复杂电磁环境下的电子对抗仿真验证

表1 不同试验方式分析

实物试验具有针对性强和准确性高的优点，但是构建满足实战要求的试验环境、选择满足试验要求的目标、配备防御方雷达和进攻方飞行器设备等试验条件较难，试验内容受限，同时存在周期长、费用高，试验过程难以复现等问题。实物试验主要在飞行器的试验鉴定和使用训练阶段使用。

仿真试验是通过建立仿真系统，采用纯数学仿真或硬件在环仿真等两种仿真结构，完成不同环境条件下针对不同仿真对象的仿真试验研究。仿真试验不仅可针对现役飞行器系统进行试验研究，而且可在新型飞行器系统的硬件设备未完全实现之前进行试验，使系统分析、研究和评估成为可能。仿真试验可完成现实条件下难以构建的目标、环境和多种试验方案下的系统评估与试验，可使仿真内容和过程具备高度的灵活性和可重复性，降低试验成本、缩短试验周期。仿真试验可在系统的设计研制、试验鉴定阶段中使用。

因此，建立飞行器突防仿真验证平台可高效地进行复杂电磁环境中防御方雷达和进攻方飞行器的性能分析和飞行器的突防能力评估。不过，通常的仿真验证系统都是基于纯数学的计算仿真，无法接入实际的飞行器设备，缺乏实时性、逼真性，不能全面准确的反应复杂电磁环境下飞行器的突防状态和性能。

硬件在环仿真技术是近年来系统仿真领域研究的一个热点，其核心就是可接入实际硬件设备的实时仿真，以接入实际测试硬件和物理时钟推进为基础，利用软件的可重用、可扩充、易交互和可开放等特性以不同的硬件设备和仿真模型进行实验研究，重构仿真实验系统，实现复杂大系统或体系对抗的仿真。

本文讨论的复杂电磁环境下飞行器突防仿真验证平台，将防御方雷达和进攻方飞行器突防干扰装置、目标和环境的综合仿真、高性能仿真计算和基于虚拟现实的视景仿真等技术相结合，建立了逼真和高效的、可扩充、可重用、易交互、可开放、实时的飞行器突防的实时动态仿真验证系统。采用基于虚拟仪器模拟硬件实物接入的方式，对典型环境下雷达和飞行器的对抗过程进行动态仿真，以仿真实验研究为基础进行飞行器的突防性能评估，为提高飞行器适应复杂环境与突防能力提供技术支撑。

“复杂电磁环境下的飞行器突防仿真验证平台”由飞行器突防过程中的进攻方红方侦察装置和干扰装置、防御方蓝方的雷达系统、评估方白方的监测记录系统以及态势仿真和显示系统等子系统构成。每个子系统都分层为应用软件、算法IP模块、设备驱动和硬件设备，如下图所示。该仿真验证平台在数字域上构建了基础的防御雷达系统，包含灵活的雷达发射波形设置、多维度雷达回波处理、目标跟踪能力；进攻方干扰系统，包括高性能、准实时侦察系统以及多种雷达目标信号和多种类型干扰样式；白方仿真系统。在此基础上，基于系统提供的高性能AI平台、开放的二次开发接口，为用户提供了认知雷达、认知电子战、对抗博弈算法的验证及研发平台。

图1 仿真验证平台架构

根据现阶段飞行器突防手段来看，常见的飞行器突防策略主要分为反侦察类和反拦截类。其中反侦察类的电子干扰是目前飞行器中最常见的突防手段。电子干扰通过辐射、转发、反射或吸收电磁能，削弱或破坏敌方雷达对目标的探测跟踪能力。飞行器干扰装置通过侦察模块实现对目标雷达信号进行侦收、数字储频、参数测量和分选等，从而获取目标雷达信息；侦察引导干扰模块主要通过侦察得到的目标雷达参数制定针对性干扰策略，引导干扰模块产生相应干扰；干扰模块主要是根据侦察引导干扰模块提供的引导指令和数字储频转发的目标信号合成进行干扰的生成。具体干扰功能如下：

常规干扰装置功能：

• 雷达信号接收、信号脉冲参数测量、脉冲描述字输出、干扰信号发射；

• 信号分选、信号脉内分析、数字储频功能、干扰功能。

干扰装置参数可重构：

• 多通道干扰功能、每通道干扰信号产生频点可调、开放与第三方仿真系统连接接口；

• 接收外围仿真信号，与仿真平台进行数据和信号传输。

支持AI智能运算：

• 具备AI算法接口，可将接收信号传输至GPU等AI算法训练/推理单元。

雷达是飞行器防御系统中的核心探测器，在飞行器的预警探测、跟踪、识别等各个环节均发挥着不可替代的关键作用。在雷达防御过程中，雷达系统不断的辐射雷达信号，多维度进行雷达目标回波信号处理，分析目标回波信号分析，并且进行目标跟踪以此实现反侦察，具体功能如下：

常规雷达功能：

• 包括标准脉冲多普勒雷达信号处理和数据处理流程；

• 开发用户自定义发射波形接口，提供标准的脉冲串自定义界面。

开放与第三方仿真系统连接接口：

• 接收外围仿真信号，与仿真平台进行数据和信号传输。

支持AI智能运算：

• 具备AI算法接口，可将接收数据信号传输至GPU等AI算法训练/推理单元。

白方在整个对抗仿真试验过程中仿真管理与态势显示，其仿真系统主要实时监测、展示过程信号且实时流盘以供后续分析，同时也能够多域展示防御方、进攻方对抗过程。具体功能如下：

信道仿真：

• 完成雷达对多台干扰机信号的映射；

• 根据仿真要求增加信号特性。

数据处理可视化：

• 具备数据处理中间量显示界面和交互接口；

• 干扰机、雷达多维度实时频谱展示；

• 雷达运行参数展示；

• 干扰机运行参数展示；

• 雷达干扰机对抗展示。

下图给出了本仿真系统的典型应用雷达对抗过程，进攻方系统中的侦察设备接收雷达发射的直达信号，测量该雷达的方向、频率和其他调制参数，然后根据已经掌握的雷达信号先验信息和先验知识，判断该雷达的功能、工作状态和威胁程度等，并将各种信号处理的结果提供给干扰机和其他有关设备。干扰机根据侦察识别出的目标信息，采取相应的干扰措施进行干扰。防御方雷达系统可以是一部或多部雷达（比如P波段雷达、S波段雷达、C波段雷达、X波段雷达）与指控中心协同工作，各站探测信息经指控中心进行综合处理，完成目标检测、截获、跟踪和识别等探测过程。

图2 雷达对抗过程

本平台将是一个由诸多仿真对象参与、以电磁传播为纽带、对象交互繁琐的复杂大系统体系对抗的仿真验证系统，是一个包含多种飞行器突防手段的全要素突防实验验证平台，并且需要实现全数字和半实物两类仿真需求。复杂的对象关系和多样化能力需求给仿真系统的设计和验证带来了极大的挑战。

以研究飞行器干扰装置为例，假想在对抗环境中，进攻方飞行器干扰装置进行干扰；防御方配置雷达系统进行防守。防御方雷达信号级数字仿真系统产生基带数字信号，由相应的防御雷达射频前端产生相应的射频信号，并发送给相同频段的发射天线发射出去。飞行器干扰装置收到防御方雷达的发射信号，产生相同频段的干扰信号，并通过射频前端及发射天线发射，最后由防御方雷达数字仿真系统通过射频前端采集并下变频至基带或中频信号。

图3 雷达对抗架构

仿真系统具备数据处理中间量显示和交互接口，可以接入防御方雷达系统、飞行器干扰装置系统进行数据和信号传输，可以对雷达、干扰机多维度实时频谱展示、雷达、干扰机运行参数展示、雷达干扰机对抗展示。支撑整个复杂战场环境下飞行器突防实验验证平台包含两个关键技术：软件化雷达对抗和模块化异构计算。

支撑整个复杂战场环境下飞行器突防实验验证平台包含两个关键技术：软件化雷达对抗和模块化异构计算。

“软件化雷达对抗”是指“基于开放的软/硬件平台，软件化定义系统功能”的雷达对抗系统。软件化雷达对抗的系统包含了以天线、发射和接收等基本组件的数字化阵列射频前端以及通用信息处理和控制的数字后端等两大部分。例如雷达对抗系统中软件化雷达在射频前端完成数字化，可根据系统任务要求的工作频段，合理地选择采用射频或中频数字化的方式，以开放式的系统结构实现任务要求的探测信号发射和接收；通用信息处理和控制后端可以根据实际任务选择更为商用化、开放式和可重构的处理平台，以软件定义的方式实现多功能、可重构和可扩展的信息处理和系统管控。

“模块化异构计算”基于CPU+FPGA+GPU构成的异构计算架构，FPGA负责基于定点数的前端信号预处理，CPU主要负责逻辑性强的任务计算，而GPU负责浮点计算密集程度高的信号处理。这种异构架构能够在具有充分的开发灵活性和便捷性前提下使整个系统的性能得到最大化的利用。同时，现代电子对抗已经朝向认知电子战方向发展，人工智能在电子对抗系统中将扮演越来越重要的角色。而异构计算架构中的GPU正是人工智能应用中广泛采用的计算架构，为未来电子对抗研究的演进迭代带来了更多可能性。

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