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1、地空对抗仿真系统中电磁环境建模与指挥控制的研究 562 2003 全国系统仿真学术年会 地空对抗仿真系统中电磁环境建模与指挥控制的研究汪洲 彭晓源 李宁 北京航空航天大学先进仿真技术航空科技重点实验室 100083)摘要:现代战争对战场态势的感知主要依靠雷达、卫星等通过传感电磁辐射来获取目标信息的电子装备,此类装备通常既包含传感器,也是辐射源,对它们的建模仿真是构建战场电磁环境的重要内容。本文描述一个进行了电磁环境建模,并据此进行指挥控制的分布式仿真系统?地空弹与航空兵攻防对抗仿真系统。内容包括系统的体系结构、工作流程、实现途径等,重点介绍了电子战模块和指挥控制模块,最后探讨了进一步的改良方向
2、。 1 引言 多武器平台攻防对抗是近年来仿真研究的一个热点,它效劳于战术演练、效能评估等多种目的,是先进武器装备由预研到立项不可或缺的关键步骤。由单平台仿真开展到多武器平台攻防对抗的过程中,以想定的方式控制仿真的运行被广为采用,仿真实体依据预先制定好的方案表现其行为,具有一定的局限性。而使计算机生成兵力依据战场态势灵活应变的 C4ISR 仿真正逐步引入到越来越复杂、越来越拟实的分布虚拟战场中来。 军用仿真的对象主要包括:军事实体、战场环境、战略战术。随着分布式仿真技术的开展,建模对象趋于抽象化。军事实体中平台和武器的建模仿真易于把握,是先期发展起来的较为成熟的技术,而引入包含自然环境和人文环境
3、因素而形成的分布式虚拟战场,其复杂性大为增加。为了军用仿真能直接效劳于军方的指挥决策人员,指挥控制的建模仿真技术必不可少。C4ISR 仿真那么是贯穿于作战全过程的、依赖于军事实体和战场环境的、围绕着战略战术这一对象的生成、传输和实施进行的仿真的综合。 上述三类对象之间有着密切的关联。军事实体是根底,它的行为受到战场环境和战略战术的制约和牵引;战场环境同样会因为军事实体的行为而变迁;指挥控制的实现又依赖于对军事实体和战场环境态势的感知和判断。 侦察监测、通信和各种电子战措施是形成当代战场电磁环境的主要因素。现代战争对战场态势的感知根本上依赖于雷达、卫星为代表的电子装备,此类装备通常既包含传感器、
4、也包含辐射源,对它们的建模仿真是构建虚拟战场电磁环境的重要内容,作战方案的形成也有赖于此,因此 C4ISR 与电磁环境建模在此处紧密耦合。本文标题中的“指挥控制,也是对 C4ISR 中相关内容的习惯性说法。 仿真技术在各相关领域中的应用563 本文致力于描述一个初步建立了电磁环境模型,并依赖于电磁环境感知战场态势和进行指挥控制的地空弹与航空兵攻防对抗仿真系统,侧重于对蓝方的描述。 2 地空弹与航空兵攻防对抗仿真系统 2.1 应用背景 地空弹与航空兵的攻防对抗是局部战场的典型作战样式之一。仿真背景假定在预警机指挥下的蓝方航空兵与红方地面防空体系进行对抗,双方均优先打击对方 C4ISR 系统平台与
5、装备,红蓝双方相互侦察、相互干扰、相互打击,构成全面的对抗体系。 2.2 系统的体系结构 地空对抗系统组成如图 1 所示,其中蓝方包括 6 个兵力节点、一个管理台节点以及一个 NIU(网络接口单元)节点。6 个兵力节点包括 1 个预警及护航机群节点、1 个远距支援干扰飞机节点和 4 个对地攻击节点。管理台节点负责蓝方分系统的仿真管理, NIU 节点负责子网与主干网的数据交换和协议转换。蓝方系统的通讯协议采用基于TCP/IP 协议构建的 CGF-LINK。NIU 节点可以实现基于 CGF-LINK 的子网和基于 DIS或 HLA 标准的仿真主干网之间的数据交换。虽然本系统先期的主干网是基于 DI
6、S 协议,但经过 NIU 改造后,已实现基于 HLA 的大系统应用。 。预警/护航飞机 远距支援干扰飞机 空地飞机 1 空地飞机 4CGF_Link NIU 蓝方管理台蓝方 CGF 系统 DIS/HLA 主干网 红方地空弹分系统 白方仿真管理图 1 地空对抗 CGF 系统组成 2.3 系统工作流程 仿真想定:红蓝双方均以雷达系列的电子装备为主要传感器;蓝方对红方实施电子侦察、电子干扰和电子摧毁,主要手段是雷达探测、干扰机干扰和反辐射导弹摧毁;蓝方电子战平台同样可能被红方干扰机干扰或被红方反辐射武器摧毁。主要的实现途径是建立了蓝方机载远距支援干扰(SOJ)和随队支援干扰(ESJ)模型,在预警机探
7、测指挥模型的调度下对红方雷达实施干扰;对地攻击机群在得到预警机指令的情况下对红方雷达发射反辐射导弹。当蓝方预警机平台被摧毁时,各兵力节点按预定方案各自为战。 2.4 技术实现564 2003 全国系统仿真学术年会 2.4.1 仿真管理模块 仿真管理模块在仿真开始时根据预定方案生成仿真初始化数据,以蓝方为例,包括攻防作战中各参战单元的初始位置、运动航迹、武器配置、攻防目标等;仿真过程中对进程进行调度、管理、监测,对仿真实体进行生成、撤消、冻结、解冻等操作;在仿真结束时对仿真结果进行战效统计等,此外也实现了对大白方控制指令的响应和接收。 2.4.2 网络接口单元模块 NIU 模块在本系统中实现 C
8、GF-LINK 和 VR-LINK 之间或者 CGF-LINK 与 RTI 之间的协议转换,即将 CGF-LINK 定义的内部 PDU(协议数据单元)与 VR_LINK 定义的基于 DIS 标准的 PDU 或基于 RTI 的属性与交互参数之间实现互译。 2.4.3 兵力生成模块 兵力生成模块包括蓝方各种参战飞机的平台级运动模型、武器模型、作战编队模型、战术动作模型,是在先进仿真技术重点实验室九五期间成果的根底上继承而来,经过了多武器平台攻防对抗演练的实际检验。 2.4.4 电子战模块 电子战建模包括电子攻击(EA)、电子防护(EP)、电子战支援(ES)三个组成部分,红蓝双方均可针对对方的辐射源
9、目标进行电子侦察或电子摧毁。对于本工程中的蓝方而言,重点考虑电子攻击和电子战支援。电子战的建模可以有信号级建模和功能级建模,本工程根据仿真实际需求只进行功能级建模。 工程中涉及到的蓝方电子战模型主要有:预警机雷达系统探测模型、SOJ(远距支援干扰)模型、ESJ(随对支援干扰)模型、SSJ(自卫干扰)模型。 2.4.4.1 预警雷达探测模型: 仿真系统涉及多种雷达探测模型,预警机雷达的探测距离最远,干扰机和对地攻击机的探测距离依次减小,通过对各型飞机的探测雷达进行建模,构成一个协同工作的雷达探测体系。探测雷达的模型又分为主动探测和被动探测两种,主动探测针对运动目标,而被动探测针对辐射源目标。模型
10、被封装为 C+类,参数包括输入参数、装订参数和输出参数。探测准那么以信噪比为标准,信噪比大于一定阈值时认为目标被探测到,探测结果被写入到内部定义的 C4I-PDU 中,内容包括目标的检测标志以及目标的位置信息。 1 有源探测局部: a 参数分析:输入参数:目标位置参数,雷达位置参数,目标 RCS(雷达反射截面)值。装订参数:预警雷达的发射功率、天线增益、接收机带宽、接收机噪声系数、系统损耗、信号波长等。输出参数:当前信噪比和探测结果,认为 SNR(信噪比)10dB 时检测到目标。 b 数学模型:预警雷达的数学模型涉及到天线环扫模型、信噪比模型、测角误差、测距误差等多种模型,以下仅以信噪比模型为
11、例加以说明。 预警雷达接收信号信噪比模型: 2PGGDS无噪声干扰情况下的功率信噪比: 1 t r t3 4N4 KTBFnRLa仿真技术在各相关领域中的应用565 式中 S 为雷达信号回波功率,N 为噪声功率,Pt为发射机峰值功率;Gr 为天线接收增益;Gt 为天线发射增益;为信号波长;为目标的雷达反射截面;D 为脉冲压缩增益;K 是波尔兹曼常数;T 取绝对温度 290k;B 为接收器带宽;Fn 为接收机噪声系数;Ra 为目标到雷达的距离;L 为系统的总损耗。 2PGGD有噪声干扰情况下雷达收到回波信号的功率为: t t r 2 S 3 44 RLaS S总的信噪比为: 3 N + J +
12、J KTBF + J + JSO SS n so SS其中 J 为雷达受到的支援式干扰的功率,假定有 i 个干扰源,那么:so2P ?G ?Gji ji rJ ,其中 P 为带宽内的干扰机功率;G 为干扰机天线增益,G 为预so ji ji r2 24 R ?Liji so警雷达接收干扰信号的增益; L 为雷达单程损耗。 soJss 为雷达受到的自卫式干扰的功率,假定有 k 个干扰源,那么:2P G ?Gjk jk rJ .其中 P 为带宽内的干扰机功率;G 为干扰机天线增益,Gss jk jk r2 24 RLkjk ss为预警雷达接收干扰信号的增益; L 为雷达单程损耗。 ss假定 S/N
13、+Jso+Jss大于一定阈值,就能可靠截获并稳定跟踪目标。 2 无源探测局部:无源探测系统可同时测得信号到达方位、频率、脉冲宽度和幅度及脉冲重复间隔。 a 参数分析:输入参数:辐射源目标位置,预警机位置,辐射源雷达发射机峰值功率、信号波长、天线增益和天线平均副瓣电平;装订参数:探测系统天线增益,接收机工作灵敏度,系统损耗;输出参数:对辐射源目标的最大探测距离或探测结果,目标方位。 b 数学模型:对于脉冲信号(包括雷达与欺骗干扰)的探测作用距离按下式估算: 2PG G G 2t t t rR 24 P Lr min4 式中:P 为辐射源发射机峰值功率;G 为辐射源天线增益;G 为辐射源天线平均副
14、t t t瓣电平;G 为探测系统天线增益;为目标信号波长;P 探测系统接收机灵敏度; Lr rmin为系统损耗。当作用距离大于辐射源目标与预警机的距离,即认为该目标被探测到。 2.4.4.2 干扰机模型: 假定干扰机携带的干扰吊舱在发现红方辐射源后,按照事先确定的威胁等级对其进行压制干扰。干扰机发射与辐射源同中心频率的干扰波束,对准目标进行干扰,需要计 566 2003 全国系统仿真学术年会 算干扰波束的方位角和俯仰角。远距支援干扰、随队支援干扰和自卫干扰的情况类同。输入参数:目标雷达站位置,干扰吊舱位置,目标雷达站辐射特性;装订参数:天线增益,旁瓣电平;输出参数:干扰波束的中心频率、带宽、功
15、率、方向、波束宽度。 2.4.4.3 模型的仿真运行: 上述各模型需要在分布仿真环境下运行,以构成分布虚拟战场中的电子战形态。具有“电子战能力的分布式虚拟战场提供航空兵作战中的超视距接触,电磁环境的 DER(分布式辐射生成)成为虚拟战场的重要组成。DER 的过程是,包含主动探测雷达、干扰机等实体辐射源的节点负责建立并维护辐射源的状态,辐射源状态的变化通过 PDU传递到其它节点(实施主动与被动探测的节点),由接收方负责解释,并决定辐射的感应方式,即可探测与否。被传输的是描述仿真辐射源的一组参数,这些参数描述了辐射的根本特性。对于一般情况下的低逼真度仿真,接收节点只需简单地判定辐射源和接收机是否匹配,辐射源是否在一个预定义的距离准那么之内;对于某些应用下的高逼真度要求,接收机需要在辐射数据库的支持下利用辐射源的根本参数对波
