基于Wireless InSite的廣義電磁環(huán)境復(fù)雜度計(jì)算

楊宗文，趙和鵬

(1.中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125000； 2.海軍裝備部信息系統(tǒng)局，北京 100841)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境越來(lái)越呈現(xiàn)出其復(fù)雜多變的重要特性[1]，近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)武器裝備在復(fù)雜電磁環(huán)境下生存能力越來(lái)越重視[2]，目前電磁環(huán)境復(fù)雜度評(píng)估方法主要有兩類：一類是廣義上的電磁環(huán)境復(fù)雜度評(píng)估方法[2-7]，這類評(píng)估方法認(rèn)為電磁環(huán)境是環(huán)境的一種，其復(fù)雜度是電磁環(huán)境固有屬性，不針對(duì)單獨(dú)裝備而言，而是針對(duì)環(huán)境中所有用頻設(shè)備而定義的一種復(fù)雜特性的定量分級(jí)；還有一類是狹義的電磁環(huán)境復(fù)雜度評(píng)估方法[8-16]，這類評(píng)估方法更多關(guān)注的是電磁環(huán)境對(duì)特定裝備或某類裝備的的具體影響。廣義的電磁環(huán)境復(fù)雜度評(píng)估方法從能域、空域、頻域及時(shí)域較為全面地評(píng)估了復(fù)雜電磁環(huán)境固有的復(fù)雜特性，但在計(jì)算過程中均涉及到各用頻設(shè)備間電磁信號(hào)的傳播預(yù)測(cè)分析，傳統(tǒng)的自由空間電波傳輸模型較為簡(jiǎn)單，計(jì)算精度無(wú)法滿足工程要求，也無(wú)法合理考慮實(shí)際環(huán)境中地形及建筑物的影響，針對(duì)該問題，本文通過將基本的四域電磁環(huán)境評(píng)估法與Wireless InSite電波傳播模型有效結(jié)合，解決了廣義電磁環(huán)境復(fù)雜度的高精度評(píng)估問題。

1 廣義電磁環(huán)境復(fù)雜度定量分析方法

目前廣義電磁環(huán)境復(fù)雜度定量分析主要采用環(huán)境電平門限S0、頻譜占用度FO、時(shí)間占用度TO、空間覆蓋率SO及平均功率密度譜進(jìn)行四個(gè)維度的綜合定量評(píng)估。由于這種分類能綜合考慮復(fù)雜電磁環(huán)境的總體復(fù)雜態(tài)勢(shì)，故適用于對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境復(fù)雜態(tài)勢(shì)量化評(píng)估并形成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4]。環(huán)境電平門限S0、頻譜占用度FO、時(shí)間占用度TO、空間覆蓋率SO及平均功率密度譜的具體計(jì)算公式可參考文獻(xiàn)[3-4]。

在實(shí)際分析計(jì)算過程中，環(huán)境電平門限S0、頻譜占用度FO、時(shí)間占用度TO、空間覆蓋率SO及平均功率密度譜計(jì)算公式中積分計(jì)算由于階躍函數(shù)最終離散為對(duì)各用頻設(shè)備的求和計(jì)算，總體而言，電磁環(huán)境復(fù)雜度定量計(jì)算核心在于計(jì)算一定空域、頻域及時(shí)域內(nèi)各個(gè)用頻設(shè)備的空間傳播功率。準(zhǔn)確計(jì)算各用頻設(shè)備的空間傳播功率需要建立電波傳播分析模型，而Wireless InSite軟件已集成較為完備的電波傳播模型，本文選擇該軟件完成這部分的計(jì)算，以免重復(fù)研究。

2 Wireless InSite電波傳播分析模型介紹

電波傳播模型是電磁環(huán)境分析軟件的核心，Wireless InSite傳播分析模型主要功能是根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境，采用相應(yīng)的傳播分析模型來(lái)計(jì)算和分析無(wú)線電波的傳播特性。Wireless InSite的傳播分析模型主要包括基于射線追蹤算法(SBR)和一致性繞射理論(UTD)、基于時(shí)域有限差分法(FDTD)、基于經(jīng)驗(yàn)公式、實(shí)時(shí)模塊4類算法和城市峽谷、全三維、快速三維城市、垂直平面、城市峽谷時(shí)域有限差分、移動(dòng)窗口時(shí)域有限差分、自由空間、HATA、COST-HATA以及RT 模塊十種傳播模型。

Wireless InSite軟件內(nèi)嵌了多種傳播分析模型，通過采用相關(guān)高級(jí)的電磁場(chǎng)分析處理方法，使其幾乎可以在任意頻段內(nèi)完成電波傳播的精確計(jì)算。目前，該軟件可用于對(duì)城市、郊區(qū)、室內(nèi)等規(guī)則區(qū)域，山脈、植被區(qū)等非規(guī)則地形，機(jī)場(chǎng)、大型艦船等復(fù)雜平臺(tái)的電磁環(huán)境預(yù)測(cè)分析。采用的電磁分析算法主要包括2D、3D以及快速3D的算法，根據(jù)散射的特性以及跟物體相關(guān)的反射、透射系數(shù)評(píng)估電場(chǎng)、磁場(chǎng)，通過將電場(chǎng)與具體的天線模式相結(jié)合來(lái)計(jì)算路徑損耗，到達(dá)時(shí)間以及到達(dá)角度等[5-6]。

3 基于Wireless InSite四域評(píng)估算法

Wireless InSite分析建模環(huán)境能夠讓用戶可視化創(chuàng)建用頻裝備及輻射(干擾)裝備并設(shè)置其相關(guān)位置、波形、頻率等參數(shù)，進(jìn)而可以分析計(jì)算指定接收機(jī)收到的信號(hào)強(qiáng)度，但Wireless InSite并不具備電磁環(huán)境評(píng)估的功能；上文中給出的四域評(píng)估法為廣義電磁環(huán)境復(fù)雜度定量評(píng)估提供了四域的計(jì)算公式，但需要準(zhǔn)確快速計(jì)算用頻裝備對(duì)用頻裝備間的功率、輻射源對(duì)用頻裝備間的功率、用頻裝備對(duì)用頻裝備頻域及時(shí)域平均功率、輻射源對(duì)用頻裝備頻域及時(shí)域平均功率的計(jì)算，為解決該問題，采用開發(fā)MATLAB與Wireless InSite的接口程序的辦法，通過MATLAB調(diào)用Wireless InSite的電波傳播計(jì)算內(nèi)核，完成各類功率計(jì)算，最后再代入四域法電磁環(huán)境復(fù)雜度計(jì)算公式完成各用頻裝備復(fù)雜度的計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)區(qū)域電磁環(huán)境復(fù)雜度的定量評(píng)估，具體結(jié)合流程如圖1所示。

圖1 Wireless InSite與四域評(píng)估法的結(jié)合流程

在分析電磁環(huán)境過程中，需要根據(jù)用頻裝備及輻射裝備的參數(shù)進(jìn)行傳播功率計(jì)算，主要實(shí)現(xiàn)方法是通過Matlab軟件編程實(shí)現(xiàn)，用Matlab軟件調(diào)用Wireless InSite計(jì)算內(nèi)核Calcprop.exe文件，這個(gè)執(zhí)行程序可以通過cmd命令行實(shí)現(xiàn)，MATLAB是可以通過dos命令執(zhí)行cmd命令的，Calcprop.exe具體的命令行調(diào)用格式如下：

Calcprop.exe --命令1=<屬性值1> --命令2=<屬性值2> …

例如：

Calcprop.exe--calc-mode=New -project= “D:ProgramFilesRemcomInSite2.5 examp.Setup”實(shí)現(xiàn)D:Program FilesRemcomInSite 2.5目錄下examp.setup文件的分析計(jì)算，而*.setup文件正是Wireless InSite的工程文件。

WirelessInSite分析模型在分析計(jì)算時(shí)涉及的工程文件還包括*.tx文件和*.rx文件。由于篇幅關(guān)系，這里不再一一列舉，具體可參考Wireless InSite軟件說(shuō)明，電磁環(huán)境復(fù)雜度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)為最新的國(guó)軍標(biāo)[4]。

主要包含兩部分，一部分用于參數(shù)設(shè)置，一部分用于計(jì)算結(jié)果展示。參數(shù)設(shè)置方面可以直接加載已經(jīng)完成建模的Wireless Insite工程文件，同時(shí)也可打開Wireless Insite對(duì)工程文件進(jìn)行修改。計(jì)算時(shí)，程序?qū)⒆詣?dòng)調(diào)用Wireless Insite完成工程文件中包含的所有用頻設(shè)備間電磁信號(hào)傳輸功率計(jì)算和計(jì)算結(jié)果讀取，并最終代入復(fù)雜度計(jì)算公式得出電磁環(huán)境復(fù)雜度。

4 典型復(fù)雜電磁環(huán)境定量分析

為驗(yàn)證該評(píng)估方法的有效性，結(jié)合靶場(chǎng)具體試驗(yàn)裝備組織專門的驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)場(chǎng)景包含有2部干擾機(jī)和2部收發(fā)一體用頻設(shè)備(被干擾設(shè)備)，具體4個(gè)裝備參數(shù)如下所示：

① 干擾設(shè)備參數(shù)

設(shè)備A：干擾頻段：14.5～15.5 GHz；發(fā)射天線增益：20 dB；發(fā)射功率100 W；

設(shè)備B：干擾頻段：9～11 GHz；天線增益：0 dB；發(fā)射功率 50 W。

② 被干擾設(shè)備參數(shù)

設(shè)備P：工作頻段：9.25～9.45 GHz；天線增益：0 dB；

設(shè)備Q：工作頻段：14.75～15.25 GHz；天線增益：0 dB。

4.1 試驗(yàn)1

構(gòu)建典型電磁環(huán)境，設(shè)備A干擾帶寬為1 GHz，中心頻率為15 GHz；設(shè)備B采用噪聲壓制干擾，帶寬2 GHz；被干擾設(shè)備記錄工作過程。各裝備工作參數(shù)記錄如表1和表2所示。

表1 干擾設(shè)備參數(shù)

設(shè)備時(shí)間位置功率/WA13:58-14:16121.09624,40.59768100B14:00-14:30121.1567,40.493850

表2 被干擾設(shè)備參數(shù)

設(shè)備時(shí)間位置功率/WP14:27-14:32121.10736,40.554720Q14:02-14:18121.1116,40.552420

根據(jù)記錄的工作時(shí)間、位置、功率及設(shè)備工作頻率、功率參數(shù)通過Wireless InSite創(chuàng)建4個(gè)用頻裝備，其中設(shè)備A和B定義為發(fā)射設(shè)備，設(shè)備P和Q定義為收發(fā)一體設(shè)備，將各參數(shù)代入開發(fā)的計(jì)算程序，通過Wireless InSite 完成電磁信號(hào)空間傳播計(jì)算后自動(dòng)代入四域法進(jìn)行3個(gè)維度的占用度及平均功率密度譜計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)1電磁環(huán)境復(fù)雜度計(jì)算結(jié)果

設(shè)備名稱頻率占用度/%時(shí)間占用度/%空間占用度/%平均功率譜密度P10060100-73.3Q10087.5100-46.2電磁環(huán)境復(fù)雜度:90.1722%(IV級(jí))

綜合3個(gè)指標(biāo)可以得出結(jié)論：計(jì)算結(jié)果參照國(guó)軍標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)件該條件下電磁環(huán)境總體態(tài)勢(shì)為IV級(jí)。

4.2 試驗(yàn)2

改變?cè)囼?yàn)1部分參數(shù)，構(gòu)建典型電磁環(huán)境并進(jìn)行比較。

設(shè)備A干擾帶寬改為200 MHz，中心頻率為15 GHz；

設(shè)備B采用噪聲壓制干擾，干擾帶寬改為1 GHz，中心頻點(diǎn)改為9.75 GHz；

被干擾設(shè)備記錄工作過程，各裝備工作參數(shù)記錄如表4和表5所示。

表4 干擾設(shè)備參數(shù)

設(shè)備時(shí)間位置功率/WA13:58-14:16121.09624,40.59768100B14:28-14:31121.1567,40.493850

表5 被干擾設(shè)備參數(shù)

設(shè)備時(shí)間位置功率/WP14:27-14:32121.10736,40.554720Q14:02-14:18121.1116,40.552420

同樣，根據(jù)記錄的工作時(shí)間、位置、功率及設(shè)備工作頻率、功率參數(shù)通過Wireless Insite創(chuàng)建4個(gè)用頻裝備，其中設(shè)備A他B定義為發(fā)射設(shè)備，設(shè)備P和Q定義為收發(fā)一體設(shè)備，將各參數(shù)代入開發(fā)的計(jì)算程序，計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 試驗(yàn)2電磁環(huán)境復(fù)雜度計(jì)算結(jié)果

名稱頻率占用度 /%時(shí)間占用度/%空間占用度/%平均功率譜密度設(shè)備P10060100-73.5設(shè)備Q4087.5100-49.2電磁環(huán)境復(fù)雜度:77.7182%(IV級(jí))

結(jié)論：計(jì)算結(jié)果參照國(guó)軍標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)件該條件下電磁環(huán)境總體態(tài)勢(shì)為IV級(jí)。

由于復(fù)雜度的計(jì)算沒有真值可以參考，試驗(yàn)過程中主要通過比對(duì)設(shè)備間接收的干擾信號(hào)功率和一些直觀的經(jīng)驗(yàn)來(lái)間接驗(yàn)證計(jì)算方法的正確性，從試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)來(lái)看，功率測(cè)量值與本文計(jì)算值之間存在一定誤差，約1～3 dBm，但總體變化趨勢(shì)與計(jì)算結(jié)果一致，同時(shí)從2個(gè)構(gòu)建的電磁環(huán)境來(lái)看，試驗(yàn)1構(gòu)建的干擾設(shè)備工作帶寬明顯寬于試驗(yàn)2，時(shí)間占用上重疊與試驗(yàn)2基本一致，故試驗(yàn)1構(gòu)建的電磁環(huán)境直觀上應(yīng)比試驗(yàn)2復(fù)雜，這也是與計(jì)算結(jié)果相吻合的。

由以上2個(gè)典型試驗(yàn)分析可知，通過部分參數(shù)的改變，基于本文的電磁環(huán)境復(fù)雜度計(jì)算結(jié)果與理論改變情況一致，特別是通過設(shè)備間由于電波傳播到達(dá)被干擾裝備的功率計(jì)算符合實(shí)際測(cè)量值。另外，從宏觀角度看，電磁環(huán)境復(fù)雜度計(jì)算能夠便捷地反映出特定區(qū)域、特定時(shí)段、特定頻段內(nèi)總的電磁環(huán)境復(fù)雜程度。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)廣義電磁環(huán)境復(fù)雜度精確計(jì)算這一問題，提出了一種基于Wireless InSite和MATLAB相結(jié)合的計(jì)算方法，開發(fā)了相關(guān)接口程序和計(jì)算軟件，將Wireless InSite電波傳播模型有效地嵌入于傳統(tǒng)的四域評(píng)估法，初步實(shí)現(xiàn)了電磁環(huán)境復(fù)雜度精確定量評(píng)估。由于受技術(shù)水平和計(jì)算能力的限制，各干擾及被干擾裝備均為靜止?fàn)顟B(tài)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下動(dòng)態(tài)電磁環(huán)境的復(fù)雜度計(jì)算將是進(jìn)一步的研究方向。