电子战威胁仿真系统的发展
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来源：国际电子战
对电子战系统的终极测试其实就一个，就是它与强大的对手（如有源电扫相控阵雷达）交战时的实际表现。为了确保能够应对这些威胁，就必须在电子战系统的不同研发阶段对其进行高精度的测试。随着射频与数字技术的进步，评估电子战系统性能的测试设施越来越先进，所创建的威胁场景也越来越复杂。
当前，美国国防部高度重视提高威胁仿真能力。美军认为，俄罗斯、中国、伊朗及其他国家都采购和开发了以前只有美国及其盟国才拥有的传感器－射手网络和远程精确制导弹药，导致西方国家过去三十年间的电子战优势急剧消褪。美国国防部必须改进电子战系统，提升电子战能力，而这比过去要更加困难了。
要开发新一代电子战技术，在包含各种敌方（红色）辐射源、友方（蓝色）系统、商业与政府信号的真实电磁环境中对这些技术进行测试是必不可少的。测试环境越真实、越早将电子战系统暴露在复杂威胁场景中，对后续的开发就越有利。要获得这样的逼真度，测试与评估过程中所使用的信号环境就必须能高度表征系统服役时遇到的真实环境。换句话说，有效的威胁模拟器创建的信号环境应当包含：所有时刻、所有射频辐射源的位置与距离，以及所有在战场上不断移动的辐射源及其幅度、相位、频率的变化。这是一项十分艰巨的任务。
自第一台模拟器问世以来，电子战仿真界一直在努力跟上威胁的发展。目前，由于现代雷达工作模式变化能力的发展，要评估电子战系统在每一种场景下的性能是极其困难的。因为有源电扫相控阵雷达可以在瞬间同时改变其许多特性，所以电子战系统必须应对的雷达工作模式数量也就无法确定。正如电子战资深专家Robert Andrews博士所说的那样：“有N个威胁场景，但我们不知道N是多少。”
完整地表征这些雷达的特性就需要其性能数据。但是，由于新型雷达从未在战争中应用，搜集这些数据的机会很少。因此，在没有实际战斗的情况下，搜集敌雷达数据的过程即变为要随时随地抓取碎片信息。总之，只有当敌系统完全投入到实际冲突中时，才有可能知道挫败它所需要的一切，但对作战人员而言那已经太晚了。
Andrews博士说：“测试评估人员必须对雷达进行仿真，但需要有数据才行。然而，雷达的工作状态在不断变化，一会儿采用边扫描边跟踪模式，一会儿又变为搜索或其他模式。可能遇到的场景数几乎是无限的，模拟它们的唯一方法是记录下某些信息。”
需要注意的是，即使有一些未知情况，创建至少能合理地代表可能遇到的作战场景是确实可行的。因此，电子战界依靠各种数字式模拟仿真工具来实现相关功能。
电子战仿真目前只是少数几家公司参与的领域，市场上的主要产品有三个：诺斯罗普·格鲁曼公司的电磁战斗环境模拟器（CEESIM）、EWST公司的RSS 8000以及德事隆（Textron）公司的A2PATS。在美国，CEESIM和A2PATS几乎占据了整个市场，EWST公司则在欧洲、亚洲和其他地区拥有大量业务。自1980年代面世（并不断升级）以来，CEESIM在美国和欧洲拥有庞大的客户群。2000年代末，德事隆公司的A2PATS进入市场。这种垄断状态很可能还会持续下去，因为进入这一市场的门槛很高，需要付出极大的资金与时间成本。
美国爱德华兹空军基地的贝尼菲尔德微波暗室利用CEESIM生成复杂电磁环境，以评估安装在飞机上的电子战系统的性能。
CEESIM是最早出现的且使用最广泛的模拟器，多年来随着技术的进步不断发展，以满足新的需求。该模拟器曾经是使用专用处理器和模拟信号产生器的硬件驱动系统，现在则变成利用商用现货处理及数字信号处理部件的软件定义、硬件使能系统。CEESIM目前能激励更多的孔径，并单独或组合利用幅度调制、相对相位调制、到达时间调制来实现传感器/接收机的测向能力。
诺格公司地面与航电C4ISR部主管Joe Downie明确表示：“传感器正在从联合系统转变为多谱多功能系统，比如组合了雷达与电子攻击功能的单一系统。包含有通信、导航、识别、数据链、导弹告警及其他能力的综合传感器系统也即将出现。要测试这些系统，就需要一个能生成整个电磁频谱环境的综合控制层和多谱模拟器。为了实现这一目标，我们正在扩展CEESIM的调制能力以解决全频谱问题，同时开发一种仿真控制体系结构以集成包括红外/光电场景生成器的一组模拟器。我们还在开发闭环能力，为认知干扰功能的测试提供支持。”
CEESIM最新的一个变化就是采用了先进脉冲发生器，现在它是一个基于直接数字合成技术的集成微波组件，早期型号则集成了多个分立的射频元件。相比于早期型号，集成微波组件更适用于测试需要高保真模拟到达时差（TDOA）的先进传感器。总的来说，CEESIM正在从定制设计数字卡转变为采用商用现货解决方案，降低了系统的初始成本以及其整个寿命周期的成本。
CEESIM的其他新变化还有：具备2D和3D可视化功能，能显示威胁致命范围、天线方向和平台信息，以提供全面的态势感知。此外，该模拟器还增加了直接导入数据的功能以加快威胁模型的构建过程，并且提供了数据源可追溯能力。
2018年初，美国海军空战中心武器部接收了一套新型CEESIM，为F-35战斗机ASQ-239电子战系统测试提供支持。美国政府与工业部门测试ASQ-239的四个站点都在使用CEESIM。
正如德事隆公司所描述的那样，A2PATS是从一张“白纸”开始创建的，而不是依靠现在的射频、数字与软件技术，其体系结构在许多方面都不同于CEESIM或RSS 8000解决方案。A2PATS建立在一个几乎完全数字化的直接端口架构之上。德事隆公司高级业务发展总监Gary Cox表示：“我们意识到，如果我们能用数学方法完成整个仿真，然后将其转化为射频，我们就能在应对即将出现的先进技术时占据更加有利的地位。”
德事隆公司的成就之一就是消除了创建模拟器所需要的大部分射频硬件，所采用的是在概念上类似于有源电扫相控阵雷达在阵元级实现射频功率与控制功能的方法。确切地说，传统的方法是将通用射频源接入多个端口，对来自射频信号发生器的模拟信号进行数字化，对其波形进行多种方式的修改，并通过每个端口的移相器将其重新转换成模拟形式。德事隆公司则是将数字化过程前推到天线阵元级。该公司利用直接数字合成器（DDS）的快速调谐功能开发了基于宽带DDS的合成激励器。DDS能以数字方式在相位、幅度和时间上对信号进行调制，而且没有交叉耦合和幅度变化，同时不产生相移。
通过专用信号源在每个天线阵单元上产生信号，这种“直接端口”方法提供了数字式脉冲描述字（PDW），这些PDW确定了到达阵元的每个脉冲的特性。该方法还能使一个信号发生器产生多个连续波与脉冲威胁信号。
A2PATS为挪威、意大利等许多F-35国际客户提供支持。
A2PATS还解决了在创建和维护模拟器时的相位与功率对准问题，这也是通过将模数转换过程放置在射频输出附近来实现的，不仅减少了射频与微波器件的数量，而且消除了寄生响应。这种对准能力嵌入在系统中，以约每秒一次的频次测量和消除寄生响应。
新一代SSI刚刚发布，工作频率500Hz～40GHz，瞬时带宽500MHz，调谐速度更快，频谱性能更好，杂散与谐波抑制为-70dB。最重要的是它可以同时生成雷达与通信威胁，这是向将电子战与通信模拟器集成到单一系统中迈出的第一步。
早在1980年代，EWST公司的RSS8000威胁模拟器就作为一个电磁频谱测试系统投入应用，并不断发展成为今天的模拟器。该公司电子战产品经理Mike Barton说：“2000年，我们在模拟器开发规模、射频能力和辐射源复杂性方面取得了重大进步。”
RSS8000是一个能提供动态平台场景与静态辐射源情况的复杂系统，具有辐射源生成和接收机天线建模等多种能力，可以直接耦合到测向接收机。该威胁模拟器是通过在目标系统之间动态地分配射频源来适应包含多个测试系统的环境的。
因此，RSS8000能够作为一个多通道模拟器运行，既可以作为一个单一系统——所有测试系统均暴露在一个通用场景中；也可以作为一组独立的并行模拟器——分别对测试系统进行测试。RSS8000的频率覆盖范围为50MHz～40GHz，分辨率为100kHz，瞬时带宽为1GHz，动态范围大于100dB，寄生与谐波抑制大于60dBc。
目前，EWST公司正在着力解决模拟系统长期存在的用户界面问题。该公司销售主管Steve Pilling说：“由于军人要不断轮换，系统要简单易用是非常重要的。点击20下鼠标才能模拟一个威胁是完全无法接受的，必须将其简化为几次单击即可完成任务，而不是向用户显示应该放在后台执行的那些功能。我们正在努力开发复杂的辐射源与场景。”
EWST公司的客户通常不同于美国的客户。美国客户要求能够评估飞行员可能会遇到的最糟糕场景，但成本则极大地超出了其他国家政府的承受能力。Pilling说：“我们发现80%的人并不需要复制可能看到的所有场景，大多数时候他们实际上只对一个威胁感兴趣。我们认为，一个系统在后期能以最低的成本进行扩展、而不是一开始就花费500万美元却只使用其5%的功能更重要。”
EWST公司产品经理Mike Barton说：“人们对模拟器的实际需求令人困惑，由于这是一个复杂问题，所以他们认为需要有一个大型的复杂场景生成器才能解决问题。我们要做的是使人们的愿望与其真实的需求和支付能力相匹配”。比如，市场上100%的模拟器位于2～18GHz频率范围（EWST公司研制的模拟器几乎全位于这一频率覆盖范围），60%的模拟器位于500MHz或100MHz频率范围，30%的模拟器位于18～40GHz频率范围。
美国海军的“电子战环境产生器”（NEWEG）项目将会推动下一代仿真系统的发展。这是由美国国防部主导开发的基于运动的综合射频接收、发射与分析子系统，目标是构建保真度更高的测试与评估环境。为了提高70MHz-40GHz频率范围的威胁仿真能力，NEWEG采用标准的单一数据库格式，将脉冲描述字而不仅仅是参数数据注入系统。这是一个模块化、可缩放、开放式体系结构系统，将采用幅度、相位、多普勒和到达时差数据来提供保真度更高的威胁场景。
显然，NEWEG项目解决了当前存在的脉冲描述字格式过多这一问题。由于这些格式互不兼容，如果团队之间相互希望使用对方所创建的数据，就必须在格式之间进行繁复的转换。为了解决这一问题，NEWEG将为美国海军综合战场模拟与测试部提供一个单一标准。
在NEWEG项目中，诺格公司提供射频信号产生组件，Syracuse研究公司负责数字信号产生组件，德事隆公司和EWST公司也参与了相关开发工作。“五眼”国家将是NEWEG项目的最初用户，但是，随着美国海军在全球范围内推广这一标准，而且最终它会成为唯一标准，其它西方国家无疑也会受益。当然，NEWEG只会提供给美国及其选定的其它国家。
NEWEG将会用于仪器测试的所有阶段，从硬件在回路的实验室到安装型系统测试设施和露天靶场。全套NEWEG系统将部署在位于美国马里兰州帕图森特河的海军航空站、加利福尼亚州穆古角的电子作战系统评估实验室以及爱德华兹空军基地的贝尼菲尔德微波暗室。
电子战仿真的未来发展趋势是非常明确的。过去十年，模数变换器和数模变换器的采样速率、动态范围、分辨率及其他关键指标都在逐年提高，这就使在天线阵元附近实现模拟波形的数字化成为可能，从而对射频与微波系统（包括电子战系统及其模拟器）产生了深远的影响。此外，仿真领域很快就会采用NEWEG的单一数据库格式，因为它可以实现更高的保真度、淘汰专有数据库格式，并且简化仿真环境。
目前，电子战仿真系统面临的一个问题就是：未来要产生且必须保留的脉冲数高达数百万个，这是一个十分艰巨的任务。根据经验，锁相振荡器的频率切换时间约为1微秒，这是锁相振荡器重新调谐所需的时间，因此不同频率的脉冲之间必然存在有间隙。脉冲的频率切换时间最快为1微秒。例如，德事隆公司研制的直接数字合成器具有极快的调谐速度，能在十分之一纳秒的时间内产生波形，极大地缩短了脉冲频率切换时间，而且在指定时间内能产生更多的脉冲。此外，随着脉冲密度增大，漏掉脉冲的可能性也在增大，但可以通过提高调谐速度来缓解这一问题。
其他挑战还有：射频、微波、毫米波以及光电模拟器的综合一体化，以及协同与认知电子战，对模拟器和已部署的系统来说这些都是十分棘手的问题。
随着协同电子战与认知电子战概念出现，模拟器需要描述的作战环境的复杂性也在成指数倍增加。协同电子战要求平台、军队和盟友协同工作，控制并支配电磁频谱。德事隆公司高级业务发展总监Gary Cox认为，需要一个能够测试到达时差系统的开环、硬件在回路的实验室环境。它必须具备360度的到达角、精确的到达时差定时以及同时激励多个电子战系统的能力。
认知电子战可以说是电子战的“圣杯”，它能迅速分析威胁场景并对其做出反应，而且可在由多个传感器源提供数据的协作环境中完成这一任务。认知电子战依赖于新兴的人工智能技术，虽然人工智能的能力正以前所未有的速度不断增长，但目前还远未达到足够可信的程度。而且人工智能做出的错误决定往往是人类能够立即回答的问题，这就带来了一个问题，即人工智能怎样在自主电子战系统中发挥作用。
对仿真界来说，人工智能提供了巨大的潜力。例如，人工智能提供了创建新型对抗技术的可能性，并且可以很快应用于模拟器。此外，人工智能还能将新型对抗措施分发给特定的电子战系统，无论这些电子战系统位于附近的武器系统上还是全球各地。目前，开发对抗技术需要耗费好几个月时间，但某些情况下利用人工智能技术可在很短时间内达成这一目标，这是一个巨大的突破。人工智能在模拟器中也占有一席之地，有助于通过近实时地创建场景与复杂辐射源使模拟器更加逼真。
目前，人工智能开始广泛渗入美国国防部的科技项目，如DARPA的“射频机器学习系统”项目，目的是将机器学习应用于雷达、信号情报、电子战和通信等射频系统。该项目将分阶段完成射频指纹识别、频谱感知，并最终实现自主射频系统配置。从国家安全的角度来看，美国必定会高速推动人工智能的发展。
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