多輻射平臺(tái)運(yùn)動(dòng)區(qū)域電磁環(huán)境預(yù)測(cè)方法*

董俊，洪麗娜，汪連棟，陳翔

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

?

綜合保障性技術(shù)

多輻射平臺(tái)運(yùn)動(dòng)區(qū)域電磁環(huán)境預(yù)測(cè)方法*

董俊，洪麗娜，汪連棟，陳翔

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

摘要：針對(duì)目前電磁環(huán)境預(yù)測(cè)手段還不能滿足未來(lái)復(fù)雜電磁環(huán)境變化要求的問(wèn)題，開展多輻射平臺(tái)面臨的區(qū)域電磁環(huán)境預(yù)測(cè)方法研究，利用建模仿真方法預(yù)測(cè)多平臺(tái)區(qū)域綜合電磁環(huán)境。首先，簡(jiǎn)要闡述了開展電磁環(huán)境預(yù)測(cè)研究的現(xiàn)實(shí)需求和總體思路。然后，從電磁環(huán)境構(gòu)成要素提取和電磁環(huán)境建模方面進(jìn)行了介紹。最后，在電磁環(huán)境建?；A(chǔ)上設(shè)計(jì)了電磁環(huán)境預(yù)測(cè)軟件系統(tǒng)，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)多輻射平臺(tái)協(xié)同工作場(chǎng)景中電磁態(tài)勢(shì)顯示和動(dòng)態(tài)電磁環(huán)境再現(xiàn)與分析。

關(guān)鍵詞：多平臺(tái)；區(qū)域；電磁環(huán)境；預(yù)測(cè)；建模；仿真

0引言

隨著電子信息系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，電磁輻射源數(shù)量迅速增長(zhǎng)，導(dǎo)致開放空間、局部工作及生活空間中電磁環(huán)境變得越來(lái)越復(fù)雜。反之，日益復(fù)雜的電磁環(huán)境又會(huì)對(duì)電子信息系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響[1]。為了保證處于一定區(qū)域內(nèi)復(fù)雜電磁環(huán)境下的電子信息系統(tǒng)充分發(fā)揮其效能，必須充分認(rèn)識(shí)和了解未來(lái)可能面臨的復(fù)雜電磁環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響，從而合理的運(yùn)用電子信息系統(tǒng)，這就提出了對(duì)未來(lái)復(fù)雜電磁環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)的現(xiàn)實(shí)要求[2]。

基于上述背景，本文提出一種多輻射平臺(tái)運(yùn)動(dòng)區(qū)域電磁環(huán)境預(yù)測(cè)方法，以區(qū)域內(nèi)電子信息系統(tǒng)大規(guī)模協(xié)同工作電磁環(huán)境預(yù)測(cè)為研究目標(biāo)，以機(jī)群面臨的外部干擾和內(nèi)部互擾電磁環(huán)境為研究對(duì)象，利用建模仿真的方法，建立全局干擾電磁環(huán)境和局部輻射源密集區(qū)域互擾電磁環(huán)境預(yù)測(cè)與分析模型集，開發(fā)電磁環(huán)境預(yù)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)典型區(qū)域電磁環(huán)境預(yù)測(cè)及規(guī)律驗(yàn)證，預(yù)測(cè)空中機(jī)群面臨的區(qū)域綜合電磁環(huán)境，為解決多輻射平臺(tái)外部干擾環(huán)境和內(nèi)部互擾環(huán)境預(yù)測(cè)的難題提供技術(shù)支撐。

1電磁環(huán)境要素提取

電磁環(huán)境要素提取，是進(jìn)行電磁環(huán)境建模的基礎(chǔ)。根據(jù)電磁環(huán)境現(xiàn)象產(chǎn)生和存在的物理基礎(chǔ)，將電磁環(huán)境分解為環(huán)境實(shí)體和電磁信號(hào)2部分，其物理基礎(chǔ)如圖1所示。

相應(yīng)的，對(duì)于電磁環(huán)境要素的提取，將要素分為2類： 實(shí)體構(gòu)成要素和信號(hào)環(huán)境要素。實(shí)體構(gòu)成要素用來(lái)描述形成區(qū)域電磁環(huán)境的實(shí)體環(huán)境，信號(hào)環(huán)境要素用來(lái)描述由實(shí)體構(gòu)成要素形成的空中平臺(tái)運(yùn)動(dòng)區(qū)域空間電磁信號(hào)環(huán)境。根據(jù)上述分類提取下列實(shí)體構(gòu)成要素和信號(hào)環(huán)境要素，如圖2所示。

圖1　電磁環(huán)境的物理基礎(chǔ)Fig.1　Physical basic of electromagnetic environment

2電磁環(huán)境要素建模

2.1輻射平臺(tái)外部干擾電磁環(huán)境建模

為了準(zhǔn)確地表現(xiàn)平臺(tái)外部干擾電磁信號(hào)環(huán)境，對(duì)信號(hào)環(huán)境進(jìn)行定量的表述，并為復(fù)雜電磁環(huán)境的仿真與預(yù)測(cè)提供充分的模型支持，在對(duì)電磁環(huán)境構(gòu)成要素進(jìn)行概念抽象的基礎(chǔ)上，對(duì)平臺(tái)、設(shè)備和傳播環(huán)境進(jìn)行數(shù)學(xué)模型抽象和分解，分別建立信號(hào)環(huán)境模型、天線模型、傳播模型、仿真共用模型。根據(jù)脈沖、 連續(xù)波和噪聲信號(hào)的特點(diǎn)分別建立3類信號(hào)的描述模型，根據(jù)信號(hào)樣式建立信號(hào)模型，根據(jù)信號(hào)的傳輸路徑建立信號(hào)傳播模型，全部模型如圖3所示[3-4]。

圖2　區(qū)域空間電磁環(huán)境要素Fig.2　Electromagnetic environment elements of region

數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用參數(shù)根據(jù)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)區(qū)域和電子信息設(shè)備使用情況確定，主要關(guān)注信號(hào)模型、信號(hào)描述模型、信號(hào)傳播模型和天線模型。根據(jù)天線掃描樣式、掃描速度確定天線掃描模型的參數(shù)設(shè)置；根據(jù)設(shè)備天線特點(diǎn)，確定天線方向圖模型及參數(shù)設(shè)置；根據(jù)航線和天氣情況等確定信號(hào)傳輸模型及參數(shù)設(shè)置。

上述模型中，信號(hào)描述模型主要用于對(duì)信號(hào)變化特征進(jìn)行描述，是進(jìn)行電磁環(huán)境預(yù)測(cè)結(jié)果可視化的重要基礎(chǔ)。

脈沖信號(hào)描述字(pulse description word,PDW)定義為：{ 脈沖前沿到達(dá)時(shí)間(time of arrival,TOA)、脈沖載頻(radio frequency,RF)、脈沖功率密度(power density,PD)、相位(phase,PH)、脈沖寬度(pulsewidth,PW)、脈沖到達(dá)角(angle of arrival,AOA)}。

連續(xù)波信號(hào)描述字(signal description word,SDW)定義為：{ 信號(hào)瞬時(shí)頻率(carrier frequency,CF)、平均帶寬(mean band width,MBW)、平均時(shí)寬(mean time width,MTW)、帶內(nèi)頻譜序列(frequency spectrum sequence,FSS)、帶內(nèi)功率密度序列(power density spectrum sequence,PDSS)}。

噪聲統(tǒng)計(jì)信號(hào)描述字(noise description word,NDW)定義為：{ 噪聲調(diào)制類型(noise modulation,NM)、噪聲功率密度(noise power density,NPD)、噪聲干擾信號(hào)帶寬(noise band width,NBW)}。

部分信號(hào)描述模型如下：

(1) TOA模型

脈沖前沿到達(dá)時(shí)間TOA主要和脈沖發(fā)射時(shí)間t及脈沖傳播時(shí)間τ有關(guān)，第n個(gè)雷達(dá)脈沖的TOA表達(dá)式為

TOA(n)=t(n)+τ(n)，

(1)

式中：脈沖發(fā)射時(shí)間t與雷達(dá)的脈沖重復(fù)周期PRI有關(guān)，脈沖傳播時(shí)間τ與傳播距離R及傳播速度c等因素有關(guān)。對(duì)于脈沖發(fā)射時(shí)間，如果上一脈沖發(fā)射時(shí)間為t(n-1)，則

t(n)=t(n-1)+PRI，

(2)

對(duì)于重頻固定雷達(dá)，PRI模型為

PRI=PRI0+N，

(3)

式中:PRI0為雷達(dá)脈沖重復(fù)周期；N為隨機(jī)噪聲，服從均勻分布。

(2) MBW模型

(4)

式中：s(t)為時(shí)域連續(xù)波信號(hào)。

(3) MTW模型

(5)

式中：S(ω)為連續(xù)波信號(hào)頻譜。

2.2多輻射平臺(tái)內(nèi)部互擾電磁環(huán)境建模[5-7]

針對(duì)平臺(tái)本身所攜帶的電子信息設(shè)備可能產(chǎn)生多平臺(tái)間互相干擾的問(wèn)題，建立平臺(tái)模型和平臺(tái)天線模型，剖分之后進(jìn)行電磁場(chǎng)問(wèn)題求解。

圖3　外部干擾電磁環(huán)境模型Fig.3　Model of exterior jam electromagnetic environment

針對(duì)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的平臺(tái)及天線系統(tǒng)，根據(jù)惠更斯等效原理選擇合適的閉合面的S，并設(shè)置等效源(惠更斯源)的源分布—表面電流密度Js與表面磁流密度Jms。以S面為界將平臺(tái)及天線系統(tǒng)分解為2個(gè)關(guān)聯(lián)的問(wèn)題：內(nèi)問(wèn)題和外問(wèn)題。為了應(yīng)用等效原理，以飛機(jī)及機(jī)載天線為對(duì)象，以天線閉合面S為等效面，在等效面S上設(shè)置外法向單位矢量n，如圖4所示。

圖4　等效問(wèn)題Fig.4　Epuivalence problem

內(nèi)問(wèn)題(天線結(jié)構(gòu))包含原有天線，S面內(nèi)原來(lái)的場(chǎng)和S面外的零場(chǎng)。根據(jù)等效原理，除了天線上的激勵(lì)源，還需要在S面設(shè)置表面電流-Js和表面磁流-Ms，其中

(6)

(7)

同理，外問(wèn)題(地面結(jié)構(gòu))含有原來(lái)地面的幾何結(jié)構(gòu)，S面外原來(lái)的場(chǎng)和S面內(nèi)的零場(chǎng)。除此之外，也需要在S面上設(shè)置表面電流Js和表面磁流Ms，其中E, H是原問(wèn)題中沿S上的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。對(duì)于不

同的平臺(tái)結(jié)構(gòu)表面使用不同的數(shù)值方法進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于圖5的等效問(wèn)題來(lái)說(shuō)，內(nèi)問(wèn)題和外問(wèn)題以等效電流和磁流作為銜接，共享表面電流信息，從而完成原問(wèn)題整個(gè)結(jié)構(gòu)的等效計(jì)算。

建立了平臺(tái)模型和天線模型之后，運(yùn)用合適的電磁場(chǎng)計(jì)算方法求解平臺(tái)間互擾電磁場(chǎng)問(wèn)題。通過(guò)上述方法對(duì)3架飛機(jī)建立等效計(jì)算模型，計(jì)算3架飛機(jī)間某區(qū)域的電場(chǎng)分布如圖5所示。

圖5　3架飛機(jī)之間某區(qū)域電場(chǎng)分布Fig.5　Electric field distributing between three planes

3電磁環(huán)境預(yù)測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)及預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)

3.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

電磁環(huán)境預(yù)測(cè)軟件系統(tǒng)包括電磁環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)管理與應(yīng)用、電磁環(huán)境仿真與預(yù)測(cè)兩大功能模塊。預(yù)測(cè)軟件體系結(jié)構(gòu)如圖6所示。

電磁環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)管理與應(yīng)用模塊包括數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件兩部分。數(shù)據(jù)庫(kù)包括雷達(dá)設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)、通信設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)、背景噪聲數(shù)據(jù)庫(kù)和其他參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)等4個(gè)子庫(kù)。

圖6　軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖Fig.6　Structure of software system

電磁環(huán)境仿真與預(yù)測(cè)模塊包括工作場(chǎng)景管理與控制、仿真管理與控制和仿真結(jié)果顯示3個(gè)子模塊。工作場(chǎng)景管理與控制模塊根據(jù)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)編制工作場(chǎng)景設(shè)計(jì)與開發(fā)平臺(tái)，并形成工作場(chǎng)景文件供仿真管理與控制模塊調(diào)用。仿真管理與控制模塊通過(guò)調(diào)用工作場(chǎng)景文件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，根據(jù)仿真模型進(jìn)行雷達(dá)、通信和噪聲信號(hào)傳播過(guò)程仿真，生成預(yù)定工作區(qū)域的電磁信號(hào)環(huán)境數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果顯示模塊實(shí)現(xiàn)可視化輸出，輸出結(jié)果包括數(shù)據(jù)文件、統(tǒng)計(jì)圖表和基于電子地圖的二維電磁態(tài)勢(shì)顯示[8-10]。

3.2典型區(qū)域電磁環(huán)境預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)

下面以機(jī)群協(xié)同工作為例，進(jìn)行機(jī)群內(nèi)、外部電磁環(huán)境預(yù)測(cè)。首先進(jìn)行工作場(chǎng)景設(shè)置，主要進(jìn)行電子信息設(shè)備工作位置的部署和機(jī)群航跡設(shè)置。設(shè)置效果如圖7所示。

圖7　機(jī)群工作場(chǎng)景設(shè)置圖Fig.7　Air fleet work scene set

飛機(jī)位于某位置時(shí)面臨的干擾電磁環(huán)境預(yù)測(cè)結(jié)果如圖8，9所示，機(jī)間互擾電磁環(huán)境顯示如圖10所示。

圖8　雷達(dá)信號(hào)環(huán)境預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.8　Prediction result of radar signals environment

圖9　通信信號(hào)環(huán)境預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.9　Prediction result of communication signals environment

圖10　機(jī)間電磁環(huán)境顯示Fig.10　Showing of electromagnetic environment between planes

4結(jié)束語(yǔ)

本文圍繞區(qū)域復(fù)雜電磁環(huán)境預(yù)測(cè)需求，提出了多輻射平臺(tái)外部和內(nèi)部相結(jié)合的區(qū)域電磁環(huán)境預(yù)測(cè)方法。通過(guò)對(duì)典型區(qū)域電磁環(huán)境進(jìn)行分析，利用建模仿真的方法，開發(fā)了區(qū)域復(fù)雜電磁環(huán)境仿真與預(yù)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)典型區(qū)域內(nèi)空中運(yùn)動(dòng)平臺(tái)面臨的雷達(dá)類和通信類電子信息系統(tǒng)所形成的電磁信號(hào)環(huán)境進(jìn)行了預(yù)測(cè)。可以為電子信息系統(tǒng)的研制、檢測(cè)分析以及頻譜管理應(yīng)用提供支持。

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Prediction Methods of Regional Electromagnetic Environment Radiated by Movement Multi-Platform

DONG Jun, HONG Li-na, WANG Lian-dong, CHEN Xiang

(State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environment Effects on Electronics and Information System,Henan Luoyang 471003, China)

Abstract:The current electromagnetic environment prediction methods can't meet the requirement of complex electromagnetic environment in future very well. It’s necessary to study the modeling and simulation to predict the electromagnetic environment radiated by multi-platform. First, the realistic demand and the overall idea of electromagnetic environment prediction are briefly described. Then electromagnetic environment elements extraction and electromagnetic environment modeling are introduced. Finally, electromagnetic environment prediction software is designed based on the modeling and the simulation tests are carried out. Results show that this method can display the electromagnetic situation radiated by multi-platform and realize the dynamic electromagnetic environment representation and analysis.

Key words:multi-platform；regional; electromagnetic environment; prediction; modeling; simulation

*收稿日期：2014-10-10；修回日期：2015-06-25

作者簡(jiǎn)介：董俊(1980-)，男，湖北當(dāng)陽(yáng)人。工程師，碩士，主要研究方向?yàn)閺?fù)雜電磁環(huán)境特性與模擬。

通信地址：471003河南省洛陽(yáng)市085信箱33號(hào)E-mail：dj0636@sina.com

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2016.02.030

中圖分類號(hào)：O441；TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-086X(2016)-02-0190-07