戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案研究*

姜博文，姜勤波，齊世舉，郭金庫(kù)

(火箭軍工程大學(xué)， 陜西 西安 710025)

0 引言

戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境[1-2]模擬即是對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境的“再現(xiàn)”。利用實(shí)際電磁設(shè)備構(gòu)建戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境來(lái)進(jìn)行裝備抗電磁干擾評(píng)估方法，其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確、直觀、形象，但其試驗(yàn)周期長(zhǎng)，花費(fèi)巨大，并且難以實(shí)現(xiàn)各種情況下的全面評(píng)估。采用戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的仿真或半實(shí)物仿真的抗電磁干擾性能評(píng)估方法則具有經(jīng)濟(jì)、安全可靠、實(shí)驗(yàn)周期短、靈活可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)[3]，在武器裝備此類仿真中得到了廣泛的應(yīng)用。實(shí)際上，電磁環(huán)境仿真模擬技術(shù)，可以克服傳統(tǒng)實(shí)物仿真中復(fù)雜電磁環(huán)境不容易實(shí)現(xiàn)，某些環(huán)境參數(shù)難以評(píng)估測(cè)量等問(wèn)題，從而滿足特定要求的具有逼真度較高的復(fù)雜電磁信號(hào)環(huán)境[4]。

國(guó)外方面，美國(guó)比較著名的電子戰(zhàn)試驗(yàn)場(chǎng)[5]，如在亞利桑那州的“瓦丘卡堡電子靶場(chǎng)”，“Nellis”試驗(yàn)場(chǎng)，“達(dá)爾格倫分部(NSWCDD)”試驗(yàn)場(chǎng)，“帕圖克森特河”試驗(yàn)場(chǎng)，“Eglin”基地等，在各階段戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)線電管理和戰(zhàn)場(chǎng)管理研發(fā)過(guò)程中，均采用仿真技術(shù)構(gòu)建戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境量化分析基礎(chǔ)平臺(tái)。美國(guó)、歐洲、臺(tái)灣等戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)級(jí)作戰(zhàn)仿真工具中，均將戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境仿真作為重要組成部分[6]，能夠?qū)崿F(xiàn)在作戰(zhàn)仿真中考慮電磁環(huán)境影響結(jié)果。比如文獻(xiàn)[7-11]中有介紹到美國(guó)諾思羅普·格魯曼公司開(kāi)發(fā)的CEESIM系統(tǒng)，德國(guó)IZT公司的S5000系統(tǒng)及IZT的S5000 COMINT模擬系統(tǒng)都具有強(qiáng)大的戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建能力，能夠較高真實(shí)的模擬戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境，服務(wù)于測(cè)試和評(píng)估各類電子戰(zhàn)系統(tǒng)。多個(gè)并行的發(fā)射機(jī)，可以產(chǎn)生用戶定義區(qū)域內(nèi)的高逼真度的復(fù)雜電磁環(huán)境[12]。

國(guó)內(nèi)方面，在電磁環(huán)境仿真領(lǐng)域的研究也較多，一些專業(yè)人士提出了工程性、實(shí)用性較強(qiáng)的電磁環(huán)境仿真方法。這些研究中，關(guān)于電磁兼容、電磁傳播、電磁干擾、電磁防護(hù)等相關(guān)基礎(chǔ)性研究和涉及電子信息設(shè)備建模、仿真、評(píng)估較多，但在復(fù)雜電磁環(huán)境系統(tǒng)研究方面及戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境建模的偏少。當(dāng)然，也有一些實(shí)際的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境仿真系統(tǒng)投入應(yīng)用，例如某電磁頻管中心針對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)線電管理開(kāi)發(fā)的戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境仿真工具，效果就很不錯(cuò)，但其關(guān)注點(diǎn)在于頻譜管理業(yè)務(wù)，無(wú)法生成用于裝備抗干擾評(píng)估的復(fù)雜電磁環(huán)境信號(hào)?！笆濉逼陂g，某單位牽頭的復(fù)雜電磁環(huán)境預(yù)測(cè)項(xiàng)目，也實(shí)現(xiàn)了戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境的仿真，并將其應(yīng)用于飛機(jī)、艦船、導(dǎo)彈等武器平臺(tái)的早期設(shè)計(jì)和指標(biāo)論證中。近年來(lái)，隨著部隊(duì)實(shí)戰(zhàn)化要求的提高，戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境受到越來(lái)越多的重視，對(duì)裝備研發(fā)單位實(shí)際上提出了更高的要求，即在裝備論證、設(shè)計(jì)、研發(fā)等各個(gè)過(guò)程都應(yīng)該考慮未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)具體應(yīng)用環(huán)境?；诖耍瑧?zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)的目的在于實(shí)現(xiàn)海戰(zhàn)、空戰(zhàn)、陸戰(zhàn)以及聯(lián)合作戰(zhàn)等各種戰(zhàn)場(chǎng)場(chǎng)景的設(shè)計(jì)、完成接近實(shí)戰(zhàn)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的仿真構(gòu)建以及復(fù)雜電磁環(huán)境的綜合電磁信號(hào)輸出[13]，更大限度地為裝備在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)電磁化境下的指標(biāo)論證和抗干擾效能評(píng)估提供條件和基礎(chǔ)。

1 平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

1.1 平臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)

戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境仿真平臺(tái)是利用數(shù)字地球、電磁計(jì)算和態(tài)勢(shì)仿真技術(shù)，利用作戰(zhàn)想定生成和推演實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)場(chǎng)景構(gòu)建，融合輻射源和電波傳播模型完成戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境計(jì)算和生成，結(jié)合裝備電磁參數(shù)和模型進(jìn)行電磁環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估，基于功能等效方法和輻射源信號(hào)形式完成虛擬戰(zhàn)場(chǎng)中某戰(zhàn)場(chǎng)點(diǎn)位中的綜合電磁信號(hào)的輸出。

主要功能包括：

(1) 基于三維數(shù)字地球的戰(zhàn)場(chǎng)場(chǎng)景定義和作戰(zhàn)想定生成。

(2) 敵我雙方用頻裝備(電磁輻射源)的建模與仿真。

(3) 復(fù)雜電磁環(huán)境信號(hào)的綜合和重構(gòu)。

(4) 戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境仿真計(jì)算及可視化顯示[14]。

(5) 實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁環(huán)境復(fù)雜度、威脅度等的預(yù)測(cè)。

(6) 可以與信號(hào)生成及發(fā)射設(shè)備進(jìn)行集成用作裝備電磁環(huán)境評(píng)估。

在具體的功能設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)劃分為地理計(jì)算及管理、想定編輯及行動(dòng)推演、用頻裝備及輻射源、電磁計(jì)算4個(gè)分系統(tǒng)。如圖1所示。

1.2 平臺(tái)的層次結(jié)構(gòu)

為更好地實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)，在計(jì)算機(jī)仿真過(guò)程中，平臺(tái)的軟件層次結(jié)構(gòu)按照分層實(shí)現(xiàn)的方式進(jìn)行組織架構(gòu)。考慮到作戰(zhàn)想定、兵力部署、輻射源及環(huán)境參數(shù)的設(shè)定需先調(diào)用真實(shí)地理數(shù)據(jù)信息，故采用地理信息系統(tǒng)(geographic information system, GIS)作為軟件層次結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)層，依次按照模型層、計(jì)算層、應(yīng)用層進(jìn)行架構(gòu)，上層架構(gòu)以下層架構(gòu)為依托，各層次之間以標(biāo)準(zhǔn)接口的形式進(jìn)行調(diào)用，有較高的靈活性和適應(yīng)性，如圖2所示。

平臺(tái)的各軟件層次之間均具有相應(yīng)的工具軟件和仿真模塊。體系內(nèi)各模塊關(guān)系如圖3所示，在調(diào)用各模塊進(jìn)行電磁環(huán)境預(yù)測(cè)時(shí)，首先利用GIS系統(tǒng)和裝備實(shí)體模型提供三維想定編輯環(huán)境，通過(guò)模擬部隊(duì)作戰(zhàn)或行動(dòng)方案，包括作戰(zhàn)意圖、力量編成、兵力部署、行動(dòng)規(guī)劃、通信指揮關(guān)系、氣象環(huán)境設(shè)置等，布設(shè)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，形成用頻裝備受電磁影響的復(fù)雜電磁環(huán)境[15]。

電磁環(huán)境計(jì)算引擎根據(jù)輻射源模型、電波傳播模型以及地形、氣象條件實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)區(qū)域的電磁計(jì)算和客觀電磁環(huán)境描述。電磁敏感裝備模型可用作武器裝備在戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境中的任一性能指標(biāo)的評(píng)估，還可在虛擬場(chǎng)景中，對(duì)裝備應(yīng)用范圍和邊界條件進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化。

最后通過(guò)戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)可視化引擎實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境態(tài)勢(shì)、裝備電磁適應(yīng)性態(tài)勢(shì)的可視化和綜合信息顯示[16]。

1.3 應(yīng)用流程設(shè)計(jì)

基于平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)便可完成各種具體應(yīng)用，由于使用手段和實(shí)現(xiàn)途徑不同，大致可將平臺(tái)分為全數(shù)字仿真應(yīng)用和半實(shí)物仿真應(yīng)用。

(1) 全數(shù)字仿真應(yīng)用

在電磁環(huán)境預(yù)測(cè)方面，首先按照作戰(zhàn)流程及行動(dòng)方案進(jìn)行部署規(guī)劃，按照戰(zhàn)場(chǎng)上電磁輻射裝備進(jìn)行定義，通過(guò)想定對(duì)作戰(zhàn)環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，選取合適的電波傳播模型進(jìn)行電磁仿真計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境進(jìn)行靜態(tài)仿真及電磁態(tài)勢(shì)的可視化。依據(jù)想定中各參數(shù)設(shè)定及指定區(qū)域電磁環(huán)境靜態(tài)復(fù)雜度輸出指標(biāo)(包括：時(shí)間占有度、頻率占有度、空間占有度)，便可綜合反映該區(qū)域戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜程度和個(gè)體受戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的影響程度。

(2) 半實(shí)物仿真應(yīng)用

在裝備電磁環(huán)境評(píng)估方面，應(yīng)從整體的角度出發(fā)，明確干擾信號(hào)樣式，分析電磁環(huán)境時(shí)域、頻域、空域，通過(guò)定量描述的方式將戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境進(jìn)行量化分級(jí)，從而在計(jì)算機(jī)中對(duì)輻射源、干擾源進(jìn)行參數(shù)定義，仿真形成典型戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境信號(hào)。將仿真信號(hào)與電磁信號(hào)發(fā)射設(shè)備搭建成半實(shí)物仿真平臺(tái)，用任意波形信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生出射頻信號(hào)，采取直聯(lián)或天線發(fā)射的方式饋送給真實(shí)武器用頻裝備，并對(duì)裝備的電磁信號(hào)強(qiáng)度、電磁信號(hào)密度以及電磁信號(hào)參數(shù)等一系列性能指標(biāo)，應(yīng)用定性評(píng)估與定量評(píng)估相結(jié)合的方法進(jìn)行效能分析，便可完成對(duì)武器用頻裝備在戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境下的適應(yīng)性、穩(wěn)定性及可靠性的評(píng)估工作。

戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境仿真平臺(tái)的應(yīng)用流程如圖4所示。

2 平臺(tái)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

2.1 平臺(tái)的開(kāi)發(fā)方案

(1) 基于三維地理信息系統(tǒng)，采用真實(shí)地形數(shù)據(jù)和衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，構(gòu)建能夠完成各種作戰(zhàn)場(chǎng)景定義和描述的可視化編輯系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)支持?jǐn)澄冶陀妙l裝備部署、行動(dòng)描述和推演，為戰(zhàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)電磁環(huán)境構(gòu)建提供裝備體系、兵力平臺(tái)、行動(dòng)位置等信息。

(2) 戰(zhàn)場(chǎng)中敵我雙方輻射源裝備種類繁多，而且新式裝備不斷出現(xiàn)，針對(duì)性一對(duì)一裝備建模難度大且無(wú)法窮舉。有必要針對(duì)各種電磁類設(shè)備構(gòu)建一種統(tǒng)一的描述模型，利用天線、接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、濾波器、電纜等標(biāo)準(zhǔn)組件，構(gòu)建不同的用頻裝備，不同的裝備體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)不同和參數(shù)不同2個(gè)方面。

(3) 要實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)級(jí)的電磁環(huán)境仿真，必須實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化覆蓋全頻段和各種應(yīng)用場(chǎng)景的電波傳播模型庫(kù)。根據(jù)ITU等不同組織發(fā)布的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，結(jié)合地理信息系統(tǒng)和戰(zhàn)場(chǎng)雷雨、植被、溫濕度、大氣和海浪等各種影響因素，合理的選擇模型、設(shè)置使用參數(shù)，從而盡可能真實(shí)的實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)尺度上的電磁環(huán)境仿真。

(4) 針對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)級(jí)電磁環(huán)境仿真并結(jié)合實(shí)裝信號(hào)級(jí)評(píng)估的半實(shí)物仿真系統(tǒng)的要求，定義和描述各種輻射源信號(hào)形式，結(jié)合戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境仿真結(jié)果，采用功能等效的方法，實(shí)現(xiàn)關(guān)心區(qū)域或戰(zhàn)場(chǎng)點(diǎn)的復(fù)雜電磁環(huán)境信號(hào)綜合[17]。

2.2 平臺(tái)的基本應(yīng)用

集成專業(yè)快捷的通用可視化三維軍事戰(zhàn)場(chǎng)場(chǎng)景、作戰(zhàn)想定制作和行動(dòng)推演工具，允許快速完成戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境仿真中的作戰(zhàn)區(qū)域描述。包括戰(zhàn)場(chǎng)場(chǎng)景、仿真、實(shí)體編輯管理、作戰(zhàn)力量編成管理、武器平臺(tái)部署、行動(dòng)路徑規(guī)劃、戰(zhàn)場(chǎng)推演等模塊。

(1) 戰(zhàn)場(chǎng)場(chǎng)景描述

實(shí)現(xiàn)雨、雪、霧等多種自然效果仿真，支持用戶為想定設(shè)置特定的作戰(zhàn)環(huán)境描述。

(2) 作戰(zhàn)力量編成管理

設(shè)置武器平臺(tái)實(shí)例的編制歸屬，為其選擇兵力紅藍(lán)白陣營(yíng)?？梢栽O(shè)置、保存和加載軍事編制模板，按軍事編制實(shí)現(xiàn)批量武器平臺(tái)部署。

(3) 武器平臺(tái)部署

作為想定制作的核心功能，可將實(shí)體資源部署到三維場(chǎng)景中，在可視化戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中通過(guò)拖拽等所見(jiàn)即所得的方式快速部署武器平臺(tái)實(shí)體，并設(shè)置實(shí)體的初始化信息。

(4) 行動(dòng)路徑規(guī)劃

支持海、陸、空、天各種環(huán)境中的艦船、車輛、飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等各類機(jī)動(dòng)武器平臺(tái)的行動(dòng)路徑規(guī)劃，通過(guò)參數(shù)設(shè)置、鼠標(biāo)地圖選點(diǎn)、外部數(shù)據(jù)導(dǎo)入等各種方式實(shí)現(xiàn)用戶路徑自定義，并完成武器平臺(tái)與路徑綁定。

(5) 專業(yè)軍標(biāo)標(biāo)繪

提供豐富的軍用專業(yè)軍標(biāo)庫(kù)，包括所有的陸、海、空、火箭軍各軍種各類軍標(biāo)，支持專業(yè)軍標(biāo)標(biāo)繪。在想定制作和推演中均可利用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)軍標(biāo)實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)意圖表示和兵力/設(shè)施部署。

(6) 戰(zhàn)場(chǎng)推演

根據(jù)作戰(zhàn)構(gòu)想快速構(gòu)建動(dòng)態(tài)推演方案，將作戰(zhàn)想定、武器平臺(tái)布置、態(tài)勢(shì)顯示有機(jī)結(jié)合在一起，進(jìn)行可視化的軍事作戰(zhàn)想定制作和動(dòng)態(tài)推演。各仿真對(duì)象按預(yù)設(shè)的作戰(zhàn)流程規(guī)劃按時(shí)間推進(jìn)(也可按約定的規(guī)則實(shí)現(xiàn)事件驅(qū)動(dòng)仿真)。支持開(kāi)始、暫停、結(jié)束等仿真過(guò)程控制?？蔀閯?dòng)態(tài)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境生成提供基礎(chǔ)和條件。

2.3 綜合態(tài)勢(shì)顯示

系統(tǒng)態(tài)勢(shì)是軍事行動(dòng)態(tài)勢(shì)、戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境態(tài)勢(shì)和裝備電磁適應(yīng)性態(tài)勢(shì)的綜合顯示。以三維模型、快速、逼真顯示，并提供給指戰(zhàn)員友好的軍事行動(dòng)動(dòng)態(tài)信息；對(duì)輻射源場(chǎng)強(qiáng)分布、地形遮蔽、通信鏈路質(zhì)量及電磁環(huán)境統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行顯示；對(duì)武器裝備性能、效能度、可用度等進(jìn)行表示。

圖5為輻射源在某地域形成的部分仿真場(chǎng)景電磁環(huán)境效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

從用途上講，一方面，本平臺(tái)為武器裝備在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境下的論證和效能評(píng)估提供了條件和基礎(chǔ)；另一方面，平臺(tái)可對(duì)多兵種聯(lián)合作戰(zhàn)中戰(zhàn)場(chǎng)資源調(diào)度提供分析工具，用于戰(zhàn)前和平時(shí)的訓(xùn)練、推演，具有一定的研究?jī)r(jià)值及應(yīng)用前景。

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