OPNET仿真平臺下典型作戰(zhàn)環(huán)境對彈載通信干擾效果影響研究

錢立志，張杰，陳棟

（陸軍炮兵防空兵學院 高過載彈藥制導控制與信息感知實驗室，合肥 230031）

彈載通信干擾機是指利用彈藥作為承載平臺，通過炮彈的空中飛行而“飛”至預定位置，主要對敵跳頻通信電臺進行干擾[1-5]。干擾機在干擾敵跳頻電臺的過程中，干擾信號的傳播必將受到作戰(zhàn)環(huán)境的影響，從而導致傳播損耗也各不相同。本文通過OPNET仿真平臺[6-7]構(gòu)建典型作戰(zhàn)環(huán)境影響下的彈載通信干擾信號傳播模型，研究典型作戰(zhàn)環(huán)境對彈載通信干擾機干擾效果的影響，為彈載通信干擾機的作戰(zhàn)使用提供參考。

1 彈載通信干擾系統(tǒng)在OPNET仿真平臺下的模型構(gòu)建

為了突出重點，區(qū)分主次，便于模型建立，假定電臺和干擾機采用的天線類型均為鞭形天線[8]，電臺只考慮地波傳輸方式，即電臺只考慮直射波傳播方式[9-12]。在OPNET仿真平臺下搭建的彈載通信干擾系統(tǒng)模型如圖1所示，該模型包含一部彈載通信干擾機，一組短波跳頻通信電臺收發(fā)端，一組超短波跳頻通信電臺收發(fā)端[13-14]。

圖1 彈載通信干擾系統(tǒng)模型Fig.1 Model of projectile-carried communication jamming system

1.1 干擾機第一層模型

干擾機第一層模型由信號源、短波信號發(fā)射端及天線、超短波信號發(fā)射端及天線組成，如圖2所示。其中，信號源用于產(chǎn)生符合一定規(guī)律的短波波段和超短波波段的干擾信號；短波信號發(fā)射端及天線用于將短波波段的干擾信號發(fā)射出去，并依托天線模塊對信號發(fā)射增益進行刻畫；超短波信號發(fā)射端及天線用于將超短波波段的干擾信號發(fā)射出去，并依托天線模塊對信號發(fā)射增益進行刻畫。

圖2 干擾機第一層模型Fig.2 First-layer model of jammer

1.2 干擾機第二層模型

干擾機第二層模型即為OPNET中的進程模型，是以有限狀態(tài)機為基礎進行構(gòu)建的。如圖3所示，有限狀態(tài)機包括初始態(tài)、閑置態(tài)、工作態(tài)、停止態(tài)。其中，初始態(tài)主要用于仿真開始時對變量進行初始化，并讀取干擾機性能參數(shù)；閑置態(tài)為各狀態(tài)之間的過渡階段，主要是等待不同的發(fā)生條件，從而跳轉(zhuǎn)至其他狀態(tài)；工作態(tài)為干擾機在一定干擾模式下的工作狀態(tài)，即按照某規(guī)律生成并發(fā)送相應波段的干擾信號；停止態(tài)為干擾機的工作停止狀態(tài)。

1.3 節(jié)點參數(shù)配置

干擾機主要參數(shù)配置：1）干擾機的下降速度；2）對短波電臺進行干擾時的干擾帶寬；3）短波波段干擾帶寬的起始頻率；4）短波波段的干擾功率；5）對超短波電臺進行干擾時的干擾帶寬；6）超短波波段干擾帶寬的起始頻率；7）超短波波段的干擾功率。具體如圖4所示。

圖4 干擾機主要參數(shù)Fig.4 Jammer’s main parameters

短波、超短波電臺主要參數(shù)配置：1）電臺發(fā)射端的工作帶寬；2）電臺發(fā)射端工作帶寬的起始頻率；3）電臺的調(diào)制方式；4）電臺的發(fā)射功率；5）電臺接收端的工作帶寬；6）電臺接收端工作帶寬的起始頻率；7）電臺的信號接收靈敏度；8）電臺的物理層參數(shù)配置，包括電臺進行通信時所用的頻率表號、跳頻間隔、跳速、跳頻頻率表。根據(jù)電臺的實際屬性，可確定電臺的頻率表數(shù)以及每個頻率表中包含的頻率數(shù)。通信雙方電臺只有所選用的頻率表和頻率跳變規(guī)律一致時方可通信。具體如圖5所示。

2 彈載通信干擾機典型作戰(zhàn)環(huán)境對信號傳播的影響及其在OPNET仿真平臺中的模擬

2.1 彈載通信干擾機的典型作戰(zhàn)環(huán)境

彈載通信干擾機的典型作戰(zhàn)環(huán)境分為東南沿海和西南邊境兩大類。其中東南沿海地區(qū)主要有海水、潮濕地、沿海沙地等三種地面類型；西南邊境地區(qū)主要有淡水、干燥地、山區(qū)等三種地面類型[15]。

圖5 超短波電臺和短波電臺參數(shù)配置Fig.5 Parameters configuration of VHF (a) and HF (b) radio

2.2 典型作戰(zhàn)環(huán)境對信號傳播的影響

自由空間傳播條件下的路徑損耗Lf（dB）[16]：

式中，λ為波長，m；r為電波傳輸距離，km；f為頻率，MHz。

由于工作環(huán)境的不同，信號不可能永遠在自由空間中傳播，而是伴隨著不同的能量損耗。由于不同類型地面的電參數(shù)是不相同的，因此，按照電臺天線低架和天線高架兩種情況進行區(qū)分[17]，而每種情況下又分別包含東南沿海和西南邊境兩種典型作戰(zhàn)環(huán)境。

2.2.1 天線低架

當電臺天線低架時，以東南沿海環(huán)境下的潮濕地為例，電波傳播的路徑損耗：

式中：|W|為衰減因子，λ為波長，m；r為電波傳播距離，m。

西南邊境環(huán)境下的山區(qū)環(huán)境時，電波傳播的路徑損耗：

2.2.2 天線高架

當電臺天線高架時，路徑損耗：

由式(8)可以看出，天線高架時的路徑損耗不受具體地表參數(shù)的影響，也即此時不需要考慮當?shù)氐牡乇憝h(huán)境。

2.3 典型作戰(zhàn)環(huán)境對信號傳播的影響在OPNET仿真平臺中的模擬

典型作戰(zhàn)環(huán)境對信號傳播的影響主要體現(xiàn)在接收功率上，因此這種影響體現(xiàn)在接收機模塊中。該模塊負責計算節(jié)點在接收到其他節(jié)點發(fā)射的無線信號后的一系列參數(shù)，對通信節(jié)點間進行無線信號接收時的通信端口特性進行模擬，包括收信機支持的信道數(shù)目、報文格式、發(fā)射速率、各信道的頻段、調(diào)制編碼方式（包括BPSK、DPSK、QPSK、16QAM、2FSK、MSK、GMSK等）、發(fā)射功率、擴頻碼等。如圖6所示，按照計算順序主要包括以下過程。

1）接收天線增益，計算接收機指向發(fā)射節(jié)點方向上的天線增益大小。

2）接收信號功率：計算信號經(jīng)過無線信道的傳輸和衰減后到達接收機上的功率大小，該部分計算時需要考慮不同信道環(huán)境和不同通信模式下的信號衰落規(guī)律，結(jié)合對應的信道傳播模型計算其衰落程度。針對當前設計的短波和超短波通信網(wǎng)，各節(jié)點間主要采用地波傳輸。因此，構(gòu)建了短波和超短波的地波傳輸信號衰落模型，針對天線低架、天線高架以及節(jié)點所處的地形地貌特征，基于不同的傳播模型進行信號路損的計算，從而為收信機模塊提供接收信噪比的計算依據(jù)。目前，在通信電臺接收機的接收功率管道階段采用 wireless_power_mt()函數(shù)進行接收功率的計算，其中，對于短波和超短波的地波傳輸衰減大小通過 ultra_shortwave_power_loss_calculate()函數(shù)進行計算，如圖7所示。

圖6 電臺接收機節(jié)點模型Fig.6 Node model of radio receiver

3 仿真場景設計及結(jié)果分析

3.1 syn_hop_high_ant_southeast場景

該場景包括一部勻速降落的彈載通信干擾機、短波通信電臺收發(fā)端2、3和超短波通信電臺收發(fā)端0、1，干擾機在地面的投影位置處于短波電臺組和超短波電臺組的中間。整個網(wǎng)絡部署在東南沿海地形上，兩對通信電臺均開啟了ToD同步和跳頻功能，采用天線高架的方式。其中，電臺0和電臺2處于沿海沙地區(qū)域，電臺1和電臺3處于海水區(qū)域。具體如圖8。

3.1.1 場景配置

該場景中，超短波電臺0和短波電臺2處于沿海沙地地形，超短波電臺1和短波電臺3處于海水區(qū)域，其他參數(shù)配置與1.3節(jié)保持一致。

3.1.2 統(tǒng)計結(jié)果

根據(jù)OPNET中自帶的TIREM4地形模型，彈載通信干擾機到各電臺節(jié)點的地形起伏情況如圖9—12所示。由圖9—12可知，干擾機逐步下降到地面高度后，與四部電臺之間均有地形的遮擋，尤其是與電臺0和1的衰減路損偏大，使得干擾機最后逐步下降到地面高度后，對電臺0和1的干擾效果不明顯。

由圖13—20的結(jié)果可見，由于開啟了同步模式且同步頭的投遞率在50%以上[18-20]，使得干擾機一直保持干擾狀態(tài)，發(fā)送吞吐量為固定值。由于電臺的同步頭和數(shù)據(jù)包均受到了干擾，因此一部分數(shù)據(jù)信號未能同步，而無法傳輸，一部分數(shù)據(jù)信號被干擾機干擾而丟棄，導致全網(wǎng)的業(yè)務接收吞吐量明顯低于發(fā)送吞吐量。當干擾機在勻速下降的過程中遇到障礙物的阻擋時，針對部分電臺的干擾信號無法到達電臺接收端，使得電臺接收端的信噪比有所提高。

圖7 接收功率和損耗在OPNET內(nèi)核中的代碼表示Fig.7 Code representation of received power and loss in OPNET kernel

圖8 東南沿海場景模擬Fig.8 Southeastern coast scene simulation

圖9 干擾機到節(jié)點0的地形起伏Fig.9 Topographic relief from jammer to node 0

3.2 syn_hop_high_ant_southwest場景

圖10 干擾機到節(jié)點1的地形起伏Fig.10 Topographic relief from jammer to node 1

圖11 干擾機到節(jié)點2的地形起伏Fig.11 Topographic relief from jammer to node 2

該場景包括一部勻速降落的彈載通信干擾機、短波通信電臺收發(fā)端2、3和超短波通信電臺收發(fā)端0、1，干擾機在地面的投影位置處于短波電臺組和超短波電臺組的中間。整個網(wǎng)絡部署在西南山區(qū)地形上，兩對通信電臺均開啟了 ToD同步和跳頻功能，采用天線高架的方式。如圖21所示。

圖12 干擾機到節(jié)點3的地形起伏Fig.12 Topographic relief from jammer to node 3

圖13 全網(wǎng)業(yè)務收發(fā)吞吐量Fig.13 Transmit and receive throughput of network-wide services

圖14 全網(wǎng)業(yè)務端到端時延Fig.14 End-to-end delay of network-wide services

3.2.1 場景配置

該場景中，超短波電臺和短波電臺均處于山區(qū)地形，其他參數(shù)配置與1.3小節(jié)保持一致。

圖15 全網(wǎng)無線信道接入時延Fig.15 Wireless channel access delay over the whole network

圖16 全網(wǎng)ToD同步頭報文的投遞率Fig.16 Delivery rate of ToD synchronized header message in the whole network

圖17 信噪比Fig.17 Signal-to-noise ratio

圖18 誤碼率Fig.18 Bit error rate

圖19 丟包率Fig.19 Packet loss rate

圖20 干擾機的發(fā)送吞吐量Fig.20 Transmit throughput of jammer

圖21 西南邊境場景模擬Fig.21 Scene simulation of southwestern border

3.2.2 統(tǒng)計結(jié)果

根據(jù)OPNET中自帶的TIREM4地形模型，彈載通信干擾機到各電臺節(jié)點的地形起伏情況如圖22—25所示。由干擾機到各電臺的地形剖面圖可見，干擾機逐步下降到地面高度后，在該地形影響下，干擾機到節(jié)點0和1的干擾信號衰減比上一地形情況衰減更大，因而對節(jié)點0和1的干擾效果更差，對節(jié)點2和3的干擾信號衰減與上一地形情況相差不太大，由于該地形下節(jié)點0和1幾乎未受明顯干擾，因此整體的接收吞吐量也大于上一地形情況。

圖22 干擾機到節(jié)點0的地形起伏Fig.22 Topographic relief from jammer to node 0

圖23 干擾機到節(jié)點1的地形起伏Fig.23 Topographic relief from jammer to node 1

圖25 干擾機到節(jié)點3的地形起伏Fig.25 Topographic relief from jammer to node 3

圖26 全網(wǎng)業(yè)務收發(fā)吞吐量Fig.26 Transmit and receive throughput of network-wide services

由圖26—33的結(jié)果可見，干擾機在下降過程中由于山區(qū)地形的遮擋，使得干擾機對超短波電臺的干擾信號阻擋較多，干擾效果不明顯，而對短波電臺的阻擋較少，被干擾的程度較大，使得短波電臺出現(xiàn)了丟包，這部分時間段內(nèi)全網(wǎng)的業(yè)務吞吐量損失主要由短波電臺的丟包所致。隨著干擾機的進一步下降，對短波電臺的干擾信號也被阻擋，使得干擾程度降低，其丟包率和誤碼率均逐步降低。

圖27 全網(wǎng)業(yè)務端到端時延Fig.27 End-to-end delay of network-wide services

圖28 全網(wǎng)無線信道接入時延Fig.28 Wireless channel access delay over the whole network

圖29 全網(wǎng)ToD同步頭報文的投遞率Fig.29 Delivery rate of ToD synchronized header message in the whole network

圖30 信噪比Fig.30 Signal-to-noise ratio

圖31 誤碼率Fig.31 Bit error rate

圖32 丟包率Fig.32 Packet loss rate

圖33 干擾機的發(fā)送吞吐量Fig.33 Transmit throughput of jammer

4 結(jié)論

彈載通信干擾機在實際作戰(zhàn)使用過程中必須考慮作戰(zhàn)環(huán)境的影響。

1）當被干擾電臺采用天線低架模式時，不管是什么樣的作戰(zhàn)環(huán)境，都會導致信號傳播損耗大于自由空間下的信號傳播損耗，對于被干擾電臺來說，即自由空間下的有效干擾功率大于非自由空間下的有效干擾功率；

2）當被干擾電臺采用天線高架時，雖然不需要考慮具體的地表參數(shù)，但是涉及到具體的作戰(zhàn)環(huán)境時，必須考慮彈載通信干擾機下降過程中有無受到地形遮擋的影響。通過上述兩種場景的模擬和仿真結(jié)果可以知道彈載通信干擾機在下降到多少高度時會受到地形遮擋的影響以及不同波段的干擾效果，這將對指揮員在某一作戰(zhàn)環(huán)境中合理使用彈載通信干擾機，最大限度地提高干擾機的作戰(zhàn)效能提供有力的決策支持。