分布式仿真環(huán)境下空空通信暢通區(qū)三維空間數據生成方法*

趙 元，齊 鋒，何 俊，張 坤

(國防科技大學電子對抗學院， 合肥 230037)

0 引言

信息化條件下的現代空戰(zhàn)中，空空通信是空中平臺之間指揮引導和作戰(zhàn)協(xié)同的重要途徑。預警機對作戰(zhàn)編隊進行態(tài)勢通報、指揮控制以及作戰(zhàn)編隊內部之間的作戰(zhàn)協(xié)同都離不開空空通信。通信暢通區(qū)[1]是衡量通信效能的主要戰(zhàn)術指標，它是在通信發(fā)射機位置已知的條件下，能夠與其保持通信暢通的接收機位置形成的區(qū)域。在態(tài)勢上對通信暢通區(qū)進行可視化，可直觀形象的展示通信裝備的作戰(zhàn)能力，對通信一方決策編隊內部隊形以及預警機與編隊之間的位置關系具有支撐作用，同時對于通信干擾一方，也能夠有效支持其干擾力量的配置、數量需求以及干擾時機等作戰(zhàn)決策。

在和平時期，通過模擬的手段，構建一個貼近實戰(zhàn)的虛擬戰(zhàn)場環(huán)境，能給指揮員直觀、形象的戰(zhàn)場描述，為快速搶占電子戰(zhàn)先機，把握戰(zhàn)場態(tài)勢，做出準確判斷、科學決策意義重大[2]。當前模擬訓練系統(tǒng)大多采用基于HLA仿真架構[3]的分布式仿真環(huán)境，在這個環(huán)境中，一般由進行作戰(zhàn)行動模擬的多個模型成員和二三維態(tài)勢成員組成。模型成員負責解算通信暢通區(qū)的數據，由態(tài)勢成員完成通信暢通區(qū)的可視化，兩個成員之間通過RTI(run-time infrastructure)[4]進行數據交換。傳統(tǒng)方法中，當數據交互采用全三維空間數據時，每部電臺的數據量超過100 Kbit[5]，在大規(guī)模作戰(zhàn)仿真中(仿真實體成百上千)，對網絡帶寬要求高，很難滿足實時性要求。

1 空空通信暢通區(qū)計算模型

1.1 無干擾下通信暢通區(qū)計算模型

自然通信暢通區(qū)是指以通信發(fā)射機為中心，最大通信距離為半徑的圓[6]。根據空空通信的特點及通信方程，計算最大通信距離時，考慮發(fā)射機和接收機使用鞭狀天線，信號以自由空間波傳播，可得Rmax：

(1)

式中:Pt、Gt(θ,φ)為通信發(fā)射機發(fā)射功率和增益；Pr(min)為通信接收機接收天線端的最小接收功率。

1.2 干擾條件下通信暢通區(qū)計算模型

依據文獻[7]中給出的二維空間通信干擾方程,考慮三維空間中俯仰角的影響，可將方程拓展到三維空間中如下式：

(2)

式中:Pj、Gj為干擾機輸出功率和發(fā)射增益；φt(Rt)為通信線路傳播衰耗；φj(Rj)為干擾線路傳播衰耗；qrt為通信接收機天線在發(fā)射機方向上的接收增益；qrj(θ)為通信接收機天線在干擾機方向上的接收增益；γj為干擾的極化損失；Ka為壓制系數；Δfj為干擾帶寬，其余量意義同上。

(3)

(4)

圖1 通信暢通區(qū)邊界點三維空間關系示意圖

代入式(4)中得：

a2(x2+y2+z2)=(d-x)2+y2+z2

(5)

設Rt的長度為r，則三維空間極坐標下的通信干擾方程表示為：

(a2-1)r2+2drcosφcosθ-d2=0

(6)

可知，在確定俯仰角和方位角時可獲得三維空間干擾條件下通信暢通區(qū)邊界點通信距離。

1.3 計算模型分解

增益系數是衡量天線能量轉換效率和方向特性的參數，它是方向系數與天線效率的乘積。即

G=ηAD

(7)

式中：ηA是天線效率，D是方向系數。

三維空間中，在任一方向的方向系數D(θ,φ)，與天線的最大方向系數Dmax的關系為：

D(θ,φ)=DmaxF2(θ,φ)

(8)

式中：F(θ,φ)為天線的歸一化方向函數。

代入式(2)可得：

(9)

根據上式可知有無干擾條件通信設備在垂直面上某一方位(方位角θ相同)的通信距離等于二維最大通信距離與天線歸一化方向函數的乘積：

Ry(θ,φ)=Rmax(θ)F(θ,φ)

(10)

式中:Ry(θ,φ)為在方位角θ和俯仰角為φ的通信距離；Rmax(θ)為在方位角θ上的最大通信距離。

2 空空通信暢通區(qū)數據采樣

根據上述的計算過程，采樣過程為：根據接收到的數據，按照協(xié)議解析出干擾前后圓心位置、半徑和干擾強度，計算得到水平面上各個方位的通信距離。進而進行空間采樣，即根據各個方位上的最大通信距離，加入天線歸一化方向函數，可得到全三維空間的數據。

2.1 水平數據采樣

情形1干擾后的通信暢通區(qū)落入到自然通信區(qū)內部。設未受干擾時的圓心T到通信暢通區(qū)邊界的距離為M，根據余弦定理：

(11)

式中:D為干擾前后圓心的偏移距離；θ為水平面方位角；r為受干擾后通信暢通區(qū)的半徑。

情形2干擾后的通信暢通區(qū)有部分在自然通信區(qū)外部，此時通信暢通區(qū)為兩個圓形區(qū)域的交集，如圖中陰影部分所示。同理，在三角形中根據余弦定理：

(12)

在自然通信區(qū)外部的部分需要舍棄，這部分求解出的M>R,只要令M=R，即可求得陰影部分水平面的通信距離。

(13)

式中:R為受干擾后通信暢通區(qū)的半徑。其余量意義同上。

將方位角θ從0°到360°，以3°為間隔采樣,兩種強干擾情形的采樣示意圖如圖3。

圖3 強干擾下通信暢通區(qū)兩種采樣情形

圖4 弱干擾下通信暢通區(qū)情形1

(14)

當切點在自然通信區(qū)外(即有一個交點)的時候可將通信暢通區(qū)分成兩部分求解，按方位角分為：[-θ1,θ1]，[θ1,2π-θ1]。

(15)

采樣步驟同強干擾，采樣示意圖如圖5。

圖5 弱干擾下通信暢通區(qū)采樣情形

2.2 全三維數據采樣

在獲得二維平面采樣數據的基礎上，讀取態(tài)勢成員本地存儲的天線歸一化方向函數，順序改變俯仰角φ的值，由式(9)可得三維空間采樣數據。目前空空通信無論是數據鏈，還是語音通信，通信方式主要采用超短波通信，通信天線多為各向同性的鞭狀天線。根據文獻[9]鞭狀天線的歸一化方向函數如表1。

3 實例仿真

實例背景：紅軍*型戰(zhàn)斗機按照作戰(zhàn)計劃，沿指定航路對藍軍機場進行遠程打擊，藍軍**型預警機擔負空中預警及指揮引導任務，當發(fā)現有敵方目標進入其防空責任區(qū)后，將通過機載數據鏈(超短波通信)，指揮引導編隊內*型戰(zhàn)斗機進行空中攔截。紅軍為掩護其飛機突防，在飛機航路上順次部署*部預警機數據鏈干擾機，各干擾機之間部署距離在**km，按照行動計劃，間隔*min依次開機干擾。在分布式仿真環(huán)境中，模型成員負責作戰(zhàn)行動的模擬、建立對抗關系，并通過模型解算獲得二維通信暢通區(qū)域，三維態(tài)勢顯示成員利用文中提出的方法，分別對接收到的無干擾，弱干擾和強干擾3種情況下的二維通信暢通區(qū)進行了數據采樣和三維空間數據生成，并在三維地理信息系統(tǒng)上可視化，獲得了實時、直觀的通信暢通區(qū)三維動態(tài)圖，如圖6～圖8。

表1 鞭狀天線歸一化方向函數及仿真圖

圖6是仿真時間為八時十四分時的態(tài)勢圖(仿真開始時間為八時零分)，此時紅方飛機已飛入藍方防空責任區(qū)，藍方預警機引導其作戰(zhàn)飛機進行攔截，紅方飛行航路上部署的第一部干擾機由于距離預警機過遠，干擾無效，此時預警機無干擾下的通信暢通區(qū)半徑達450 km，能夠正常引導其飛機出航。

圖7是仿真時間為八時十九分時的態(tài)勢圖，紅方飛機航路上部署的3部干擾機工作，由于干擾功率較小、距離過遠，只對預警機指揮引導通信造成弱干擾，紅方飛機航路方向預警機通信距離被壓縮至196 km，但仍能夠正常引導飛機。

圖8是仿真時間為八時三十二分時的態(tài)勢圖，5部干擾機全部工作，干擾合成功率較大，對預警機指揮引導通信造成強干擾，此時正面通信距離壓縮至130 km，破壞預警機對戰(zhàn)斗機的引導作用，飛機失去引導。

4 結束語

通過對由近百部電臺組成的通信網仿真發(fā)現，利用傳統(tǒng)的方法進行數據交互時，僅三維通信暢通區(qū)數據量每步長約10 Mbit，在較慢的仿真速度(3 s/步)時能夠勉強隨著作戰(zhàn)進程實時更新。而使用文中提出的方法，每步長約7 Kbit，在較快的仿真速度(0.01 s/步)時仍能很好的展示三維通信暢通區(qū)的變化過程，對其進行定量分析，能夠有效支持指揮員作戰(zhàn)過程中的實時指揮和對戰(zhàn)前作戰(zhàn)籌劃的評估。

圖7 弱干擾條件下指揮引導通信圖

圖8 強干擾條件下指揮引導通信圖