戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境分析與虛擬推演技術(shù)研究

吳皓+晏光華

【摘 要】主要闡述了戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的基本概念，分析了戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的基本構(gòu)成。通過(guò)探索戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的基本規(guī)律，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境虛擬推演應(yīng)用平臺(tái)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，并就其組成進(jìn)行了具體分析及建模。

【關(guān)鍵詞】戰(zhàn)場(chǎng) 電磁環(huán)境 虛擬推演

1 概述

隨著現(xiàn)代軍事的不斷發(fā)展，經(jīng)濟(jì)、政治、文化、安全等各個(gè)方面對(duì)電磁頻譜資源的依賴也越來(lái)越高，有限的頻譜資源與無(wú)限的頻譜需求之間的矛盾日趨激烈。同時(shí)，應(yīng)用種類和數(shù)量的增加使得電磁環(huán)境的復(fù)雜性呈指數(shù)上升。因此，對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境進(jìn)行分析，尋找其變化規(guī)律，從而構(gòu)建虛擬電磁環(huán)境，并在其上進(jìn)行推演應(yīng)用，準(zhǔn)確把握戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)，其重要性不言而喻。

2 戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境分析

戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境是指一定的戰(zhàn)場(chǎng)空間內(nèi)對(duì)作戰(zhàn)有影響的電磁活動(dòng)和現(xiàn)象的總和，即在一定的戰(zhàn)場(chǎng)空間內(nèi)，由空域、時(shí)域、頻域、能量上分布的數(shù)量繁多、樣式復(fù)雜、密集重疊的電磁信號(hào)構(gòu)成的電磁環(huán)境[1]。

從廣義上講，凡是存在電磁屬性和時(shí)變電磁場(chǎng)傳播所涉及的一切物質(zhì)、空間均屬電磁環(huán)境范疇。而狹義的電磁環(huán)境是指時(shí)變電磁場(chǎng)傳播的特定空間，在此空間里存在著電磁應(yīng)用產(chǎn)生的各種電磁信號(hào)。戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境則是由作戰(zhàn)地理空間內(nèi)的各類電磁場(chǎng)和電磁波組成的物理空間。

大量信息化武器設(shè)備和系統(tǒng)的裝備和對(duì)抗應(yīng)用，使得電磁環(huán)境已經(jīng)成為第五維戰(zhàn)場(chǎng)空間，不僅敵對(duì)雙方圍繞電磁優(yōu)勢(shì)和制電磁權(quán)進(jìn)行激烈爭(zhēng)奪，更有可能對(duì)整個(gè)戰(zhàn)爭(zhēng)的勝負(fù)都產(chǎn)生重大影響。

3 電磁環(huán)境虛擬推演技術(shù)

頻譜管理的一個(gè)重要的輸入是電磁環(huán)境地圖，在系統(tǒng)仿真中需要利用不同復(fù)雜程度的電磁背景環(huán)境進(jìn)行對(duì)比，才能對(duì)系統(tǒng)在不同環(huán)境下的運(yùn)行效能給出定量的分析，這就需要根據(jù)作戰(zhàn)想定建立虛擬的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境[2]。

一方面，虛擬戰(zhàn)場(chǎng)電磁空間為頻譜感知提供原始數(shù)據(jù)，仿真系統(tǒng)根據(jù)頻譜感知系統(tǒng)的參數(shù)可以得到電磁環(huán)境地圖的測(cè)量值，根據(jù)這個(gè)測(cè)量值，利用頻率指配算法生成用頻方案，在虛擬戰(zhàn)場(chǎng)電磁空間中的頻譜使用效能仿真結(jié)果可以反映頻譜感知系統(tǒng)的效能。

另一方面，頻率指配、干擾協(xié)調(diào)、策略服務(wù)等業(yè)務(wù)均需要最大限度保證設(shè)備間的頻率兼容。對(duì)不同算法給出的頻譜方案在戰(zhàn)場(chǎng)電磁空間中的干擾驗(yàn)證，可以驗(yàn)證頻率指配方案的頻率兼容性，從而驗(yàn)證不同指配算法和頻譜策略的效能。

采用細(xì)粒度模擬表征方法描述電磁環(huán)境，結(jié)合電磁空間傳播建模應(yīng)用技術(shù)，建立電磁頻譜環(huán)境中的作用參數(shù)體系，搭建電磁環(huán)境虛擬推演應(yīng)用平臺(tái)。

3.1 總體設(shè)計(jì)

戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境虛擬推演的主要功能：通過(guò)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境虛擬推演應(yīng)用平臺(tái)，建立相關(guān)的電磁模型、背景噪聲模型、干擾分析模型、多維頻譜數(shù)據(jù)模型共四種模型共同完成戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境模擬，使其作為頻譜管理系統(tǒng)頻譜感知、頻率指配、干擾協(xié)調(diào)、策略服務(wù)和效能評(píng)估等仿真的參考依據(jù)。戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境虛擬推演應(yīng)用平臺(tái)可以從電磁輻射角度對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析和推演[3]。同時(shí)，系統(tǒng)得出的相關(guān)數(shù)據(jù)，可為策略方案提供判斷。電磁模型和背景噪聲模型可以依托ITU的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建模，干擾分析模型則需要根據(jù)具體裝備的特點(diǎn)進(jìn)行專題研究。戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境虛擬推演應(yīng)用平臺(tái)的組成框架如圖1所示：

3.2 主要組成

（1）電波傳播模型

傳播模型表征的是在某種特定環(huán)境或傳播路徑下電波的傳播損耗情況，其主要研究對(duì)象是傳播路徑上障礙物陰影效應(yīng)帶來(lái)的慢衰落影響。在戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境虛擬推演應(yīng)用平臺(tái)中，通過(guò)建立相應(yīng)的電波傳播模型，從而提供計(jì)算與分析的解決方案。它提供與電磁傳播相關(guān)的分析方法、計(jì)算方案和運(yùn)算法則，以地物的電磁屬性為基礎(chǔ)，并能根據(jù)不同的特征地貌輪廓做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，對(duì)模型進(jìn)行校正。既要考慮電波傳播方式的不同，如直射、繞射、多徑；又要對(duì)電磁波的傳播途徑、自由空間損耗、多徑反射計(jì)算、降雨衰減和天線極化衰減等問(wèn)題進(jìn)行分析建模[4]。

電磁波在空間傳播，由于不同的傳播空間環(huán)境和電波特性，具有不同的傳播模式，如山區(qū)電波傳播模型、海平面電波傳播模型、陸海移動(dòng)電波傳播模型等。由于篇幅所限，本文關(guān)于傳播模型不做贅述。

（2）背景噪聲模型

在大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中，包含有頻譜資源使用情況和電磁環(huán)境變化規(guī)律等信息。對(duì)海量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出背景噪聲在時(shí)間、頻率維的一些規(guī)律，構(gòu)造一個(gè)粗略的通用噪聲模型，便于評(píng)估整個(gè)電磁環(huán)境的背景噪聲。其核心是建立戰(zhàn)場(chǎng)中背景噪聲模型，以虛擬的、數(shù)字的形式描述出來(lái)，建立和輻射參量相關(guān)的數(shù)字描述模型。建模時(shí)，主要從時(shí)域、空域、頻率域、信號(hào)域、波形參數(shù)、設(shè)備工作參數(shù)等方面綜合考慮。

以廣州2013年6月的某5天監(jiān)測(cè)歷史數(shù)據(jù)為例，頻率范圍30—88MHz，頻率間隔25kHz。將每5分鐘掃描1次的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)成每小時(shí)1條記錄，然后計(jì)算5天每小時(shí)的均值與方差，最后得出24×2321個(gè)μ與σ。再用這些μ與σ進(jìn)行噪聲N的預(yù)測(cè)，可按照以下方法取得：

即均值加上方差，在方差前乘以一個(gè)系數(shù)，這個(gè)系數(shù)是在-1到1之間隨機(jī)取得，以此保證不同天同小時(shí)同頻點(diǎn)的值圍繞均值上下波動(dòng)。

取第2天的真實(shí)數(shù)據(jù)，下面分別計(jì)算關(guān)于時(shí)間和頻點(diǎn)的誤差，得知關(guān)于頻率的Rmse：

由此可知，用連續(xù)幾天歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)值（均值/方差）代入公式（1），計(jì)算出來(lái)的值在誤差允許的范圍內(nèi)可以替代這些天每5分鐘掃描的值，這樣可以預(yù)測(cè)未來(lái)1天或者1小時(shí)的背景噪聲。當(dāng)然，具體取間隔幾天要根據(jù)需求和允許的誤差來(lái)定。不過(guò)由于噪聲的隨機(jī)性，不能保證每次誤差都很小，通過(guò)多次蒙特卡羅試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)誤差很大的概率可以控制在很小的范圍內(nèi)。

（3）干擾分析模型

干擾分析模型的基本思路是：無(wú)線電設(shè)備間干擾分析可歸結(jié)為成對(duì)無(wú)線電設(shè)備間的干擾分析和互調(diào)干擾分析兩大類。成對(duì)設(shè)備干擾類型包括發(fā)射機(jī)基頻對(duì)接收機(jī)基頻、發(fā)射機(jī)基頻對(duì)接收機(jī)中頻、發(fā)射機(jī)基頻對(duì)接收機(jī)鏡頻、發(fā)射機(jī)基頻對(duì)接收機(jī)本振、發(fā)射機(jī)基頻對(duì)接收機(jī)本振鏡頻、發(fā)射機(jī)諧波對(duì)接收機(jī)基頻等干擾類型?；フ{(diào)干擾中的被干擾的頻率相同，干擾源由多部發(fā)射機(jī)互調(diào)產(chǎn)生。干擾分析可在發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、天線、傳播等基本模型基礎(chǔ)上，采用分級(jí)篩選、快速分析等手段完成電磁兼容條件檢查。endprint

其中，針對(duì)當(dāng)前移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展的特點(diǎn)，重點(diǎn)研究具有移動(dòng)特點(diǎn)系統(tǒng)的干擾模型。對(duì)于移動(dòng)場(chǎng)景可將仿真場(chǎng)景按時(shí)間線細(xì)分，同時(shí)支持對(duì)移動(dòng)路線或區(qū)域的設(shè)置，仿真時(shí)模擬設(shè)備的移動(dòng)并給出對(duì)應(yīng)不同時(shí)刻裝備部署情況的干擾分析。

以分級(jí)篩選法為例，分快篩選、粗篩選、帶寬修正與頻率間隔修正、細(xì)篩選、性能預(yù)測(cè)五個(gè)階段來(lái)進(jìn)行分析。如果在前面的階段中被篩除，則不再進(jìn)行后續(xù)階段的分析。其中，快篩選只基于收發(fā)工作頻率來(lái)確定可能產(chǎn)生的干擾類型；粗篩選只考慮發(fā)射、響應(yīng)幅度，基本不考慮頻率、帶寬等的影響；第三階段帶寬修正與頻率間隔修正是在第二階段分析的基礎(chǔ)上，增加帶寬與頻率間隔的修正；細(xì)篩選在帶寬修正與頻率間隔修正的基礎(chǔ)上詳細(xì)考慮了距離、方向和時(shí)間變量；第五階段性能預(yù)測(cè)則將細(xì)篩選得出的干擾余量轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的性能指標(biāo)，使干擾分析結(jié)果成為對(duì)用戶更有意義的形式。分級(jí)篩選法流程如圖4所示：

（4）多維頻譜數(shù)據(jù)模型

無(wú)線電頻譜資源天然具有多維特性，用三維或更多的維數(shù)來(lái)描述頻譜資源，可有效提高頻譜資源的使用效率。多維頻譜數(shù)據(jù)模型就是對(duì)無(wú)線電頻譜資源的一種較正式的描述，它涉及時(shí)間維、頻率維、空間維、功率維、信號(hào)維等[5]。最典型的多維頻譜空間應(yīng)當(dāng)是各維正交，即各維值只能唯一確定空間內(nèi)的一點(diǎn)，從而形成多維立方體。從理論上講，可以在這個(gè)多維立方體上進(jìn)行切片、切塊、下鉆、上翻和旋轉(zhuǎn)等操作，從而實(shí)現(xiàn)多維空間內(nèi)的數(shù)據(jù)共用。多維頻譜空間如表1所示：

本文建立的多維數(shù)據(jù)模型主要采用星型模式。由一個(gè)不含冗余數(shù)據(jù)的大規(guī)模的中心表（事實(shí)表）和一組小的附屬表（維表）構(gòu)成，數(shù)據(jù)在事實(shí)表中維護(hù)，維度數(shù)據(jù)在維度表中維護(hù)，從而建立各個(gè)維度表之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。頻率資源事實(shí)表如圖5所示：

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的概念及組成等進(jìn)行闡述，探討了戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境虛擬推演技術(shù)的總體設(shè)計(jì)思路，并詳細(xì)分析了戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境虛擬推演技術(shù)的組成，對(duì)相關(guān)系統(tǒng)研制及技術(shù)研究具有一定的參考意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王汝群，胡以華，談何易，等. 戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境[M]. 北京： 解放軍出版社， 2006.

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[3] 閔濤. 虛擬戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境建模與仿真技術(shù)研究[D]. 長(zhǎng)沙： 國(guó)防科技大學(xué)， 2006.

[4] 丁鍇，張麟兮. 戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境視景仿真研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)， 2011（14）： 117-120.

[5] 王景，張海山，蔣林，等. 頻譜管理中的多維數(shù)據(jù)模型[J]. 無(wú)線電通信技術(shù)， 2005（3）： 1-2.★endprint

其中，針對(duì)當(dāng)前移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展的特點(diǎn)，重點(diǎn)研究具有移動(dòng)特點(diǎn)系統(tǒng)的干擾模型。對(duì)于移動(dòng)場(chǎng)景可將仿真場(chǎng)景按時(shí)間線細(xì)分，同時(shí)支持對(duì)移動(dòng)路線或區(qū)域的設(shè)置，仿真時(shí)模擬設(shè)備的移動(dòng)并給出對(duì)應(yīng)不同時(shí)刻裝備部署情況的干擾分析。

以分級(jí)篩選法為例，分快篩選、粗篩選、帶寬修正與頻率間隔修正、細(xì)篩選、性能預(yù)測(cè)五個(gè)階段來(lái)進(jìn)行分析。如果在前面的階段中被篩除，則不再進(jìn)行后續(xù)階段的分析。其中，快篩選只基于收發(fā)工作頻率來(lái)確定可能產(chǎn)生的干擾類型；粗篩選只考慮發(fā)射、響應(yīng)幅度，基本不考慮頻率、帶寬等的影響；第三階段帶寬修正與頻率間隔修正是在第二階段分析的基礎(chǔ)上，增加帶寬與頻率間隔的修正；細(xì)篩選在帶寬修正與頻率間隔修正的基礎(chǔ)上詳細(xì)考慮了距離、方向和時(shí)間變量；第五階段性能預(yù)測(cè)則將細(xì)篩選得出的干擾余量轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的性能指標(biāo)，使干擾分析結(jié)果成為對(duì)用戶更有意義的形式。分級(jí)篩選法流程如圖4所示：

（4）多維頻譜數(shù)據(jù)模型

無(wú)線電頻譜資源天然具有多維特性，用三維或更多的維數(shù)來(lái)描述頻譜資源，可有效提高頻譜資源的使用效率。多維頻譜數(shù)據(jù)模型就是對(duì)無(wú)線電頻譜資源的一種較正式的描述，它涉及時(shí)間維、頻率維、空間維、功率維、信號(hào)維等[5]。最典型的多維頻譜空間應(yīng)當(dāng)是各維正交，即各維值只能唯一確定空間內(nèi)的一點(diǎn)，從而形成多維立方體。從理論上講，可以在這個(gè)多維立方體上進(jìn)行切片、切塊、下鉆、上翻和旋轉(zhuǎn)等操作，從而實(shí)現(xiàn)多維空間內(nèi)的數(shù)據(jù)共用。多維頻譜空間如表1所示：

本文建立的多維數(shù)據(jù)模型主要采用星型模式。由一個(gè)不含冗余數(shù)據(jù)的大規(guī)模的中心表（事實(shí)表）和一組小的附屬表（維表）構(gòu)成，數(shù)據(jù)在事實(shí)表中維護(hù)，維度數(shù)據(jù)在維度表中維護(hù)，從而建立各個(gè)維度表之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。頻率資源事實(shí)表如圖5所示：

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的概念及組成等進(jìn)行闡述，探討了戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境虛擬推演技術(shù)的總體設(shè)計(jì)思路，并詳細(xì)分析了戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境虛擬推演技術(shù)的組成，對(duì)相關(guān)系統(tǒng)研制及技術(shù)研究具有一定的參考意義。

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[3] 閔濤. 虛擬戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境建模與仿真技術(shù)研究[D]. 長(zhǎng)沙： 國(guó)防科技大學(xué)， 2006.

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其中，針對(duì)當(dāng)前移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展的特點(diǎn)，重點(diǎn)研究具有移動(dòng)特點(diǎn)系統(tǒng)的干擾模型。對(duì)于移動(dòng)場(chǎng)景可將仿真場(chǎng)景按時(shí)間線細(xì)分，同時(shí)支持對(duì)移動(dòng)路線或區(qū)域的設(shè)置，仿真時(shí)模擬設(shè)備的移動(dòng)并給出對(duì)應(yīng)不同時(shí)刻裝備部署情況的干擾分析。

以分級(jí)篩選法為例，分快篩選、粗篩選、帶寬修正與頻率間隔修正、細(xì)篩選、性能預(yù)測(cè)五個(gè)階段來(lái)進(jìn)行分析。如果在前面的階段中被篩除，則不再進(jìn)行后續(xù)階段的分析。其中，快篩選只基于收發(fā)工作頻率來(lái)確定可能產(chǎn)生的干擾類型；粗篩選只考慮發(fā)射、響應(yīng)幅度，基本不考慮頻率、帶寬等的影響；第三階段帶寬修正與頻率間隔修正是在第二階段分析的基礎(chǔ)上，增加帶寬與頻率間隔的修正；細(xì)篩選在帶寬修正與頻率間隔修正的基礎(chǔ)上詳細(xì)考慮了距離、方向和時(shí)間變量；第五階段性能預(yù)測(cè)則將細(xì)篩選得出的干擾余量轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的性能指標(biāo)，使干擾分析結(jié)果成為對(duì)用戶更有意義的形式。分級(jí)篩選法流程如圖4所示：

（4）多維頻譜數(shù)據(jù)模型

無(wú)線電頻譜資源天然具有多維特性，用三維或更多的維數(shù)來(lái)描述頻譜資源，可有效提高頻譜資源的使用效率。多維頻譜數(shù)據(jù)模型就是對(duì)無(wú)線電頻譜資源的一種較正式的描述，它涉及時(shí)間維、頻率維、空間維、功率維、信號(hào)維等[5]。最典型的多維頻譜空間應(yīng)當(dāng)是各維正交，即各維值只能唯一確定空間內(nèi)的一點(diǎn)，從而形成多維立方體。從理論上講，可以在這個(gè)多維立方體上進(jìn)行切片、切塊、下鉆、上翻和旋轉(zhuǎn)等操作，從而實(shí)現(xiàn)多維空間內(nèi)的數(shù)據(jù)共用。多維頻譜空間如表1所示：

本文建立的多維數(shù)據(jù)模型主要采用星型模式。由一個(gè)不含冗余數(shù)據(jù)的大規(guī)模的中心表（事實(shí)表）和一組小的附屬表（維表）構(gòu)成，數(shù)據(jù)在事實(shí)表中維護(hù)，維度數(shù)據(jù)在維度表中維護(hù)，從而建立各個(gè)維度表之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。頻率資源事實(shí)表如圖5所示：

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的概念及組成等進(jìn)行闡述，探討了戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境虛擬推演技術(shù)的總體設(shè)計(jì)思路，并詳細(xì)分析了戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境虛擬推演技術(shù)的組成，對(duì)相關(guān)系統(tǒng)研制及技術(shù)研究具有一定的參考意義。

參考文獻(xiàn)：

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