李 奇，李 凡，唐善軍，王丙乾，張 勵

(上海機(jī)電工程研究所，上海 201109)

0 引 言

在信息化戰(zhàn)爭中，敵方制造復(fù)雜電磁環(huán)境能力不斷增強(qiáng)，各種有源干擾、無源干擾和組合干擾廣泛應(yīng)用，新的戰(zhàn)場復(fù)雜光電環(huán)境不斷出現(xiàn)。導(dǎo)引頭在復(fù)雜光電環(huán)境下抗干擾能力減弱、性能下降等問題，已成為制約紅外制導(dǎo)武器作戰(zhàn)效能的瓶頸之一。為了提升紅外導(dǎo)引頭對復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境的適應(yīng)性和作戰(zhàn)能力，迫切需要開展復(fù)雜光電環(huán)境下紅外導(dǎo)引頭抗干擾性能仿真試驗與評估技術(shù)研究[1]。

國外主要軍事強(qiáng)國對導(dǎo)彈武器裝備的復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性鑒定與評估以外場試驗為主，綜合運(yùn)用數(shù)字仿真試驗、半實物仿真試驗和外場試驗3種基本手段，已形成高水平的電子戰(zhàn)試驗?zāi)芰?。美國艾格林空軍基地的制?dǎo)武器鑒定設(shè)施是美國及其盟國中唯一可以實現(xiàn)支持全頻譜武器尋的器設(shè)計的試驗設(shè)施，可以進(jìn)行參數(shù)測量、數(shù)字和半實物仿真、反干擾試驗和性能分析。美國海軍航空系統(tǒng)司令部的綜合電子對抗評估系統(tǒng)[2]可進(jìn)行抗干擾半實物仿真試驗，可模擬紅外與紫外信號。美國空軍電子戰(zhàn)評估仿真中心[3]的紅外光電對抗測試設(shè)施已具備紅外光電對抗測試環(huán)境仿真能力，可模擬包括紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈和某些航空器的飛行及光電對抗中的機(jī)動飛行、各種點(diǎn)源曳光彈、燈光和激光干擾系統(tǒng)。

國內(nèi)的抗干擾性能試驗與評估技術(shù)從20世紀(jì)80年代末起步，在定量描述防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)典型電磁干擾環(huán)境、抗干擾能力指標(biāo)、抗干擾性能設(shè)計、性能評估方面開展了大量基礎(chǔ)性研究和工程應(yīng)用，已形成了一些抗干擾設(shè)計、抗干擾評估試驗方法等方面的行業(yè)規(guī)范。西北工業(yè)大學(xué)采用層次分析的方法，詳細(xì)分析了影響紅外空空導(dǎo)彈抗干擾性能的若干因素[4]。南京航空航天大學(xué)構(gòu)建了紅外導(dǎo)引系統(tǒng)抗干擾評估指標(biāo)體系，運(yùn)用層次分析方法確定各性能指標(biāo)的綜合權(quán)重值[5]。國防科技大學(xué)從紅外空空導(dǎo)彈導(dǎo)引系統(tǒng)、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)軟硬件本身性能出發(fā)，分析影響導(dǎo)彈抗干擾性能的要素，構(gòu)建適用于抗干擾評估的指標(biāo)體系[6]。上海機(jī)電工程研究所按照紅外導(dǎo)彈與紅外誘餌的對抗過程和導(dǎo)彈制導(dǎo)控制原理對抗干擾成功概率的影響，采用綜合抗干擾成功概率表征紅外導(dǎo)引系統(tǒng)抗干擾性能的方法，構(gòu)建了一套反映研究對象整體屬性的指標(biāo)體系和評估方法[7-8]。

仿真技術(shù)在紅外導(dǎo)引頭設(shè)計研制、試驗驗證、性能評估、使用訓(xùn)練、作戰(zhàn)研究等軍事領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，對仿真正確性和可信度要求也越來越高，能否采信仿真試驗結(jié)果，也逐步成為業(yè)內(nèi)關(guān)心的重要問題之一[7,9]。

1 紅外導(dǎo)引頭抗干擾性能仿真試驗與評估技術(shù)原理

紅外導(dǎo)引頭抗干擾性能驗證試驗與評估技術(shù)所涉及的工作包括抗干擾能力評估指標(biāo)體系研究、復(fù)雜紅外干擾環(huán)境建模與仿真、抗干擾性能驗證試驗設(shè)計、抗干擾性能仿真試驗系統(tǒng)可信度分析等工作。紅外導(dǎo)引頭抗干擾性能仿真試驗與評估的流程如圖1所示。

圖1 紅外導(dǎo)引頭抗干擾仿真試驗與評估流程Fig.1 Anti-jamming simulation test and evaluation process of infrared seeker

第一步，根據(jù)戰(zhàn)場復(fù)雜光電對抗環(huán)境下紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的作戰(zhàn)過程和系統(tǒng)特征，分析紅外導(dǎo)引頭抗干擾性能仿真試驗與評估的目的，明確不同任務(wù)需求下試驗與評估的目標(biāo)及具體要求；第二步，通過關(guān)鍵指標(biāo)梳理和綜合權(quán)重分析，建立紅外導(dǎo)引頭抗干擾能力評估指標(biāo)體系；第三步，結(jié)合紅外干擾環(huán)境復(fù)雜度量化分析[10]，設(shè)計典型的紅外對抗場景，并進(jìn)行獨(dú)立或聯(lián)合多種方式的抗干擾性能仿真試驗設(shè)計；第四步，經(jīng)過全數(shù)字/半實物/外場等不同類型的試驗實施，獲取抗干擾性能試驗數(shù)據(jù)，并完成可信度分析；最后，進(jìn)行紅外抗干擾性能評估。

基于評估指標(biāo)體系和評估方法，依據(jù)評估指標(biāo)算法計算得出單項評估指標(biāo)值；對單項評估指標(biāo)進(jìn)行規(guī)范化，綜合得到各層評估指標(biāo)值；整理分析抗干擾性能評估結(jié)果，給出抗干擾性能仿真試驗與評估報告。此外，可基于評估結(jié)果進(jìn)一步對抗干擾性能進(jìn)行比較與分析，對原有的評估指標(biāo)體系、評估方法、試驗設(shè)計和數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行優(yōu)化，提升紅外導(dǎo)引頭抗干擾性能仿真試驗與評估的技術(shù)水平。

2 紅外導(dǎo)引頭抗干擾性能評估指標(biāo)體系研究

構(gòu)建一套能夠完整反映紅外導(dǎo)引頭抗干擾綜合性能的指標(biāo)體系，選取抗干擾評估指標(biāo)是評估過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。紅外導(dǎo)引頭抗干擾評估指標(biāo)體系構(gòu)建以導(dǎo)彈、導(dǎo)引頭和制導(dǎo)控制系統(tǒng)為對象，分別對導(dǎo)彈抗干擾能力戰(zhàn)技指標(biāo)、驗證評估指標(biāo)以及導(dǎo)引頭和制導(dǎo)控制系統(tǒng)抗干擾能力指標(biāo)開展研究。抗干擾能力戰(zhàn)技指標(biāo)是總體指標(biāo)，驗證評估指標(biāo)主要用于評估在作戰(zhàn)樣本條件下的抗干擾能力水平；導(dǎo)引頭和制導(dǎo)控制系統(tǒng)抗干擾能力指標(biāo)主要用于評價導(dǎo)彈導(dǎo)引頭和制導(dǎo)控制系統(tǒng)的抗干擾能力水平。

2.1 紅外彈-紅外誘餌對抗原理分析

結(jié)合紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的對抗原理梳理紅外導(dǎo)引頭抗干擾性能的關(guān)鍵評估指標(biāo)。常見的目標(biāo)機(jī)施放誘餌彈干擾紅外導(dǎo)引頭的基本原理主要有如下3種：①通過施放大能量的干擾彈掩蓋目標(biāo)機(jī)，在某些情況下使來襲導(dǎo)彈導(dǎo)引頭信號處理裝置短時間內(nèi)信號飽和，從而出現(xiàn)對目標(biāo)的誤判；②在較短時間內(nèi)施放大量干擾，使來襲導(dǎo)彈視場內(nèi)充滿干擾，甚至完全無法從空間上區(qū)分目標(biāo)和干擾，降低導(dǎo)引頭識別出目標(biāo)的概率；③目標(biāo)機(jī)長時間連續(xù)施放干擾彈，使得來襲導(dǎo)彈長時間處于抗干擾狀態(tài)，導(dǎo)致導(dǎo)引頭逐步喪失積累目標(biāo)正確信息的能力，從而加大導(dǎo)彈抗干擾失敗的概率。

2.2 抗干擾性能評估指標(biāo)體系構(gòu)建

根據(jù)實際空戰(zhàn)分析得到的紅外空空導(dǎo)彈作戰(zhàn)應(yīng)用的典型樣本空間，凝練出用于考核所研制導(dǎo)彈抗干擾能力是否滿足要求的評估指標(biāo)，評估指標(biāo)包含不同等級對抗環(huán)境下的抗干擾概率(簡稱分級抗干擾概率)、典型作戰(zhàn)條件下的抗干擾概率和綜合抗干擾概率3項指標(biāo)。建立的典型空空彈紅外導(dǎo)引頭抗干擾性能評估指標(biāo)體系如圖2所示。

圖2 典型紅外導(dǎo)引頭抗干擾評估指標(biāo)體系Fig.2 Typical infrared seeker anti-jamming evaluation index system

2.3 抗干擾能力評估指標(biāo)權(quán)重研究

采用層次分析法構(gòu)造從導(dǎo)彈評估指標(biāo)分解到識別概率P、壓制比Kmin、Kmax、視線角速度誤差因子η、干擾結(jié)束時間占比因子λ和干擾占空比ε指標(biāo),利用層次分析法獲得指標(biāo)權(quán)重。

1) 構(gòu)造判斷矩陣

判斷矩陣是根據(jù)選定的標(biāo)度通過分析兩兩元素之間的重要程度得到的。標(biāo)度問題一直是學(xué)者研究的焦點(diǎn)之一，目前已有近10種標(biāo)度，如1∶9標(biāo)度法、0∶2標(biāo)度法、-1∶1三標(biāo)度法，-2∶2五標(biāo)度法、分?jǐn)?shù)標(biāo)度法和指數(shù)標(biāo)度法等。較普遍的方法是采用1∶9標(biāo)度，具體描述見表1。

表1 1∶9 標(biāo)度含義Tab.1 Definitions of 1∶9 scale

依照層次分析法，綜合各專家意見，構(gòu)造判斷矩陣建立層次分析模型后，就可以在各層元素中進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造出比較判斷矩陣。判斷矩陣是層次分析法的基本信息，也是進(jìn)行相對重要度計算的重要依據(jù)。

對于n個元素來說，由表1量化得到兩兩比較的判斷矩陣

A=(aij)n×n

(1)

式中，aij表示因素i和因素j相對于目標(biāo)重要性1～9的標(biāo)度量化值。

2) 計算各層的權(quán)重

3) 一致性檢驗

在獲取當(dāng)前層次的權(quán)重系數(shù)后，必須對判斷矩陣進(jìn)行一致性較驗，使各判斷之間協(xié)調(diào)一致，不出現(xiàn)與實際相互矛盾的結(jié)果。一致性檢驗方法步驟如下：

(2) 從表2中查找相應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI;

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)Tab.2 Average random consistency index

(3) 計算一致性比例CR，CR=CI/RI，當(dāng)CR<0.1時，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的；反之，當(dāng)CR≥0.1時，應(yīng)該對判斷矩陣作適當(dāng)修正，以保持一定程度的一致性。1階、2階矩陣總是完全一致的，此時CR=0。

3 抗干擾能力性能驗證試驗設(shè)計與評估

3.1 紅外干擾環(huán)境構(gòu)建

紅外干擾環(huán)境在數(shù)字仿真試驗、注入式仿真試驗、半實物仿真試驗和外場試驗過程中的實現(xiàn)方式各不相同。在數(shù)字仿真試驗和注入式仿真試驗中紅外干擾環(huán)境主要通過數(shù)學(xué)建模方式實現(xiàn)，設(shè)置不同的目標(biāo)參數(shù)、干擾參數(shù)、背景參數(shù)和環(huán)境參數(shù)生成干擾環(huán)境，并根據(jù)實測數(shù)據(jù)對模型數(shù)據(jù)進(jìn)行修正[11]。半實物仿真試驗中，在數(shù)學(xué)建模的基礎(chǔ)上，驅(qū)動目標(biāo)模擬器生成紅外信息輻射至測試產(chǎn)品視場內(nèi)。外場試驗時，則通過實際投放或放置干擾模擬器實現(xiàn)真實干擾環(huán)境的模擬。

紅外復(fù)雜場景仿真模型可實現(xiàn)導(dǎo)引頭紅外圖像的動態(tài)生成，包括目標(biāo)模型、干擾模型、背景模型、耦合模型、大氣傳輸模型、探測系統(tǒng)和注入式仿真模型。紅外復(fù)雜場景仿真模型構(gòu)建了從“目標(biāo)→背景→干擾→大氣→探測系統(tǒng)”的全鏈路紅外高動態(tài)空戰(zhàn)場景的實時仿真過程。紅外復(fù)雜場景仿真模型接收彈道數(shù)據(jù)，結(jié)合目標(biāo)和干擾狀態(tài)信息，動態(tài)渲染生成導(dǎo)引頭視場下的二維紅外場景圖像。

3.2 抗干擾性能仿真試驗設(shè)計

在所建立的紅外導(dǎo)引頭抗干擾性能評估指標(biāo)體系基礎(chǔ)上，根據(jù)單項指標(biāo)的特性，分別針對定性指標(biāo)和定量指標(biāo)研究其指標(biāo)獲取方法，對抗干擾試驗進(jìn)行設(shè)計。紅外導(dǎo)引頭抗干擾試驗設(shè)計需要根據(jù)試驗的目的和要求，在確定試驗?zāi)Ｊ?、類型和工程方法的基礎(chǔ)上，綜合試驗資源，運(yùn)用統(tǒng)計學(xué)原理，研究如何融合跨實物、半實物和全數(shù)字等試驗資源，形成多維一體的整體試驗空間，以盡可能少的試驗次數(shù)獲取足夠有效的試驗信息，得出比較可靠的試驗結(jié)論。

按照試驗設(shè)計“隨機(jī)化、重復(fù)性、對照和區(qū)組化”的四大基本原則[11-12]，從試驗實施系統(tǒng)構(gòu)建和試驗實施方案制定兩個方面，有計劃、分步驟地開展紅外導(dǎo)引頭抗干擾性能仿真試驗設(shè)計。

根據(jù)紅外導(dǎo)引頭抗干擾性能總要求，梳理抗干擾性能驗證試驗項目，用全數(shù)字仿真試驗、信號注入式仿真試驗、半實物仿真試驗、外場抗干擾試驗等不同的試驗方法來實現(xiàn)抗干擾性能驗證。不同試驗方法實現(xiàn)抗干擾場景所需的試驗設(shè)備、仿真模型和控制方式有差異，但必須滿足干擾源運(yùn)動等效和干擾信號輻射等效原則。全數(shù)字抗干擾仿真試驗主要針對不同的抗干擾場景(如彈道和干擾投放方式和投放參數(shù)的組合等)，考慮隨機(jī)因素影響，利用建立的復(fù)雜干擾場景模型和導(dǎo)引頭及制導(dǎo)控制系統(tǒng)模型等仿真模型大量重復(fù)運(yùn)行閉環(huán)仿真，可獲取大量試驗樣本，作為評估紅外導(dǎo)引頭抗干擾概率的重要支撐數(shù)據(jù)。注入式仿真作為信號級仿真試驗，通過將干擾場景信號直接注入被試導(dǎo)引頭信號處理電路，重點(diǎn)驗證導(dǎo)引頭抗干擾信號處理算法，缺點(diǎn)是可供注入的場景受到采集狀態(tài)的制約,一般樣本數(shù)量不大?？垢蓴_半實物仿真試驗利用飛行轉(zhuǎn)臺、目標(biāo)/干擾模擬器等仿真設(shè)備，對被試導(dǎo)引頭等實物產(chǎn)品進(jìn)行閉環(huán)試驗驗證，可獲得的試驗樣本數(shù)量中等。外場抗干擾飛行試驗是最接近裝備真實使用環(huán)境的試驗類型，但受試驗條件和成本的制約，一般樣本數(shù)量極少。內(nèi)外場聯(lián)合抗干擾試驗方式受到設(shè)備實時性和通信帶寬的限制，目前主要還處于研究階段，實際應(yīng)用較少?，F(xiàn)階段，在評估導(dǎo)引頭抗干擾性能時，可以結(jié)合前期內(nèi)外場不同試驗類型獲取的樣本數(shù)據(jù)，在后期性能評估階段進(jìn)行綜合評估。

在抗干擾性能驗證試驗中，利用全數(shù)字仿真進(jìn)行先期評估，可以為內(nèi)、外場試驗方案和項目的確定提供依據(jù)。同時全數(shù)字仿真試驗可以作為內(nèi)、外場試驗的補(bǔ)充手段，對內(nèi)、外場干擾場景難以實施的一些抗干擾項目進(jìn)行大量重復(fù)性的試驗，以獲取更多統(tǒng)計性數(shù)據(jù)。

圖3為紅外導(dǎo)引頭抗干擾數(shù)字仿真系統(tǒng)，由抗干擾仿真系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境、復(fù)雜環(huán)境建模與仿真子系統(tǒng)、紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈建模與仿真子系統(tǒng)3部分組成。

圖3 紅外導(dǎo)引頭抗干擾數(shù)字仿真系統(tǒng)組成Fig.3 Composition of IR seeker anti-jamming digital simulation system

復(fù)雜環(huán)境建模與仿真子系統(tǒng)包括干擾環(huán)境態(tài)勢想定庫、目標(biāo)/干擾/背景特征模型庫和復(fù)雜場景實時生成模塊，其中干擾環(huán)境態(tài)勢想定是抗干擾仿真的基礎(chǔ)。通過目標(biāo)/干擾/背景特征模型庫，從干擾戰(zhàn)術(shù)、干擾樣式、干擾參數(shù)角度建立各干擾源的數(shù)學(xué)仿真模型。該模型可通過半實物仿真和外場靜態(tài)/動態(tài)試驗對模型進(jìn)行校核驗證。在復(fù)雜紅外干擾環(huán)境中，能否甄別出干擾信號和目標(biāo)信號的細(xì)微差別是抗干擾設(shè)計的關(guān)鍵，通過目標(biāo)/干擾/背景特征模型庫建立的復(fù)雜干擾環(huán)境，可以實現(xiàn)從干擾背景中檢測出有用目標(biāo)信號，用于抗干擾性能的評估。

3.3 抗干擾性能仿真試驗可信度分析

面向紅外導(dǎo)引頭抗干擾性能驗證試驗任務(wù)，明確試驗可信度評估的概念，對抗干擾性能驗證試驗的可信度進(jìn)行分析，為后續(xù)階段能夠采信性能驗證試驗的結(jié)果數(shù)據(jù)提供支撐。按照不同試驗類型的特點(diǎn)分析，全數(shù)字仿真試驗的可信度受到模型精度的影響較大，在模型逼真度不高的情況下，全數(shù)字仿真試驗的可信度較低；注入式仿真試驗的可信度與注入信息的逼真度直接相關(guān)，一般比全數(shù)字仿真試驗要高；半實物仿真試驗可以全彈道動態(tài)模擬導(dǎo)引頭面臨的目標(biāo)環(huán)境場景及整個制導(dǎo)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，整體可信度更高；飛行試驗因為最接近真實使用環(huán)境，可信度是最高的。以半實物仿真試驗為例，對紅外導(dǎo)引頭抗干擾性能仿真試驗可信度的分析方法進(jìn)行具體說明[13]。

仿真系統(tǒng)的可信度評估分為6個部分的工作。首先，在明確其可信度評估需求的基礎(chǔ)上建立仿真系統(tǒng)可信度評估過程，并確定可信度評估對象；其次，對影響各評估對象可信度的因素進(jìn)行分析，根據(jù)各評估對象的具體情況(如模型解算過程、對象結(jié)構(gòu)等)建立其可信度評估指標(biāo)體系；再次，選用適當(dāng)?shù)目尚哦仍u估方法對各個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行評估；之后，采用指標(biāo)綜合算法(改進(jìn)的加權(quán)平均)計算出系統(tǒng)的可信度結(jié)果；最后，基于指標(biāo)體系和評估過程完成系統(tǒng)的可信度結(jié)果分析，提交給用戶以支持系統(tǒng)的應(yīng)用?？尚哦仍u估指標(biāo)體系如圖4所示。

圖4 紅外抗干擾半實物仿真系統(tǒng)可信度評估指標(biāo)體系Fig.4 Credibility evaluation index system of IR anti-jamming HWIL simulation

紅外抗干擾半實物仿真系統(tǒng)可信度評估指標(biāo)體系中的指標(biāo)數(shù)量眾多，根據(jù)是否能獲取參考數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)，可以將評估指標(biāo)分為定性指標(biāo)與定量指標(biāo)。

根據(jù)輸出數(shù)據(jù)特點(diǎn)，系統(tǒng)定量指標(biāo)的輸出數(shù)據(jù)主要包括非周期性和周期性時間序列。非周期性時間序列包括彈體速度、位置、姿態(tài)角、攻角、側(cè)滑角等，一般從時域?qū)ζ溥M(jìn)行分析。周期性時間序列，如導(dǎo)引頭輸出電信號等，則從頻域?qū)ζ溥M(jìn)行分析。

仿真系統(tǒng)中的定性指標(biāo)包括力、力矩、轉(zhuǎn)動慣量(彈體模型)、負(fù)載能力(五軸轉(zhuǎn)臺)、時空一致性、輻射速度(目標(biāo)/干擾模擬子系統(tǒng))等，可以采用專家評判法，通過打分給出相應(yīng)的可信度評估結(jié)果。

根據(jù)紅外抗干擾半實物仿真系統(tǒng)的組成，結(jié)合具體的閉環(huán)全彈道仿真試驗與閉環(huán)抗干擾試驗，分析系統(tǒng)級的可信度評估結(jié)果；利用典型試驗想定下獲得的仿真數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)，綜合利用定量與定性評估方法，得到仿真系統(tǒng)的可信度。根據(jù)現(xiàn)有仿真數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)的評估結(jié)果，判定系統(tǒng)在當(dāng)前狀態(tài)下的運(yùn)行是否可信。

設(shè)計紅外半實物仿真系統(tǒng)可信度評估方法及仿真與實彈飛行數(shù)據(jù)相結(jié)合的仿真試驗結(jié)果可信度評估方法,能夠很好地分析仿真試驗可信度，有效提高可信度評估的實際應(yīng)用意義，為仿真技術(shù)應(yīng)用于紅外導(dǎo)引頭抗干擾性能試驗與評估提供有力支撐。

4 結(jié)束語

為了驗證紅外精確制導(dǎo)導(dǎo)彈在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭復(fù)雜光電對抗環(huán)境下的實戰(zhàn)能力，提高紅外導(dǎo)引頭抗干擾能力試驗評估的技術(shù)水平，本文探討了一種利用全數(shù)字/半實物仿真試驗和外場試驗綜合驗證紅外導(dǎo)引頭抗干擾能力的方法，可為紅外導(dǎo)彈抗干擾性能驗證和試驗評估技術(shù)發(fā)展提供啟發(fā)和借鑒。