0 引 言
电子侦察卫星系统通过侦收覆盖区域内雷达、 通信、 飞行器遥测遥控等多种电磁辐射信号， 获取目标信号参数、 辐射特性、 通信内涵、 空间位置、 敌方军事部署， 以及作战意图等多种情报信息， 具有“站得高、 看得远、 听得广、 反应快、 自身安”的优点， 是现代信息战争中夺取“制信息权”的关键支柱
［1‐2］。在信息化战争形态加速演变的背景下， 战场电磁环境日趋复杂， 信号体制多样、 时变性强、 非合作特征突出， 对电子侦察系统的感知精度、 响应速度与智能处理能力提出了极高要求。电子侦察卫星作为天基信息获取的重要平台， 已成为支撑战略预警、 战场态势感知、 目标定位与识别、 电子干扰效果评估等作战任务的核心装备， 其效能直接关乎战场信息优势的获取与制信息权的掌控。然而， 传统的地面测试方法因成本高昂、 周期长且易受环境条件制约， 已难以适应电子对抗装备快速迭代的发展需求， 无法对其性能进行全面、 真实和高效的评估与验证， 进而成为制约高性能侦察载荷发展的技术瓶颈。因此， 构建一种可重复、 可配置、 无风险的自动化测试平台， 已成为当前电子侦察卫星系统研究中的核心课题
［3‐4］。
雷达信号作为电子侦察中最常用的信号， 其从发射到传播到接收的单模块研究已十分成熟。Yang等
［5］提出了一种基于组件化软件工程的可重构分布式雷达回波仿真软件设计方法， 显著提升了雷达仿真任务的并发处理能力和跨平台适应性。李伟等
［6］设计了一种复杂电磁环境模拟系统， 采用直接数字频率合成信号发生器与混合编程技术， 实现了多种雷达与通信信号的稳定生成， 满足复杂电磁环境测试需求。马玉娟等
［7］系统分析了低轨卫星通信中的大尺度与小尺度衰落特性， 并介绍了基于统计方法的信道建模技术， 为星地链路仿真提供了理论依据。徐凡
［8］搭建了半实物仿真环境模拟空间无线信道传播特性， 并提出了一种硬件同步和软件触发相结合的同步方法对技术指标进行有效测试。宋潇等
［9］提出了基于环形试验平台的全球导航卫星系统接收机载波相位观测评估方法， 模拟复杂场景下的信号遮挡与多径效应， 并验证了该方法的可行性与复现性。
而本文旨在设计并实现一套集成辐射源信号发射、 信道传输和载荷接收的全流程仿真软件， 并模拟星载载荷接收信号的各类目标特性， 为电子侦察载荷测试提供一个完整、 快速、 可靠的测试平台。
1 软件设计方案
1.1 系统框架和需求分析
本软件面向星载侦察载荷测试， 模拟辐射源基带信号经中频、 射频调制后发射到空中， 在空间传输时被卫星上载荷接收的全过程， 如
图 1 所示。为模拟复杂电磁环境， 该场景模拟软件具备以下能力： 首先， 可生成每秒不少于10万个脉冲的高密度电磁环境； 其次， 能模拟脉间捷变、 脉组捷变等频率变化信号， 重频参差、 抖动、 滑变等时间变化信号和线性调频、 相移键控、 频移键控等脉内调制信号； 此外， 还能实现对辐射源位置、 信号特性、 信道特性、 载荷位置四者动态变化所引发的信号特征变化的同步模拟。上述功能涉及基带源、 中频射频调制设备、 信道仿真设备等多种硬件设备， 系统框架如
图 2 所示。
在功能方面， 软件需要满足各类侦测体制、 辐射源信号的参数设置和计算、 卫星运动的模拟、 空间衰落参数的计算和下发等； 在用户界面方面， 软件具备友好的用户界面和交互设计， 操作简单， 符合日常使用习惯。
1.2 开发环境介绍
本软件采用Windows 11操作系统作为开发和运行环境， 选择Visual Studio 2017作为主要的集成开发环境， 使用.NET Framework 4.6.1作为用户界面开发框架， 选择C#作为编程语言。
1.3 顶层设计
根据需求分析和功能设计， 本软件内部的数据流图如
图 3 所示。
软件界面如
图 4 所示。软件读取用户输入或配置文件导入的各类参数， 构建体制模型、 卫星模型、 辐射源模型和信道模型模拟信号在动态环境下的变化， 生成相应的波形数据文件、 特征数据文件等， 并根据指定报文或指令格式， 将数据文件发送给仪器， 获得最终的测试信号。具体实现流程如
图 5 所示。
1.4 模块设计
为了优化开发效率、 提高软件的可维护性， 本软件采用自顶向下、 模块化设计的思想， 模块划分如
图 6 所示。
各模块间存在数据交互。场景模拟模块借助卫星工具包（Satellite Tool Kit， STK）调用接口获取辐射源和载荷位置信息， 通过参数设置模块获取的各类参数生成脉冲数据、 特征数据、 衰落数据等。无论是参数设置模块还是场景模拟模块， 都需要通过数据存取模块进行数据的存储和读取。数据存取模块需要通过STK和通信接口模块给仪器下发文件。
2 软件实现
2.1 关键方法
本软件的特点是可实现从发射到传播再到接收的全过程动态仿真， 包括但不限于辐射源的实时位置、 信号的实时特征、 信道的实时特性、 载荷的实时位置等。为了在保证复杂电磁环境的同时节约成本、 提高设备利用率， 一台基带源设备会同时仿真多个辐射源， 即一个基带通道可能存在来自多个辐射源的不同信号。然而， 同一时间一个基带通道只能产生一个信号脉冲， 若多个辐射源的脉冲在时间上重叠将导致生成的冲突， 需要对脉冲进行排序并消隐来解决这个问题。但该方法加剧了计算时间过长、 数据量过大、 软件内存不足等问题。因此， 本文提出多线程分时生成和辐射源信号预处理的方法。
2.1.1 脉冲排序与消隐
为了提高仿真效率， 先依次生成各个辐射源产生的所有脉冲， 再将所有脉冲根据脉冲发射时间进行排序， 且保证每一个脉冲都能被完整发射， 即在该脉冲的脉宽时间内， 通道内没有其他脉冲， 否则认为是脉冲冲突。若出现脉冲冲突的情况， 则保留发射时间在前的脉冲， 发射时间在后的脉冲被消隐， 如
图 7 所示。
2.1.2 多线程分时生成
仿真运算虽然计算量大， 但很多计算步骤是重复单一的。在软件运行内存有限的情况下， 采用多线程分时生成的方法可以最大限度地提高计算速度， 充分发挥处理器性能。该方法的核心是将总的仿真时间进行切割分段， 每个线程只对对应的当前时间段内的脉冲信号进行处理和存储。
该方法有两个变量： 分时时长和线程数量。分时过短， 会增加文件操作次数； 分时过长， 则导致该时段内脉冲数量过多， 排序算法所用空间超过软件负荷。线程数过少， 分时生成的速度提升有限； 线程数过多， 可能会造成资源冲突而产生等待， 尤其是在将生成结果写入同一文件时。而为了保证同一辐射源内在对应不同时间段的线程中不产生冲突和等待， 需要对辐射源进行预处理。
2.1.3 辐射源信号预处理
预处理的方法是预先计算出各辐射源在各时间段内生成的脉冲数量和第一个脉冲的开始时间， 如
图 8 所示。该方法可以理解为把同一个辐射源在不同时间段发送的信号看作不同的辐射源发送的信号， 只是这些辐射源恰好除了开始发送时间不同外其他特性均一样。
该方法的优点就是在多线程计算的时候可以避免线程间因时间顺序的不可知而产生等待。
2.2 核心模块
2.2.1 场景模拟模块
本软件的核心是场景模拟模块， 主要负责根据参数设置模块传来的各类参数， 结合体制模型、 辐射源模型、 卫星模型、 信道模型等， 生成脉冲序列并计算动态过程中产生的各类特征数据。
需要计算的数据有动态辐射源的实时位置和速度， 星载载荷的实时位置和速度， 信号在传播过程中因侦测体制造成的时差、 频差、 相位差， 以及因信道环境产生的传播损耗和多普勒频移。
2.2.2 STK和通信接口模块
STK和通信接口模块的主要功能分为借助STK软件实现场景可视化和卫星运动数据的计算， 以及通过发送数据文件控制硬件设备生成相应的信号。
1） STK调用接口
场景模拟软件运行过程需要借助STK软件提供的STKX组件来实现卫星、 辐射源运动轨迹的可视化和数据获取。可以直接发送Connect 命令字符串或选择STK提供的Application、 Dataprovider、 Map Control等类接口来实现对STKX组件的控制
［10］。
对于场景可视化， 通过添加组件中的AxAgUiAxVOCntrl控件和AxAgUi2DCntrl控件与STK分析引擎进行连接， 分别展示三维和二维地图， 实现播放卫星和辐射源的运动轨迹的功能。Application对象通过Connect语言向STK引擎发送控制命令， 获取场景仿真状态。STK引擎完成场景仿真的核心计算后， 将当前仿真状态通知仿真显示对象
［11‐12］。
对于数据获取， 具体方法为获取STK对象的Data Provider类， 并根据指定的运动数据路径、 元素和采样参数返回Array类型的数组。如需要获取仿真对象ECEF坐标系下位置， 则设置路径为“artesian Position//Fixed”， 元素为“Time”、 “X”、 “Y”、 “Z”， 采样参数为time1、 time2、 0.01， 返回的数据为分别存放采样点时刻、 ECEF坐标下仿真对象x、 y、 z轴的坐标值的4个Array数组， 表示time1到time2时间内每隔0.01 s进行采样得到的仿真对象ECEF坐标。
2） 仪器通信接口和显控软件通信接口
场景模拟软件模拟完设定场景下载荷侦收的辐射源信号后， 需要给硬件设备下发数据文件， 使得硬件设备最终输出所需的测试信号。有两种下发文件的方式： 直接通信和通过显控软件进行下发。由于测试过程中使用了基带源、 中射频调制、 信道仿真设备等多种硬件设备， 其控制方式皆有所区别， 场景模拟软件提供了程控指令接口和文件下发接口与仪器进行通信。
以基带源设备为例， 使用的是Ceyear 1652CA任意波形发生器。根据设备提供的文件格式， 将需要生成的脉冲信息依次写入文件中。通过局域网接口将计算机与设备连接后， 可以通过传输控制协议/网际协议与设备进行通信。按照设备给出的程控指令进行文件的下发和触发， 即可控制设备按照文件内容生成指定的脉冲， 如
图 11 所示。
但为了便于整个系统的拓展和同步性， 在实际应用中， 更常用的是通过与显控软件通信， 将数据文件发送给显控软件， 并由显控软件进行同步下发和触发。
3 实验与结果分析
设置侦测体制为单星干涉仪， 阵列为直径5 m、 数量为8的均匀圆阵。
设置卫星的半长轴为7 000 km， 偏心率为0.05， 轨道倾角为30°， 升交点赤经为120°， 近地点幅角为110°， 真近点角0°， 场景时间为2026年3月2日上午9：00：00。
设置辐射源1类型为舰载辐射源， 起始位置为经度20°， 纬度13°， 高度为0.02 km（以平均海平面为基准， 以下所有高度描述相同， 不再重复）， 速度为0.015 km/s。信号起始时间为0 ms， 脉组数为300， 脉组内脉冲数为20 000， 调制类型为线性调频， 重频类型为固定10 μs重频， 脉宽类型为固定5 μs脉宽， 中心频率为1 GHz。
设置辐射源2类型为机载辐射源， 起始位置为经度28°， 纬度15°， 高度9 km， 速度为5 km/s。信号起始时间为0.3 ms， 脉组数为600 000， 脉组内脉冲数为10， 调制类型为线性调频， 重频类型为滑变重频， 以5 μs为基准， 向上滑变0.5 μs， 脉宽类型为固定3 μs， 中心频率为1 GHz。
3.1 软件计算速度
分时生成和辐射源预处理可以在解决数据量大的问题的同时缩短软件计算时间。但具体计算速度与分时时段长短和线程数相关。
模拟1 min的信号（信号脉冲不少于600万个）， 线程数固定为8， 分时时段分别设置为2、 4 、 5、 6、 8和10 ms， 得到结果如
图 12 所示； 分时时段固定为5 ms。线程数分别为2、 4、 8、 16和32， 得到结果如
图 13 所示。
通过
图 12 和
图 13 可以看出， 分时时段在5~8 ms间计算速度较快， 线程数在8个左右时效果最佳。无论是分时时段还是线程数都有一个最佳取值区间， 不是越大越好也不是越小越好， 这是因为分时时段过小会增加软件的IO操作次数， 时段过大会导致排序耗时长； 线程数过少， CPU利用率低， 线程数过多则容易在写入文件时造成线程间等待。当分时时段和线程个数设置合理时， 模拟600万个脉冲仅耗时5 min， 可以实现复杂场景的快速仿真。
3.2 仿真结果
3.2.1 辐射源和卫星运动数据
卫星运动仿真结果和辐射源运动仿真结果分别如
表 1 和
表 2 所示。为了方便比对， 采样间隔为1 s， 截取前10个采样数据。
由
表 1 中数据可以看出， 随着时间推移， 卫星距离参考原点（地球质心）越来越远， 说明卫星运动由近日点向远日点靠近。在运动过程中， 按照卫星运动规律， 卫星速度越来越慢， 但由于采样时间较短， 该现象在数据中体现不够明显。由
表2中数据可以看出， 辐射源1和2的运动方向和运动速率均保持不变， 为匀速直线运动。辐射源1为舰载辐射源， 在短时间内海拔近乎不变， 而辐射源2作为星载辐射源， 在运动过程中， 海拔高度可能有变化。在预设场景下， 搭载辐射源2的飞行器是向上飞的， 其海拔逐渐增高。
3.2.2 信号脉冲数据
辐射源1、 2生成的脉冲和经排序和消隐后的脉冲如
表 3 所示， 辐射源1和2有部分脉冲存在时间重叠的现象， 但经排序和消隐后， 部分重叠的脉冲被消隐， 保留的脉冲均不冲突。如辐射源1的第5个脉冲与辐射源2的第4个脉冲产生了冲突现象， 经数据处理后， 辐射源1的第5个脉冲被消隐， 只保留了辐射源2的第4个脉冲。最终得到的脉冲数量小于未处理前辐射源1和2的脉冲数量之和， 这不仅保证了仿真环境的复杂度， 还能提高设备利用率、 降低成本。
3.2.3 体制特征数据和信道数据
由于不同阵元间间距远远小于辐射源和卫星的距离， 所以不同阵元的频移和传播损耗均近似相等， 只有相位在变化
［13-15］。
图 14 是单星干涉仪8个阵元接收到的信号相较于原点接收到辐射源信号的相位差的绝对值。为了方便比较， 采样间隔设置为10 ms。从图中可以看出， 阵元1和5、 阵元2和6、 阵元3和7、 阵元4和8的线条完全重合（数据完全相同且变化规律一致）， 即在均匀圆阵中中心对称的两个阵元接收到的信号相位绝对值保持一致。而对于同一阵元， 随着时间变化， 由于辐射源位置和卫星位置发生了改变， 信号来波方向也随之变化， 从而相位差（∆
φ）也在变化。但因为辐射源与卫星之间距离较远， 所以位置变化带来的影响较小， 相位差的变化也十分细微。
4 结 论
面向星载侦察载荷测试的场景模拟软件通过脉冲排序和消隐技术， 实现通过单个基带源设备模拟包含多个辐射源的复杂电磁环境， 为载荷的研制、 定标与效能评估提供关键的技术支撑， 降低试验成本； 通过多线程分时生成和辐射源信号预处理思想， 大幅提高了星载侦察载荷场景模拟的软件仿真速度。经过多次测试， 得出最佳计算速度： 仅需要5 min就可以模拟600万个脉冲， 有效缩短了测试周期。但本文设计软件还存在不足： 当前生成的数据文件格式仅支持指定型号的硬件设备， 后续可推广到更普遍的通用设备； 目前支持信道环境较简单。
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