基于勢場模型及傳播預測技術的通信態(tài)勢顯示與威脅分析系統(tǒng)*

張　江　廖　葵

(77302部隊　昆明　650051)

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基于勢場模型及傳播預測技術的通信態(tài)勢顯示與威脅分析系統(tǒng)*

張江廖葵

(77302部隊昆明650051)

摘要我軍當前的通信態(tài)勢顯示方式還停留在使用軍標標繪戰(zhàn)場要素和根據經驗繪制信號范圍的階段。如何形象直觀地顯示通信態(tài)勢、如何對作戰(zhàn)雙方通信能力進行量化對比,是通信態(tài)勢顯示研究領域亟待解決的問題。為此,論文采用勢場理論和傳播預測技術,設計了一套直觀、有效的通信態(tài)勢綜合顯示系統(tǒng),系統(tǒng)具備通信態(tài)勢顯示、威脅分析和電波覆蓋分析等功能,為指揮員分析判斷戰(zhàn)場的通信情況提供了形象直觀的態(tài)勢參考。

關鍵詞通信態(tài)勢; 威脅分析; 傳播預測; 緩沖區(qū)分析; 三維顯示

Communication Situation Display and Threat Analysis System Based on Potential Field Model and Propagation Prediction Technology

ZHANG JiangLIAO Kui

(No. 77302 Troops of PLA, Kunming650051)

AbstractThe current communication situation display method of our army is still based on plotting battlefield elements with military symbol and drawing signal range by experience. How to visually display the communication situation and contrast the mutual communication capability to quantify are the urgent issues to be solved in communication situation display field. To this end, with the usage of potential field theory and propagation prediction technology, a set of intuitive, efficient communication integrated situation display system is proposed in this paper. This system includes communication situation display function, threat analysis function, and radio coverage analysis function, which provides the battlefield commanders a visual image of the situation reference to analyze and judge the battlefield communication situation.

Key Wordscommunication situation, threat analysis, propagation prediction, buffer analysis, dimensional display

Class NumberTP393.18

1引言

傳統(tǒng)的通信態(tài)勢顯示方式[1~2]主要依靠常規(guī)軍標標繪、信號覆蓋范圍的標注、重點區(qū)域的注解等方式來實現(xiàn),這樣的方式一方面無法直觀顯示整個作戰(zhàn)區(qū)域的通信態(tài)勢;另一方面對于不同區(qū)域的通信能力無法用量化的手段進行對比。為此,本文結合軍隊的應用需要,針對常規(guī)標繪通信態(tài)勢方法的不足,設計并實現(xiàn)了一個能夠形象直觀反映通信態(tài)勢的綜合分析顯示系統(tǒng),該系統(tǒng)主要解決了如何直觀顯示并量化對比通信態(tài)勢等問題,對求解山岳地帶的電波覆蓋范圍等問題也做了研究和探索。

2勢場模型理論

在通信態(tài)勢顯示模型中,信號源對不同地域提供通信保障能力的大小是一個很難衡量的參數(shù)。在信號強度能保證正常通信的前提下,不同地域的通信能力對比并不等價于信號強度對比。然而可以確定的是:對較遠的位置進行通信保障的難度一定大于較近的節(jié)點,對于有線通信更是如此,所以我們可以根據距離來衡量不同位置的通信能力。然而每種信號的覆蓋強度求解都有其仿真模型,在計算能力有限的情況下,使用所有的模型進行仿真是不切實際的。為此,我們采取了一種較為簡單的方案:使用戰(zhàn)場分析模型的“人工勢場”[3]理論用作模擬信號覆蓋情況的通用仿真模型?！叭斯輬觥备拍钍侵附梃b電場模型的基本原理,根據戰(zhàn)場態(tài)勢分析的基本要求,把戰(zhàn)場中的作戰(zhàn)要素虛擬成電場中的電荷,把電荷的電勢作為該要素的影響度,并用于分析戰(zhàn)場態(tài)勢的虛擬勢場模型。本文通過調節(jié)參數(shù)將勢場模型應用于信號的模擬仿真,得到了一個計算和表示大為簡化的綜合仿真方案。

2.1電勢的原理及計算

在物理學中真空中的一個點電荷的周圍會形成一個電場。電場是一種物質,電荷之間的相互作用是通過電場來實現(xiàn)的。對于點電荷產生的電勢場中某一點的電勢U,其計算公式為

(1)

其中,Q是產生電場的點電荷的帶電量,r是真空某點到該點電荷的距離,其他為常數(shù)。由式(1)可以看出,電場中某點的電勢與產生電場的電荷的帶電量成正比,與該點到電荷的距離成反比。

如果很多電荷在空間產生的電勢場,則它們將形成一個復合電勢場,真空中某點的復合電勢為

(2)

2.2人工勢場模型的原理及計算

本文采用的人工勢場模型中,將信號源虛擬成電場中的電荷,其帶電量代表通信要素的權值。在多種信號共存的情況下,根據式(2)可得人工勢場模型的計算公式。

(3)

式(3)的問題在于,值域的映射空間為(0~+∞),在計算機上無法表示,所以我們通過變換的方式將值域映射到(0~1),系統(tǒng)最終用作計算通信勢場的計算公式為

(4)

其中k為顯示修正常數(shù),當通信勢場三維態(tài)勢圖在Z軸上的顯示比例效果不理想時,由用戶自定義k值對顯示效果進行調整。

3方案設計

3.1總體設計

系統(tǒng)的方案設計基于以下的基本假設:衡量某一地域通信情況的優(yōu)劣,取決于該地域具備通信手段的數(shù)量、相關信號的強度、信號的重要程度以及受到電磁干擾的強度。根據這一假設,系統(tǒng)采用三維統(tǒng)計分析的方式在態(tài)勢圖上將上述三個要素按照指定的權值進行計算、統(tǒng)計及疊加,以形成直觀的三維態(tài)勢顯示圖,最終得到了一個既簡化又靈活的通信態(tài)勢顯示方案。

3.2基于勢場模型技術的通信態(tài)勢顯示

為每一種無線信號建立覆蓋和傳播模型即便是在光滑地球球面模型上進行分析也過于復雜,為了提高系統(tǒng)的實用性和運行速度,我們采用式(4)所提出的勢場模型來求解態(tài)勢圖中無線信號的覆蓋區(qū)域和強度,信號的強度由信號源向四周遞減,遞減到該信號的設定閾值后視為信號失效。當態(tài)勢圖某一區(qū)域有多個信號時,總體信號強度由多個信號按照疊加的方式計算,計算結果顯示在二維或三維態(tài)勢圖上。

3.2.1有線信號源的通信勢場分析

在態(tài)勢圖上,有線信號的終端一般都被表示為沒有面積的點狀符號而不是覆蓋一定范圍的區(qū)域。為能有效地表示有線信號的覆蓋范圍,本文將在一定時間內能夠正常接入有線網絡的區(qū)域可以看作是有線信號的覆蓋范圍。系統(tǒng)使用GIS線狀要素生成緩沖區(qū)的方法求解覆蓋范圍,如圖1所示。

圖1　有線網絡覆蓋區(qū)域[6]

3.2.2無線信號源的通信勢場分析

一般來講,無線信號的覆蓋范圍就是以信號源為中心的圓形或是環(huán)形(長波信號)區(qū)域。本文采用GIS點狀要素緩沖區(qū)生成方法來求解及表示有線信號的覆蓋范圍,如圖2所示。

3.3基于二維空間分析技術的通信態(tài)勢疊加與顯示

根據3.2節(jié)的基本假設,某一地域通信情況的優(yōu)劣,取決于該地域具備通信手段的數(shù)量、強度、重要性權值以及受到電磁干擾的強度。根據這一理念,系統(tǒng)采用緩沖區(qū)疊加的方式對戰(zhàn)區(qū)的通信態(tài)勢進行宏觀表示:某一信號(包括電磁干擾信號)的覆蓋區(qū)域作為一個緩沖區(qū),戰(zhàn)區(qū)內某一點的通信能力根據覆蓋該點的緩沖區(qū)數(shù)量、每一緩沖區(qū)的權值計算得出,最后根據GIS空間分析功能,將通信能力不同的區(qū)域以不同的顏色和色深區(qū)分表示,一種基本的二維表示方式如圖3所示。

圖2　無線信號覆蓋范圍求解示意[6]

圖3　通信態(tài)勢疊加二維顯示[6]

3.4通信態(tài)勢三維量化顯示功能

3.4.1通信態(tài)勢三維直觀顯示

二維疊加顯示定位精確、層次鮮明,但是畫面略顯凌亂,而三維顯示更為直觀、形象。系統(tǒng)以3.3節(jié)的平面數(shù)據為基礎,將二維圖層疊加理念拓展到三維空間,采用克里格插值平滑邊緣,實現(xiàn)了直觀的三維疊加顯示,如圖4所示。

圖4　通信態(tài)勢疊加三維插值顯示

三維插值顯示帶來直觀性的同時,也犧牲了位置和信號的精確度。系統(tǒng)結合二維和三維顯示的優(yōu)點,將三維數(shù)據重新投影到二維形成等高線并加以著色,得到了一種既形象直觀又定位精確的顯示方案,更好地滿足了用戶指揮決策的需要。如圖5所示:在所有信號源權值均設為1的情況下,等高線的數(shù)值可以看作是區(qū)域所具備有效通信手段的相對數(shù)量。

圖5　三維插值數(shù)據投影到等高線

3.4.2加入電磁干擾的通信態(tài)勢三維顯示

傳統(tǒng)的電磁干擾顯示方式主要采取區(qū)域標繪的方式對平面圖進行標繪。這樣的方式一是無法有效顯示多重的干擾態(tài)勢;二是無法精確顯示干擾強度;三是無法量化顯示我方采取反制措施的具體效果。上述問題均可采用三維疊加原理加以解決。對于加入電磁干擾后的通信態(tài)勢,系統(tǒng)將信號、干擾信號和反制措施做求差運算后再疊加顯示,求解流程如圖6所示。

圖6　加入電磁干擾的通信態(tài)勢求解及顯示

3.4.3作戰(zhàn)雙方通信力量三維對比顯示

二維態(tài)勢圖可以采取在同一底圖上疊加多個圖層的方式來對比作戰(zhàn)雙方的通信力量,但是這樣的方式只適用于較為簡單的態(tài)勢。對于相對復雜的情況,我們續(xù)用上一小節(jié)的方法,對兩者的三維態(tài)勢進行求差計算以反映雙方的通信力量對比,求差后三維圖中的正值區(qū)域可以看作優(yōu)勢區(qū)域,負值區(qū)域可以看作劣勢區(qū)域。

3.5山岳地帶電波覆蓋范圍的求解及顯示

3.2節(jié)~3.4節(jié)所做的研究都是基于信號沿光滑大地球面?zhèn)鞑ツＰ涂紤]的,實際的傳播環(huán)境要比這復雜得多。在真實情況下,我們需要對無線電波的覆蓋范圍進行修正。本文用了用于求解山岳地帶傳播的ITU.RP.1546-3[5]傳播模型(30MHz~3000MHz)和GIS空間分析技術相結合,實現(xiàn)了一定頻譜范圍內短波覆蓋區(qū)域的求解,最終的實現(xiàn)效果如圖7所示。

圖7　山岳地帶電波覆蓋范圍的求解及顯示

4結語

采用傳統(tǒng)態(tài)勢標繪方法對通信態(tài)勢進行綜合顯示一直是一個難以解決的問題,因為在二維層面上始終無法同時展現(xiàn)大量通信手段同時覆蓋的顯示效果,而且作戰(zhàn)雙方在某一地域通信能力的量化對比也無法在二維態(tài)勢圖上展現(xiàn)。為此,本文綜合分析二維多圖層疊加和三維直觀顯示兩種方案的優(yōu)缺點,提出并實現(xiàn)了基于信號源強度疊加的二維/三維通信態(tài)勢顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用勢場模型仿真信號在三維空間的強度數(shù)值,并將圖層疊加的理念拓展到三維層次,使得通信綜合態(tài)勢能夠直觀地顯示在三維空間。此外,系統(tǒng)將無線電波傳播模型與三維GIS技術相結合,能夠對一定頻譜范圍內的無線電波在城市地域和山岳地帶的覆蓋范圍進行仿真求解,為指揮員做出正確決策提供了更為精確的通信態(tài)勢信息。

參 考 文 獻

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中圖分類號TP393.18

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.02.014

作者簡介:張江,男,碩士,工程師,研究方向:數(shù)據庫與信息系統(tǒng),GIS。廖葵,女,碩士,高級工程師,研究方向:軟件工程,GIS。

*收稿日期:2015年8月13日,修回日期:2015年9月28日