訓(xùn)練電磁環(huán)境距離壓縮構(gòu)設(shè)相關(guān)問題研究＊

李文鵬 馮 濤 蔡 嘯

（中國洛陽電子裝備試驗(yàn)中心 洛陽 471003)

1 引言

訓(xùn)練電磁環(huán)境是對戰(zhàn)場電磁環(huán)境的模擬，構(gòu)設(shè)與未來實(shí)戰(zhàn)完全一致的復(fù)雜電磁環(huán)境既不切實(shí)際，也無法操作［1］。當(dāng)前，任務(wù)籌劃中，基于“戰(zhàn)場移位、等效縮比”思想所確定的配訓(xùn)裝備配置位置是一個固定的點(diǎn)位置，而實(shí)際構(gòu)設(shè)時，受訓(xùn)練場區(qū)大小、位置、地形條件以及基地現(xiàn)有裝備條件、保障條件等因素客觀限制，滿足通視等基本要求的配訓(xùn)裝備實(shí)際部署位置可能需要在所確定的點(diǎn)位置周圍一定區(qū)域范圍內(nèi)選擇，從而導(dǎo)致實(shí)際構(gòu)設(shè)的訓(xùn)練電磁環(huán)境對戰(zhàn)場電磁環(huán)境的理論逼真度是一個未知量，且常因?qū)嶋H配置距離偏近或偏遠(yuǎn)而降低了訓(xùn)練電磁環(huán)境對戰(zhàn)場電磁環(huán)境的實(shí)際逼真度。

針對此問題，本文從相似系統(tǒng)角度，基于相似理論基本原理和相似度計(jì)算基本方法，結(jié)合距離壓縮構(gòu)設(shè)思想，考慮在“場區(qū)受限、功率有限”背景下的基地訓(xùn)練電磁環(huán)境構(gòu)設(shè)基本步驟，重點(diǎn)分析滿足一定逼真度的配訓(xùn)裝備配置位置區(qū)間確定方法，以期能方便配訓(xùn)裝備配置位置的靈活選取，提高訓(xùn)練電磁環(huán)境對戰(zhàn)場電磁環(huán)境的實(shí)際逼真度。

2 相似系統(tǒng)基本理論及相似度計(jì)算公式分析

相似性科學(xué)是研究系統(tǒng)間相似程度及其應(yīng)用的新興學(xué)科，在工程科學(xué)、仿真科學(xué)等諸多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用［2］。從仿真建模角度看，若視戰(zhàn)場電磁環(huán)境為原型系統(tǒng)，訓(xùn)練電磁環(huán)境為仿真系統(tǒng)，則構(gòu)設(shè)訓(xùn)練電磁環(huán)境等同于構(gòu)設(shè)以戰(zhàn)場電磁環(huán)境為原型系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)，評估訓(xùn)練電磁環(huán)境的逼真度等同于評估仿真系統(tǒng)對原型系統(tǒng)的置信度［3］。因此，參考仿真建模基本經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為：為提高訓(xùn)練電磁環(huán)境構(gòu)設(shè)效率和逼真度，可首先選取戰(zhàn)場電磁環(huán)境若干關(guān)鍵特征作為模擬的重點(diǎn)，然后以選定的關(guān)鍵特征作為相似要素評估訓(xùn)練電磁環(huán)境的逼真度。因此，相似系統(tǒng)基本原理及其應(yīng)用的相關(guān)文獻(xiàn)對本文研究有著直接指導(dǎo)意義。

2.1 相似理論基本原理及應(yīng)用

相似系統(tǒng)基本原理包括序結(jié)構(gòu)原理、信息原理、同源性原理和共適性原理等，這些原理反映了相似系統(tǒng)的形成和演變規(guī)律。

其中，序結(jié)構(gòu)原理認(rèn)為任何系統(tǒng)都有一定的序結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的特性取決于系統(tǒng)的時間序、空間序、功能序和結(jié)構(gòu)序，當(dāng)兩個系統(tǒng)存在相似性時，系統(tǒng)間的相似程度大小取決于各種序結(jié)構(gòu)的共同性程度；信息原理認(rèn)為系統(tǒng)序結(jié)構(gòu)的形成和演化與系統(tǒng)中的信息作用有關(guān)，由要素構(gòu)成的系統(tǒng)在信息作用下，各要素間相互聯(lián)系、相互配合，最終使系統(tǒng)內(nèi)各要素相互協(xié)調(diào)、富有規(guī)律性。

因此，作為戰(zhàn)場電磁環(huán)境的仿真系統(tǒng)（或相似替代系統(tǒng))，要想提高訓(xùn)練電磁環(huán)境對戰(zhàn)場電磁環(huán)境的相似程度，在訓(xùn)練電磁環(huán)境構(gòu)設(shè)之初，就應(yīng)考慮如何以某種形式、最大程度地反映戰(zhàn)場電磁環(huán)境的序結(jié)構(gòu)，并努力使所構(gòu)設(shè)的訓(xùn)練電磁環(huán)境與戰(zhàn)場電磁環(huán)境在信息作用內(nèi)容、作用形式、信息場強(qiáng)度及其分布規(guī)律等方面盡可能接近。為此，筆者認(rèn)為，訓(xùn)練電磁環(huán)境構(gòu)設(shè)要努力實(shí)現(xiàn)以下幾個方面相似：

1)裝備相似：配訓(xùn)裝備輻射信號的類型、波段、體制、樣式等特性要與模擬的敵方裝備相似。

2)信號及其能量相似：參訓(xùn)裝備位置處的電磁信號環(huán)境、特別是各信號的能量等，要與戰(zhàn)場上我方裝備位置處的電磁信號環(huán)境相似、信號能量相似。

3)戰(zhàn)術(shù)相似：參訓(xùn)裝備和配訓(xùn)裝備要模擬實(shí)戰(zhàn)部署，訓(xùn)練電磁環(huán)境態(tài)勢要反映戰(zhàn)場戰(zhàn)術(shù)變化。

4)時間相似：帶有演習(xí)背景的訓(xùn)練各階段時間安排和結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化要與真實(shí)的作戰(zhàn)過程具有可比性。

2.2 相似度計(jì)算基本公式分析

假定系統(tǒng)A和B 之間共有n（n≤min（k，l))個相似元，若用qn表示要素?cái)?shù)量對系統(tǒng)相似度的影響（要素相似度)，qu表示全部相似元對系統(tǒng)相似度的影響（系統(tǒng)相似度)，q表示系統(tǒng)的整體相似度，則［4～7］：

其中，q（ui)為第i個相似元的相似度，βi為基于相似元對系統(tǒng)相似度影響大小不同而取的權(quán)重系數(shù)。由式（1)～式（3)可見，系統(tǒng)A和B 的相似度大小取決于系統(tǒng)組成要素的數(shù)量、相似元的相似度和各相似元的權(quán)重系數(shù)。

系統(tǒng)組成要素?cái)?shù)量和各相似元權(quán)重系數(shù)取值與評價目的和評價實(shí)施者有關(guān)，具有一定主觀性，不同評價目的和評價實(shí)施者得出的結(jié)果數(shù)值差別可能較大。因此，從切實(shí)提高系統(tǒng)整體相似度角度看，提高系統(tǒng)A對B的整體相似度關(guān)鍵在于提高每一個具體相似元的相似度q（ui)，對應(yīng)于訓(xùn)練電磁環(huán)境構(gòu)設(shè)，即應(yīng)努力從戰(zhàn)場電磁環(huán)境的每一個關(guān)鍵特征上去逼真模擬。

關(guān)于相似元相似度q（ui)的確定方法有多種，針對可以定量表示的組成要素所對應(yīng)的相似元，目前較常見的計(jì)算方法如下［4～7］：

在仿真系統(tǒng)置信度評估中，yr為原型系統(tǒng)的實(shí)際數(shù)值，ys為仿真系統(tǒng)的仿真數(shù)值，對應(yīng)于訓(xùn)練電磁環(huán)境構(gòu)設(shè)，yr可認(rèn)為是對戰(zhàn)場電磁環(huán)境中第i個關(guān)鍵特征的估計(jì)值，ys是所生成的訓(xùn)練電磁環(huán)境在第i個關(guān)鍵特征上對戰(zhàn)場電磁環(huán)境的模擬值。

3 基于相似系統(tǒng)理論的訓(xùn)練電磁環(huán)境距離壓縮構(gòu)設(shè)基本步驟

當(dāng)前，圍繞訓(xùn)練電磁環(huán)境構(gòu)設(shè)，相關(guān)學(xué)者紛紛開展了卓有成效的研究。例如：文獻(xiàn)［8］將訓(xùn)練電磁環(huán)境構(gòu)設(shè)方法分為外場全實(shí)物、外場半實(shí)物、信號注入式和全數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真模擬等四種；文獻(xiàn)［9］將訓(xùn)練電磁環(huán)境構(gòu)設(shè)方法分為區(qū)域以小帶大、背景等效模擬、頻率限制使用、輻射加大強(qiáng)度、干擾抵近配置等五種。綜合上述研究成果可見，訓(xùn)練電磁環(huán)境構(gòu)設(shè)通常綜合運(yùn)用實(shí)裝構(gòu)設(shè)、器材模擬、信號注入等手段和全面構(gòu)設(shè)法、重點(diǎn)構(gòu)設(shè)法、距離壓縮構(gòu)設(shè)法、復(fù)合替代構(gòu)設(shè)法、定點(diǎn)構(gòu)設(shè)法、伴隨構(gòu)設(shè)法等方法進(jìn)行，其中，距離壓縮構(gòu)設(shè)法是在演習(xí)區(qū)域受限或者裝備器材的性能達(dá)不到模擬目標(biāo)的功率性能時，適當(dāng)靠近被干擾對象布設(shè)裝備器材的方法。

實(shí)際上，“演習(xí)區(qū)域受限、裝備器材性能達(dá)不到”是訓(xùn)練基地開展實(shí)戰(zhàn)化基地訓(xùn)練時普遍面臨的客觀基礎(chǔ)，近年來多數(shù)訓(xùn)練基地在承擔(dān)大型訓(xùn)練演練任務(wù)時，基于自身場區(qū)條件和裝備基礎(chǔ)，采用“戰(zhàn)場移位、等效縮比”等手段所構(gòu)設(shè)的訓(xùn)練電磁環(huán)境，一定意義上即是對“距離壓縮構(gòu)設(shè)法”的自覺運(yùn)用。因此，在前文分析基礎(chǔ)上，本節(jié)探討基于相似系統(tǒng)理論的訓(xùn)練電磁環(huán)境距離壓縮構(gòu)設(shè)基本步驟。

受領(lǐng)任務(wù)后，在基本情況分析（包括參訓(xùn)部隊(duì)基本情況、作戰(zhàn)對手基本情況、參訓(xùn)部隊(duì)訓(xùn)練需求、基地現(xiàn)有訓(xùn)練條件和能力)基礎(chǔ)上，筆者認(rèn)為，基于相似系統(tǒng)理論的訓(xùn)練電磁環(huán)境距離壓縮構(gòu)設(shè)可參照以下步驟進(jìn)行：

1)確定想定戰(zhàn)場及其序結(jié)構(gòu)和信息作用，依據(jù)作戰(zhàn)進(jìn)程劃分作戰(zhàn)階段，選擇典型作戰(zhàn)階段所對應(yīng)的典型電磁環(huán)境作為訓(xùn)練中著力構(gòu)建的重點(diǎn)，詳細(xì)內(nèi)容包括：

· 確定戰(zhàn)略戰(zhàn)役背景、雙方力量編成、基本對抗態(tài)勢和作戰(zhàn)行動構(gòu)想等；

· 確定戰(zhàn)場敵我用頻裝備的種類、數(shù)量、組網(wǎng)方式，各裝備的戰(zhàn)技指標(biāo)、工作體制、信號特征及相互間的信息作用等；

· 根據(jù)作戰(zhàn)行動構(gòu)想劃分作戰(zhàn)階段，分析各階段特點(diǎn)及敵我用頻裝備運(yùn)用規(guī)律，包括分布規(guī)律、機(jī)動規(guī)律、用時規(guī)律、用頻規(guī)律及相互間信息作用規(guī)律等；

· 依據(jù)各階段電磁環(huán)境特點(diǎn)分析，選定有代表性、可擴(kuò)展的典型作戰(zhàn)階段所對應(yīng)的電磁環(huán)境作為訓(xùn)練中著力構(gòu)設(shè)的重點(diǎn)；

· 瞄準(zhǔn)典型階段對應(yīng)的典型電磁環(huán)境，確定典型電磁環(huán)境中戰(zhàn)場總體電磁態(tài)勢隨時間的變化規(guī)律，以及各具體輻射源的分布及其輻射活動隨時間的變化；

2)基于相似理論基本原理，以裝備相似為基礎(chǔ)，以信號相似為目的，選定與敵方裝備類型、工作波段、工作體制、信號樣式以及電磁輻射特性等基本相同的基地裝備（或協(xié)調(diào)裝備)作為配訓(xùn)裝備，綜合采用復(fù)合替代等方法模擬敵方裝備；

3)采用距離壓縮構(gòu)設(shè)，以實(shí)現(xiàn)信號能量相似為目的，基于敵方裝備和配訓(xùn)裝備的發(fā)射脈沖功率和天線增益，考慮傳輸損耗等因素，確定配訓(xùn)裝備距參訓(xùn)裝備的配置距離，根據(jù)模擬需求和戰(zhàn)場戰(zhàn)術(shù)要求，確定配訓(xùn)裝備的配置數(shù)量及其配置間隔；

4)根據(jù)場區(qū)地形條件，在滿足通視等基本要求的區(qū)域，按所確定的距離和間隔部署參訓(xùn)裝備和配訓(xùn)裝備；

5)基于相似系統(tǒng)基本理論，以戰(zhàn)術(shù)相似為目的，以時間相似為依據(jù)，按作戰(zhàn)進(jìn)程，依次選取各典型作戰(zhàn)階段所對應(yīng)的典型戰(zhàn)場電磁環(huán)境的關(guān)鍵特征作為模擬重點(diǎn)并盡力逼真模擬之，依次生成反映作戰(zhàn)進(jìn)程的典型訓(xùn)練電磁環(huán)境；

6)在電磁環(huán)境監(jiān)測的基礎(chǔ)上，評估所生成的各階段典型電磁環(huán)境對戰(zhàn)場電磁環(huán)境的逼真度，若逼真度滿足要求則完成構(gòu)設(shè)，若否，則需調(diào)整裝備的部署位置或輻射方向，直至生成滿足逼真度要求的訓(xùn)練電磁環(huán)境為止。

補(bǔ)充說明的是：筆者認(rèn)為，戰(zhàn)場電磁環(huán)境關(guān)鍵特征可區(qū)分專業(yè)（雷達(dá)、通信、光電等)，區(qū)分科目（電子干擾、偵察探測、指揮控制、導(dǎo)航定位、制導(dǎo)火控、敵我識別等)，從信號層的相關(guān)指標(biāo)中進(jìn)行提取，如信號的頻率范圍、輻射功率、信號帶寬、調(diào)制樣式、信號類型等。

4 基于相似度計(jì)算的配訓(xùn)裝備配置位置區(qū)間確定方法

以雷達(dá)裝備為例，在使用距離壓縮構(gòu)設(shè)法確定配訓(xùn)裝備距參訓(xùn)裝備的配置距離時，基于相似系統(tǒng)理論、滿足一定逼真度的配訓(xùn)裝備配置位置區(qū)間可采用如下方法確定：

由相似元相似度計(jì)算式（4)可知，要使訓(xùn)練中到達(dá)參訓(xùn)裝備位置處的信號輻射功率（實(shí)際輻射功率)S2與想定戰(zhàn)場環(huán)境中參訓(xùn)裝備處的信號輻射功率（預(yù)期輻射功率)S1具有90%以上的相似度，則S1和S2應(yīng)滿足式（5)：

假定，敵方威脅裝備距我作戰(zhàn)裝備的空間距離為R1公里，威脅裝備的脈沖發(fā)射功率Pt1，天線增益為Gt1，模擬威脅裝備的配訓(xùn)裝備的脈沖發(fā)射功率為Pt2，天線增益為Gt2，則由距輻射源R公里處的雷達(dá)發(fā)射信號功率密度計(jì)算式（7)可知：

采用距離壓縮法構(gòu)設(shè)訓(xùn)練電磁環(huán)境時，要使訓(xùn)練電磁環(huán)境與戰(zhàn)場電磁環(huán)境在組成要素“輻射功率”上具有90%以上相似度，配訓(xùn)裝備距參訓(xùn)裝備的實(shí)際配置位置R2可由式（8)確定：

亦即：滿足與戰(zhàn)場電磁環(huán)境在關(guān)鍵特征“輻射功率”上具有90%以上理論相似度的配訓(xùn)裝備配置位間、在各限制因素的制約下選擇；當(dāng)實(shí)際配置位置在區(qū)域選擇時，預(yù)期輻射功率與實(shí)際輻射功率滿足S1≥S2；當(dāng) 實(shí)際配置位置在距參訓(xùn)裝備輻射功率與實(shí)際輻射功率間滿足S1＜S2。

式（8)中A為損耗因子，表征因大氣對電磁波的吸收和散射、電磁波繞過地球表面或障礙物的繞射等因素所造成的傳輸損耗。實(shí)地構(gòu)設(shè)中，考慮到訓(xùn)練氣象、地形條件與戰(zhàn)場氣象、地形條件可能存在的差異，反映電磁波傳輸損耗的損耗因子A1和A2可依據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)取值，取值范圍可參考文獻(xiàn)［10］。

基于上述方式確定配訓(xùn)裝備的配置位置區(qū)間并實(shí)地完成訓(xùn)練部署后，即可轉(zhuǎn)入前文所述訓(xùn)練電磁環(huán)境構(gòu)設(shè)的第（5)～（6)步：基于相似系統(tǒng)基本理論，依次選取典型戰(zhàn)場電磁環(huán)境的若干關(guān)鍵特征作為模擬的重點(diǎn)，并盡力逼真模擬之；然后再在逼真度評估的基礎(chǔ)上，調(diào)整裝備部署位置或輻射方向，逐步提高各訓(xùn)練電磁環(huán)境的實(shí)際逼真度。

需要說明的是，依托實(shí)體裝備或模擬器材構(gòu)設(shè)的訓(xùn)練電磁環(huán)境與真實(shí)戰(zhàn)場電磁環(huán)境一樣，具有熱效應(yīng)、強(qiáng)電場效應(yīng)、電磁干擾效應(yīng)和磁效應(yīng)［1］。應(yīng)考慮參訓(xùn)兵力對訓(xùn)練電磁環(huán)境的響應(yīng)，設(shè)計(jì)合理的電磁應(yīng)力，防止因信號過載、場強(qiáng)過強(qiáng)對參訓(xùn)人員和裝備造成損傷［1］。因此，使用距離壓縮構(gòu)設(shè)法構(gòu)設(shè)訓(xùn)練電磁環(huán)境時，不能無限制的壓縮裝備之間的配置距離，反而應(yīng)當(dāng)設(shè)定必要的安全距離或限制裝備的峰值功率。即：在參訓(xùn)裝備和人員可承受的電磁應(yīng)力范圍內(nèi)，確定各裝備之間的配置位置和配置間距。當(dāng)因訓(xùn)練地域受限，裝備之間的配置距離較近時，應(yīng)限制各裝備的電磁輻射功率，以防止復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)對參訓(xùn)裝備或人員的損害。

5 結(jié)語

距離壓縮構(gòu)設(shè)法是基地訓(xùn)練電磁環(huán)境構(gòu)設(shè)中的常用方法，提高訓(xùn)練電磁環(huán)境的逼真度是開展實(shí)戰(zhàn)化基地訓(xùn)練必須解決的重要問題。本文基于相似系統(tǒng)基本理論，結(jié)合基地訓(xùn)練電磁環(huán)境構(gòu)設(shè)實(shí)踐，分析了訓(xùn)練電磁環(huán)境構(gòu)設(shè)應(yīng)努力實(shí)現(xiàn)的幾個相似原則，提出了基于相似系統(tǒng)理論的訓(xùn)練電磁環(huán)境距離壓縮構(gòu)設(shè)基本步驟，給出了基于相似度計(jì)算、滿足一定逼真度要求的參訓(xùn)裝備配置區(qū)間確定方法，可為降低訓(xùn)練電磁環(huán)境構(gòu)設(shè)的盲目性，提高訓(xùn)練電磁環(huán)境對戰(zhàn)場電磁環(huán)境的逼真度提供參考和借鑒。

訓(xùn)練電磁環(huán)境構(gòu)設(shè)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，實(shí)際構(gòu)設(shè)中要考慮方方面面的因素，本文基于相似系統(tǒng)理論，給出的訓(xùn)練電磁環(huán)境距離壓縮構(gòu)設(shè)基本步驟和滿足一定逼真度要求的配訓(xùn)裝備配置位置區(qū)間確定方法是粗淺和帶有嘗試性的，后續(xù)還要在相似系統(tǒng)理論指導(dǎo)下，深入研究戰(zhàn)場電磁環(huán)境的描述方法、訓(xùn)練電磁環(huán)境的構(gòu)設(shè)方法和訓(xùn)練電磁環(huán)境的逼真度評估方法，以完善訓(xùn)練電磁環(huán)境構(gòu)設(shè)全過程研究，提高所構(gòu)設(shè)的訓(xùn)練電磁環(huán)境的逼真度。

［1］康廣，湯敬武，宋文淵.部隊(duì)訓(xùn)練復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)設(shè)方法研究［J］.國防科技，2011，32（4)：4043.

［2］徐迪.基于相似理論的系統(tǒng)仿真方法［J］.系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2001（2)：113116.

［3］胡偉文，薛蒙.一種基于相似性度量的仿真系統(tǒng)置信度評估方法［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2010，22（1)：911.

［4］張洪剛，胡偉文，苑秉成.仿真可信度評估中一種新的相似度算法和應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2012，29（6)：121123.

［5］柳世考，劉興唐，李軍.利用相似理論進(jìn)行仿真系統(tǒng)模型驗(yàn)證［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2001，18（6)：13.

［6］焦鵬，唐見兵，查亞兵.仿真可信度評估中相似度方法的改進(jìn)及其應(yīng)用［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19（12)：25582660.

［7］李鵬.艦艇魚雷初期彈道仿真可信度的相似評估［J］.兵工自動化，2008，27（7)：1820.

［8］王汝群.戰(zhàn)場電磁環(huán)境［M］.北京：解放軍出版社，2006：93132.

［9］楊保明，王振起.復(fù)雜電磁環(huán)境下作戰(zhàn)與訓(xùn)練研究［M］.北京：解放軍出版社，2007：270272.

［10］王國玉.雷達(dá)對抗試驗(yàn)替代等效推算原理與方法［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2002：245267.