基于場景定義的電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓 慧，吳若無，陳 翔

(電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471003)

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基于場景定義的電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓 慧，吳若無，陳 翔

(電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471003)

電磁環(huán)境的模擬是開展電磁環(huán)境效應(yīng)研究的基礎(chǔ)。針對電磁環(huán)境逼真構(gòu)建的問題，基于面向受體實(shí)時(shí)生成與場景定義相一致的電磁環(huán)境的設(shè)計(jì)思想，提出了一種電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架、場景定義設(shè)計(jì)和電磁信號生成設(shè)計(jì)，并對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。場景定義單元通過對實(shí)體、信號環(huán)境、行為的編輯實(shí)現(xiàn)電磁環(huán)境場景自定義，并驅(qū)動信號生成單元；信號生成單元采用軟件無線電思想，基于預(yù)定義場景進(jìn)行信號模擬，產(chǎn)生真實(shí)信號環(huán)境。

場景定義；電磁環(huán)境；信號生成；模擬

0 引言

隨著人類社會活動的發(fā)展、軍事電子信息技術(shù)的進(jìn)步以及軍事對抗強(qiáng)度的增加，戰(zhàn)場電磁環(huán)境呈現(xiàn)出日趨復(fù)雜的發(fā)展態(tài)勢，會對現(xiàn)在電磁環(huán)境敏感度越來越高、具有電磁脆弱性的電子信息系統(tǒng)的工作性能和應(yīng)用效能，甚至生存能力產(chǎn)生深刻影響。開展電磁環(huán)境綜合效應(yīng)研究及復(fù)雜電磁環(huán)境下試驗(yàn)，構(gòu)建逼真且動態(tài)可控的電磁環(huán)境問題受到廣泛關(guān)注。電磁環(huán)境的模擬是開展電磁環(huán)境效應(yīng)研究的基礎(chǔ)，它不但能為電子信息系統(tǒng)各研發(fā)階段提供相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測試電磁環(huán)境，以便對其技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測試驗(yàn)證，也可為其實(shí)際應(yīng)用提供與真實(shí)工作場景一致的電磁環(huán)境，以用于開展系統(tǒng)效能及適應(yīng)性試驗(yàn)與評估。

國內(nèi)外對電磁環(huán)境構(gòu)建方法開展了大量的研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了多種電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)，這些模擬試驗(yàn)系統(tǒng)經(jīng)過不斷補(bǔ)充和更新，模擬技術(shù)日益完善，具備頻率范圍寬、生成的輻射源數(shù)量多、信號密度高、信號波形復(fù)雜等特點(diǎn)。但也存在單方面追求電磁環(huán)境構(gòu)成上的逼真性，而忽視了電磁環(huán)境與電子信息系統(tǒng)之間的效應(yīng)相關(guān)性和動態(tài)過程的問題，使得實(shí)踐中難以構(gòu)建真正逼真、有效的電磁環(huán)境。電磁環(huán)境構(gòu)建中，要盡可能真實(shí)地反映預(yù)期電磁環(huán)境，表現(xiàn)設(shè)備與環(huán)境的關(guān)系，就需要把設(shè)備效應(yīng)和設(shè)備所處的電磁環(huán)境結(jié)合起來，以受體設(shè)備感受的真實(shí)電磁環(huán)境為目標(biāo)，針對可能存在的輻射源目標(biāo)、所面臨的作戰(zhàn)想定、所處地域的地理信息及傳播因素等設(shè)定電磁環(huán)境，并解決信號環(huán)境生成的實(shí)時(shí)性、動態(tài)可控性、可重復(fù)性等問題，才能為實(shí)驗(yàn)和訓(xùn)練提供近實(shí)戰(zhàn)化的電磁環(huán)境。

本文正是基于面向受體實(shí)時(shí)生成與場景定義相一致的可控電磁環(huán)境的設(shè)計(jì)思想，將電磁環(huán)境場景設(shè)計(jì)、信號生成與裝備感受結(jié)合起來，設(shè)計(jì)了基于場景定義的電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)，為電磁環(huán)境效應(yīng)實(shí)驗(yàn)及電子信息系統(tǒng)電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)所需的實(shí)時(shí)可控可重復(fù)的電磁環(huán)境構(gòu)建提供支持。

1 系統(tǒng)組成

1)設(shè)計(jì)思想

基于場景定義的電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是：以構(gòu)建電磁環(huán)境效應(yīng)實(shí)驗(yàn)或復(fù)雜電磁環(huán)境條件下，受體設(shè)備所面臨的真實(shí)電磁環(huán)境為目標(biāo)，基于軟件平臺定義可編程腳本化的電磁環(huán)境場景，充分反映與受體設(shè)備相關(guān)的輻射源特征、地域特征、傳播條件、多徑等的影響，以及輻射源和受體設(shè)備在場景中的位置信息，依據(jù)作戰(zhàn)想定編輯任務(wù)命令驅(qū)動實(shí)體行為，實(shí)現(xiàn)電磁環(huán)境建模與可視化仿真，并將場景命令轉(zhuǎn)換為參數(shù)模型，驅(qū)動信號發(fā)生器生成與場景定義相一致的真實(shí)信號環(huán)境，以支持開展電子信息系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)實(shí)驗(yàn)及射頻推演。

2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由電磁環(huán)境場景定義單元和電磁信號環(huán)境生成單元兩部分組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于軟件平臺完成基本場景編輯、電磁環(huán)境建模與可視化，驅(qū)動硬件平臺實(shí)現(xiàn)與定義的電磁環(huán)境相一致的電磁信號環(huán)境的生成?；趫鼍岸x的電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 基于場景定義的電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在電磁環(huán)境的基本場景輸入中，主要設(shè)計(jì)從頻率和調(diào)制模式、設(shè)備地理信息、設(shè)備間距離、設(shè)備傳輸狀態(tài)、環(huán)境效應(yīng)、地形地貌六個(gè)方面的信息來反映所需電磁環(huán)境的特征；結(jié)合要素模型將基本場景信息轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型參數(shù)，通過加載信號和傳播模型模擬信號從輻射源到裝備天線端口的傳播過程，實(shí)現(xiàn)對裝備面臨的電磁環(huán)境的自定義生成，一方面支持電磁環(huán)境的可視化仿真，另一方面使用參數(shù)模型驅(qū)動信號發(fā)生器；信號發(fā)生器主要完成多通道時(shí)變載波的生成，實(shí)現(xiàn)對信號的固定時(shí)延多路徑模擬、信道衰落模擬等，模擬生成受體設(shè)備天線口面面臨的電磁環(huán)境；生成的信號環(huán)境可通過電纜注入式或輻射式兩種方式提供給受體設(shè)備，用于滿足不同條件下的電磁環(huán)境模擬需求。

2 電磁環(huán)境場景定義單元設(shè)計(jì)

電磁環(huán)境場景定義單元的主要功能是自定義電磁環(huán)境場景模式，依據(jù)模擬需求和作戰(zhàn)想定，在構(gòu)建實(shí)體數(shù)據(jù)庫和要素模型庫的基礎(chǔ)上，通過場景編輯、任務(wù)編輯和數(shù)據(jù)庫編輯，實(shí)現(xiàn)受體設(shè)備面臨的電磁環(huán)境的自定義，并通過可視化仿真的方法直觀顯示模擬的電磁環(huán)境信息。場景定義單元的組成如圖3所示。

圖3 電磁環(huán)境場景定義單元組成圖

構(gòu)建實(shí)體數(shù)據(jù)庫和要素模型庫是電磁環(huán)境場景定義的基礎(chǔ)，主要包括輻射源信息、地形地貌、地理信息、傳播條件、天線模型、傳播模型等信息，在具體的場景定義中，調(diào)用基本數(shù)據(jù)庫完成場景所需數(shù)據(jù)的定義；數(shù)據(jù)庫編輯是根據(jù)模擬需求和作戰(zhàn)想定調(diào)用基本數(shù)據(jù)庫生成場景實(shí)體數(shù)據(jù)文件，實(shí)現(xiàn)對模擬所需實(shí)體要素的編輯，并可在類似場景中重復(fù)使用；任務(wù)編輯主要實(shí)現(xiàn)任務(wù)的構(gòu)建、執(zhí)行和控制，一個(gè)任務(wù)就是一個(gè)腳本，通過預(yù)設(shè)一系列的任務(wù)，設(shè)置一個(gè)實(shí)體的行為，并通過時(shí)序控制進(jìn)行觸發(fā)，完成信號的動態(tài)生成過程控制；場景編輯主要實(shí)現(xiàn)依據(jù)模擬需求定義電磁環(huán)境模擬的地域，添加各實(shí)體要素并定義實(shí)體位置，完成電磁環(huán)境模擬的實(shí)體布局，為滿足可控可重復(fù)的模擬需求，場景設(shè)置還需具備在電磁信號環(huán)境生成過程中添加實(shí)體要素、以及生成可重復(fù)調(diào)用的場景設(shè)置文件、形成場景數(shù)據(jù)庫的能力；模擬引擎是在命令驅(qū)動下完成電磁環(huán)境的模擬生成，數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)對外部數(shù)據(jù)的導(dǎo)入及系統(tǒng)數(shù)據(jù)的導(dǎo)出，波形生成接口與信號發(fā)生器連接，驅(qū)動生成信號環(huán)境。

場景的自定義采用基本場景模塊為單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 場景自定義軟件結(jié)構(gòu)圖

場景自定義軟件由控制軟件界面、生成的場景要素集以及采集或生成的信號和噪聲數(shù)據(jù)三部分組成。其中軟件界面分成了全局參數(shù)、信號參數(shù)、多徑參數(shù)以及噪聲參數(shù)四個(gè)設(shè)置模塊?？紤]信號場景生成中的實(shí)際情況，這里把每個(gè)模塊又分成參數(shù)設(shè)置和集成參數(shù)設(shè)置兩個(gè)小模塊，參數(shù)設(shè)置模塊中的信號參數(shù)是在信號生成過程中經(jīng)常變化，需要對其進(jìn)行設(shè)置的參數(shù)。以信號參數(shù)設(shè)置模塊為例，信號參數(shù)設(shè)置模塊了包含了信號的輸出端口、信號路數(shù)、輸出延時(shí)、多徑開關(guān)等控制參數(shù)，這些參數(shù)都是需要根據(jù)不同環(huán)境場景來做具體設(shè)置的；與信號參數(shù)設(shè)置模塊相對應(yīng)，集成信號參數(shù)模塊中涉及到的信號參數(shù)是諸如信號的增益、傳輸損耗、信號格式、讀取信號的采樣率等參數(shù)，可以結(jié)合具體場景，對上述參數(shù)做相應(yīng)設(shè)置，打包成一個(gè)集成場景要素命令包，需要的時(shí)候通過集成信號選擇模塊進(jìn)行選擇加載。場景要素命令集是對想定或典型通信信號場景命令的集中存儲，它分成了全局、信號、多徑、噪聲場景要素集四個(gè)部分，場景要素分模塊存儲一方面是考慮到不同場景在某些參數(shù)的設(shè)置上可能存在交集，按照分模塊的存儲方式可以減少在提取要素命令集構(gòu)建場景時(shí)的工作量；另外一方面，模塊化的組合方式也使得場景的生成過程更加靈活多變。信號和噪聲數(shù)據(jù)來自于采集到的真實(shí)數(shù)據(jù)或者是按照一定數(shù)據(jù)格式人為生成的基本數(shù)據(jù)樣式。

3 電磁信號環(huán)境生成單元設(shè)計(jì)

電磁信號環(huán)境生成單元的主要功能是基于預(yù)定義電磁環(huán)境場景模式生成真實(shí)信號環(huán)境，完成多通道時(shí)變載波生成、任意載波功率、頻率、時(shí)延外貌時(shí)變模擬、信道衰落模擬、跳頻網(wǎng)絡(luò)模擬、發(fā)射機(jī)端相位噪聲模擬、發(fā)射機(jī)端非線性特性模擬、固定時(shí)延的多路徑信號模擬等。

電磁環(huán)境生成單元采用軟件無線電的思想，以系統(tǒng)總線架構(gòu)為核心，主要由多部通用軟件無線電平臺USRP、存儲單元、時(shí)鐘同步模塊、天線組成，使用計(jì)算機(jī)軟件對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，系統(tǒng)組成框圖如圖5所示。

圖5 電磁信號環(huán)境生成單元組成圖

計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)下達(dá)指令，將準(zhǔn)備發(fā)射的信號在基帶進(jìn)行處理后搬移到中頻，傳送到相應(yīng)的USRP；總線控制系統(tǒng)管理著各個(gè)模塊，負(fù)責(zé)給USRP提供行動指令和傳送數(shù)據(jù)；存儲單元用于存放信號記錄設(shè)備采集的各種信號樣本；USRP用來執(zhí)行計(jì)算機(jī)傳輸?shù)母鞣N指令，進(jìn)行上變頻、信道模擬，將信號由中頻搬移到射頻。最終生成的信號通過射頻端口輸出，信號可通過合路器傳送給被測設(shè)備，也可通過天線輻射出去。

軟件功能主要包括信號生成與信號損害兩大部分，如圖6所示。

圖6 信號生成軟件功能結(jié)構(gòu)圖

4 關(guān)鍵技術(shù)分析

上文給出了基于場景定義的電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)的各組成單元設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中還需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)問題：

1)基于場景的電磁環(huán)境設(shè)計(jì)

基于場景的電磁環(huán)境設(shè)計(jì)是將電磁環(huán)境轉(zhuǎn)換為可編程腳本化的場景集，首先要在對預(yù)期電磁環(huán)境特性認(rèn)知的基礎(chǔ)上，將電磁環(huán)境要素分解為可編程的場景要素，如在輻射源信息、地形地貌、地理信息、傳播條件、天線模型、傳播模型等方面創(chuàng)建實(shí)體要素，通過預(yù)設(shè)的實(shí)體任務(wù)控制實(shí)體的行為，從而依據(jù)需求創(chuàng)建復(fù)雜的可控可重復(fù)的電磁環(huán)境場景。

2)基于虛擬儀器的實(shí)時(shí)控制與仿真技術(shù)

自定義的電磁環(huán)境場景需要實(shí)現(xiàn)對信號發(fā)生器的控制，模擬生成與場景定義相一致的電磁信號環(huán)境?；谔摂M儀器的實(shí)時(shí)控制與仿真技術(shù)，是通過利用虛擬儀器軟件本身所具有的向下對硬件良好的虛擬控制功能，設(shè)計(jì)場景要素集，實(shí)現(xiàn)基本場景模塊化，控制信號發(fā)生器完成自定義的電磁信號環(huán)境生成。

3)任意體制信號模擬技術(shù)

實(shí)現(xiàn)任意體制信號的逼真模擬，需要對各種體制的信號建立樣本庫，以真實(shí)設(shè)備射頻端口的輸出為目標(biāo)，在獲得失真鏈路傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)上，對信號發(fā)生器輸出信號進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償，并使用模擬控制器進(jìn)行統(tǒng)一管理，對每一種信號都建立起對應(yīng)的動態(tài)補(bǔ)償模型，輸出經(jīng)過補(bǔ)償后的任意體制的信號。

4)電磁環(huán)境信息動態(tài)可視化仿真技術(shù)

電磁環(huán)境的復(fù)雜多變性造成電磁環(huán)境仿真和信號環(huán)境構(gòu)建的困難，基于場景定義的電磁環(huán)境信息動態(tài)可視化仿真，是在分解電磁環(huán)境場景要素的基礎(chǔ)上，利用可視化技術(shù)，通過豐富的圖形、圖像處理技術(shù)和各種信息建立特殊的映射關(guān)系，并給以動態(tài)的顯示，把各類信息的操作、訪問用圖給予實(shí)現(xiàn)，在生成真實(shí)信號環(huán)境前實(shí)現(xiàn)對構(gòu)建電磁環(huán)境的直觀顯示，并支持完成射頻推演。

5 結(jié)束語

本文從受體設(shè)備角度感受的真實(shí)電磁環(huán)境模擬需求出發(fā)，提出了一種基于場景定義的電磁環(huán)境模擬方法，并重點(diǎn)對模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行了框架設(shè)計(jì)。電磁環(huán)境效應(yīng)研究與電子信息系統(tǒng)適應(yīng)性試驗(yàn)對電磁環(huán)境模擬逼真性、動態(tài)性、針對性等需求，使得該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)更具有實(shí)用性，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用可支持室內(nèi)注入式電磁環(huán)境效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的研究，也可擴(kuò)展應(yīng)用于野外試驗(yàn)電磁環(huán)境生成。后續(xù)將進(jìn)一步完善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，細(xì)化軟件設(shè)計(jì)，解決關(guān)鍵技術(shù)問題，完成系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，并開展系統(tǒng)應(yīng)用方法研究?！?/p>

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Design of electromagnetic environment simulation system based on scene definition

Han Hui，Wu Ruowu，Chen Xiang
(State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environment Effects on Electronics and Information System, Luoyang 471003, Henan，China)

The simulation of electromagnetic environment is the basis of the research on electromagnetic environment effect. Aiming at the problem of the realistic construction of electromagnetic environment, a design method of electromagnetic environment simulation system is brought based on the design idea of the electromagnetic environment consistent with the receptor real time generation and scene definition. The framework of the system, the definition of the scene and the design of the electromagnetic signal generation are given, and the key technologies of system implementation are analyzed. The custom of electromagnetic environment scene is achieved by the edit of entity, signal environment and behavior using the scene definition unit, and the signal generating unit is drove; the idea of software radio is adopted by the signal generating unit, and the real signal environment is produced based on the signal simulation of predefined scene.

scene definition; electromagnetic environment; signal generation; simulation

2016-05-06；2016-07-15修回。

韓慧(1980-)，女，助理研究員，碩士，研究方向?yàn)閺?fù)雜電磁環(huán)境特性與模擬、通信對抗試驗(yàn)技術(shù)。

TN97

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