戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境頻譜管理仿真技術(shù)

湯 軍

(海軍司令部通信部科研辦,北京100841)

0 引言

戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境是指時(shí)域上突發(fā)多變、空域上縱橫交錯(cuò)、頻域上密集重疊、功率分布參差不齊,對(duì)有益電磁活動(dòng)產(chǎn)生重大干擾,嚴(yán)重影響武器裝備效能、作戰(zhàn)指揮和部隊(duì)作戰(zhàn)行動(dòng)的無(wú)形戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。

頻譜管理仿真系統(tǒng)用于模擬生成接近實(shí)際的電磁應(yīng)用背景、評(píng)估用頻系統(tǒng)的電磁性能、對(duì)網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力進(jìn)行驗(yàn)證以及對(duì)用頻系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化仿真等。

1 戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境模型

在理論研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合實(shí)際應(yīng)用,建立戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境仿真模型。建立接近實(shí)戰(zhàn)的復(fù)雜電磁環(huán)境是進(jìn)行頻譜管理仿真計(jì)算、實(shí)驗(yàn)分析及驗(yàn)證的基礎(chǔ)。戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境模型主要包括:基礎(chǔ)計(jì)算環(huán)境、臺(tái)站模型和傳播模型等內(nèi)容。

1.1 基礎(chǔ)計(jì)算環(huán)境

1.1.1 設(shè)計(jì)方法

基礎(chǔ)計(jì)算環(huán)境的主要任務(wù)是對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境的構(gòu)成要素、要素間相互關(guān)系和聯(lián)系,以及系統(tǒng)的全部功能和各要素的基本功能進(jìn)行設(shè)計(jì),按照特定作戰(zhàn)場(chǎng)景構(gòu)建系統(tǒng)級(jí)仿真環(huán)境?；A(chǔ)計(jì)算環(huán)境模型設(shè)計(jì)方法如下:

①明確系統(tǒng)需求及使用背景,掌握作戰(zhàn)計(jì)劃、作戰(zhàn)樣式、作戰(zhàn)任務(wù)、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、雙方態(tài)勢(shì)、參戰(zhàn)兵力編成和武器裝備、戰(zhàn)斗進(jìn)程、首長(zhǎng)對(duì)頻譜管理的指示和要求。背景應(yīng)考慮作戰(zhàn)想定、態(tài)勢(shì)變化、時(shí)間階段和技術(shù)保證條件;其環(huán)境狀態(tài)應(yīng)考慮地理位置、戰(zhàn)場(chǎng)界限和資源調(diào)度等,明確敵情、我情、天氣和地理信息;

②掌握戰(zhàn)場(chǎng)頻譜資源、戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)、頻譜管理網(wǎng)系及保障力量情況,收集匯總頻譜資源征用、無(wú)線(xiàn)電管理動(dòng)員需求;

③明確系統(tǒng)功能。系統(tǒng)的功能是戰(zhàn)場(chǎng)頻管系統(tǒng)的基本特征,也是系統(tǒng)本質(zhì)的體現(xiàn),不妨按以下內(nèi)容分類(lèi):指揮 、控制 、通信、計(jì)算機(jī) 、情報(bào)、偵察、監(jiān)視,或作戰(zhàn)指揮、情報(bào)、通信、防空指揮、電子戰(zhàn)等;

④明確系統(tǒng)組成。明確不同功能系統(tǒng)的物理部署、組織結(jié)構(gòu)和功能組成;

⑤明確系統(tǒng)之間的交互關(guān)系,包括物理連接關(guān)系和信息交互要求等;

⑥明確系統(tǒng)的作戰(zhàn)要素。明確系統(tǒng)各作戰(zhàn)要素的技術(shù)特征和重要參數(shù)。

1.1.2 主要功能

基礎(chǔ)計(jì)算環(huán)境是戰(zhàn)場(chǎng)頻譜管理仿真系統(tǒng)的主體框架,是臺(tái)站模型、設(shè)備模型和傳播模型等其他模型的集成環(huán)境,是所有頻管仿真功能計(jì)算、呈現(xiàn)和輸出的基礎(chǔ)平臺(tái)。

①電子地圖:基礎(chǔ)計(jì)算環(huán)境提供由3種基本類(lèi)型地圖構(gòu)成的地圖瀏覽窗口,即利用地理數(shù)據(jù)提供剖面視窗、普通的二維地圖或全景三維地圖。地理數(shù)據(jù)包括柵格數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)和掃描圖像等;

②頻譜資源管理:主要頻譜資源包括干擾源禁用保護(hù)頻率數(shù)據(jù);臺(tái)站和裝備數(shù)據(jù);天線(xiàn)、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、濾波器、移動(dòng)臺(tái)和電纜等天饋線(xiàn)數(shù)據(jù);國(guó)際、國(guó)內(nèi)頻譜劃分?jǐn)?shù)據(jù);

③電磁拓?fù)涔芾?建立與應(yīng)用相符的電磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),主要內(nèi)容包括戰(zhàn)場(chǎng)用頻裝備、臺(tái)站部署和相互關(guān)系;民用頻譜資源使用、臺(tái)站設(shè)置和干擾態(tài)勢(shì);敵方干擾源、其他有害干擾源部署、特性;頻譜管理網(wǎng)系、頻譜監(jiān)測(cè)、頻譜探測(cè)裝(設(shè))備的組織與保障;

④頻率協(xié)調(diào):收集匯總戰(zhàn)場(chǎng)頻譜管理綜合情況,協(xié)調(diào)處置各種頻譜管理情況;擬制頻譜管理協(xié)同方案、報(bào)告建議、計(jì)劃、指示和通報(bào);

⑤電磁態(tài)勢(shì)顯示:生成戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境態(tài)勢(shì)圖、電子對(duì)抗態(tài)勢(shì)圖和綜合態(tài)勢(shì)圖。

1.2 臺(tái)站模型

將所有的用頻設(shè)備抽象為一個(gè)臺(tái)站模型。臺(tái)站類(lèi)別有5種:地面臺(tái)站、空間站、地球站、中繼站和其他。每一個(gè)臺(tái)站都是由發(fā)射天線(xiàn)、接收天線(xiàn)、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、濾波器和電纜組成(如果僅僅是發(fā)射臺(tái)站則可以忽略接收部分,反之亦然)?？梢?jiàn)臺(tái)站模型是由天線(xiàn)模型、發(fā)射機(jī)模型、接收機(jī)模型、濾波器模型、移動(dòng)臺(tái)模型和電纜模型等各種基本模型組成的綜合模型。在創(chuàng)建臺(tái)站過(guò)程中,可以基于某種基本模板模型,也可以自己進(jìn)行定制。

臺(tái)站模型基本屬性:①發(fā)射設(shè)備:發(fā)射機(jī)類(lèi)型、天線(xiàn)類(lèi)型、天線(xiàn)特性、濾波器類(lèi)型、電纜特性、電纜長(zhǎng)度、經(jīng)緯度、海拔高度、相對(duì)高度、方向角、天線(xiàn)俯仰角、等效全向輻射功率和占空比;②接收設(shè)備:接收機(jī)類(lèi)型、天線(xiàn)類(lèi)型、天線(xiàn)特性、濾波器類(lèi)型、電纜特性、電纜長(zhǎng)度、饋線(xiàn)損耗、附加損耗、經(jīng)緯度、海拔高度、相對(duì)高度、方向角、天線(xiàn)俯仰角和最大容忍干擾率;③天線(xiàn)特性:頻率、口面天線(xiàn)直徑、極化方式、交叉極化隔離、天線(xiàn)最大增益和波瓣寬度等;④電纜特性:頻率和衰減等。

1.3 傳播模型

1.3.1 基本傳播模型

戰(zhàn)場(chǎng)頻譜管理仿真系統(tǒng)中包括一系列的傳播模型,這些模型涵蓋了主要的傳播模式,頻率范圍從10 kHz～350GHz。對(duì)于頻率范圍在2～30 MHz之間的高頻系統(tǒng),采用電離層傳播模型并集成了美國(guó)通信科學(xué)研究院的軟件代碼進(jìn)行規(guī)劃。

常用傳播模型包括4類(lèi):①基于在詳細(xì)地形信息基礎(chǔ)上的模型:如CRC傳播模型、ITU-R P.526、ITU-R P.452、DETVAG 90/FOA;②基于在粗糙地形和地面覆蓋信息的模型:ITU-R P.370以及DETVAG 90/FOA針對(duì)地波傳播的低頻率計(jì)算;③統(tǒng)計(jì)模型 :如 Longley-Rice、COST-231-Hata、COST-231-Walfish-Ikegami、ITU-R P.619;④自由空間模型。

1.3.2 傳播模型的選擇

對(duì)于特定的計(jì)算,必須選擇合適的傳播模型以保證計(jì)算結(jié)果正確。選擇傳播模型需要考慮的基本條件有:①頻率:一些傳播模型有頻率范圍的限制;②地形地貌特征:能否得到地貌數(shù)據(jù);③地面以上的天線(xiàn)高度:如果天線(xiàn)距離地面很近,需要選擇一個(gè)考慮地面影響的傳播模型;④計(jì)算速度:因?yàn)榭紤]了陸地覆蓋的詳細(xì)的地形和高度信息,含有地貌信息的傳播模型一般比較慢。

選擇合適的傳播模型主要考慮具體的應(yīng)用,傳播模型的選擇建議如表1所示。

表1 對(duì)于不同應(yīng)用的傳播模型選擇的建議

頻譜管理仿真軟件可以自動(dòng)給出一種最合適的傳播模型建議,如果沒(méi)有最合適的評(píng)估結(jié)果,則可以通過(guò)犧牲計(jì)算速度,以得到適當(dāng)?shù)膫鞑ツＰ汀?/p>

2 頻譜管理仿真

基于戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境仿真模型,對(duì)系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)和電磁兼容性等進(jìn)行仿真。主要內(nèi)容包括覆蓋范圍計(jì)算與比較、干擾計(jì)算(包括同址干擾計(jì)算)、無(wú)線(xiàn)鏈路性能計(jì)算、頻率指配、無(wú)線(xiàn)電計(jì)算、無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、高頻規(guī)劃管理、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)、地球站協(xié)調(diào)管理和頻譜瀏覽等。這里重點(diǎn)介紹覆蓋計(jì)算、干擾分析及頻率指配。

2.1 覆蓋計(jì)算

2.1.1 覆蓋范圍計(jì)算

覆蓋范圍計(jì)算的運(yùn)算目標(biāo)包括場(chǎng)強(qiáng)(U/D)、功率通量密度(U/D)、信號(hào)強(qiáng)度(U/D)、接收功率(U/D)、傳輸損耗(D)、余隙(D)和信干比(D)等(U:上行鏈路,D:下行鏈路)。覆蓋計(jì)算模型如表2所示。

表2 覆蓋計(jì)算模型

覆蓋計(jì)算時(shí)可選上行鏈路或下行鏈路計(jì)算,用戶(hù)可自定義移動(dòng)模型、計(jì)算范圍、傳播模型和分辨率。

2.1.2 雷達(dá)覆蓋計(jì)算

雷達(dá)覆蓋計(jì)算工具可幫助操作員根據(jù)目標(biāo)高度及雷達(dá)截面計(jì)算遠(yuǎn)程覆蓋。可運(yùn)算的結(jié)果有:①無(wú)線(xiàn)電-視線(xiàn)可見(jiàn)度。根據(jù)用戶(hù)定義的目標(biāo)高度及可見(jiàn)的等效地球半徑系數(shù)計(jì)算,過(guò)程與覆蓋范圍計(jì)算中的余隙計(jì)算基本一致。計(jì)算結(jié)果的范圍是所選的第一菲隉爾區(qū)余隙;②自由空間覆蓋。按用戶(hù)選擇的雷達(dá)截面,根據(jù)自由空間模型記算并顯示最大雷達(dá)覆蓋范圍,也可以計(jì)算出為滿(mǎn)足自由空間模型條件所要求的目標(biāo)高度;③障礙或無(wú)障礙發(fā)射衰減。

每一時(shí)間內(nèi)計(jì)算一個(gè)雷達(dá)站,可以改變不同的雷達(dá)參數(shù)(功率、天線(xiàn)高度和地面高度等)以達(dá)到最高雷達(dá)覆蓋范圍。

2.2 干擾分析

2.2.1 普通干擾計(jì)算方法

在頻譜電磁兼容性分析中,需要考慮的干擾主要有同頻干擾、鄰頻干擾、互調(diào)干擾、諧波和雜散干擾。在具體分析時(shí),首先要確定共存條件即允許的干擾標(biāo)準(zhǔn),然后根據(jù)設(shè)備參數(shù)、站址數(shù)據(jù)和電波傳播條件,選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ瓦M(jìn)行計(jì)算。

干擾計(jì)算時(shí)每次選擇一個(gè)站址,可將該臺(tái)站作為受干擾站或干擾站來(lái)分別進(jìn)行研究。當(dāng)考慮某站為受干擾站時(shí),計(jì)算工具可以給出受干擾站在各頻點(diǎn)的接收頻率,總干擾(干擾功率)和總信干比S/I;以及造成干擾的發(fā)射源信息,如干擾源頻率、信干比和調(diào)頻概率等。當(dāng)把某站作為干擾站考慮時(shí),計(jì)算工具可以給出所有受干擾站的信息,如受干擾站頻率、干擾及信干比。

復(fù)雜電磁環(huán)境中包含大量臺(tái)站,用戶(hù)可定義門(mén)限,將很弱的不太可能形成威脅的干擾排除在外。

2.2.2 同址干擾分析

同址干擾計(jì)算工具針對(duì)帶有許多發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的臺(tái)站進(jìn)行干擾狀況的計(jì)算,而與之相反,普通干擾計(jì)算方法僅計(jì)算遠(yuǎn)區(qū)的干擾。同址干擾計(jì)算為頻率指配和區(qū)位天線(xiàn)布局的調(diào)整提供了有效的指導(dǎo)。

同址干擾計(jì)算輸出包括一個(gè)可能對(duì)節(jié)點(diǎn)的接收狀況帶來(lái)干擾的重疊頻率的列表。這個(gè)列表包括有關(guān)每個(gè)頻率重疊是怎樣發(fā)生的信息,與哪些發(fā)射機(jī)有關(guān)和用dB表示的余量,該余量表示干擾強(qiáng)度與定義的接收門(mén)限的差距。這個(gè)列表對(duì)如何解決潛在的干擾問(wèn)題提供了有價(jià)值的指導(dǎo)意見(jiàn),例如可以通過(guò)把提供最多干擾的發(fā)射機(jī)排除在外,或改變頻率、加入其它的外部的濾波器和進(jìn)行新的分析等辦法來(lái)解決干擾問(wèn)題。

同址干擾主要考慮的干擾源如下:①交調(diào)。多達(dá)13階的奇數(shù)階交調(diào)和多達(dá)6個(gè)同時(shí)存在的信號(hào);②鏡像頻率。根據(jù)一個(gè)指定的衰減值,接收機(jī)鏡頻得以考慮;③諧波。多達(dá)13階的發(fā)射機(jī)諧波,每一個(gè)諧波衰減擁有一個(gè)指定的值;④接收機(jī)阻塞。需要詳細(xì)說(shuō)明并且考慮最大的接收機(jī)輸入級(jí)別,這樣的級(jí)別下接收機(jī)飽和,接收靈敏度迅速變差;⑤天線(xiàn)覆蓋區(qū)。很高方向性的天線(xiàn)可能造成很高的干擾信號(hào);⑥鄰道干擾?？筛鶕?jù)發(fā)射機(jī)的頻譜覆蓋范圍和接收機(jī)的靈敏度來(lái)計(jì)算相鄰頻道的干擾。

2.3 頻率指配

頻率指配從系統(tǒng)角度考慮無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的電磁兼容問(wèn)題,解決有限地域內(nèi)的有限頻帶和頻點(diǎn)的最大復(fù)用問(wèn)題。頻譜管理仿真系統(tǒng)支持單一頻率分配,也可以分配一主多備多組頻點(diǎn)。

頻譜管理仿真系統(tǒng)使用遺傳算法完成頻率的自動(dòng)分配。主要考慮以下幾種潛在的沖突判斷標(biāo)準(zhǔn):①最小帶寬。用來(lái)減小所分配的最高頻率和最低頻率之間的頻率隔離度;②頻率資源少。使得所分配的頻率總數(shù)量盡可能少;③干擾度。減少所分配頻率之間的相互干擾;④干擾的優(yōu)先次序。用來(lái)對(duì)有優(yōu)先權(quán)的站址分配頻率以使得低干擾得以實(shí)現(xiàn);⑤同址干擾。為使得在進(jìn)行陣列間干擾的分析計(jì)算時(shí),能夠針對(duì)所選擇的干擾方式進(jìn)行頻率指配。

結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)由遺傳所經(jīng)歷的代的最大數(shù)量和所允許的干擾分配百分比給出。以上2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中,任何一個(gè)達(dá)到給定值則結(jié)束頻率指配過(guò)程。

以下列方式中的一種來(lái)對(duì)臺(tái)站進(jìn)行分類(lèi):①最小最后。擁有最小限值的發(fā)射機(jī)被放在最后。這個(gè)限制計(jì)算了阻塞被分析的發(fā)射機(jī)的頻率使用的發(fā)射機(jī)的數(shù)量;②普遍最后最小。限值是根據(jù)因發(fā)射機(jī)的影響而被阻塞的頻段的總數(shù)來(lái)計(jì)算的。

分配按下列優(yōu)先次序來(lái)完成:①ST,順序技術(shù)。臺(tái)站是按照優(yōu)先權(quán)列表中的次序進(jìn)行分配的;②AF,適用的頻段。那些擁有最少的適用頻段的臺(tái)站首先被分配。

頻率可能以下面的次序來(lái)分配:①最小容忍度,SA。從頻帶任一邊沿指定第一個(gè)可接受的頻率;②最小的嚴(yán)重侵占,SMHO。將已經(jīng)分配過(guò)的第一個(gè)可接受頻率指配給大多數(shù)的基站。

3 結(jié)束語(yǔ)

頻譜管理仿真系統(tǒng)通過(guò)建立模擬戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境,構(gòu)造系統(tǒng)級(jí)仿真環(huán)境,對(duì)系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)和電磁兼容性等進(jìn)行仿真,檢驗(yàn)其抗干擾能力和電磁兼容能力。通過(guò)戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境頻譜管理仿真技術(shù)的研究,重點(diǎn)解決戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境模型的構(gòu)建方法,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行覆蓋分析、干擾分析和頻譜指配等仿真計(jì)算,為檢驗(yàn)戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境下系統(tǒng)的抗干擾能力和電磁兼容能力,科學(xué)合理地規(guī)劃和使用有限的頻譜資源,確保電子信息系統(tǒng)具有良好的頻率兼容性,充分發(fā)揮系統(tǒng)的綜合作戰(zhàn)效能提供了一個(gè)驗(yàn)證平臺(tái)。

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