電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)仿真系統(tǒng)研究

孟海鋒，熊學(xué)明，張琪

（63870部隊(duì)，陜西 華陰 714200）

電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)主要是指通過試驗(yàn)的方式掌握電磁環(huán)境因素對(duì)裝備正常發(fā)揮其功能的影響程度，是目前武器裝備試驗(yàn)領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。電磁環(huán)境適應(yīng)性體現(xiàn)了裝備對(duì)電磁環(huán)境的適應(yīng)能力，也反映出電磁環(huán)境對(duì)裝備的功能、戰(zhàn)技指標(biāo)及作戰(zhàn)效能的影響程度。國內(nèi)對(duì)電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)仿真的研究起步較晚，目前來看研究電磁可視化的文獻(xiàn)比較多，如文獻(xiàn)[1-3]，構(gòu)建了電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)仿真系統(tǒng)，但還沒有成系統(tǒng)成體系的方案。文中研究了電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)仿真系統(tǒng)，運(yùn)用數(shù)字仿真的方式，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境建模、想定設(shè)計(jì)和仿真推演，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)上的各種電磁信號(hào)從頻率、功率和覆蓋范圍等參數(shù)進(jìn)行解算。再與 裝備軌跡、敏感特性等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到裝備的電磁環(huán)境適應(yīng)性數(shù)據(jù)，為裝備電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)方法和能力形成奠定基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)仿真系統(tǒng)由模型管理、想定規(guī)劃、仿真推演、態(tài)勢(shì)顯示和仿真模型數(shù)據(jù)庫五大模塊構(gòu)成，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成 Fig.1 System components

模型管理模塊主要用于對(duì)模型數(shù)據(jù)庫中各類模型的管理和展示，包括各類作戰(zhàn)平臺(tái)、用頻裝備、天線方向圖數(shù)據(jù)和目標(biāo)RCS數(shù)據(jù)等。想定規(guī)劃模塊主要將作戰(zhàn)計(jì)劃轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)想定，完成作戰(zhàn)場(chǎng)景的區(qū)域、氣象環(huán)境等設(shè)置，實(shí)現(xiàn)兵力編制構(gòu)成、兵力部署、用頻裝備配置、作戰(zhàn)任務(wù)設(shè)置等操作，并生成想定文件供仿真推演模塊使用。仿真推演模塊根據(jù)想定文件加載運(yùn)行相應(yīng)的仿真模型，基于時(shí)間推進(jìn)和事件觸發(fā)的仿真驅(qū)動(dòng)機(jī)制，推進(jìn)作戰(zhàn)仿真過程，完成電波傳播、作戰(zhàn)裝備性能參數(shù)、電磁環(huán)境復(fù)雜度等仿真計(jì)算。態(tài)勢(shì)顯示模塊用于作戰(zhàn)想定規(guī)劃及作戰(zhàn)仿真推演階段的作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)顯示，包括戰(zhàn)場(chǎng)平臺(tái)部署/運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)、作戰(zhàn)任務(wù)過程、電磁覆蓋情況、裝備作用范圍等。仿真模型數(shù)據(jù)庫主要為仿真提供相關(guān)數(shù)據(jù)/模型支撐，包括GIS數(shù)據(jù)庫、武器平臺(tái)數(shù)據(jù)庫、用頻裝備數(shù)據(jù)庫、特性度數(shù)據(jù)等。

2 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電磁傳播計(jì)算模型

雖然“電磁傳播計(jì)算”只是“仿真推演”模塊的子模塊，但仿真系統(tǒng)的核心就是算法，電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)仿真系統(tǒng)的核心就是電磁傳播算法，這里單獨(dú)列出闡述。電磁傳播算法從適用的場(chǎng)景、頻率等因素分為很多種，如ITM、PE拋物方程模型、ITU算法簇等。在電磁傳播算法的選擇上，不同的電波傳播模型通常用于解決不同傳播條件下的問題，即使多個(gè)傳播模型可以用于解決同樣的電波傳播問題，但它們通常具有求解方式、求解難度以及求解精度上的差異，為指定的電波傳播問題選擇合適的傳播模型，將能夠提高問題求解過程的實(shí)時(shí)性和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，電波傳播模型自動(dòng)匹配是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問題之一。

2.1.1 電磁傳播模型分類

按照模型與傳播條件的吻合程度，將所有可用的模型分為三類：確切描述模型、近似求解模型和理論估算模型。其使用條件如圖2所示。

圖2 可用的電波傳播模型分類 Fig.2 Classification of available radio propagation models

從確切描述模型、近似求解模型到理論估算模型，模型與指定傳播條件的吻合程度越來越低，期望的求解精度也就越來越低，但計(jì)算量的大小依賴于選擇模型的自身特點(diǎn)。在不考慮計(jì)算實(shí)時(shí)性的條件下，計(jì)算精度越高越好。因此，傳播模型選擇的總原則是：首先選擇確切描述模型，其次是近似求解模型，最后才是理論估算模型。

2.1.2 電波傳播模型自動(dòng)匹配方法

首先，對(duì)所有的檢索詞參數(shù)進(jìn)行分級(jí)，共分為3級(jí)：一級(jí)檢索詞參數(shù)包括頻率、發(fā)射天線高度、接收天線高度和傳播路徑類型；二級(jí)檢索詞參數(shù)包括地表參數(shù)、對(duì)流層參數(shù)和電離層折射率梯度；三級(jí)檢索詞參數(shù)包括時(shí)間百分比、傳播距離、求解類型和已知參數(shù)類型。其次，按順序，將檢索詞與已知傳播模型進(jìn)行匹配，如果所有檢索詞參數(shù)都得到滿足，即匹配，則該模型作為確切描述模型。如果一級(jí)和二級(jí)檢索詞參數(shù)得到滿足，而三級(jí)檢索詞參數(shù)沒有滿足，稱該模型為在此檢索詞下的一類近似求解模型。此時(shí)可以通過對(duì)求解結(jié)果進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)性補(bǔ)償，提高求解精度。如果一級(jí)檢索詞參數(shù)得到滿足，而二級(jí)檢索詞參數(shù)沒有完全被滿足，稱該模型為在此檢索詞下的二類近似求解模型。此時(shí)，需要對(duì)求解結(jié)果進(jìn)行較大動(dòng)態(tài)范圍的補(bǔ)償，而且結(jié)果的誤差可能會(huì)很大。如果一級(jí)檢索詞參數(shù)沒有被滿足，則稱該模型在此檢索詞下不匹配，利用理論估算模型進(jìn)行求解。傳播模型選擇流程如圖3所示：

圖3 傳播模型選擇流程 Fig.3 Flow chart of propagation model selection

2.2 模型管理

模型管理模塊主要是武器裝備平臺(tái)模型、數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)可視化等功能的管理。裝備平臺(tái)模型可以通過3dmax、CAD、C4D等軟件建模，導(dǎo)入系統(tǒng)。數(shù)據(jù)模型主要是一些武器裝備的屬性數(shù)據(jù)，比如天線的方向圖數(shù)據(jù)、目標(biāo)RCS數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)要通過暗室測(cè)試或者仿真（HFSS/FEKO等軟件）來獲取。數(shù)據(jù)可視化則是對(duì)模型數(shù)據(jù)的可視化顯示，可用的技術(shù)或控件比較多，如OpenGL/Direct3D、anycad等，一般采用三維可視化，可以方便從各個(gè)方向觀察數(shù)據(jù)。

模型文件一般分為實(shí)體模型和組件模型兩大類。實(shí)體模型指可用于兵力部署的各類作戰(zhàn)平臺(tái)模型，包括導(dǎo)彈模型、固定節(jié)點(diǎn)、海基平臺(tái)、空基平臺(tái)、陸基平臺(tái)和天基平臺(tái)，主要是為了各設(shè)備搭載配置和作戰(zhàn)關(guān)系組網(wǎng)提供資源，方便整體作戰(zhàn)體系下的管理控制。組件模型指可為作戰(zhàn)平臺(tái)搭載的相關(guān)設(shè)備模型，包括電子干擾設(shè)備、電子偵察設(shè)備、雷達(dá)導(dǎo)引頭、雷達(dá)設(shè)備、通信設(shè)備、武器裝備、天線等，主要是具體設(shè)備參數(shù)和數(shù)據(jù)[4]。

由于仿真系統(tǒng)是針對(duì)電磁環(huán)境，其模型準(zhǔn)確度主要涉及功率、頻率、接收機(jī)性能等屬性參數(shù)。常用屬性參數(shù)見表1。

表1 常用設(shè)備參數(shù) Tab.1 Common equipment parameters

2.3 想定規(guī)劃

想定規(guī)劃模塊在仿真模型數(shù)據(jù)庫提供的模型/數(shù)據(jù)支撐下，完成作戰(zhàn)場(chǎng)景設(shè)置、作戰(zhàn)兵力部署、作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃等想定編輯工作，并生成想定文件，供仿真推演模塊調(diào)用。根據(jù)不同場(chǎng)景編輯想定，在數(shù)字地圖上部署相關(guān)作戰(zhàn)平臺(tái)，配置其基本屬性和運(yùn)動(dòng)軌跡，掛載相關(guān)裝備[5-6]，設(shè)置作戰(zhàn)任務(wù)，并生成想定文件。其過程一般有以下幾個(gè)方面。

1）作戰(zhàn)區(qū)域設(shè)置。選定作戰(zhàn)發(fā)生的區(qū)域范圍，設(shè)置作戰(zhàn)自然環(huán)境，按照戰(zhàn)場(chǎng)發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)，依托高精度的GIS系統(tǒng)，自動(dòng)匹配作戰(zhàn)區(qū)域的地形。

2）氣象條件設(shè)置。支持地理氣候類型選擇及參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行平均表面環(huán)境溫度、平均表面相對(duì)溫度、年均單點(diǎn)降雨量、雨區(qū)范圍、空氣溫度、海面溫度等參數(shù)的設(shè)置。

3）背景電磁設(shè)置。配置作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)的背景電磁噪聲，包含新建電磁計(jì)算區(qū)域、刪除電磁計(jì)算區(qū)域和配置區(qū)域電磁噪聲。其中電磁區(qū)域類型包括矩形、圓形和多邊形。電磁噪聲參數(shù)包括起始頻率、終止頻率、所在作戰(zhàn)階段、背景電磁環(huán)境。

4）兵力編配生成。設(shè)置部署的兵力屬于哪一作戰(zhàn)勢(shì)力，作戰(zhàn)勢(shì)力可添加不同作戰(zhàn)單元類型。

5）作戰(zhàn)網(wǎng)系構(gòu)建模塊。根據(jù)聯(lián)合作戰(zhàn)任務(wù)具體方案，調(diào)用作戰(zhàn)力量編配模塊生成的作戰(zhàn)平臺(tái)，建立網(wǎng)系節(jié)點(diǎn)，并設(shè)置節(jié)點(diǎn)間收發(fā)關(guān)系。

6）作戰(zhàn)想定設(shè)計(jì)。對(duì)單一作戰(zhàn)實(shí)體和作戰(zhàn)過程的流程設(shè)計(jì)。對(duì)于單一實(shí)體來說，其流程設(shè)計(jì)包括作戰(zhàn)任務(wù)的設(shè)定和行動(dòng)路徑規(guī)劃。對(duì)于整個(gè)作戰(zhàn)流程設(shè)計(jì)來說，首先要統(tǒng)籌作戰(zhàn)階段，設(shè)置各個(gè)作戰(zhàn)階段的起始時(shí)間和終止時(shí)間，設(shè)定參與該階段作戰(zhàn)的作戰(zhàn)單元、作戰(zhàn)平臺(tái)和用頻裝備，設(shè)置其運(yùn)行狀態(tài)，然后劃分作戰(zhàn)區(qū)域，從而完成作戰(zhàn)預(yù)案向計(jì)算機(jī)仿真想定的轉(zhuǎn)換。

2.4 仿真推演

仿真推演模塊從功能上主要分為仿真運(yùn)行管理 模塊和仿真模型解算模塊。其中，仿真運(yùn)行管理包括仿真控制和仿真推演工作臺(tái)，完成想定文件讀取、仿真開始/暫停/重置、仿真速度控制、仿真送顯[7-8]，以及空間分析/雷達(dá)計(jì)算/通信計(jì)算/干擾分析等參數(shù)設(shè)置等功能。仿真模型解算包括仿真模型加載、仿真數(shù)據(jù)解算和仿真效果驅(qū)動(dòng)[9-10]等功能，并提供大量算法模型，包括電波傳播算法模型、裝備模擬計(jì)算算法模型、電磁環(huán)境計(jì)算算法等。仿真運(yùn)行管理能夠控制仿真開始、重置、暫停、終止；能夠根據(jù)仿真想定文件設(shè)置仿真終止條件；能夠通過已完成的百分比及預(yù)計(jì)剩余時(shí)間顯示仿真進(jìn)度；能夠?qū)⒎抡鏁r(shí)間作為仿真終止條件；能夠在仿真中調(diào)整仿真推進(jìn)時(shí)間步長(zhǎng)；能夠調(diào)整仿真速度加速運(yùn)行。

仿真運(yùn)行一般采用變時(shí)間步長(zhǎng)的時(shí)間推進(jìn)與基于離散事件推進(jìn)的仿真推進(jìn)機(jī)制。事件觸發(fā)機(jī)制是在給定仿真時(shí)間粒度的前提下，在每一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)都對(duì)仿真進(jìn)行一次判別，一旦滿足了觸發(fā)條件，則該實(shí)體執(zhí)行對(duì)應(yīng)的作戰(zhàn)任務(wù)。所有觸發(fā)條件和作戰(zhàn)任務(wù)可以通過界面在仿真開始之前配置好，形成推演規(guī)則。部分作戰(zhàn)規(guī)則在模型創(chuàng)建之初通過消息機(jī)制來設(shè)定或有用戶指控界面發(fā)出消息來控制。離散事件類型包括時(shí)間觸發(fā)、地域觸發(fā)、實(shí)體探測(cè)、消息接收和實(shí)體狀態(tài)變化，如圖4所示。

圖4 仿真推進(jìn)種類 Fig.4 Simulation deduction subsystem

2.5 態(tài)勢(shì)顯示

態(tài)勢(shì)顯示模塊主要實(shí)現(xiàn)在仿真過程中接收仿真數(shù)據(jù)，對(duì)仿真過程進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)控?？蓪?duì)矢量地圖數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)及影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成可視化的三維立體地形，可在三維地形上進(jìn)行常規(guī)地形量算，并將量算結(jié)果展現(xiàn)在三維地形上。同時(shí)，在三維地形上對(duì)作戰(zhàn)相關(guān)的詢問應(yīng)答波束、干擾波束、信號(hào)傳輸、預(yù)警探測(cè)引導(dǎo)波束和范圍、指揮引導(dǎo)波束、數(shù)據(jù)鏈和通信電臺(tái)通信波束、雷達(dá)探測(cè)波束和范圍等進(jìn)行可視化顯示[11-14]，支持按照時(shí)間和頻率篩選電磁分布數(shù)據(jù)，并進(jìn)行電磁態(tài)勢(shì)分析。可通過UDP、TCP、RTI等多種外部交互方式從外部獲取相關(guān)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)展現(xiàn)效果的動(dòng)態(tài)變化。

2.6 仿真模型數(shù)據(jù)庫

GIS數(shù)據(jù)庫主要用來存儲(chǔ)地理信息平臺(tái)應(yīng)用的高程數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)。武器裝備三維模型數(shù)據(jù)庫包含豐富的軍事電子信息系統(tǒng)和武器裝備三維模型。天線模型庫一般支持導(dǎo)入仿真、測(cè)試的天線 方向圖文件，通過天線主瓣波束寬度、增益以及副瓣電平定義方向圖，通過參數(shù)定義的陣列天線。

3 總體結(jié)構(gòu)

電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、模塊劃分、數(shù)據(jù)流向如圖5所示。系統(tǒng)以仿真模型數(shù)據(jù)庫的GIS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，搭建二、三維GIS可視化平臺(tái)，與模型管理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)武器裝備模型的實(shí)體化，為想定規(guī)劃模塊提供基礎(chǔ)作戰(zhàn)單元模型的支撐。想定規(guī)劃模塊依托GIS可視化平臺(tái)和作戰(zhàn)計(jì)劃制定想定文件，供仿真推演模塊調(diào)用。仿真推演模塊根據(jù)想定文件中的裝備基本屬性、掛載的組件裝備、運(yùn)行軌跡和作戰(zhàn)任務(wù)，調(diào)用仿真模型數(shù)據(jù)庫里的裝備數(shù)據(jù)，運(yùn)用適合場(chǎng)景的電磁傳播算法，進(jìn)行覆蓋范圍、電子對(duì)抗、復(fù)雜度等推演計(jì)算。模型管理模塊中的可視化數(shù)據(jù)、想定規(guī)劃模塊中作戰(zhàn)計(jì)劃數(shù)據(jù)、仿真推演模塊中的推演計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)都在態(tài)勢(shì)顯示模塊中以作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)、電磁態(tài)勢(shì)、數(shù)據(jù)圖表等顯示方式呈現(xiàn)。

圖5 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) Fig.5 System overall mechanics

圖6 無人機(jī)對(duì)地攻擊案例 Fig.6 Case of UAV attack on the ground

4 仿真案例

場(chǎng)景模擬紅方無人機(jī)按照預(yù)定航線向藍(lán)方陣地飛行，搜尋探測(cè)目標(biāo)雷達(dá)站并進(jìn)行攻擊。在此過程中，藍(lán)方所有用頻設(shè)備（搜索雷達(dá)、跟蹤雷達(dá)、干擾裝備、通信裝備等）均處于工作狀態(tài)。當(dāng)紅方無人機(jī)飛行至藍(lán)方防空識(shí)別區(qū)內(nèi)，并被藍(lán)方雷達(dá)成功探測(cè)到時(shí)，藍(lán)方干擾機(jī)開始對(duì)紅方無人機(jī)進(jìn)行干擾[15-16]。紅方無人機(jī)導(dǎo)引頭和導(dǎo)航系統(tǒng)受干擾后自身航線將發(fā)生偏移，對(duì)目標(biāo)的測(cè)向定位也會(huì)失準(zhǔn)。

按照模擬的場(chǎng)景建立模型、設(shè)置參數(shù)、構(gòu)建想定，進(jìn)行推演仿真，如圖6所示。無人機(jī)按預(yù)設(shè)軌跡飛行，并將導(dǎo)航、偵察、攻擊等狀態(tài)信息實(shí)時(shí)發(fā)送給無人機(jī) 測(cè)控中心。當(dāng)無人機(jī)進(jìn)入藍(lán)方防空范圍，并被藍(lán)方預(yù)警機(jī)/雷達(dá)站探測(cè)到后，藍(lán)方干擾機(jī)開始對(duì)無人機(jī)實(shí)施導(dǎo)航干擾和雷達(dá)干擾，無人機(jī)的航跡發(fā)生偏移，場(chǎng)景中通信鏈路性能、雷達(dá)探測(cè)覆蓋范圍、電磁環(huán)境復(fù)雜度等可通過統(tǒng)計(jì)分析模塊予以顯示。無人機(jī)的電磁環(huán)境適應(yīng)性可以通過敏感特性數(shù)據(jù)和計(jì)算得到的無人機(jī)所處電磁環(huán)境對(duì)比分析得到。

5 結(jié)語

電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)仿真系統(tǒng)涉及GIS、模型繪制、電磁傳播算法、態(tài)勢(shì)顯示、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用、分析評(píng)估等專業(yè)方向，是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)。從仿真案例看，文中設(shè)計(jì)思路和方法切實(shí)可行，可以應(yīng)用于試驗(yàn)、訓(xùn)練和推演等方面，具有一定的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。需要說明的是，仿真都是在一定想定場(chǎng)景下進(jìn)行，得出的電磁環(huán)境適應(yīng)性是局限的，僅能說明仿真場(chǎng)景下武器裝備的電磁環(huán)境適應(yīng)性，可以在想定中增加不同類型輻射源來提高仿真適應(yīng)性的覆蓋度。