復雜電磁環境下導彈信號級數字仿真建模方法

楊元勝，任書磊，沈俊逸，李晨，湯繼偉

（上海機電工程研究所，上海 201109）

導彈的工作過程本質上是彈上各類傳感器（導引頭、數據鏈等）模塊通過信號處理實時獲取戰場環境狀態及自身狀態，并據此狀態利用邏輯控制模塊進行信息融合與決策判斷，實時生成制導指令，再通過各類執行機構（舵系統、發動機等）運行，從而作用于戰場環境產生新的戰場狀態的過程［1］。對于導彈的建模仿真，即是對上述各個模塊進行數字化，以實現其仿真全流程與真實工作過程更加貼近。

數字仿真是雷達型導彈進行性能驗證的重要環節，相比半實物仿真而言，其耗時短，占有資源少，可以有效縮短型號研制周期。當前廣泛應用的導彈建模仿真方法是信息級仿真［2-4］。其對于彈上邏輯控制模塊和執行機構模塊的模擬較為真實。邏輯控制模塊對導彈處理機內的邏輯控制軟件進行直接搬移；通過真實的試驗數據修正，發動機、舵系統等執行機構模塊的仿真模型也與實物系統基本一致。對于各類傳感器尤其是射頻傳感器模塊，信息級仿真依據各類傳感器在不同戰場環境下的指標體系，通過真實值加誤差的方式對不同傳感器模塊進行模擬。這種模擬方式，在非復雜電磁環境下的仿真較為有效，但在復雜電磁環境下，尤其是強干擾下，很難在指標體系中得到不同環境下的測量誤差，難以獲得準確的導彈制導精度等重要性能指標。因此，需要引入信號級仿真。以往的信號級仿真只是停留在雷達導引頭等傳感器上［5-8］，未能與導彈系統仿真集成，無法動態實時地給出導引頭的約束，也無法準確評價導引頭性能對導彈系統的影響。

本文提供一種復雜電磁環境下導彈信號級數字仿真方法，在原有信息級仿真基礎上，增加復雜電磁環境下的中頻信息構建，包括目標、雜波、無源干擾、有源干擾等中頻信息，并將導引頭的數字仿真從信息級升級為信號級，從而給出更貼近真實戰場環境的導彈工作流程仿真，以評估導彈實際作戰性能。

1 仿真建模總體架構

本文所設計的導彈信號級數字仿真建模總體框架如圖1 所示。包括外部環境信號仿真模塊、信號處理仿真模塊、彈上邏輯控制仿真模塊、彈上執行機構仿真模塊、導彈與環境運動關系仿真模塊。

圖1 信號級仿真總體架構Fig.1 The overall simulation architecture at signal level

外部環境信號仿真模塊根據導彈和環境的實時位置與速度信息、導引頭發射波形參數及各環境參數的非實時預裝值，輸出中頻信號至信號處理仿真模塊。

信號處理仿真模塊根據彈上邏輯控制模塊給出的導引頭預裝信息以及外部環境信號仿真模塊給出的各通道的中頻信號，依據實際導彈的工作流程進行數字仿真，將探測信息輸出至彈上邏輯控制仿真模塊，將更新后的發射波形信息輸出至外部環境信號仿真模塊。

彈上邏輯控制仿真模塊根據彈上執行機構的反饋信息和實際計算機的工作流程對導彈實時位置、速度和導引頭的探測信息進行仿真，輸出制導指令至彈上執行機構以及輸出預裝信息至導引頭。

彈上執行機構仿真模塊根據彈上邏輯控制仿真模塊中的制導指令、預裝指令對彈上各設備的工作流程進行數字仿真，輸出彈上各設備的反饋信息至彈上邏輯控制仿真模塊，并輸出導彈的實時位置速度信息至導彈與環境運動關系仿真模塊。

導彈與環境運動關系仿真模塊依據目標初始位置、速度、運動方式以及導彈實時位置和速度，計算目標運動軌跡和目標與導彈的相對運動關系。

2 信號級仿真建模方法

信號級仿真建模方法包括以下3 種。（1）導引頭接收中頻信號仿真方法。根據導引頭發射脈沖波形信息以及各通道導引頭增益信息構建包括目標、雜波、無源干擾和有源干擾等復雜電磁環境下的導引頭探測中頻信號。（2）導引頭信號處理仿真方法。對導引頭信號處理流程進行數字仿真，根據彈上給出的導引頭預裝量、外部環境模塊給出的中頻信息進行信號處理。（3）彈上邏輯控制及其他模塊仿真方法。依照信息級仿真方法對涉及導彈工作流程的其他工作模塊進行模擬，包括導彈邏輯控制模塊，發動機、舵機等執行模塊，以及數據鏈、衛星導航等暫未進行信號數字化建模的傳感器模塊。

2.1 導引頭接收中頻信號仿真方法

根據導彈和環境信息包括各模擬目標（干擾）的實時位置與速度信息、導引頭發射波形參數及各環境參數的非實時預裝值，輸出信號處理仿真模塊合成的中頻信號。具體仿真流程如圖2所示。

圖2 中頻信號構建模塊工作流程圖Fig.2 Workflow of IF signal construction module

（1）根據導彈位置與姿態信息以及各模擬目標（干擾）的位置信息，計算彈體系下的各模擬目標（干擾）與導彈連續的俯仰角?T和偏航角θT。根據彈目聯系的角度與導引頭波束指向角(θ0，?0)，并利用暗室測試得到的天線遠場和路接收和發射增益信息GR(θi，?p，θm，?n)、GT(θi，?p，θm，?n)，插值計算各模擬目標（干擾）方向的天線和路接收和發射增益信息，用GR(θ0，?0，θT，?T)、GT(θ0，?0，θT，?T)表示。用同樣的方法計算得到俯仰、方位等差路增益信息。

（2）包括目標信號、雜波背景、箔條無源信號的模擬［9］，生成各通道中頻信號。以典型的脈沖多普勒體制導引頭為例，假設在一個相干處理周期內，導彈與目標（雜波、無源干擾）的相對速度都是均勻的，在一個處理周期內接收到的N個脈沖中的第k個脈沖，其和路通道中頻信號的基本公式如下：

其中，Pt為雷達發射機的峰值功率，Ls為雷達發射接收的綜合損耗，Gr、Gt為天線和路發射和接收增益，σk為第k個脈沖照射時目標（雜波散射單元區域、無源干擾）的融合通信；λ為工作波長，c為光速，wIF為中頻，Tr為脈沖重復周期，Tp為脈沖寬度，wfd為多普勒頻率，Rk為第k個脈沖照射到目標時的距離，rect 為矩形函數。同理，利用俯仰、方位的方向圖信息，可以得到俯仰、方位差路通道的中頻信號。

（3）將上述計算中包含干擾本體運動信息的和路通道的中頻信號發送給有源干擾調制函數，生成干擾機調制后的和路通道的中頻信號。其公式為

（4）對接收機熱噪聲進行模擬，生成接收機熱噪聲中頻信號。其公式如下：

其中，k為波爾茲曼常數；T0為接收機噪聲溫度，NF為接收機噪聲系數，Δf為噪聲帶寬。

（5）將目標、雜波、無源干擾、有源干擾等多個和路、俯仰差路、方位差路的中頻信號合成并輸出。

如信號處理模塊采用數字多通道處理時，依據上述同樣方法對各通道進行模擬，其中各通道增益采用相應的暗室測試值進行插值。

2.2 導引頭信號處理仿真方法

信號處理仿真根據彈上邏輯控制模塊給出的導引頭預裝信息以及外部環境仿真模塊給出的各通道的中頻信息，依據實際導彈的工作流程進行數字仿真，將探測信息輸出至彈上邏輯控制模塊，將更新后的發射波形信息輸出至外部環境仿真模塊。

信號處理仿真目前僅考慮導引頭的情況，其包括導引頭信號處理機（一般包含FPGA 與DSP）內工作流程的數字仿真，完成信號預處理與信號處理功能。包括下變頻、低通濾波、脈壓、數據重排、FFT、恒虛警檢測、噪聲跟蹤、測速、測距、測角、航跡跟蹤、目標跟蹤、制導信息融合等功能。

信號處理仿真模塊按照實際導引頭信號處理機主控軟件的工作流程完成所有功能模塊的調用，其工作流程如圖3所示。

圖3 導引頭信號仿真方法Fig.3 Signal simulation method of active seeker

2.3 彈上邏輯控制及其他模塊仿真方法

彈上邏輯控制模塊根據彈上執行機構的反饋信息和實際彈上計算機的邏輯控制工作流程對導彈實時位置、速度和導引頭的探測信息進行仿真，輸出制導指令至彈上執行機構以及輸出預裝信息至導引頭。

彈上邏輯控制模塊根據導彈邏輯進行數字仿真，并隨著彈上邏輯的更新而迭代。其主要實現彈上邏輯中彈后的飛行控制功能。包含：大氣解算功能、邏輯控制形成功能（穩定控制系統接通判斷、發動機工作狀態判斷、一/二脈沖點火指令）、指令形成解算功能（目標更新外推解算、彈目相對運動解算、姿態/過載指令解算、信息處理、終末制導信息源選擇解算、向信號處理模塊發送參數解算）、穩定控制解算。同時包括導引頭、數據鏈設備和衛星導航等簡單信息級數字建模仿真。

導彈執行仿真模塊依據彈上邏輯控制模塊指令的工作流程對彈上各設備進行數字仿真，包括舵機、發動機、導彈運動等的數字建模仿真。輸出各設備的反饋信息至導彈邏輯控制模塊，并輸出導彈的實時位置速度信息至導彈與環境運動關系仿真模塊。

導彈與環境運動關系模塊依據目標（干擾）初始位置、速度，運動方式（非實時，需要預裝）以及導彈實時位置和速度計算目標（干擾）運動軌跡和目標與導彈的相對運動關系。

除了以上數字仿真功能模塊外，數字仿真還需要仿真工作流程管理和交互界面與初始化等輔助模塊。這部分非此數字方法重點，不再贅述。

3 軟件工作流程與仿真應用

導彈信號級數字仿真典型的工作流程以事件進行驅動，一個循環內導彈邏輯控制模塊進行4 個解算周期，信號處理仿真模塊和外部環境信號仿真進行1 個解算周期。

每個解算周期都進行的仿真運算為彈上邏輯控制仿真中大氣解算、穩定控制解算等。以4 個周期為一個循環，分步依次計算部分功能模塊。包括彈目相對運動計算以及其他相關的彈上邏輯仿真，姿態和過載控制指令仿真計算，信號處理仿真模塊預裝值的仿真計算，以及包括其他傳感器的信息處理計算，如圖4所示。

圖4 導彈信號級數字仿真典型的工作流程框圖Fig.4 Typical workflow frame of digital simulation of missile at signal level

圖6 某條件下導引頭檢測的信噪比情況Fig.6 SNR ratio of seeker detection under certan condition

圖7 某條件下導引頭檢測的速度信息情況Fig.7 Velocity information detected by seeker under certain conditions

圖8 某條件下導引頭檢測的距離信息情況Fig.8 The distance information detected by seeker under certain conditions

彈上邏輯控制模塊在運行至后續指令計算周期前，需要等待導引頭給出制導信息，而導引頭在進行制導信息計算前，需要等待中頻脈沖串信息。

下面給出上述仿真方法的仿真應用情況，仿真所用的硬件資源為CPU：至強W-2155；主頻：3.2G；DDR4內存ECC：64G。

導彈信號級仿真軟件使用Win7操作系統，軟件系統代碼采用C/C++語言；軟件集成開發環境為VS2010。

信號級仿真軟件中，彈上邏輯控制、彈上內部設備、彈目（干）相對關系以及外部環境信號（除有源干擾部分）均為源代碼形式，以模塊化對象被原Windows窗口界面主函數調用；信號處理仿真以及外部環境信號的有源干擾部分以動態鏈接庫dll形式被主函數調用。

選取典型條件進行仿真分析，相比信息級仿真，信號級仿真除了可獲得脫靶量信息、導彈位置、速度、姿態以及彈目相對關系等信息外，還可以獲取用于導引頭檢測的時頻二維圖，導引頭檢測的信號強度、速度和距離信息，如圖5-8所示。

數字仿真數據與半實物仿真數據對比分析顯示結果一致，說明建模仿真方法有效。

4 總結與展望

本文提出了一種導彈信號級仿真方法，相比原有信息級仿真方法，構建復雜電磁環境模型生成導引頭回波中頻信號，并將導引頭信號處理引入導彈建模與仿真中，不但可以驗證對抗簡單目標條件下的導彈性能，而且可以對復雜電磁環境下的導彈性能進行有效評估。

通過復雜電磁環境下的信號級數字仿真，可以在半實物仿真之前有效地對導引頭信號處理流程、整個制導系統工作流程乃至整個導彈的工作流程進行有效驗證，降低了半實物仿真中邏輯調試的工作量，為型號研制縮短了周期。

在逼真的信號級數字仿真中，可以產生大量的智能體與環境的交互數據，從而可以有效地用于目標識別、信息決策等的深度學習或強化學習智能算法驗證，并基于復雜電磁環境的信號生成進一步擴展為多彈協同、彈群對抗的網絡化仿真平臺。