(shù)建模

針對上述干擾機(jī)建模方法的缺點(diǎn)，結(jié)合STK和Matlab 2個(gè)軟件，通過選擇STK中的腳本插件射頻發(fā)射模型(script plugin RF transmitter model)調(diào)用Matlab編寫的腳本插件，可實(shí)現(xiàn)對干擾機(jī)發(fā)射參數(shù)的動(dòng)態(tài)建模[10]。插件腳本能夠分別或同時(shí)對包括發(fā)射機(jī)中心頻率、發(fā)射功率、發(fā)射機(jī)帶寬、衰減、極化等多種參數(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制。仿真方法的具體實(shí)現(xiàn)步驟如圖1所示。其中虛線框內(nèi)即為利用Matlab腳本對干擾機(jī)動(dòng)態(tài)發(fā)射參數(shù)的建模過程。

圖1 仿真方法流程圖Fig.1 Flow chart of simulation method

STK可在無需啟動(dòng)Matlab的條件下，直接調(diào)用編寫好的插件腳本進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，具有較快的數(shù)據(jù)讀取速率。由于STK與Matlab有固定的接口配置，所以其插件腳本的編寫格式也有固定的要求，下面以干擾機(jī)的動(dòng)態(tài)發(fā)射頻率為例，給出Matlab插件腳本的固定編寫格式：

function[output]=Matlab_STK (input)

switch input.method

case ‘register’

%定義輸入/輸出參數(shù)模塊

case ‘compute’

computeData=input.methodData;

%計(jì)算輸出模塊

otherwise output=[];

end

插件腳本主要有2個(gè)模塊：輸入/輸出參數(shù)定義模塊和計(jì)算輸出模塊。STK處于調(diào)用插件模式時(shí)，在Matlab工作區(qū)輸入/輸出參數(shù)是一個(gè)字符串形式的結(jié)構(gòu)體；當(dāng)轉(zhuǎn)換到計(jì)算模式時(shí)，只需從結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)中提取輸入?yún)?shù)用于計(jì)算輸出的數(shù)據(jù)。干擾機(jī)動(dòng)態(tài)發(fā)射參數(shù)插件腳本的建模方法如下：

(1) 定義輸入/輸出變量。在Matlab中每個(gè)輸入/輸出參數(shù)的描述符都必須包含關(guān)鍵字Argument Type(參數(shù)類型)和Argument Name(參數(shù)名稱)。Argument Type的值只能是“Input”或“Output”；而Argument Name(參數(shù)名稱)的值可以是任何用戶指定的變量名，但必須遵循Matlab定義變量名的語法。Matlab中的輸入/輸出參數(shù)描述符是用單元數(shù)組的形式來指定的。下面以干擾機(jī)的發(fā)射中心頻率為例，編程命令如下：

Freq={‘ArgumentName’,‘Frequency’,

‘Name’,‘Fre’,

‘ArgumentType’,‘Output’};

上述命令即為發(fā)射中心頻率的基本定義格式。其中參數(shù)類型是Output，參數(shù)名稱為“Frequency”，當(dāng)腳本在STK中被調(diào)用時(shí)，名稱“Frequency”將被用來提取發(fā)射頻率的輸出值，而名稱“Fre”只是一個(gè)描述名，可以不定義。干擾機(jī)的其他發(fā)射參數(shù)也需按照以上格式定義，在此就不一一介紹。

(2) 計(jì)算動(dòng)態(tài)輸出。Matlab定義完輸入/輸出參數(shù)后，插件調(diào)用模式就會(huì)切換到計(jì)算模塊，STK將調(diào)用用戶自定義的算法。該算法通過STK傳遞給Matlab的輸入變量，計(jì)算并返回輸出變量。在仿真過程中，STK每個(gè)仿真步長都會(huì)調(diào)用一次插件腳本并進(jìn)行計(jì)算分析，所以插件腳本中采用仿真時(shí)長time作為動(dòng)態(tài)輸入變量，在每個(gè)時(shí)間步長計(jì)算出所需的輸出參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的參數(shù)建模。以干擾機(jī)發(fā)射跳變頻信號為例，命令如下：

time=computeData.EpochSec;

time=time/60;

t=mod(floor(time),4);

if(t==0)

output.Frequence=2.98e9;

elseif(t==1)

output.Frequence=2.99e9;

elseif(t==2)

output.Frequence=3.00e9;

elseif(t==3)

output.Frequence=3.01e9;

end

其中STK仿真步長設(shè)置為60 s，time為仿真時(shí)長，單位為s，通過上述程序控制干擾機(jī)的發(fā)射頻率從仿真開始時(shí)刻每隔60 s跳變一次，以2.98 GHz，2.99 GHz，3.00 MHz和3.01 MHz共4個(gè)頻點(diǎn)依次循環(huán)跳變，實(shí)現(xiàn)發(fā)射參數(shù)的動(dòng)態(tài)輸出。同樣可以通過該方法實(shí)現(xiàn)對例如發(fā)射帶寬、功率等其他發(fā)射參數(shù)的動(dòng)態(tài)化。

(3) 結(jié)束調(diào)用。將Matlab計(jì)算出的輸出參數(shù)返回給STK，由STK進(jìn)一步完成仿真分析。

3 動(dòng)態(tài)發(fā)射參數(shù)仿真分析

本文依據(jù)文獻(xiàn)[11]中STK可視化場景的構(gòu)建方法，建立了干擾機(jī)為掩護(hù)我方進(jìn)攻飛機(jī)攻擊敵方雷達(dá)的對抗場景，以驗(yàn)證上述干擾機(jī)動(dòng)態(tài)發(fā)射參數(shù)建模的可行性和有效性。其中仿真時(shí)間為16:00-17:30，仿真步長為60 s，下圖2中a)，b)分別為無干擾和有干擾條件下的雷達(dá)對抗場景。干擾機(jī)在橢圓形軌道上時(shí)施放瞄頻壓制干擾信號，先向站飛行，再背站飛行，而進(jìn)攻飛機(jī)直接向站飛行攻擊敵方雷達(dá)。由于進(jìn)攻飛機(jī)向站飛行時(shí)與雷達(dá)站的距離不斷減小，由干擾條件下的雷達(dá)方程[12-15]可知雷達(dá)信干比不斷增加，若一直采用較小的干擾功率則無法對雷達(dá)探測范圍形成有效遮蔽，無法為進(jìn)攻飛機(jī)形成有效的掩護(hù)通道；若干擾機(jī)在有效壓制范圍內(nèi)仍使用較大的干擾功率則造成干擾資源的浪費(fèi)。而Matlab插件可實(shí)現(xiàn)STK仿真中干擾機(jī)發(fā)射功率隨雷達(dá)站與進(jìn)攻飛機(jī)的相對距離變化而動(dòng)態(tài)變化，從而達(dá)到優(yōu)化干擾資源配置的目的。

首先，在STK中將干擾機(jī)的發(fā)射機(jī)添加為雷達(dá)的干擾對象，建立起雷達(dá)對抗電磁場景。

圖2 雷達(dá)對抗3D可視化場景圖Fig.2 Radar confrontation 3D visualization of the scene map

然后，采用控制變量的方法，測試干擾機(jī)發(fā)射功率對干擾效果的影響。雷達(dá)采用脈沖體制的單基地搜索/跟蹤雷達(dá)，脈沖重復(fù)頻率設(shè)置為1 kHz，脈沖寬度10-7s，中心頻率為3 GHz，平均發(fā)射功率為85 dBW，天線類型選擇拋物天線，線極化方式，其他參數(shù)設(shè)置采用STK仿真中的默認(rèn)參數(shù)；進(jìn)攻飛機(jī)的雷達(dá)散射截面積(radar cross section,RCS)為1 m2，其他為STK默認(rèn)參數(shù)；對于干擾機(jī)的參數(shù)設(shè)置采用控制變量法，保持干擾機(jī)其他發(fā)射參數(shù)不變，僅使其發(fā)射功率動(dòng)態(tài)變化，設(shè)置發(fā)射頻率為3 GHz，頻譜寬度為25 MHz，極化方式為線極化，發(fā)射損耗為-2 dB，其他參數(shù)采用STK仿真中的默認(rèn)參數(shù)設(shè)置。為了使仿真結(jié)果更加明顯，本文利用STK的靜態(tài)發(fā)射功率和插件腳本提供的動(dòng)態(tài)發(fā)射功率的分析數(shù)據(jù)作對比。靜態(tài)發(fā)射功率始終為12 dBW，而動(dòng)態(tài)發(fā)射功率設(shè)置為隨時(shí)間線性變化，進(jìn)攻飛機(jī)向站飛行則干擾機(jī)發(fā)射功率線性增大

Pjt=10+0.167(t/T),

(1)

式中:t為仿真時(shí)長，T為仿真步長，單位都為s；干擾機(jī)的發(fā)射功率從10 dBW開始，在30 min內(nèi)增加到15 dBW。

仿真通過分別分析有干擾和無干擾條件下雷達(dá)探測無人機(jī)的能力，以驗(yàn)證干擾機(jī)發(fā)射不同功率的干擾信號實(shí)施自衛(wèi)干擾的干擾效果。由于仿真計(jì)算的數(shù)據(jù)量過大，在無干擾條件下雷達(dá)探測概率在0.75～1之間的數(shù)據(jù)被認(rèn)為是有效數(shù)據(jù)，所以通過添加約束條件，只顯示無干擾條件下合成探測概率在0.75～1之間的數(shù)據(jù)。雷達(dá)探測能力的部分報(bào)表如表1所示。

表1 雷達(dá)探測能力Table 1 Radar detection capabilities

從表1可以看出，干擾機(jī)設(shè)置動(dòng)態(tài)發(fā)射功率時(shí)，雖然雷達(dá)的探測概率隨著雷達(dá)站與進(jìn)攻飛機(jī)相對距離的減小而增大，但增加幅度明顯小于干擾機(jī)發(fā)射靜態(tài)功率時(shí)的增加幅度，說明動(dòng)態(tài)發(fā)射功率能夠有效緩解相對距離對干擾效果的影響；而且動(dòng)態(tài)發(fā)射功率是線性變化的，驗(yàn)證了干擾機(jī)動(dòng)態(tài)發(fā)射參數(shù)建模方法的正確性和有效性，能夠通過用戶自定義的方式實(shí)現(xiàn)干擾機(jī)發(fā)射參數(shù)的動(dòng)態(tài)化。

為了使仿真結(jié)果更加直觀，利用Matlab繪制在靜態(tài)發(fā)射功率和動(dòng)態(tài)發(fā)射功率干擾條件下雷達(dá)探測概率對比圖，如圖3所示，仿真時(shí)長為30 min。

圖3 靜/動(dòng)態(tài)發(fā)射功率干擾對比Fig.3 Static/dynamic transmitting power interference contrast

圖3中,長虛線代表無干擾條件下的雷達(dá)探測概率；短虛線為靜態(tài)發(fā)射功率干擾時(shí)的雷達(dá)探測概率；點(diǎn)畫線為動(dòng)態(tài)發(fā)射功率干擾條件下的雷達(dá)探測概率?？梢钥闯觯?dāng)采用靜態(tài)發(fā)射功率時(shí)，隨著進(jìn)攻飛機(jī)與雷達(dá)站之間相對距離的不斷減小，敵方雷達(dá)對我方進(jìn)攻飛機(jī)的發(fā)現(xiàn)概率不斷增大，壓制干擾效果變差；而采用動(dòng)態(tài)發(fā)射功率則有效地克服了這一缺點(diǎn)，始終將雷達(dá)探測概率抑制在0.1以下，在節(jié)約干擾資源的同時(shí)達(dá)到了較好的干擾效果。同理可以利用Matlab插件腳本實(shí)現(xiàn)對干擾機(jī)其他發(fā)射參數(shù)的動(dòng)態(tài)控制，包括發(fā)射頻率、頻譜寬度、發(fā)射機(jī)增益等。

4 結(jié)論

(1) 利用Matlab編寫STK外部插件的方法能夠動(dòng)態(tài)修改發(fā)射機(jī)對象參數(shù)，為STK建立更加精細(xì)的干擾機(jī)模型，使得仿真結(jié)果更加真實(shí)可靠。

(2) 利用該方法也可以在STK中實(shí)現(xiàn)包括接收機(jī)建模、天線波束建模和雨衰減建模等多種動(dòng)態(tài)參數(shù)建模。

(3) 為進(jìn)一步建立更加完善的雷達(dá)對抗場景提供依據(jù)，同時(shí)也可為STK的其他任務(wù)仿真提供參考。