洪麗娜,何洪濤,蒙 潔,閆京海
(中國(guó)人民解放軍63892部隊(duì),河南洛陽(yáng) 471003)
戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境要素分析
洪麗娜,何洪濤,蒙 潔,閆京海
(中國(guó)人民解放軍63892部隊(duì),河南洛陽(yáng) 471003)
電磁環(huán)境要素分析是深入研究戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的基礎(chǔ),以復(fù)雜電磁環(huán)境仿真預(yù)測(cè)為應(yīng)用背景,研究了戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境要素的內(nèi)涵、提取原則,并分析了關(guān)鍵構(gòu)成要素和關(guān)鍵信號(hào)環(huán)境要素,為戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境描述和仿真預(yù)測(cè)提供了有效的途徑。
電磁環(huán)境;構(gòu)成;信號(hào)環(huán)境;要素分析;仿真
在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中,整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)空間充斥著各種雷達(dá)、通信及干擾信號(hào),使得該區(qū)域在空域、時(shí)域、頻域上分布的電磁信號(hào)數(shù)量繁多、樣式復(fù)雜、密集重疊、動(dòng)態(tài)多變,形成了極其復(fù)雜的電磁環(huán)境[1]。在此條件下,為奪取制電磁權(quán)而進(jìn)行的信息對(duì)抗將伴隨著戰(zhàn)爭(zhēng)的始終。
構(gòu)建逼真的信息對(duì)抗作戰(zhàn)的仿真環(huán)境進(jìn)行作戰(zhàn)推演和軍事訓(xùn)練,是研究信息對(duì)抗作戰(zhàn)方法和提高部隊(duì)信息對(duì)抗能力的主要途徑。其中,對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境的科學(xué)描述與仿真預(yù)測(cè)是信息對(duì)抗仿真的非常重要和關(guān)鍵的一環(huán),是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電磁環(huán)境仿真預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。筆者重點(diǎn)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境進(jìn)行了要素分解,提出了戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境要素提取原則,從電磁環(huán)境構(gòu)成和電磁信號(hào)環(huán)境2個(gè)方面深入分析了要素的內(nèi)涵。
目前,對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境要素的提取普遍比較關(guān)注構(gòu)成要素。GJB 6130—2007《戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境術(shù)語(yǔ)》將復(fù)雜電磁環(huán)境要素定義為對(duì)構(gòu)成復(fù)雜電磁環(huán)境的各種因素的一種描述。這些因素包括戰(zhàn)場(chǎng)上作戰(zhàn)雙方的各種用頻裝備的輻射、民用電子設(shè)備的輻射以及自然電磁現(xiàn)象等[2]。
但是僅從電磁環(huán)境構(gòu)成物理基礎(chǔ),即構(gòu)成要素角度進(jìn)行描述,只是復(fù)雜電磁環(huán)境的一個(gè)方面。戰(zhàn)場(chǎng)指揮員所關(guān)心的核心問題是在充分掌握復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)成要素基礎(chǔ)上,盡量全面、詳細(xì)地把握戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì),即作戰(zhàn)雙方電磁力量對(duì)壘的形式,包括雙方電磁信號(hào)在時(shí)域、頻域、空域及能量域等幾個(gè)方面的分布特性以及電磁干擾態(tài)勢(shì)的描述和顯示,從中找到對(duì)敵重點(diǎn)打擊的平臺(tái)和裝備,考慮參戰(zhàn)裝備的電磁環(huán)境綜合效應(yīng),合理制定戰(zhàn)場(chǎng)頻譜管理規(guī)劃和調(diào)動(dòng)用頻裝備。
因此,戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境要素不僅包括電磁環(huán)境構(gòu)成要素,用以描述戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的物理構(gòu)成,而且還應(yīng)包括電磁信號(hào)環(huán)境要素,用以描述和評(píng)價(jià)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的電磁信號(hào)分布特點(diǎn)。隨著軍事領(lǐng)域?qū)?fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建和建模仿真工作的重視,后者在戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境分析中的重要性正日益得到廣泛的認(rèn)同。
基于以上分析,可將戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境要素分為2類,如圖1所示。構(gòu)成要素用來(lái)描述形成戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的物理基礎(chǔ),信號(hào)環(huán)境要素用來(lái)描述由構(gòu)成要素形成的空間電磁信號(hào)環(huán)境[3]。
構(gòu)成要素可以為指揮員提供交戰(zhàn)雙方軍用有意電磁輻射的數(shù)量、輻射源分布規(guī)律、戰(zhàn)技術(shù)性能指標(biāo)、編成隸屬關(guān)系和組網(wǎng)方式、機(jī)動(dòng)情況、用頻規(guī)律、工作體制和樣式、信號(hào)特征、運(yùn)用時(shí)機(jī)和時(shí)間以及在聯(lián)合作戰(zhàn)中的作戰(zhàn)運(yùn)用規(guī)律等戰(zhàn)略決策信息。
信號(hào)環(huán)境要素可以為指揮員提供實(shí)時(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)全局或者空間任意點(diǎn)的電磁信號(hào)分布特征,如信號(hào)樣式、信號(hào)頻率、信號(hào)密度、信號(hào)強(qiáng)度等信號(hào)環(huán)境信息,輔助指揮員進(jìn)行實(shí)時(shí)的戰(zhàn)術(shù)指揮。
圖1 電磁環(huán)境要素分類
1)注重電磁輻射環(huán)境對(duì)武器裝備作戰(zhàn)效能的影響
復(fù)雜電磁環(huán)境是信息化戰(zhàn)場(chǎng)的重要特征,在未來(lái)信息化條件作戰(zhàn)中,將對(duì)各類信息化武器裝備產(chǎn)生重要影響。對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境綜合效應(yīng)的評(píng)價(jià),已成為戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)偵察、作戰(zhàn)目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視和預(yù)警、武器系統(tǒng)的控制、多軍兵種聯(lián)合作戰(zhàn)的武器系統(tǒng)能否最大程度地發(fā)揮效能,通信聯(lián)絡(luò)和指揮等能否順暢運(yùn)行的重要保證。
2)注重?zé)o意電磁輻射環(huán)境的影響
隨著軍事領(lǐng)域?qū)ξ淦餮b備電磁兼容性能和全天候作戰(zhàn)性能的重視程度的提高,以及空間武器的發(fā)展,對(duì)于戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的研究已經(jīng)在全部構(gòu)成要素中展開,不僅關(guān)注人為電磁環(huán)境中的有意電磁輻射環(huán)境,同時(shí)注重?zé)o意電磁輻射環(huán)境對(duì)武器裝備作戰(zhàn)效能的影響。
例如,對(duì)于空中突防作戰(zhàn),由于其戰(zhàn)術(shù)樣式的限制,對(duì)攻擊機(jī)群和后方掩護(hù)群具有主要威脅的環(huán)境構(gòu)成要素包括全部有意輻射的電磁環(huán)境、系統(tǒng)外互擾環(huán)境,以及低空突防作戰(zhàn)時(shí)雜波信號(hào)環(huán)境,環(huán)境因素和干擾因素會(huì)占據(jù)非常重要的地位。對(duì)于電磁環(huán)境的基本構(gòu)成要素的分析,要涵蓋上述全部的構(gòu)成因素,能夠說(shuō)明各個(gè)因素的產(chǎn)生和根本變化途徑。
1)要適應(yīng)各類信號(hào)環(huán)境的特點(diǎn)
為了清晰地描述戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境特征,戰(zhàn)場(chǎng)電磁信號(hào)環(huán)境要素的統(tǒng)計(jì)結(jié)果應(yīng)該明確描述一定戰(zhàn)場(chǎng)空間中各類電磁信號(hào)所構(gòu)成的總體狀態(tài)。由于戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的特點(diǎn),很難提取出對(duì)各種信號(hào)都兼容的、一致性比較好的描述方式。比如,對(duì)于雷達(dá)信號(hào)環(huán)境來(lái)說(shuō),信號(hào)樣式側(cè)重于射頻脈沖信號(hào),該類信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度、信號(hào)密度、信號(hào)頻率范圍、信號(hào)類型、極化方式和輻射方向都比較適合數(shù)理統(tǒng)計(jì);對(duì)于通信信號(hào)來(lái)說(shuō),信號(hào)特征要素主要包括信號(hào)強(qiáng)度、信號(hào)載頻、信道帶寬、調(diào)制類型等,另外數(shù)字通信還包括數(shù)據(jù)率。因此,對(duì)信號(hào)環(huán)境要素的恰當(dāng)提取是目前亟需解決的復(fù)雜課題。
2)信號(hào)環(huán)境要素的提取和分析結(jié)果可以描述戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境態(tài)勢(shì)
戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境態(tài)勢(shì)用于評(píng)價(jià)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的惡劣程度,為戰(zhàn)時(shí)的作戰(zhàn)指揮中心和平時(shí)的訓(xùn)練演練指揮中心提供可以用于戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)決策的依據(jù)。因此,電磁環(huán)境要素提取要從作戰(zhàn)實(shí)際需要出發(fā),有利于描述戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境分布特性。
對(duì)電磁環(huán)境要素的構(gòu)成要素分析可以從不同的關(guān)注點(diǎn)著手[4]:
1)以電子對(duì)抗產(chǎn)生的威脅環(huán)境作為關(guān)注點(diǎn)。電磁威脅環(huán)境主要包括電子偵察、電子干擾和電子摧毀3方面。
2)以威脅平臺(tái)作為關(guān)注點(diǎn)。比如,空中戰(zhàn)場(chǎng)電磁威脅環(huán)境可分為空中威脅環(huán)境和面空威脅環(huán)境,面空威脅環(huán)境又分為地面威脅環(huán)境和海面威脅環(huán)境。
3)以信號(hào)環(huán)境作為關(guān)注點(diǎn)。各信號(hào)環(huán)境不僅主要由信息信號(hào)和對(duì)抗信號(hào)環(huán)境組成,另外還包括同類型的無(wú)意輻射干擾發(fā)射信號(hào)環(huán)境。
以信號(hào)環(huán)境為關(guān)注焦點(diǎn),對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的構(gòu)成進(jìn)行如圖2的分解,重點(diǎn)進(jìn)行某類人為輻射形成的電磁環(huán)境構(gòu)成要素分析時(shí),人為電磁環(huán)境也可以分解為有意輻射形成的電磁環(huán)境、無(wú)意輻射形成的電磁環(huán)境。其中,各裝備平臺(tái)的人為有意輻射形成的電磁環(huán)境作為關(guān)注重點(diǎn);人為無(wú)意輻射形成的電磁環(huán)境作為有意輻射形成的電磁環(huán)境的次生部分,是信號(hào)環(huán)境的一部分。
從仿真建模的角度出發(fā),無(wú)論是有意輻射還是無(wú)意輻射,要全面地模擬電磁環(huán)境的產(chǎn)生機(jī)理,都要將電磁環(huán)境產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)進(jìn)行進(jìn)一步的分解,構(gòu)建基本的仿真對(duì)象[5]。把主要的仿真對(duì)象作為主要構(gòu)成要素,可以把戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境分解為發(fā)射因素、傳播環(huán)境因素和敏感耦合因素等基本構(gòu)成要素,如圖3所示。其中,發(fā)射因素包括平臺(tái)因素、裝備因素,從數(shù)量、隸屬關(guān)系、機(jī)動(dòng)情況、搭載情況、作戰(zhàn)運(yùn)用特點(diǎn)、地理分布、戰(zhàn)技術(shù)指標(biāo)、用頻規(guī)律、工作體制等方面描述戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境對(duì)參戰(zhàn)裝備的影響;傳播環(huán)境因素包括地形地貌、氣候和大氣等影響因素;敏感耦合因素包括頻率響應(yīng)(如基波響應(yīng)、交調(diào)、互調(diào)等)以及阻塞響應(yīng)和結(jié)構(gòu)響應(yīng)等,針對(duì)參戰(zhàn)裝備本身描述其受影響的原因。
從作戰(zhàn)實(shí)際需要出發(fā),用于描述戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境分布特性最主要的參數(shù)一般包括信號(hào)類型、信號(hào)強(qiáng)度、信號(hào)密度和信號(hào)分布規(guī)律等。
圖3 戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境關(guān)鍵構(gòu)成要素
圖2 戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)成
1)信號(hào)類型 指揮員必須了解戰(zhàn)場(chǎng)上電磁信號(hào)的類型,為有針對(duì)性地策劃行動(dòng)方案、調(diào)整部署和配備兵力、兵器提供依據(jù)。信號(hào)類型有多種區(qū)分方法:按發(fā)射信號(hào)的電子設(shè)備用途分為通信信號(hào)、雷達(dá)信號(hào)、無(wú)線電引信信號(hào)、制導(dǎo)信號(hào)、導(dǎo)航信號(hào)等;按信號(hào)的頻段分為長(zhǎng)波信號(hào)、中波信號(hào)、短波信號(hào)、超短波信號(hào)、微波信號(hào)、紅外信號(hào)、激光信號(hào)等;按照電磁波傳播方式分為表面波信號(hào)、地波信號(hào)、天波信號(hào)、對(duì)流層散射信號(hào)等;還可分為模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)、連續(xù)信號(hào)與脈沖信號(hào)等。
2)信號(hào)強(qiáng)度 指在接收點(diǎn)無(wú)線電信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)。信號(hào)強(qiáng)度直接影響到電子對(duì)抗偵察、電子干擾的效果。實(shí)際上,某一點(diǎn)的電磁信號(hào)是無(wú)數(shù)電磁信號(hào)的疊加,測(cè)定具體一點(diǎn)的電磁場(chǎng)強(qiáng)非常繁瑣且現(xiàn)實(shí)意義不大,因此,要求能給定在某一點(diǎn),針對(duì)某一發(fā)射信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度。
3)信號(hào)密度 指某參戰(zhàn)對(duì)象在某時(shí)刻、某空間位置所面臨的某頻率區(qū)間的電磁信號(hào)的密集程度,該信號(hào)密度的時(shí)間分布和空間分布是隨著戰(zhàn)斗過(guò)程變化的??梢员容^簡(jiǎn)單地描述為單位地域內(nèi)電磁輻射源的數(shù)量表示。雷達(dá)信號(hào)環(huán)境信號(hào)密度的描述通常用單位面積內(nèi)的裝備數(shù)量或信號(hào)脈沖數(shù)表示,對(duì)于特定戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境,重點(diǎn)關(guān)注的是影響武器平臺(tái)和裝備性能的特定頻段內(nèi)的威脅信號(hào)密度。通信信號(hào)的信號(hào)密度通常用信道占用度和信道數(shù)量來(lái)度量,主要由通信電臺(tái)的頻率選擇、信道帶寬和開關(guān)機(jī)狀態(tài)決定,其中信道占用度是某一信道信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間和突防總時(shí)間的比值。
4)信號(hào)分布 通常可從時(shí)域、頻域、空域、能量域、調(diào)制域等5個(gè)方面來(lái)描述,時(shí)域分布描述的是不同時(shí)段內(nèi)信號(hào)的分布情況,頻域分布描述的是信號(hào)在不同頻段的分布情況,空域分布描述的是信號(hào)輻射源在不同空(地)域的分布情況,能量域分布描述的是電磁信號(hào)功率強(qiáng)弱的變化情況,調(diào)制域分布描述的是信號(hào)的不同調(diào)制樣式分布情況。
①頻譜占用度
頻譜占用度是指在一定時(shí)間和空間范圍內(nèi)信號(hào)電磁譜的密集程度,一般是指通信信號(hào)占用的信道數(shù)量與某頻率范圍內(nèi)總信道的比值,需達(dá)信號(hào)占用的頻帶寬度與作戰(zhàn)用雷達(dá)頻率范圍的比值。
對(duì)于某個(gè)雷達(dá)信號(hào)環(huán)境來(lái)說(shuō),頻譜占用度可以定義為一定空間和時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi),環(huán)境功率譜密度超過(guò)門限的時(shí)長(zhǎng)與總時(shí)間長(zhǎng)度之比,即
對(duì)于電臺(tái)工作頻率范圍上頻譜占用度可以表示為[5]
式中:X為頻譜占用度,Wi為信道帶寬,Wti為網(wǎng)臺(tái)工作時(shí)間,Iti為網(wǎng)臺(tái)工作間隔時(shí)間。
②時(shí)間占用度
時(shí)間占用度是指一定空間和頻率范圍內(nèi),電磁環(huán)境功率密度譜的平均值超過(guò)指定電磁環(huán)境門限所占用的時(shí)間長(zhǎng)度與作戰(zhàn)時(shí)間段的比值。即
式中,
對(duì)于通信信號(hào),電臺(tái)工作時(shí)間較短,時(shí)間占用度約為一定空間和頻率范圍內(nèi),功率譜密度超過(guò)門限的開機(jī)電臺(tái)工作時(shí)長(zhǎng)與總時(shí)間長(zhǎng)度之比,即
式中:ΔWti為功率譜密度超過(guò)門限的開機(jī)電臺(tái)i工作時(shí)長(zhǎng)。
③空間覆蓋率
戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境空間覆蓋率,是指在一定時(shí)間和頻率范圍內(nèi),電磁環(huán)境功率密度譜的平均值超過(guò)指定電磁環(huán)境門限所占用的空間范圍與作戰(zhàn)空間范圍的比值。
在不考慮遮擋效應(yīng)的情況下,根據(jù)定義雷達(dá)裝備在偵察搜索階段存在空間覆蓋率的指標(biāo),一旦目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)或進(jìn)入對(duì)方火力打擊范圍之后,大部分雷達(dá)、干擾裝備、微波引導(dǎo)裝備進(jìn)入跟蹤狀態(tài),電磁空間輻射重點(diǎn)指向突防平臺(tái),不存在空間覆蓋率的問題。對(duì)于通信裝備和通信干擾裝備來(lái)說(shuō),絕大部分電臺(tái)采用全向輻射天線,空間上完全覆蓋。
戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境要素分析是深入研究戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的基礎(chǔ),也是構(gòu)建戰(zhàn)場(chǎng)訓(xùn)練環(huán)境和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真模擬、預(yù)測(cè)的前提。本文所提出的戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境要素分類方法、要素提取原則以及要素的內(nèi)涵在筆者承擔(dān)的某項(xiàng)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境仿真預(yù)測(cè)研究課題中得到了很好的應(yīng)用,取得了良好效果。未來(lái)聯(lián)合作戰(zhàn)將面臨著極其復(fù)雜的電磁環(huán)境,從要素分析的角度認(rèn)真研究復(fù)雜電磁環(huán)境的特點(diǎn)和對(duì)該作戰(zhàn)行動(dòng)的影響,積極尋求有效應(yīng)對(duì)之策,對(duì)于奪取作戰(zhàn)勝利,具有重要的理論和實(shí)踐意義。
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2011-06-20;責(zé)任編輯:王海云
洪麗娜(1975-),女,遼寧遼陽(yáng)人,工程師,碩士,主要從事射頻仿真技術(shù)及其應(yīng)用方面的研究。
河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)2011年2期