通信偵察電磁環(huán)境建模與模擬軟件設計

沈振惠,張建華

(1.天津天獅學院,天津　301700;2.中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院,北京　100094)

通信偵察電磁環(huán)境建模與模擬軟件設計

沈振惠1,張建華2

(1.天津天獅學院,天津301700;2.中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院,北京100094)

摘要:針對通信偵察設備面臨的信號環(huán)境的構建問題,提出來了一種戰(zhàn)場通信偵察電磁環(huán)境模擬軟件設計思路,并闡述了該軟件的架構設計、主要功能、數(shù)學模型與運行流程等。該電磁環(huán)境模擬軟件已初步應用于相關領域試驗、訓練中,可以作為探討通信偵察的有效手段,希望能為綜合電子對抗復雜信號環(huán)境的構建提供支撐。

關鍵詞:通信偵察;電磁環(huán)境;建模與仿真

隨著通信及通信偵察技術的快速發(fā)展,越來越多的通信偵察裝備、訓練裝備不斷投入部隊使用,對通信偵察戰(zhàn)場信號環(huán)境的構建提出了越來越高的要求[1]。由于模擬訓練具有花費少、可重復、無風險等特點,在通信偵察裝備訓練中受到了廣泛的關注,并在一定程度上得到了應用。對于通信偵察裝備模擬訓練,能否設計并構建準戰(zhàn)場條件下的不同信號平臺、信號類型、信號密度、信號強度和信號分布下的通信偵察電磁環(huán)境是通信對抗系統(tǒng)設計的重點和難點[2]。

本文所提出的通信偵察電磁環(huán)境模擬軟件,可模擬多種類、復雜、動態(tài)、密集的通信對抗信號環(huán)境,不僅能夠支撐研究分析現(xiàn)有的通信系統(tǒng)的通信能力,而且能夠支撐通信偵察設備的信號偵察分析能力,以訓練通信對抗軍官和通信偵察操作員信號截獲、目標分析與識別、偵察告警的能力。

1通信偵察電磁環(huán)境模擬的需求及應用環(huán)境

通信偵察設備由通信偵察天線、射頻單元、寬帶偵測單元、網(wǎng)絡偵察單元、特種信號控守單元、重點信號監(jiān)聽單元以及設備主控單元組成,如圖1所示。

圖1　通信偵察設備組成示意圖

通過對工作頻段及空域覆蓋范圍內的敵方通信信號進行搜索、截獲、測量、分析、識別、監(jiān)視以及對通信設備測向、定位,從而獲取其技術參數(shù)、功能、類型、位置、用途等情報,實現(xiàn)對戰(zhàn)場區(qū)域內的常規(guī)通信、戰(zhàn)術通信、數(shù)據(jù)鏈等目標的實時偵測。因此,通信偵察是戰(zhàn)場指揮員獲取軍事情報的重要手段,也是其實施通信干擾或摧毀的依據(jù)[3]。

對于缺乏實際信號環(huán)境的日常訓練,利用建模與仿真技術構建相應的電磁環(huán)境是國內外普遍采用的方法與手段。通信偵察電磁環(huán)境模擬主要是為操作通信偵察設備的人員提供真實的、動態(tài)的、貼近于實戰(zhàn)的電磁輻射環(huán)境,用于操作人員的日常訓練和設備性能的檢驗,主要應具備戰(zhàn)場想定生成、仿真過程控制、通信輻射工作參數(shù)生成、可視化顯示及對外接口通信等功能,完成通信偵察設備的電磁輻射環(huán)境建模、仿真與信號激勵等任務,其應用環(huán)境如圖2所示[4]。

圖2　通信偵察電磁環(huán)境模擬軟件應用圖

2軟件總體設計

2.1軟件結構設計

通信偵察電磁環(huán)境模擬軟件的軟件體系結構如圖3所示。根據(jù)不同的用途和目的,該軟件分為三大類:系統(tǒng)軟件、支撐軟件和應用軟件。

圖3　通信偵察電磁環(huán)境模擬軟件體系結構圖

1)系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件是指管理并運行計算機系統(tǒng)資源的軟件,主要包括Windows XP、中標麒麟等操作系統(tǒng)。

2)支撐軟件

支撐軟件是指所有用于幫助和支持通信偵察電磁環(huán)境模擬軟件開發(fā)的軟件,主要包括Visual C++、Qt、Vega Prime等。

3)應用軟件

應用軟件是指經(jīng)過開發(fā)的、專門用于實現(xiàn)通信偵察電磁環(huán)境模擬軟件并起主導作用的軟件,如導演調度、戰(zhàn)場想定編輯、數(shù)據(jù)庫管理、電磁環(huán)境生成、可視化顯示等模塊。

2.2軟件功能設計

通信偵察電磁環(huán)境模擬應用軟件主要由導演調度、戰(zhàn)場想定編輯、數(shù)據(jù)庫管理、通信天線調制模塊、電磁環(huán)境生成、數(shù)據(jù)記錄模塊、可視化顯示以及數(shù)據(jù)庫服務器等模塊組成,如圖4所示[5]。

圖4　通信偵察電磁環(huán)境模擬應用軟件組成

各模塊的主要功能如下:

1)導演調度模塊。主要完成仿真運行控制參數(shù)如仿真時間、仿真步長、過程控制、數(shù)據(jù)記錄及顯示等參數(shù)的設計。

2)戰(zhàn)術想定編輯模塊。基于電子地圖背景完成戰(zhàn)場想定的設置、或從數(shù)據(jù)庫服務器導入想定設置數(shù)據(jù),包括艦載、機載、岸基、潛載等多種平臺的運動參數(shù)如平臺編號、平臺類型、平臺名稱、敵我屬性、威脅等級、平臺經(jīng)度、平臺緯度、平臺高度、平臺地速、平臺真航向,定頻、跳頻通信輻射源參數(shù)如輻射源數(shù)、輻射源信號編號、通信網(wǎng)編號、輻射源平臺編號、輻射源工作頻率、信號帶寬、信號類型、信號調制樣式、發(fā)射功率、信號幅度、工作標志(工作/停止)、時段關聯(lián)標志(相關/無關)、信號源輻射開始時間、信號源輻射結束時間等,產(chǎn)生通信偵察設備所需的復雜戰(zhàn)場電磁態(tài)勢。

3)數(shù)據(jù)庫服務器。為通信偵察電磁環(huán)境模擬軟件提供各種參數(shù),主要包括戰(zhàn)情想定數(shù)據(jù)庫、通信設備性能數(shù)據(jù)庫、通信偵察規(guī)則數(shù)據(jù)庫、地理信息數(shù)據(jù)庫,以及包括發(fā)射模型、路徑傳輸損耗模型和通信信道模型的通信設備模型庫。

4)電磁環(huán)境生成模塊。通過調用通信設備的發(fā)射機模型、天線模型,結合電波傳輸模塊提供的傳播衰減模型、裝備性能參數(shù),按照典型通信設備如短波/超短波電臺、數(shù)據(jù)鏈的工作原理運行生成不同位置、不同時刻的通信輻射源參數(shù)并輸出到顯示模塊進行顯示。

5)數(shù)據(jù)記錄模塊。主要按照操作員的設置,完成戰(zhàn)場想定、仿真過程控制、通信輻射參數(shù)生成等數(shù)據(jù)或命令的記錄與存儲。

6)綜合顯示模塊。主要以電子地圖、表格、圖形等方式,采用離散化數(shù)據(jù),以2D/3D進行通信偵察電磁環(huán)境的可視化顯示。

7)對外通信模塊。主要按照與通信偵察設備的接口控制文件規(guī)定的速率和數(shù)據(jù)項完成通信輻射電磁環(huán)境模擬結果的輸出。

2.3通信信號模型

通信偵察電磁環(huán)境模擬的基礎是其數(shù)學模型的建立。通信信號環(huán)境按技術體制可分為模擬信號、數(shù)字信號等,常見的通信模擬信號有AM(幅度調制)信號、FM(頻率調制)信號,數(shù)字通信有ASK(數(shù)字幅度鍵控)、PSK(相移鍵控)信號、FSK(頻移鍵控)等。本文介紹了幾種常見的通信信號的數(shù)學模型。

1)AM信號

該模型的輸入是具有信息的模擬信號和基帶信號。這兩個信號通過該模型合成一個信號,即AM信號。它的主要算法是基帶信號的幅度受調幅信號控制。

SAM(t)=[A+m(t)]cos(ωct+φs)

其中:m(t)=Bcos(wst)為基帶信號,A為信號載波幅度,wc為載波頻率,φs為信號的初始相位。

2)FM信號

FM信號是載波頻率按照調制信號改變的一種通信信號。其數(shù)學表達式為:

3)BPSK信號

BPSK信號是受到鍵控的載波相位按基帶脈沖而改變的一種數(shù)字調制信號。其數(shù)學表達式為:

式中,wc為載波頻率,φ0為初始相位,g(t)是脈寬為Ts的單個矩形脈沖,而an的統(tǒng)計特性為

4)2FSK信號

數(shù)字頻移鍵控是用載波的頻率來傳送數(shù)字消息,即用所傳送的數(shù)字消息控制載波的頻率。2FSK信號便是符號“1”對應載頻ω1,符號“0”對應另一個載頻ω2的已調波形。其數(shù)學表達式為

其他的通信調制信號如4FSK、MSK(最小頻移鍵控)、QPSK(四相絕對移相調制)、QAM(正交幅度調制)等的數(shù)學模型就不在文中列舉了,可查閱其它文獻得到。

2.4工作流程設計

通信偵察電磁環(huán)境模擬軟件的工作過程由藍方虛擬兵力觸發(fā),按仿真協(xié)調步長同步,分為仿真準備階段、仿真運行階段和分析評估階段三個階段進行,運行流程具體如圖5所示[6]。

圖5　模擬軟件工作運行流程圖

1)仿真準備階段

該階段主要完成仿真環(huán)境的準備,即戰(zhàn)情想定人工設置,或者自動調用數(shù)據(jù)庫服務器存儲好的包括作戰(zhàn)區(qū)域、作戰(zhàn)兵力、大氣環(huán)境等內容的戰(zhàn)術想定。

仿真操作員通過新建戰(zhàn)術想定,添加通信輻射源目標平臺參數(shù)(如初始經(jīng)緯度、航向、速度、運行軌跡等)及搭載的通信輻射源類型及參數(shù)(如發(fā)射機參數(shù)、天線參數(shù)等),添加電波傳播環(huán)境等,完成戰(zhàn)術想定設置,并以存入戰(zhàn)情設置數(shù)據(jù)庫。

2)仿真運行階段

該階段主要完成通信偵察電磁環(huán)境的模擬運行。

仿真操作員通過調用戰(zhàn)情想定,讀取通信輻射源目標平臺參數(shù)、輻射源發(fā)射機和天線參數(shù)、電波傳播環(huán)境參數(shù),根據(jù)操作員命令,考慮電波傳播環(huán)境,開始輻射源目標平臺運動、輻射源工作參數(shù)計算,完成通信電磁環(huán)境的生成、記錄與顯示,并將電磁環(huán)境通過接口通信模塊動態(tài)輸出。

3)分析評估階段

該階段主要完成通信偵察電磁環(huán)境仿真記錄重演和離線分析評估兩個過程。其中,仿真記錄重演是仿真操作員通過調用數(shù)據(jù)記錄,可對全部或關注的通信偵察電磁環(huán)境仿真過程、數(shù)據(jù)進行顯示。離線分析評估是指仿真操作員采取定量與定性相結合的分析方法,根據(jù)模糊綜合評判模型獲取通信偵察電磁環(huán)境復雜度評估指標的加權系數(shù),對照經(jīng)過專家確認的評估標準對復雜度進行評估從而給出復雜度等級,從而實現(xiàn)對所構建的實時或歷史的通信偵察電磁環(huán)境復雜度評估。

3結束語

通信偵察電磁環(huán)境模擬訓練軟件是根據(jù)某通信偵察設備研制和部隊訓練需求而設計的,可模擬艦載、機載、彈載、潛載、岸基等多種平臺、多種信號類型、調制樣式的通信輻射電磁環(huán)境,其更強的靈活性、針對性、可復現(xiàn)等技術特點,彌補了實裝訓練的不足。該模擬軟件已經(jīng)在相關領域開展了應用,初步解決了通信偵察裝備研制、訓練或試驗缺乏通信信號環(huán)境的問題,取得了較好的效果,具有較強的實用價值,為后續(xù)系統(tǒng)的開發(fā)奠定了基礎。

參考文獻:

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Model and Design of Communication Reconnaissance Electromagnetic Environment Simulation Software

SHEN Zhen-hui1,ZHANG Jian-hua2

(1. Tianjin Tianshi College, Tianjin 301700; 2. Systems Engineering Research Institute, Beijing 10094, China)

Abstract:In allusion to absence of signal environment in communication reconnaissance equipment development or training, a kind of battlefield communication reconnaissance electromagnetic environment simulation software is proposed, and then software functions, architecture design, composition and function, operation process, and emitter signal mathematical model are described in this paper. The electromagnetic environment simulation software has been applied to field test, a preliminary training, can be a effective way to explore communication reconnaissance. The paper can be used to provide help on the construction of a complex signal environment of EW system.

Key words:communication reconnaissance; electromagnetic environment; model and simulation

文章編號：1673-3819(2016)03-0113-03

收稿日期：2016-04-10

作者簡介：沈振惠(1977-),女,江蘇南通人,博士,講師，研究方向為信號處理與檢測、電子對抗等。 張建華(1977-),男,碩士,研究員。

中圖分類號:TN971；E917

文獻標志碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.03.022

修回日期： 2016-04-25