電子戰威脅仿真系統的發展

對電子戰系統的終極測試其實就一個，就是它與強大的對手（如有源電掃相控陣雷達）交戰時的實際表現。為了確保能夠應對這些威脅，就必須在電子戰系統的不同研發階段對其進行高精度的測試。隨著射頻與數字技術的進步，評估電子戰系統性能的測試設施越來越先進，所創建的威脅場景也越來越複雜。

當前，美國國防部高度重視提高威脅仿真能力。美軍認為，俄羅斯、中國、伊朗及其他國家都採購和開發了以前只有美國及其盟國才擁有的傳感器－射手網絡和遠程精確制導彈藥，導致西方國家過去三十年間的電子戰優勢急劇消褪。美國國防部必須改進電子戰系統，提升電子戰能力，而這比過去要更加困難了。

要開發新一代電子戰技術，在包含各種敵方（紅色）輻射源、友方（藍色）系統、商業與政府信號的真實電磁環境中對這些技術進行測試是必不可少的。測試環境越真實、越早將電子戰系統暴露在複雜威脅場景中，對後續的開發就越有利。要獲得這樣的逼真度，測試與評估過程中所使用的信號環境就必須能高度表徵系統服役時遇到的真實環境。換句話說，有效的威脅模擬器創建的信號環境應當包含：所有時刻、所有射頻輻射源的位置與距離，以及所有在戰場上不斷移動的輻射源及其幅度、相位、頻率的變化。這是一項十分艱鉅的任務。

自第一臺模擬器問世以來，電子戰仿真界一直在努力跟上威脅的發展。目前，由於現代雷達工作模式變化能力的發展，要評估電子戰系統在每一種場景下的性能是極其困難的。因為有源電掃相控陣雷達可以在瞬間同時改變其許多特性，所以電子戰系統必須應對的雷達工作模式數量也就無法確定。正如電子戰資深專家Robert Andrews博士所說的那樣：“有N個威脅場景，但我們不知道N是多少。”

完整地表徵這些雷達的特性就需要其性能數據。但是，由於新型雷達從未在戰爭中應用，蒐集這些數據的機會很少。因此，在沒有實際戰鬥的情況下，蒐集敵雷達數據的過程即變為要隨時隨地抓取碎片信息。總之，只有當敵系統完全投入到實際衝突中時，才有可能知道挫敗它所需要的一切，但對作戰人員而言那已經太晚了。

Andrews博士說：“測試評估人員必須對雷達進行仿真，但需要有數據才行。然而，雷達的工作狀態在不斷變化，一會兒採用邊掃描邊跟蹤模式，一會兒又變為搜索或其他模式。可能遇到的場景數幾乎是無限的，模擬它們的唯一方法是記錄下某些信息。­”

需要注意的是，即使有一些未知情況，創建至少能合理地代表可能遇到的作戰場景是確實可行的。因此，電子戰界依靠各種數字式模擬仿真工具來實現相關功能。

電子戰仿真目前只是少數幾家公司參與的領域，市場上的主要產品有三個：諾斯羅普·格魯曼公司的電磁戰鬥環境模擬器（CEESIM）、EWST公司的RSS 8000以及德事隆（Textron）公司的A2PATS。在美國，CEESIM和A2PATS幾乎佔據了整個市場，EWST公司則在歐洲、亞洲和其他地區擁有大量業務。自1980年代面世（並不斷升級）以來，CEESIM在美國和歐洲擁有龐大的客戶群。2000年代末，德事隆公司的A2PATS進入市場。­­­這種壟斷狀態很可能還會持續下去，因為進入這一市場的門檻很高，需要付出極大的資金與時間成本。

美國愛德華茲空軍基地的貝尼菲爾德微波暗室利用CEESIM生成複雜電磁環境，以評估安裝在飛機上的電子戰系統的性能。

CEESIM是最早出現的且使用最廣泛的模擬器，多年來隨著技術的進步不斷髮展，以滿足新的需求。該模擬器曾經是使用專用處理器和模擬信號產生器的硬件驅動系統，現在則變成利用商用現貨處理及數字信號處理部件的軟件定義、硬件使能系統。CEESIM目前能激勵更多的孔徑，並單獨或組合利用幅度調製、相對相位調製、到達時間調製來實現傳感器/接收機的測向能力。

諾格公司地面與航電C4ISR部主管Joe Downie明確表示：“傳感器正在從聯合系統轉變為多譜多功能系統，比如組合了雷達與電子攻擊功能的單一系統。包含有通信、導航、識別、數據鏈、導彈告警及其他能力的綜合傳感器系統也即將出現。要測試這些系統，就需要一個能生成整個電磁頻譜環境的綜合控制層和多譜模擬器。為了實現這一目標，我們正在擴展CEESIM的調製能力以解決全頻譜問題，同時開發一種仿真控制體系結構以集成包括紅外/光電場景生成器的一組模擬器。我們還在開發閉環能力，為認知干擾功能的測試提供支持。”

CEESIM最新的一個變化就是採用了先進脈衝發生器，現在它是一個基於直接數字合成技術的集成微波組件，早期型號則集成了多個分立的射頻元件。相比於早期型號，­集成微波組件更適用於測試需要高保真模擬到達時差（TDOA）的先進傳感器。­總的來說，CEESIM正在從定製設計數字卡轉變為採用商用現貨解決方案，降低了系統的初始成本以及其整個壽命週期的成本。

CEESIM的其他新變化還有：具備2D和3D可視化功能，能顯示威脅致命範圍、天線方向和平臺信息，以提供全面的態勢感知。此外，該模擬器還增加了直接導入數據的功能以加快威脅模型的構建過程，並且提供了數據源可追溯能力。

2018年初，美國海軍空戰中心武器部接收了一套新型CEESIM，為F-35戰鬥機ASQ-239電子戰系統測試提供支持。美國政府與工業部門測試ASQ-239的四個站點都在使用CEESIM。

正如德事隆公司所描述的那樣，A2PATS是從一張“白紙”開始創建的，而不是依靠現在的射頻、數字與軟件技術，其體系結構在許多方面都不同於CEESIM或RSS 8000解決方案。A2PATS建立在一個幾乎完全數字化的直接端口架構之上。德事隆公司高級業務發展總監Gary Cox表示：“我們意識到，如果我們能用數學方法完成整個仿真，然後將其轉化為射頻，我們就能在應對即將出現的先進技術時佔據更加有利的地位。”­

德事隆公司的成就之一就是消除了創建模擬器所需要的大部分射頻硬件，所採用的是在概念上類似於有源電掃相控陣雷達在陣元級實現射頻功率與控制功能的方法。確切地說，傳統的方法是將通用射頻源接入多個端口，對來自射頻信號發生器的模擬信號進行數字化，對其波形進行多種方式的修改，並通過每個端口的移相器將其重新轉換成模擬形式。­­德事隆公司則是將數字化過程前推到天線陣元級。該公司利用直接數字合成器（DDS）的快速調諧功能開發了基於寬帶DDS的合成激勵器。DDS能以數字方式在相位、幅度和時間上對信號進行調製，而且沒有交叉耦合和幅度變化，同時不產生相移。

通過專用信號源在每個天線陣單元上產生信號，這種“直接端口”方法提供了數字式脈衝描述字（PDW），這些PDW確定了到達陣元的每個脈衝的特性。該方法還能使一個信號發生器產生多個連續波與脈衝威脅信號。

A2PATS為挪威、意大利等許多F-35國際客戶提供支持。

A2PATS還解決了在創建和維護模擬器時的相位與功率對準問題，這也是通過將模數轉換過程放置在射頻輸出附近來實現的，不僅減少了射頻與微波器件的數量，而且消除了寄生響應。這種對準能力嵌入在系統中，以約每秒一次的頻次測量和消除寄生響應。

新一代SSI剛剛發佈，工作頻率500Hz～40GHz，瞬時帶寬500MHz，調諧速度更快，頻譜性能更好，雜散與諧波抑制為-70dB。最重要的是它可以同時生成雷達與通信威脅，這是向將電子戰與通信模擬器集成到單一系統中邁出的第一步。

早在1980年代，EWST公司的RSS8000威脅模擬器就作為一個電磁頻譜測試系統投入應用，並不斷髮展成為今天的模擬器。該公司電子戰產品經理Mike Barton說：“2000年，我們在模擬器開發規模、射頻能力和輻射源複雜性方面取得了重大進步。”

RSS8000是一個能提供動態平臺場景與靜態輻射源情況的複雜系統，具有輻射源生成和接收機天線建模等多種能力，可以直接耦合到測向接收機。該威脅模擬器是通過在目標系統之間動態地分配射頻源來適應包含多個測試系統的環境的。

因此，RSS8000能夠作為一個多通道模擬器運行，既可以作為一個單一系統——所有測試系統均暴露在一個通用場景中；也可以作為一組獨立的並行模擬器——分別對測試系統進行測試。RSS8000的頻率覆蓋範圍為50MHz～40GHz，分辨率為100kHz，瞬時帶寬為1GHz，動態範圍大於100dB，寄生與諧波抑制大於60dBc。

目前，EWST公司正在著力解決模擬系統長期存在的用戶界面問題。該公司銷售主管Steve Pilling說：“由於軍人要不斷輪換，系統要簡單易用是非常重要的。點擊20下鼠標才能模擬一個威脅是完全無法接受的，必須將其簡化為幾次單擊即可完成任務，而不是向用戶顯示應該放在後臺執行的那些功能。我們正在努力開發複雜的輻射源與場景。”

EWST公司的客戶通常不同於美國的客戶。美國客戶要求能夠評估飛行員可能會遇到的最糟糕場景，但成本則極大地超出了其他國家政府的承受能力。Pilling說：“我們發現80%的人並不需要複製可能看到的所有場景，大多數時候他們實際上只對一個威脅感興趣。我們認為，一個系統在後期能以最低的成本進行擴展、而不是一開始就花費500萬美元卻只使用其5%的功能更重要。”­

EWST公司產品經理Mike Barton說：“人們對模擬器的實際需求令人困惑，由於這是一個複雜問題，所以他們認為需要有一個大型的複雜場景生成器才能解決問題。我們要做的是使人們的願望與其真實的需求和支付能力相匹配”。比如，市場上100%的模擬器位於2～18GHz頻率範圍（EWST公司研製的模擬器幾乎全位於這一頻率覆蓋範圍），60%的模擬器位於500MHz或100MHz頻率範圍，30%的模擬器位於18～40GHz頻率範圍。­

美國海軍的“電子戰環境產生器”（NEWEG）項目將會推動下一代仿真系統的發展。這是由美國國防部主導開發的基於運動的綜合射頻接收、發射與分析子系統，目標是構建保真度更高的測試與評估環境。為了提高70MHz-40GHz頻率範圍的威脅仿真能力，NEWEG採用標準的單一數據庫格式，將脈衝描述字而不僅僅是參數數據注入系統。這是一個模塊化、可縮放、開放式體系結構系統，將採用幅度、相位、多普勒和到達時差數據來提供保真度更高的威脅場景。­­

顯然，NEWEG項目解決了當前存在的脈衝描述字格式過多這一問題。由於這些格式互不兼容，如果團隊之間相互希望使用對方所創建的數據，就必須在格式之間進行繁複的轉換。為了解決這一問題，NEWEG將為美國海軍綜合戰場模擬與測試部提供一個單一標準。­

在NEWEG項目中，諾格公司提供射頻信號產生組件，Syracuse研究公司負責數字信號產生組件，德事隆公司和EWST公司也參與了相關開發工作。“五眼”國家將是NEWEG項目的最初用戶，但是，隨著美國海軍在全球範圍內推廣這一標準，而且最終它會成為唯一標準，其它西方國家無疑也會受益。當然，NEWEG只會提供給美國及其選定的其它國家。

NEWEG將會用於儀器測試的所有階段，從硬件在迴路的實驗室到安裝型系統測試設施和露天靶場。全套NEWEG系統將部署在位於美國馬里蘭州帕圖森特河的海軍航空站、加利福尼亞州穆古角的電子作戰系統評估實驗室以及愛德華茲空軍基地的貝尼菲爾德微波暗室。

電子戰仿真的未來發展趨勢是非常明確的。過去十年，模數變換器和數模變換器的採樣速率、動態範圍、分辨率及其他關鍵指標都在逐年提高，這就使在天線陣元附近實現模擬波形的數字化成為可能，從而對射頻與微波系統（包括電子戰系統及其模擬器）產生了深遠的影響。此外，仿真領域很快就會採用NEWEG的單一數據庫格式，因為它可以實現更高的保真度、淘汰專有數據庫格式，並且簡化仿真環境。

目前，電子戰仿真系統面臨的一個問題就是：未來要產生且必須保留的脈衝數高達數百萬個，這是一個十分艱鉅的任務。根據經驗，鎖相振盪器的頻率切換時間約為1微秒，這是鎖相振盪器重新調諧所需的時間，因此不同頻率的脈衝之間必然存在有間隙。脈衝的頻率切換時間最快為1微秒。例如，德事隆公司研製的直接數字合成器具有極快的調諧速度，能在十分之一納秒的時間內產生波形，極大地縮短了脈衝頻率切換時間，而且在指定時間內能產生更多的脈衝。此外，隨著脈衝密度增大，漏掉脈衝的可能性也在增大，但可以通過提高調諧速度來緩解這一問題。­

其他挑戰還有：射頻、微波、毫米波以及光電模擬器的綜合一體化，以及協同與認知電子戰，對模擬器和已部署的系統來說這些都是十分棘手的問題。

隨著協同電子戰與認知電子戰概念出現，模擬器需要描述的作戰環境的複雜性也在成指數倍增加。協同電子戰要求平臺、軍隊和盟友協同工作，控制並支配電磁頻譜。德事隆公司高級業務發展總監Gary Cox認為，需要一個能夠測試到達時差系統的開環、硬件在迴路的實驗室環境。它必須具備360度的到達角、精確的到達時差定時以及同時激勵多個電子戰系統的能力­­­­。

認知電子戰可以說是電子戰的“聖盃”，它能迅速分析威脅場景並對其做出反應，而且可在由多個傳感器源提供數據的協作環境中完成這一任務。認知電子戰依賴於新興的人工智能技術，雖然人工智能的能力正以前所未有的速度不斷增長，但目前還遠未達到足夠可信的程度。而且人工智能做出的錯誤決定往往是人類能夠立即回答的問題，這就帶來了一個問題，即人工智能怎樣在自主電子戰系統中發揮作用。

對仿真界來說，人工智能提供了巨大的潛力。例如，人工智能提供了創建新型對抗技術的可能性，並且可以很快應用於模擬器。此外，人工智能還能將新型對抗措施分發給特定的電子戰系統，無論這些電子戰系統位於附近的武器系統上還是全球各地。目前，開發對抗技術需要耗費好幾個月時間，但某些情況下利用人工智能技術可在很短時間內達成這一目標，這是一個巨大的突破。人工智能在­模擬器中也佔有一席之地，有助於通過近實時地創建場景與複雜輻射源使模擬器更加逼真。

目前，人工智能開始廣泛滲入美國國防部的科技項目，如DARPA的“射頻機器學習系統”項目，目的是將機器學習應用於雷達、信號情報、電子戰和通信等射頻系統。該項目將分階段完成射頻指紋識別、頻譜感知，並最終實現自主射頻系統配置。從國家安全的角度來看，美國必定會高速推動人工智能的發展。