复杂电磁环境下导弹信号级数字仿真建模方法.pdf
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1、2023 年 2 月第 19 卷 第 1 期系统仿真技术System Simulation TechnologyFeb.,2023Vol.19,No.1复杂电磁环境下导弹信号级数字仿真建模方法杨元胜,任书磊,沈俊逸,李晨,汤继伟(上海机电工程研究所,上海 201109)摘要:为了有效验证多种雷达型导弹在复杂环境下的性能,并缩短型号研制周期,本文提出了一种导弹信号级数字仿真建模方法。首先对建模的整体框架进行了描述,而后分别对目标、杂波、无源干扰以及有源干扰等复杂电磁环境下的中频信号构建方法、导引头信号处理流程的数字仿真建模方法、导弹逻辑控制及其他工作模块的模拟方法进行了阐述。最后,利用该信号级数
2、字仿真建模方法实现了仿真系统工作流程,并给出了应用实例。关键词:复杂电磁环境;信号级;数字仿真;建模方法Digital Simulation Modeling Method of Missile at Signal-Level in Complex Electromagnetic EnvironmentYANG Yuansheng,REN Shulei,SHEN Junyi,LI Chen,TANG Jiwei(Shanghai Electro-Mechanical Engineering Institute,Shanghai 201109,China)Abstract:In order to
3、 support the performance verification of various missiles in complex environments and shorten the model development cycle,a digital simulation modeling method of missile at signal level is proposed in this paper.Firstly,the whole framework of modeling is described.Then,the methods of constructing IF
4、 signal in complex electromagnetic environment such as target,clutter,passive interference and active interference,the digital simulation modeling method of active seeker signal processing flow,the simulation method of missile logic control and the other working modules are described respectively.Fi
5、nally,the workflow of the simulation system is realized by the signal-level digital simulation modeling method,and an application example is given.Key words:complex electromagnetic environment;signal level;digital simulation;modeling method导弹的工作过程本质上是弹上各类传感器(导引头、数据链等)模块通过信号处理实时获取战场环境状态及自身状态,并据此状态利用逻
6、辑控制模块进行信息融合与决策判断,实时生成制导指令,再通过各类执行机构(舵系统、发动机等)运行,从而作用于战场环境产生新的战场状态的过程1。对于导弹的建模仿真,即是对上述各个模块进行数字化,以实现其仿真全流程与真实工作过程更加贴近。数字仿真是雷达型导弹进行性能验证的重要环节,相比半实物仿真而言,其耗时短,占有资源少,可以有效缩短型号研制周期。当前广泛应用的导弹建模仿真方法是信息级仿真2-4。其对于弹上逻辑控制模块和执行机构模块的模拟较为真实。逻辑控制模块对导弹处理机内的逻辑控制软件进行直接搬移;通过真实的试验数据修正,发动机、舵系统等执行机构模块的仿真模型也与实物系统基本一致。对于各类传感器尤
7、其是射频传感器模块,信息级仿真依据各类传感器在不同战场环境下的指标体系,通过真实值加误差的方式对不同传感器模块进行模拟。这种模拟方式,在非复杂电磁环境下的仿真较为有效,但在复杂电磁环境下,通信作者:杨元胜,E-mail:中图分类号:TJ765.3 DOI:10.16812/31-1945.2023.01.009系统仿真技术第 19 卷 第 1 期尤其是强干扰下,很难在指标体系中得到不同环境下的测量误差,难以获得准确的导弹制导精度等重要性能指标。因此,需要引入信号级仿真。以往的信号级仿真只是停留在雷达导引头等传感器上5-8,未能与导弹系统仿真集成,无法动态实时地给出导引头的约束,也无法准确评价导
8、引头性能对导弹系统的影响。本文提供一种复杂电磁环境下导弹信号级数字仿真方法,在原有信息级仿真基础上,增加复杂电磁环境下的中频信息构建,包括目标、杂波、无源干扰、有源干扰等中频信息,并将导引头的数字仿真从信息级升级为信号级,从而给出更贴近真实战场环境的导弹工作流程仿真,以评估导弹实际作战性能。1 仿真建模总体架构 本文所设计的导弹信号级数字仿真建模总体框架如图1所示。包括外部环境信号仿真模块、信号处理仿真模块、弹上逻辑控制仿真模块、弹上执行机构仿真模块、导弹与环境运动关系仿真模块。外部环境信号仿真模块根据导弹和环境的实时位置与速度信息、导引头发射波形参数及各环境参数的非实时预装值,输出中频信号至
9、信号处理仿真模块。信号处理仿真模块根据弹上逻辑控制模块给出的导引头预装信息以及外部环境信号仿真模块给出的各通道的中频信号,依据实际导弹的工作流程进行数字仿真,将探测信息输出至弹上逻辑控制仿真模块,将更新后的发射波形信息输出至外部环境信号仿真模块。弹上逻辑控制仿真模块根据弹上执行机构的反馈信息和实际计算机的工作流程对导弹实时位置、速度和导引头的探测信息进行仿真,输出制导指令至弹上执行机构以及输出预装信息至导引头。弹上执行机构仿真模块根据弹上逻辑控制仿真模块中的制导指令、预装指令对弹上各设备的工作流程进行数字仿真,输出弹上各设备的反馈信息至弹上逻辑控制仿真模块,并输出导弹的实时位置速度信息至导弹与
10、环境运动关系仿真模块。导弹与环境运动关系仿真模块依据目标初始位置、速度、运动方式以及导弹实时位置和速度,计算目标运动轨迹和目标与导弹的相对运动关系。2 信号级仿真建模方法 信号级仿真建模方法包括以下3种。(1)导引头接收中频信号仿真方法。根据导引头发射脉冲波形信息以及各通道导引头增益信息构建包括目标、杂波、无源干扰和有源干扰等复杂电磁环境下的导引头探测中频信号。(2)导引头信号处理仿真方法。对导引头信号处理流程进行数字仿真,根据弹上给出的导引头预装量、外部环境模块给出的中频信息进行信号处理。(3)弹上逻辑控制及其他模块仿真方法。依照信息级仿真方法对涉及导弹工作流程的其他工作模块进行模拟,包括导
11、弹逻辑控制模块,发动机、舵机等执行模块,以及数据链、卫星导航等暂未进行信号数字化建模的传感器模块。2.1导引头接收中频信号仿真方法根据导弹和环境信息包括各模拟目标(干扰)的实时位置与速度信息、导引头发射波形参数及各环境参数的非实时预装值,输出信号处理仿真模块合成的中频信号。具体仿真流程如图2所示。(1)根据导弹位置与姿态信息以及各模拟目标(干扰)的位置信息,计算弹体系下的各模拟目标(干扰)与导弹连续的俯仰角T和偏航角T。根据弹目联系的角度与导引头波束指向角(0,0),并利用暗室测试得图1信号级仿真总体架构Fig.1The overall simulation architecture at s
12、ignal level74杨元胜,等:复杂电磁环境下导弹信号级数字仿真建模方法到 的 天 线 远 场 和 路 接 收 和 发 射 增 益 信 息GR(i,p,m,n)、GT(i,p,m,n),插值计算各模拟目标(干扰)方向的天线和路接收和发射增益信息,用GR(0,0,T,T)、GT(0,0,T,T)表示。用同样的方法计算得到俯仰、方位等差路增益信息。(2)包括目标信号、杂波背景、箔条无源信号的模拟9,生成各通道中频信号。以典型的脉冲多普勒体制导引头为例,假设在一个相干处理周期内,导弹与目标(杂波、无源干扰)的相对速度都是均匀的,在一个处理周期内接收到的N个脉冲中的第k个脉冲,其和路通道中频信号
13、的基本公式如下:skIF(t)=PtLs(4)3GrGtR2kkexp j(wif+wfd)(t-2Rkc-kTr)rect 1Tp(t-2Rkc-kT)其中,Pt为雷达发射机的峰值功率,Ls为雷达发射接收的综合损耗,Gr、Gt为天线和路发射和接收增益,k为第 k个脉冲照射时目标(杂波散射单元区域、无源干扰)的融合通信;为工作波长,c为光速,wIF为中频,Tr为脉冲重复周期,Tp为脉冲宽度,wfd为多普勒频率,Rk为第k个脉冲照射到目标时的距离,rect为矩形函数。同理,利用俯仰、方位的方向图信息,可以得到俯仰、方位差路通道的中频信号。(3)将上述计算中包含干扰本体运动信息的和路通道的中频信号
14、发送给有源干扰调制函数,生成干扰机调制后的和路通道的中频信号。其公式为jkIF(t)=hj(fd,)sktarget-IF(t)。其中,sktarget-IF(t)为包含携带干扰模拟目标的运动信息的中频信号,hj(fd,)为干扰调制函数,其根据不同类型的干扰速度、距离等调制原理进行数字仿真给出,在数字仿真中为封装函数直接调用,jkIF(t)为干扰机调制后的和路通道的中频信号,同理给出俯仰、方位差路通道的中频信号。(4)对接收机热噪声进行模拟,生成接收机热噪声中频信号。其公式如下:n(t)=N1(0,kT0NFf/2)+jN2(0,kT0NFf/2)其中,k为波尔兹曼常数;T0为接收机噪声温度,
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