訓(xùn)練電磁環(huán)境生成和逼真度評(píng)估方法*

李文鵬，徐忠富，高進(jìn)濤，苑建偉

（中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心，河南 洛陽(yáng) 471003）

訓(xùn)練電磁環(huán)境生成和逼真度評(píng)估方法*

李文鵬，徐忠富，高進(jìn)濤，苑建偉

（中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心，河南 洛陽(yáng) 471003）

構(gòu)建與戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境盡可能相似的訓(xùn)練電磁環(huán)境、評(píng)估所構(gòu)建的訓(xùn)練電磁環(huán)境與戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的相似程度，是基地訓(xùn)練電磁環(huán)境構(gòu)建必須解決的突出問(wèn)題?；谙嗨评碚摶驹砗拖嗨贫扔?jì)算基本方法，結(jié)合基地訓(xùn)練電磁環(huán)境構(gòu)建實(shí)踐，采用精確值相似度計(jì)算生成訓(xùn)練電磁環(huán)境，采用區(qū)間值相似度計(jì)算評(píng)估訓(xùn)練電磁環(huán)境的逼真度。

電磁環(huán)境，相似理論，相似度，逼真度

0 引言

訓(xùn)練電磁環(huán)境是對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的模擬，如何生成與戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境盡可能相似的訓(xùn)練電磁環(huán)境，如何評(píng)估所生成的訓(xùn)練電磁環(huán)境對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的相似程度，是開(kāi)展實(shí)戰(zhàn)化基地訓(xùn)練電磁環(huán)境構(gòu)建必須解決的重要問(wèn)題。

目前，在訓(xùn)練電磁環(huán)境構(gòu)建理論和構(gòu)建方法研究方面，文獻(xiàn)［1-3］探討了訓(xùn)練電磁環(huán)境構(gòu)建的目的、意義、原則、要求、對(duì)象、要素、模型、方法以及電磁環(huán)境的內(nèi)涵和效應(yīng)等，文獻(xiàn)［4-6］歸納了訓(xùn)練電磁環(huán)境構(gòu)建的基本思路，提出“以小帶大、收端等效、分級(jí)模擬”等基本構(gòu)建方法；在訓(xùn)練電磁環(huán)境相似程度分析方面，《實(shí)兵演習(xí)網(wǎng)絡(luò)電磁環(huán)境構(gòu)設(shè)通用規(guī)范》中，提出以逼真度作為衡量訓(xùn)練電磁環(huán)境對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境相似程度的指標(biāo)，并給出逼真度定義（逼真度：演習(xí)中構(gòu)設(shè)的電磁環(huán)境與想定戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的相似程度）及其初步計(jì)算公式?？傮w來(lái)看，訓(xùn)練電磁環(huán)境相關(guān)問(wèn)題中，概念研究較為充分，方法研究較多停留在定性分析層面，缺少基于定量計(jì)算的生成方法和基于成熟理論的逼真度評(píng)估方法。

本文在總結(jié)前人研究成果、分析相似理論基本原理和相似度計(jì)算基本方法的基礎(chǔ)上，擬探討基于相似系統(tǒng)理論的訓(xùn)練電磁環(huán)境生成和逼真度評(píng)估方法。

1 相似系統(tǒng)理論及應(yīng)用

相似性科學(xué)是一門(mén)研究自然、社會(huì)、工程和思維中相似性規(guī)律及其應(yīng)用的新興綜合性科學(xué)，在信息學(xué)、管理學(xué)、工程學(xué)、系統(tǒng)仿真等科學(xué)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用［7］。如：在系統(tǒng)仿真科學(xué)中，通常基于相似系統(tǒng)理論，研究仿真系統(tǒng)在總體結(jié)構(gòu)和行為水平上能夠復(fù)現(xiàn)原型系統(tǒng)的可信性程度，即開(kāi)展仿真系統(tǒng)的置信度評(píng)估，相關(guān)成果見(jiàn)文獻(xiàn)［8-12］。

在訓(xùn)練電磁環(huán)境生成和逼真度評(píng)估中，從基于相似性科學(xué)的系統(tǒng)仿真角度看，若視戰(zhàn)場(chǎng)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)，則訓(xùn)練電磁環(huán)境生成可視為以戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境為原型的建?；顒?dòng)，評(píng)估訓(xùn)練電磁環(huán)境與戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的相似程度，等同于評(píng)估訓(xùn)練電磁環(huán)境在總體結(jié)構(gòu)和行為水平上能夠復(fù)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的可信性程度。因此，文獻(xiàn)［8-12］的研究成果對(duì)開(kāi)展訓(xùn)練電磁環(huán)境生成和逼真度評(píng)估具有一定指導(dǎo)意義。

1.1 相似理論原理及理解

相似理論基本原理包括序結(jié)構(gòu)原理、信息原理、同源性原理、共適性原理和支配原理［7］等，這些原理共同反映了相似系統(tǒng)的形成和演變規(guī)律［8］。

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)的序結(jié)構(gòu)（包括時(shí)間、空間、功能和結(jié)構(gòu)序），當(dāng)兩個(gè)系統(tǒng)存在相似性時(shí)，系統(tǒng)相似程度大小取決于系統(tǒng)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)內(nèi)的信息作用有關(guān)，“信息促進(jìn)各要素間相互聯(lián)系、相互配合，使系統(tǒng)內(nèi)要素活動(dòng)相互協(xié)調(diào)、富有規(guī)律性”［7］。

因此，在訓(xùn)練電磁環(huán)境構(gòu)建中，需以某種形式、最大程度地反映戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的時(shí)間序、空間序、功能序和結(jié)構(gòu)序，使訓(xùn)練電磁環(huán)境與戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的信息作用內(nèi)容、形式和場(chǎng)強(qiáng)度及其分布等盡可能接近，從而提高訓(xùn)練電磁環(huán)境對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的相似性。

但是，實(shí)際建模中，有時(shí)完全遵守相似系統(tǒng)原理反而可能難以獲得理想結(jié)果。如：根據(jù)相似原理，只有保證模型和實(shí)物的幾何相似，才能保證兩者間的動(dòng)力相似、熱力相似，但在翼型風(fēng)洞試驗(yàn)中，有時(shí)反要破壞幾何相似才能達(dá)到動(dòng)力相似和熱力相似。彼時(shí)，動(dòng)力相似和熱力相似是目的，要千方百計(jì)去實(shí)現(xiàn)，幾何相似是手段，為目的服務(wù)而可以被改變。

基地訓(xùn)練電磁環(huán)境構(gòu)建中，實(shí)現(xiàn)與戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境功能相似是構(gòu)建的目的，與戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境結(jié)構(gòu)相似是實(shí)現(xiàn)構(gòu)建目的而采用的手段。因此，即使考慮到戰(zhàn)術(shù)背景及裝備實(shí)際作戰(zhàn)部署，但受場(chǎng)區(qū)地形條件、裝備性能和保障條件等因素限制，有時(shí)仍需犧牲結(jié)構(gòu)相似來(lái)確保實(shí)現(xiàn)功能相似，這也是前文提到“以小帶大、收端等效”等構(gòu)建方法可行的原因之一。

1.2 相似度計(jì)算方法及分析

按照相似系統(tǒng)理論，系統(tǒng)間具有共同屬性而在數(shù)值上存在差異的組成要素構(gòu)成相似元。設(shè)仿真系統(tǒng)為A，原型系統(tǒng)為B，A中有a1，a2，…，ak共k個(gè)組成要素，B中有b1，b2，…，bl共l個(gè)組成要素，若A中的要素ai和B中的要素bj特性相同，則ai和bj即為相似要素，若把和構(gòu)成子集合uij={ai，bj}，則uij即為相似元。

假定系統(tǒng)A、B之間共有n（n≤min（k，l））個(gè)相似元，如果用qn表示系統(tǒng)間特性相同的要素?cái)?shù)量對(duì)系統(tǒng)相似度的影響，qu表示由全部相似元確定的相似度，q表示系統(tǒng)相似度，則有［9］：

其中，q（ui）為第i個(gè)相似元的相似度，βi為基于相似元對(duì)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(jiàn)，系統(tǒng)相似度的大小取決于各系統(tǒng)組成要素?cái)?shù)量、相似元相似度和各相似元的權(quán)重系數(shù)。

確定權(quán)重系數(shù)有專家經(jīng)驗(yàn)、試驗(yàn)確定或數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法，相關(guān)研究成果較多。因此，當(dāng)前情況下，計(jì)算訓(xùn)練電磁環(huán)境對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的相似程度（即逼真度），難點(diǎn)在于統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)組成要素的數(shù)量和計(jì)算各相似元的相似度。

2 基于相似系統(tǒng)理論的訓(xùn)練電磁環(huán)境生成和逼真度評(píng)估方法

“構(gòu)建與戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境完全一致的訓(xùn)練電磁環(huán)境既不切合實(shí)際也無(wú)法操作”［4］?；诜抡娼＝?jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為，為提高環(huán)境構(gòu)建針對(duì)性和效率，可首先選取戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的若干關(guān)鍵特征作為訓(xùn)練電磁環(huán)境模擬的重點(diǎn)，然后再以選定的關(guān)鍵特征作為組成要素評(píng)估訓(xùn)練電磁環(huán)境對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的逼真度?；诖?，本文將訓(xùn)練電磁環(huán)境生成和逼真度評(píng)估放在一起加以討論。

2.1 基于精確值相似度計(jì)算的訓(xùn)練電磁環(huán)境生成方法

2.1.1 訓(xùn)練電磁環(huán)境構(gòu)建的基本步驟

基地訓(xùn)練是和平年代對(duì)實(shí)戰(zhàn)的模擬。受場(chǎng)區(qū)大小、地形、裝備和保障條件等因素限制，實(shí)戰(zhàn)化基地訓(xùn)練一般在特定的地域內(nèi)開(kāi)展，訓(xùn)練電磁環(huán)境通常需要在各種限制因素所確定的邊界范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)功能相似為目的，使用替代、等效等手段，基于場(chǎng)區(qū)條件而構(gòu)建。

受領(lǐng)訓(xùn)練任務(wù)后，實(shí)戰(zhàn)化基地訓(xùn)練電磁環(huán)境構(gòu)建的一般步驟為：

（1）分析參訓(xùn)部隊(duì)基本情況、作戰(zhàn)對(duì)手基本情況、參訓(xùn)部隊(duì)訓(xùn)練需求和目標(biāo)、基地組訓(xùn)能力和現(xiàn)有條件等；

（2）編制作戰(zhàn)基本想定，確定戰(zhàn)略戰(zhàn)役背景、雙方力量編成、基本對(duì)抗態(tài)勢(shì)和作戰(zhàn)行動(dòng)構(gòu)想等；

（3）在基本想定基礎(chǔ)上，確定戰(zhàn)場(chǎng)敵我用頻裝備的種類(lèi)、數(shù)量、戰(zhàn)技指標(biāo)、工作體制、信號(hào)特征以及組網(wǎng)方式等；

（4）分析作戰(zhàn)各階段敵我用頻裝備的運(yùn)用規(guī)律，包括戰(zhàn)場(chǎng)分布規(guī)律、機(jī)動(dòng)規(guī)律、用時(shí)規(guī)律和用頻規(guī)律等；

（5）分析作戰(zhàn)各階段電磁環(huán)境的特點(diǎn)，包括敵方、我方和背景電磁環(huán)境，選定有代表性和擴(kuò)展性的典型電磁環(huán)境作為訓(xùn)練中著力構(gòu)建的重點(diǎn)；

（6）瞄準(zhǔn)典型階段典型電磁環(huán)境，確定總體電磁態(tài)勢(shì)隨時(shí)間的變化規(guī)律，以及各電磁輻射源的分布及輻射規(guī)律；

（7）選定與敵方裝備工作波段、工作體制、信號(hào)樣式以及輻射特性等基本相同的基地裝備（或基地協(xié)調(diào)裝備）作為配訓(xùn)裝備，采用復(fù)合替代等手段模擬敵方裝備，基于縮比等效等思想確定配訓(xùn)裝備的配置位置；

（8）選取戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境若干關(guān)鍵特征，如從構(gòu)成環(huán)境的電磁信號(hào)層面，選取輻射功率、信號(hào)帶寬、調(diào)制樣式、信號(hào)類(lèi)型等，作為模擬的重點(diǎn)，逼真生成訓(xùn)練電磁環(huán)境；

（9）監(jiān)測(cè)電磁環(huán)境并評(píng)估所生成的訓(xùn)練電磁環(huán)境對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的實(shí)際逼真度，當(dāng)逼真度不滿足需求時(shí)，變換裝備部署位置或調(diào)整裝備輻射方向，直至生成滿足需求的訓(xùn)練電磁環(huán)境為止。

2.1.2 基于精確值相似度計(jì)算的訓(xùn)練電磁環(huán)境生成

訓(xùn)練電磁環(huán)境生成的關(guān)鍵步驟之一是確定配訓(xùn)裝備的配置位置。當(dāng)前，常見(jiàn)的配置位置確定方法如下：

（1）根據(jù)敵方裝備和配訓(xùn)裝備的發(fā)射脈沖功率及天線增益，依據(jù)“輻射功率等效”原則，確定配訓(xùn)裝備距參訓(xùn)裝備的配置距離；

（2）在滿足通視等基本要求的區(qū)域內(nèi)，依據(jù)訓(xùn)練場(chǎng)區(qū)地形情況，按確定的配置距離放置參訓(xùn)裝備和配訓(xùn)裝備。

受制于配訓(xùn)裝備輻射功率及訓(xùn)練場(chǎng)區(qū)地形和保障條件，配訓(xùn)裝備的實(shí)際部署位置通常要在所確定的理論配置距離上下一定范圍內(nèi)選擇，此時(shí)，實(shí)際生成的訓(xùn)練電磁環(huán)境對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的逼真度是一個(gè)未知量，且常因?qū)嶋H配置距離偏近或偏遠(yuǎn)而降低對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的實(shí)際逼真度。

針對(duì)此問(wèn)題，在此提出基于精確值相似度計(jì)算、滿足一定逼真度的配訓(xùn)裝備配置位置區(qū)間確定方法，以方便實(shí)際構(gòu)建中配訓(xùn)裝備配置位置的靈活選取，提高訓(xùn)練電磁環(huán)境對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的實(shí)際逼真度。

基本方法如下：

由精確值相似度計(jì)算基本公式［10］（4）可知，要使訓(xùn)練中到達(dá)參訓(xùn)裝備位置處的信號(hào)輻射功率s2與想定戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中參訓(xùn)裝備處的信號(hào)輻射功率s1具有90%以上相似度，則s1、s2應(yīng)滿足式（5）：

即有：

以雷達(dá)裝備為例，假定敵方威脅裝備距我作戰(zhàn)裝備的空間距離為R1公里，威脅裝備的發(fā)射功率Pt1，天線增益為Gt1，模擬威脅裝備的配訓(xùn)裝備發(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)信號(hào)功率計(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(shí)，要使訓(xùn)練電磁環(huán)境與戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境在關(guān)鍵特征“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：

按照上述方式確定配訓(xùn)裝備的配置區(qū)間并實(shí)際完成訓(xùn)練部署后，即可轉(zhuǎn)入訓(xùn)練電磁環(huán)境構(gòu)建的第（8）和第（9）步：選取并模擬戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的關(guān)鍵特征生成環(huán)境，評(píng)估并提高生成環(huán)境的實(shí)際逼真度。

2.2 基于區(qū)間值相似度計(jì)算的訓(xùn)練電磁環(huán)境逼真度評(píng)估方法

一次生成并不意味著環(huán)境構(gòu)建的結(jié)束，實(shí)際生成效果如何還需要在環(huán)境監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上通過(guò)逼真度評(píng)估來(lái)檢驗(yàn)，以適時(shí)調(diào)整、逐步提高訓(xùn)練電磁環(huán)境對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的逼真度，直至逼真度滿足要求為止。

2.2.1 區(qū)間值相似度計(jì)算的基本原理

由式（4）的形式可知，當(dāng)仿真輸出為動(dòng)態(tài)值時(shí)，式（4）將不再適用。針對(duì)仿真系統(tǒng)動(dòng)態(tài)輸出問(wèn)題，可行思路是采用區(qū)間值相似度計(jì)算方法。

本文采用任凱、浦金云等學(xué)者提出的基于區(qū)間相似度的改進(jìn)算法來(lái)解決仿真輸出結(jié)果為動(dòng)態(tài)變量時(shí)的相似度計(jì)算問(wèn)題。該方法主要用于模糊值或區(qū)間值的相似度求解，特點(diǎn)是具有較高的區(qū)分度和靈敏度。方法如下［12］：

假定d2≥c2，則任意區(qū)間C［c1，c2］和D［d1，d2］的可能位置關(guān)系有3種：獨(dú)立、包含、部分重疊，以sim（C，D）表示兩區(qū)間之間的相似度，L（·）表示區(qū)間的長(zhǎng)度，則有：

2.2.2 基于區(qū)間值相似度計(jì)算的訓(xùn)練電磁環(huán)境逼真度評(píng)估

實(shí)際監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，受場(chǎng)區(qū)條件限制和傳播因素影響，電磁信號(hào)的若干輻射參數(shù)通常呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化特性，其度量適宜采用區(qū)間值。因此，在基于精確值相似度計(jì)算方法生成訓(xùn)練電磁環(huán)境后，應(yīng)考慮采用區(qū)間值相似度計(jì)算方法評(píng)估訓(xùn)練電磁環(huán)境的實(shí)際逼真度?，F(xiàn)結(jié)合環(huán)境生成，給出基于區(qū)間值相似度計(jì)算的訓(xùn)練電磁環(huán)境逼真度評(píng)估方法。

假設(shè)環(huán)境生成時(shí)選擇輻射功率、信號(hào)樣式、信號(hào)帶寬等3項(xiàng)要素作為戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的關(guān)鍵特征，現(xiàn)以選定的3項(xiàng)關(guān)鍵特征作為組成要素評(píng)估訓(xùn)練電磁環(huán)境的逼真度，則可認(rèn)為訓(xùn)練電磁環(huán)境與戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的組成要素?cái)?shù)量相等，兩者的要素相似度qn為1。此時(shí)，基于區(qū)間值相似度計(jì)算的訓(xùn)練電磁環(huán)境逼真度評(píng)估方法如下：

以相似元“輻射功率”的相似度計(jì)算為例，假定敵方威脅裝備在距我偵測(cè)裝備R1公里處，我方測(cè)得敵方威脅信號(hào)的功率變化范圍為C'［s1，s2］，采用精確值相似度計(jì)算方法確定配訓(xùn)裝備配置位置并生成訓(xùn)練電磁環(huán)境后，偵測(cè)裝備測(cè)得模擬敵方威脅裝備的配訓(xùn)裝備信號(hào)功率變化范圍為D'［s1，s2］，則訓(xùn)練電磁環(huán)境與戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境在相似要素“輻射功率”上的相似元相似度如式（12）所示。

假定，現(xiàn)已求得訓(xùn)練電磁環(huán)境與戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境在全部三項(xiàng)相似要素上的相似元相似度和權(quán)重系數(shù)，則基于區(qū)間值相似度計(jì)算得到的訓(xùn)練電磁環(huán)境逼真度如式（13）所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合相似系統(tǒng)理論和方法，歸納了訓(xùn)練電磁環(huán)境構(gòu)建的基本步驟，提出了基于精確值相似度計(jì)算的訓(xùn)練電磁環(huán)境生成方法和基于區(qū)間值相似度計(jì)算的訓(xùn)練電磁環(huán)境逼真度評(píng)估方法。本文研究是為解決訓(xùn)練電磁環(huán)境精確生成和逼真度評(píng)估這一難題所進(jìn)行的嘗試，可為實(shí)戰(zhàn)化基地訓(xùn)練電磁環(huán)境構(gòu)建與評(píng)估提供參考和借鑒。本文研究仍是嘗試性的，下一步將結(jié)合電磁環(huán)境的描述方法，完善考慮戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境關(guān)鍵特征的選取方法和訓(xùn)練電磁環(huán)境逼真度評(píng)估方法。

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Study on Method of Generation and Fidelity Evaluation of Training Electromagnetic Environment

LI Wen-peng，XU Zhong-fu，GAO Jin-tao，YUAN Jian-wei
（China Luoyang Electronic Equipment Test Center，Luoyang 471003，China）

Two problems must be resolved first in Base Training Electromagnetic Environment Construction，one is how to construct Training Electromagnetic Environment as similar as Battlefield Electromagnetic Environment，the other is how to evaluate the degree of fidelity between them.Based on the basic principle of Similarity Theory and counting method of similarity degree，combined with the practice of Base Training Electromagnetic Environment Construction，the paper attempts to use the exact value of similarity calculation to generate Training Electromagnetic Environment，use the interval value similarity calculation method to evaluate the fidelity of Training Electromagnetic Environment.

electromagnetic environment，similarity theory，similarity，fidelity

TP393

A

1002-0640（2015）03-0051-05

2014-01-18

2014-03-27

國(guó)防“十二五”裝備預(yù)研基金資助項(xiàng)目（51333030103）

李文鵬（1987- ），男，河南洛陽(yáng)人，碩士，工程師。研究方向：電子抵抗基地訓(xùn)練籌劃。