基于屏蔽室的武器系統(tǒng)超短波通信距離評估方法

王琨，孟祥欣，潘強(qiáng)，張博

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

無線通信距離試驗(yàn)用于檢驗(yàn)武器系統(tǒng)信息傳輸?shù)哪芰Γ从沉宋淦飨到y(tǒng)之間信息無線傳輸?shù)恼_性、可靠性和最小傳輸范圍，同時(shí)考核武器系統(tǒng)相關(guān)的戰(zhàn)術(shù)性能和使用性能。無線通信距離試驗(yàn)作為武器系統(tǒng)的系統(tǒng)級試驗(yàn)，受試驗(yàn)場地的地形環(huán)境、電磁環(huán)境、裝備狀態(tài)等多種因素影響，是武器系統(tǒng)信息化試驗(yàn)中涉及裝備多、規(guī)模大，組織困難的一項(xiàng)試驗(yàn)。在外場進(jìn)行無線通信距離試驗(yàn)時(shí)，需要選擇平坦、開闊、視野良好及周圍沒有強(qiáng)電磁信號的場地進(jìn)行，試驗(yàn)程序較為復(fù)雜。該試驗(yàn)常常受到外界地理環(huán)境和電磁環(huán)境影響，試驗(yàn)涉及頻率多，試驗(yàn)周期長，通常只在部分頻點(diǎn)上對兩個(gè)裝備進(jìn)行評估，無法全面評估武器系統(tǒng)在整個(gè)超短波頻段內(nèi)的通信距離[1-2]。

在屏蔽室進(jìn)行無線通信距離試驗(yàn)，不僅可以避免自然環(huán)境中試驗(yàn)場地、天氣、電磁場等因素影響，還可以快速地進(jìn)行超短波通信距離評估，并全面檢測武器系統(tǒng)在整個(gè)超短波頻段內(nèi)的通信范圍，提高試驗(yàn)研究水平。鑒于此，筆者提出了基于屏蔽室的武器系統(tǒng)超短波通信距離評估方法，通過模型的建立，可快速獲得單個(gè)裝備的超短波通信距離，從而評估武器系統(tǒng)的超短波通信距離，大大減少了測試時(shí)間、降低了試驗(yàn)成本，為后續(xù)武器裝備外場試驗(yàn)及性能指標(biāo)研究提供數(shù)據(jù)支持[3]。

1 無線通信距離試驗(yàn)

1.1 無線通信距離試驗(yàn)原理

無線通信距離試驗(yàn)用于檢驗(yàn)武器系統(tǒng)之間信息無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性、可靠性和最小傳輸范圍。實(shí)際作戰(zhàn)時(shí)1臺指揮裝備對4臺作戰(zhàn)裝備進(jìn)行作戰(zhàn)指揮，采用星形布陣方式，裝備之間距離較遠(yuǎn)，相互干擾影響可忽略不計(jì)。因此，對通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簡化分析，構(gòu)建了點(diǎn)對點(diǎn)無線傳輸模型。其系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

在開展無線通信距離試驗(yàn)時(shí)，武器系統(tǒng)自身干擾源是由武器裝備所使用設(shè)備決定的，其固定、可控，外界的干擾源受地形、天氣、環(huán)境噪音影響是未知的、不可預(yù)測的。因此，傳統(tǒng)武器系統(tǒng)無線通信距離評估方法受地形、環(huán)境影響較大，具有測試時(shí)間長、試驗(yàn)成本高的缺陷，并且受所選頻率和裝備的限制，無法評估整個(gè)武器系統(tǒng)在超短波頻率范圍內(nèi)的通信距離。

1.2 無線通信距離試驗(yàn)流程

無線通信距離試驗(yàn)是武器裝備信息化性能指標(biāo)考核的重點(diǎn)，是武器系統(tǒng)信息化試驗(yàn)的重要組成部分，試驗(yàn)流程如圖2所示。

在開展無線通信距離試驗(yàn)時(shí)，在VHF電臺的工作頻點(diǎn)內(nèi)選擇30個(gè)定頻點(diǎn)和10個(gè)跳頻號，尋找平坦、開闊、視野良好且周圍沒有強(qiáng)電磁信號的場地進(jìn)行測試，指揮裝備與作戰(zhàn)裝備進(jìn)行全系統(tǒng)工作，先將指揮裝備與作戰(zhàn)裝備間隔5 km布陣，兩臺裝備之間互發(fā)1 000幀數(shù)據(jù)，檢查所選頻率上裝備接收數(shù)據(jù)成功率，若成功率滿足要求則判定該距離合格；再將兩臺裝備間的距離增大500 m，在所選頻率上重復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸成功率檢測，當(dāng)被測裝備接收數(shù)據(jù)成功率不滿足要求時(shí)，結(jié)束試驗(yàn)，以兩臺裝備間無線數(shù)據(jù)傳輸成功率均滿足要求(所選的30個(gè)定頻點(diǎn)和10個(gè)跳頻號)的最大距離為超短波通信距離。

2 電磁傳播模型與干擾源分析

2.1 電磁傳播模型

武器系統(tǒng)野外作戰(zhàn)時(shí)，由于受地形環(huán)境的影響，且電磁波具有反射、繞射、散射和波導(dǎo)傳播等傳播方式。目前常用的電磁波傳播模型為Egli模型。Egli模型適用VHF和UHF低端工作頻段，且地形起伏不大的場合，符合武器系統(tǒng)進(jìn)行無線通信距離試驗(yàn)的情況。相比較其他電磁波傳播模型來說，Egli模型在預(yù)測丘陵和鄉(xiāng)村地形的場強(qiáng)方面最為精確[4]。Egli模型是基于實(shí)測數(shù)據(jù)得出的，Egli電波傳播損耗公式為

LEgli=Lm=88+20lgf+40lgd-20lght-

20lghr+Kh+Kw，

(1)

式中：Lm為電波傳播損耗(dB)；f為電波頻率(MHz)；d為傳播距離(km)；hr和ht分別為收、發(fā)天線的高度(m)；Kh為地形校正因子(dB)；Kw為氣象校正因子(dB)。

地形校正因子與測試點(diǎn)周圍地形平均起伏高度及使用頻率有關(guān)。當(dāng)?shù)匦纹鸱母叨炔淮笥?5 m時(shí)，Kh可以忽略不計(jì)[5]；氣象校正因子與氣象環(huán)境相關(guān)，通信鏈路的氣象衰減隨頻率的降低而減小。當(dāng)f≤400 MHz時(shí)，Kw≤0.35 dB[6]，因此，Kw可以忽略不計(jì)。

2.2 武器裝備內(nèi)部干擾源的測量

在屏蔽室內(nèi)使武器裝備進(jìn)行全系統(tǒng)工作，利用屏蔽室的電磁隔離效果，使武器裝備與自然環(huán)境中的電磁場隔離，省略了通信場地的選擇[7]。在屏蔽室內(nèi)測試時(shí)電臺不發(fā)射，噪聲主要來自于裝備內(nèi)部，且裝備距離屏蔽室墻壁在2 m以上，因此同頻反射、時(shí)域擴(kuò)展等影響可以忽略。屏蔽室測量武器裝備背景場強(qiáng)原理如圖3所示。

武器裝備放置到屏蔽室內(nèi)，將超短波電臺天線的饋線在電臺射頻口處斷開，采用頻譜儀連接電臺的天線端口，使武器裝備全系統(tǒng)工作，在超短波電臺工作頻率范圍內(nèi)(30～88 MHz)測試武器裝備全系統(tǒng)工作時(shí)的車內(nèi)電磁背景噪聲。所用屏蔽室的屏蔽效能大于90 dB，所用頻譜儀自身的本底噪聲不大于-100 dBm。將頻譜儀測試頻率范圍設(shè)置為30～90 MHz,測試分辨率帶寬BW設(shè)為10 kHz，Y軸(AMPLITUDE)的單位為dBm，測量結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，武器裝備全系統(tǒng)工作時(shí)，車內(nèi)背景場強(qiáng)有所抬高，在低頻段、高頻段以及73 MHz附近影響較大。

3 屏蔽室無線通信距離試驗(yàn)評估方法

3.1 電臺通信距離與環(huán)境噪聲的關(guān)系

以某型武器裝備為試驗(yàn)對象，超短波電臺大量實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果表明，電臺相距5 km，環(huán)境噪聲不大于-85 dBm時(shí)，接收數(shù)據(jù)成功率滿足要求。記為d0=5 km，N0=-84 dBm。

3.2 裝備超短波通信距離計(jì)算

綜合考慮電臺的饋線損耗、天線損耗，可得電臺接收到的信號功率為[8]

Pr=Pt+Gt-Lt-Lm+Gr-Lr，

(2)

式中：Pr為接收機(jī)收到的有用信號功率(dBm)；Pt為基地臺發(fā)射機(jī)輸出功率(dBm)；Gt為基地臺發(fā)射天線增益(dB)；Lt為基站發(fā)射端饋線損耗(dB)；Gr為接收天線增益(dB)；Lr為基站接收端饋線損耗(dB)。

超短波電臺相互通信時(shí)，由于兩個(gè)電臺的發(fā)射功率、天線增益、饋線損耗等條件不變，電臺通信的無線數(shù)據(jù)傳輸成功率主要取決于信噪比[1,7]。因此，為了保證無線數(shù)據(jù)傳輸成功率，電臺的接收功率與環(huán)境噪聲的比值應(yīng)保持不變。

(3)

式中：P0為5 km距離時(shí)接收到的有用信號功率(mW)；Pi為di距離時(shí)接收到的有用信號功率(mW)；N0為5 km距離時(shí)環(huán)境噪聲功率(mW)；Ni為di距離時(shí)背景噪聲功率(mW)。

超短波通信的無線數(shù)據(jù)傳輸成功率主要取決于接收信號的信噪比。當(dāng)距離越大時(shí)，電臺接收到的信號功率越小，為保持信噪比不變，則環(huán)境噪聲需要同時(shí)降低[9]。將式(3)取對數(shù)后簡化換算可得

Ni-N0=Pi-P0,

(4)

將式(1)、(2)代入式(4)變換后可得

(5)

式中：di是武器裝備在i點(diǎn)的超短波通信距離(km)；Ni是武器裝備在i點(diǎn)的背景噪聲功率(dBm)。當(dāng)Ni為圖4中測試結(jié)果中的最大Y值(背景噪聲最大值)時(shí)，di為武器裝備的最小通信距離。

3.3 武器裝備超短波通信距離評估

由圖4可知在30～90 MHz內(nèi)，裝備背景噪聲的最大值約為-91 dBm，最小值約為-105 dBm，由式(5)可計(jì)算通信距離dmin、dmax分別為

所以，武器裝備超短波通信的實(shí)際距離為7.063 km，最大距離為15.811 km。

4 通信距離的模型驗(yàn)證

4.1 Egli模型距離評估

以某系統(tǒng)為例，Egli模型所涉及的參數(shù)可具體量化。VHF電臺的頻率范圍約為30～88 MHz,電臺的最大發(fā)射功率為50 W(47 dBm)，電臺靈敏度為-112 dBm。取f=35 MHz，d=8 km，2個(gè)通信節(jié)點(diǎn)采用3 m中饋天線，發(fā)射端天線底座距地面2 m，接收端天線底座距地面3 m，因而ht=3.5 m，hr=4.5 m，代入式(1)，可得

LEgli=88+20lg 35+40lg 8-20lg 3.5-

20lg 4.5=131。

天線增益為-6～1 dB，取均值-2.5 dB，故Gt=Gr=-2.5 dB；饋線、接插件、避雷器件損耗為0.5 dB，天線合路器插入損耗[10]不大于1 dB，故發(fā)射天饋系統(tǒng)損耗Lt為3 dB；接收天饋系統(tǒng)損耗Lr為1 dB，故Lm=LEgli=131 dB。

將上述取值代入式(2)，在35 MHz頻率下，8 km到達(dá)接收端的信號強(qiáng)度Pr為-91 dBm。

根據(jù)計(jì)算，到達(dá)接收端的信號強(qiáng)度Pr為-91 dBm，信道設(shè)備接收要求為信號高于背景噪聲3 dBm以上可正常檢測解碼，故信道設(shè)備某頻點(diǎn)下的背景噪聲應(yīng)小于-94 dBm。因此，當(dāng)超短波電臺在某頻點(diǎn)的背景噪聲不大于-94 dBm時(shí)，通信距離應(yīng)能夠滿足8 km。

4.2 Egli模型數(shù)據(jù)驗(yàn)證

根據(jù)4.1中Egli模型所涉及的參數(shù)在裝備上量化后可得到，當(dāng)超短波電臺在某頻點(diǎn)的背景噪聲不大于-94 dBm時(shí)，通信距離應(yīng)能夠滿足8 km的要求。

將上述所測數(shù)據(jù)帶入式(5)可得：dmin=8.394 km，即評估模型算出的通信距離為8.394 km。

通過對比可知，根據(jù)Egli模型的實(shí)測數(shù)據(jù)與評估模型快速推算的結(jié)果相差不大，因此，屏蔽室內(nèi)武器系統(tǒng)超短波通信距離的評估結(jié)果基本符合通信原理模型。

4.3 實(shí)裝驗(yàn)證情況

選擇開闊、視野良好、周圍沒有強(qiáng)電磁信號的場地，使用1臺指揮裝備、1臺作戰(zhàn)裝備，進(jìn)行通信距離試驗(yàn)。指揮裝備與作戰(zhàn)裝備均全系統(tǒng)開機(jī)工作，隨機(jī)選擇了10個(gè)定頻點(diǎn)和5個(gè)跳頻表進(jìn)行試驗(yàn)。分別記錄指揮裝備與作戰(zhàn)裝備的超短波電臺的背景場強(qiáng)指示，在滿足通信數(shù)據(jù)傳輸成功率要求時(shí)，記錄各個(gè)頻點(diǎn)(表)的通信距離。如表1所示。

表1 超短波電臺背景場強(qiáng)與通信距離的實(shí)測關(guān)系

根據(jù)指揮裝備與作戰(zhàn)裝備在同頻點(diǎn)的最大背景場強(qiáng)，通過評估模型快速推算出指揮裝備與作戰(zhàn)裝備的通信距離如表2所示。

表2 不同背景場強(qiáng)下評估超短波電臺通信距離

通過表1、2對比可以看出，評估模型評估的通信距離略大于實(shí)測的通信距離，最大相差391 m。因此，屏蔽室內(nèi)武器系統(tǒng)超短波通信距離的評估結(jié)果基本符合裝備實(shí)際性能指標(biāo)。

5 結(jié)束語

筆者通過屏蔽室測試裝備全系統(tǒng)工作時(shí)的電磁背景強(qiáng)度，根據(jù)無線數(shù)據(jù)傳輸成功率主要取決于信噪比的特點(diǎn)，推導(dǎo)出通信距離與信噪比的關(guān)系，從而僅通過武器裝備在某個(gè)頻點(diǎn)(頻表)的背景噪聲，可快速評估武器裝備在某個(gè)頻點(diǎn)(頻表)的最大通信距離，省略了通信場地的選擇。通過實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證，證明了該方法評估武器系統(tǒng)超短波通信距離的有效性。因此，基于屏蔽室內(nèi)武器系統(tǒng)超短波通信距離的評估方法可快速評估武器系統(tǒng)的超短波通信距離，減少了測試時(shí)間、降低了試驗(yàn)成本，避免了環(huán)境中電磁場對裝備通信的影響。