中国指挥与控制学会会刊 
复杂电磁环境是现代信息化战争的基本特征,也是影响武器装备体系效能的关键因素之一。装备论证作为武器装备发展建设的“前端”工程,必须深入研究复杂电磁环境对武器装备作战效能的影响,计算仿真技术的快速发展为战场复杂电磁环境的研究提供了有效的支撑手段。在各类仿真系统中,任务级仿真在军方开展武器装备宏观综合论证、型号发展论证和体系作战运用研究中应用最为广泛。目前美军有大量的任务级仿真系统,在军方主导的装备采办论证及作战任务筹划分析方面得到了广泛且卓有成效的应用。国内也开展了相关研究和系统建设,但由于起步较晚,在战场复杂电磁环境的建模与仿真方面与美军存在很大差距。毋庸置疑,战场仿真电磁环境是否符合实战情形,将直接影响仿真结论的可信性。尤其随着体系贡献率概念的提出并逐步引起重视,装备论证要求在近似实战的条件下对现有实际武器系统和未来新概念武器系统在大规模体系作战层面进行技术和战术效能的评估,因此,对于大尺度战场空间内大规模武器装备体系对抗产生和面对的复杂电磁环境建模仿真需求更加迫切。但是,复杂电磁环境在现实客观世界对电子信息系统的破坏作用机理及其规律十分复杂,还没彻底认识清楚,复杂电磁环境建模仿真难度较大。目前,美国等发达国家在该领域仿真系统、模型方法和试验数据上,已经具备了多年的技术积累,形成了丰富的软件产品和相关研究方法,在满足军方复杂电磁环境模拟需求方面具有较强实力,这一点从美军EADSIM等任务级仿真系统的分析中可窥见一斑。国内对电磁环境建模仿真的研究热点主要集中在工程级和交战级,涉及电磁环境感知、电磁环境生成、电磁环境效应、电磁环境度量和电磁态势展现等方向,研究成果大多用于支撑装备研制、作战训练等军事应用。在任务级层面成果相对较少,但有交联或可转化的研究工作正在开展,如东南大学毫米波国家重点实验室的复杂电磁环境与感知对抗系统、中国电科集团的复杂电磁环境高性能应用软件系统、中国电科36所的参数化电磁环境生成软件等。在电子战成为现代战争主旋律的背景下,作为装备论证重要支撑手段之一,任务级仿真对战场复杂电磁环境构建的需求日益迫切,亟需形成一套科学的理论方法和技术手段,并尽早推出能够满足体系对抗条件下装备论证需求的软件产品。为此,本文进行一些初步的探讨,以装备论证仿真实践工程经验为依据,重点围绕面向装备论证应用的任务级仿真系统复杂电磁环境“仿什么”、“模型如何建”等问题进行分析,以期对任务级仿真系统设计与建设提供借鉴与参考。
1 任务级仿真及其特点
军事领域历来是建模与仿真的研究“热区”,也是推动建模与仿真发展的最强大动力。实践中,不同的应用目的对建模与仿真的需求也不同,这就形成了不同类型的模型及其相应的仿真系统。美军国防部建模与仿真办公室,按照模型分辨率由高到低的顺序把军事领域的建模与仿真分为工程、交战、任务、战役四个层级。其中,任务级仿真主要描述一方武器装备系统遂行特定作战任务,另一方武器装备系统实施防御和反击的作战过程。该类仿真一直是军方关注的重点。目前美军有大量的任务级仿真系统,如扩展防空仿真系统EADSIM、兵力结构效能仿真系统4ACES、柔性分析建模与训练系统FLAMES等。与其他层次仿真相比,该类仿真具有四个显著特征:
一是仿真规模聚焦于作战任务力量编组。任务级仿真是对完成某一特定类型作战任务的作战力量编组及其完成任务过程进行的仿真,仿真对象针对的是构成作战力量编组的武器平台或武器系统以及战斗员形成的有机整体,不仅包括单个武器平台及其武器系统,还包括指挥机构及其战斗员的决策,系统实体模型以能反映实体功能的低分辨率聚合体为主,同时包涵大量装备实体模型和指挥决策模型。
二是建模重点聚焦任务流程与装备系统间对抗。任务级仿真的实质是对执行某一特定任务的多兵种或多武器平台进行的建模与仿真。模型描述重点是作战任务流程,各种武器装备系统之间的指挥、控制、通信和情报关系,以及武器装备系统间的作用影响,而不是单个装备系统内部机理的描述。通常情况下,单个装备系统战术技术性能及作战效能是依靠工程级、交战级等下级系统提供输入来解决。
三是仿真输出聚焦于作战任务完成率。模型描述内容及其粒度决定了仿真系统的输出。任务级仿真模型特点决定了系统的输出是作战任务力量编组完成作战任务的程度,也就是任务装备体系的任务效能,具体包括损失比率、交战概率、某项任务完成率等可反映装备体系执行任务能力的综合性效能指标。
四是实验应用定位于任务装备体系评估验证。在装备论证领域,任务级仿真系统主要适用于任务装备体系效能仿真评估及体系结构分析验证两类问题研究。在武器装备体系论证中,可以基于仿真结果对以任务为主线各种装备结构形成的装备体系执行任务能力进行仿真评估,提供多武器平台对抗效果层面的体系效能指标,支撑任务装备体系作战能力需求分析评估,同时也可支撑基于任务的装备体系结构组成、不同装备系统之间的信息关系的验证分析。
2 复杂电磁环境建模需求分析
2.1 任务级仿真电磁环境建模目的
面向装备论证的任务级仿真实验,一般要针对需要解决的装备论证问题,构建模型体系。电磁环境作为影响以电磁频谱为纽带的信息化装备作战效能的显著因素,需要纳入其模型体系。通过构建复杂电磁环境,模拟武器装备电磁环境效应,进而反映到任务装备体系的任务效能上,是任务级仿真电磁环境建模的基本目的。也就是说,任务级仿真并不是为了战场电磁环境评估,不需要全面反映电磁环境本身的特性特征和复杂性度量指标,而仅仅是武器装备效能模拟的必要条件。因此,任务级仿真电磁环境建模对象是能够对任务装备体系作战效能产生显著影响的武器装备复杂电磁环境效应。为此,一种相对简单且常用的做法是,根据战场态势,设计复杂电磁环境判断条件,直接调整武器作战效能,并不对电磁环境过多着墨。但这种方法通常适用于作战计划推演,当面向装备论证应用时,无法真实反映武器装备的复杂电磁环境效应。战场电磁环境、作用对象和影响效应之间的关系如图1 所示。
辐射源发射电磁信号,经过传播环境,在接收机产生电磁环境效应,包括软杀伤导致装备效能降低和硬杀伤导致装备物理毁伤。两种效应都可能导致装备体系的任务效能下降。电磁信号特性和电磁传播环境影响都十分复杂,需要对哪些进行建模,如何建模,应以装备电磁环境效应为牵引展开分析。硬杀伤作为一类特殊的电磁环境效应,可按照毁伤模型进行建模,在此不展开讨论。
本文仅针对软杀伤电磁环境效应,以雷达对抗为例,分析复杂电磁环境建模要素。分析方法可描述为:首先基于作战力量编组和作战流程,分析能够影响作战任务完成率的雷达指标;然后根据装备系统之间的对抗关系,分析影响雷达指标的电磁环境要素;最后着眼任务装备体系评估验证建立雷达装备电磁环境模型体系。
2.2 雷达电磁环境效应指标
以防空作战行动侦察预警环节为例,防空作战任务效能指标是对敌机总的拦截概率,其中,侦察预警环节贡献指标为侦察预警系统获取目标情报的概率。侦察预警系统主要包括地面警戒雷达网、空中预警机及情报通信系统。雷达系统的贡献指标为目标发现概率。雷达干扰对侦察预警环节的影响主要针对各种警戒、预警雷达实施干扰,以降低雷达发现概率、推迟雷达预警时间,实质是压制雷达作用距离。因此,侦察预警环节首先需要模拟计算的雷达效能指标是雷达作用距离,在此基础上计算雷达或雷达网的目标发现概率、暴露区、预警时间,及其对任务完成率的贡献。防空作战其他环节和空中进攻任务各环节指标分析见表1 。
表1 雷达贡献指标分析 |
| 作战任务 | 效能指标 | 任务环节 | 雷达贡献指标 | 建模要素 |
|---|---|---|---|---|
| 防空作战 | 拦截能力 | 侦察预警 | 防空警戒雷达、预警机对目标的发现能力 | 雷达威力范围 雷达覆盖范围 雷达分辨力 雷达测量精度 多目标能力 抗干扰能力 |
| 拦截引导 | 目标指示雷达/炮瞄雷达/制导雷达对目标的测量精度 | |||
| 空中截击 | 机载火控雷达对目标的搜索和跟踪能力 | |||
| 空中进攻 | 突击能力 | 突防阶段 | 机载火控雷达对目标的搜索和跟踪能力 | |
| 突击阶段 | 轰炸瞄准雷达/导弹制导雷达对目标的测量精度 |
建模要素中,受电磁环境影响显著的是雷达威力范围、测量精度和抗干扰能力三项指标。其中,雷达探测精度,如果考虑装备参数、技术体制和电磁环境的综合影响,模型十分复杂,很难保证解析结果。可直接使用几种典型随机分布模型描述雷达探测精度,如正态分布、对数正态分布、指数分布、常数分布、均匀分布等,由用户选择和配置参数。雷达威力范围和抗干扰能力,可通过干扰条件下的雷达作用距离来描述,这是任务级仿真雷达系统建模的主要内容。
2.3 雷达电磁环境建模要素
从雷达作战流程来看,与电磁环境紧密相关的环节为目标探测和目标攻击,雷达类型主要有早期预警雷达、防空警戒雷达、空中预警雷达、机载火控雷达、雷达导引头等。为使上述装备作战效能降到最低,敌我双方展开激烈的电子对抗活动。电子对抗装备分为三类:电子支援措施ESM、电子干扰ECM和电子对抗反措施ECCM。ESM主要目的是战术侦测,即获取敌方电子装备的战术情报,主要指敌方电磁辐射源信息及分布情况,用于支持自卫干扰和支援干扰等战术行动。ESM典型装备包括雷达告警、红外告警、激光告警、电子支援、通信支援等。ECM主要目的是最大程度降低敌方电子装备的作战能力,作战对象包括搜索雷达、跟踪雷达、红外探测系统、激光探测系统和通信系统等。ECM典型手段包括噪声干扰、欺骗干扰、箔条干扰、投掷式诱饵、通信干扰、红外干扰、激光干扰、卫星导航干扰、外形隐身等。ECCM目的是尽可能降低或消除敌方有意实施的电子干扰,典型系统包括搜索雷达反干扰、跟踪雷达反干扰、红外反干扰和通信反干扰等。频繁的电子对抗活动作用于环境,导致电磁环境十分复杂,反过来影响处于复杂环境中的武器装备。根据作战力量编组构成、装备之间的对抗关系和装备与环境之间的交互关系,影响雷达作用距离的电磁环境要素可分为三类:雷达干扰、传播损耗和目标特性,数学模型由雷达方程和干扰方程描述,要素分析见表2 。
表2 雷达电磁环境建模要素分析 |
| 电磁环境要素 | 重要性 | 模拟方法 | 模型粒度 | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 雷达干扰 | 人为干扰 | 压制干扰 | 重要 | 模型 | 时、空、频、能 |
| 欺骗干扰 | 重要 | 模型 | 时、空、能 | ||
| 民用干扰 | 一般 | 数据库 | 空、能 | ||
| 杂波 | 地杂波 | 中等 | 模型 | 空、频、能 | |
| 海杂波 | 中等 | 模型 | 空、频、能 | ||
| 气象杂波 | 一般 | 模型 | 空、频、能 | ||
| 环境噪声 | 重要 | 参数 | 能 | ||
| 传播损耗 | 自由传输损耗 | 中等 | 公式 | 空、频、能 | |
| 大气吸收损耗 | 中等 | 数据库 | 空、频、能 | ||
| 多径传输损耗 | 一般 | 模型 | 空、频、能 | ||
| 地物绕射损耗 | 一般 | 模型 | 空、频、能 | ||
| 目标特性 | 目标雷达截面积 | 重要 | 数据库 | 空、频、极化 | |
| 目标起伏特性 | 中等 | 模型 | |||
压制干扰和欺骗干扰是构成战场复杂电磁环境的主要因素,需要对各种干扰辐射样式重点建模。压制干扰包括瞄准干扰、阻塞干扰、多频干扰、扫频干扰、箔条走廊等,欺骗干扰包括距离欺骗、速度欺骗、角度欺骗、箔条弹、多假目标、诱饵等。在任务级仿真中,应根据作战力量编组的武器装备和作战想定针对性建模和采集数据,通过干扰方程反映干扰样式、干扰距离、干扰强度等对目标雷达探测跟踪性能的影响。因此,干扰信号的模型粒度需要涉及时间、空间、频率、能量等特性。欺骗干扰一般可假设频率、波形与目标信号相同,因此,只需要对干扰时间、空间、能量特性建模。民用干扰与战场态势无关,且非主要影响因素,可建立基础数据库供调用。地杂波和海杂波对地面雷达和机载下视雷达影响较大,可根据实际精度需求和条件建设能力适当建模。任务级仿真中,建议采用杂波关系模型,通过描述由实验数据拟合σ0与俯仰角、极化、频率、环境参数等物理量的依赖关系进行建模。如有气象条件,也可对气象杂波建模,但均不应过于复杂。环境噪声与频段和空间位置有关,由经验数据描述,不需要建模。传播损耗中自由传输损耗和大气吸收损耗为主要因素,自由传输损耗指自由空间传播能量损耗,仅与距离和频率有关,可公式计算;大气吸收损耗对于传播距离较远或信号载频较高的情况影响较大,可通过建立大气吸收损耗数据库,使用插值方法计算以电磁波频率、路径角度、传播距离为变量的损耗值。如EADSIM采用的ALARM 3.0(Advanced Low Altitude Radar Model,先进低海拔雷达模型)中的ATTEN模型。多径传输损耗和地物绕射损耗在超短波和微波频段,主要考虑地表反射引起的多路径效应、地表绕射损耗和刃峰绕射损耗,可根据实际条件适当建模,针对任务级仿真应用特点,建议选择大尺度确定性模型,如Free Space、SEKE、TIREM、Longley-Rice、Durkin等。目标RCS是计算回波功率的重要参数,在精度要求不高,缺乏数据来源的情况下,可使用平均值表示,但还应尽量考虑频段、极化、角度等因素影响,建立相对合理的数据库。在条件允许的情况下,还可考虑对其起伏特性适当建模。典型起伏目标特性统计模型有χ2分布模型、Swerling模型、莱斯分布模型和对数正态分布模型等。
3 复杂电磁环境仿真模型体系
3.1 模型体系结构
为支撑任务装备体系评估验证,除上述电磁环境建模要素外,还需要构建装备作战效能、电磁空间态势和基础支撑等相关模型,共同模拟复杂电磁环境对武器装备作战效能的影响。模型体系涵盖电磁环境信号生成、电波传播、信号检测、态势分析等环节,如图2 。
基础电磁环境,负责模拟以电子战装备为主要辐射源的战场复杂电磁环境,包括干扰辐射控制、电磁传播计算、地海杂波计算三个部分,涉及信号侦察、干扰引导、干扰发射、电波传播、目标特性、地海杂波等6类模型;干扰辐射控制决定干扰信号的时域、空域、频域和能域特性。时域由开关机模型控制。空域控制包括天线扫描和波束分配模拟。频域控制指信号频率控制模型,需要对频率控制规律进行建模,或对其抗干扰效果直接建模;能域控制包括天线方向图和功率分配。电子干扰装备的信号辐射控制与战场实时情报有关,选定某目标进行干扰前,需要目标情报支持。因此,需要模拟信号侦察和干扰引导。信号侦察用于模拟ESM和RWR对目标雷达信号的接收计算和参数获取;干扰引导用于根据信号侦察结果、目标优先级、重点区域等,引导干扰机生成干扰方式和干扰样式。在此基础上,雷达干扰机进行时域、空域、频域和能域的干扰资源分配模拟。
装备作战效能,负责计算复杂电磁环境下武器装备作战效能及其对任务效能的影响,包括信号辐射控制、信号接收检测、作战效能计算三个部分,涵盖信号控制、探测发射、接收检测、抗干扰处理、装备效能指标、任务效能指标等6类模型;雷达辐射控制与干扰辐射控制在时空频能域的建模要素大体相同,但除天线方向图外,其他模型一般不能通用。信号检测的基本模型是信噪比功率级模型,基本要素是目标信号和系统噪声,还需要考虑人为干扰、传播损耗、杂波干扰和抗干扰体制等影响。目标检出可考虑确定性和概率性两种方法,前者使用信噪比门限判断,后者结合虚警概率,计算发现概率,通过随机抽样判断。作战效能计算分为装备作战效能和作战任务效能两个层面指标,需要根据实验目的具体设计。
电磁空间态势,负责度量和展现武器装备的局部电磁态势和电子对抗关系,支撑装备效能和任务效能分析与评估,主要包括局部电磁态势、电子对抗态势和电磁态势展现三个方面,属于扩展模型部分。局部电磁态势描述指定武器装备在任意时间点所面临的电磁态势,包括所有干扰的来源、类型、效果、概率等属性,为装备作战效能分析和评估提供基础和依据;电子对抗态势指某一时间点或时间段用频装备之间、战术子网之间的电子对抗态势,为任务效能分析和评估提供基础和依据;电磁态势展现指对电磁域战场态势进行可视化描述,辅助实验分析。电磁空间态势模型是根据任务级仿真实验一般需求提出的,是否需要支持更多的态势分析功能需要根据具体实验任务而定。
另外,上述模型需要地形、大气、海况等环境模型,及任务规划、战场规则等其他基础模型支撑。
3.2 模型交互关系
各模型要素之间的关系如图3 。用频装备和电子干扰设备构成战场电磁环境的主要辐射源,其中,电子干扰需要信号侦察模型和干扰引导模型支撑。电磁传播计算模型根据辐射源辐射的信号,生成接收天线所处电磁环境。接收机经过信号检测,一方面计算典型装备和作战任务的电磁环境效应;另一方面可作为电磁态势描述和展现的输入。另外,信号接收检测需要考虑接收机的抗干扰能力和目标特性。通过干扰和抗干扰博弈条件下的信号检测计算,确定受到的电磁环境影响,计算装备作战效能和作战任务效能。
需要指出,接收天线所处的电磁环境,不仅包括敌方电子干扰、地海杂波、地物回波,还可能包括不同类型装备频谱重叠的电磁信号,甚至是己方电磁信号等。电磁传播计算模型除进行各种传播损耗计算,还需要根据战场上接收机时空频等特性,过滤所有战场辐射源信号,对其可能产生影响的信号进行合成计算,输出局部电磁信号环境。合成计算有两种方式:功率叠加和场强合成。功率叠加方式直接将接收机前段各种干扰信号功率相加,忽略各信号之间的相位差别。功率叠加方式是目前绝大多数体系级分析论证仿真系统采取的方法,计算效率高;场强合成方式先根据接收机前段各干扰信号场强和相位计算总电场强度,再由合成电场求出接收功率。由于战场上各干扰信号之间一般不相关,场强合成方式与功率叠加方式结果近似等价。考虑到体系作战仿真系统超实时仿真需求,建议采用功率叠加方式。
4 结束语
本文初步探讨了面向装备论证的任务级仿真复杂电磁环境建模问题,以雷达对抗为例,提出相应的建模要素、模型方法、模型体系和交互关系。研究结论已应用于相关仿真系统设计和建设,初步表明了其科学性和合理性。本文希望在任务级仿真复杂电磁环境“仿什么,怎么仿”的问题研究上提供一点借鉴和参考,但限于篇幅和笔者水平,更多工程问题尚未涉及,例如:大尺度场景辐射传播效应模拟、大规模实体电磁辐射影响交互模拟、电磁环境模拟运算与作战效能仿真同步同效等,需要根据系统建设实际逐一研究解决。