基于裝備用頻效能分析的對抗態(tài)勢可視化設計

閆 超

(北京華悅邁普科技有限公司，北京100107)

0 引言

伴隨信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，戰(zhàn)爭形態(tài)逐步由物理域向信息域演化，在傳統(tǒng)陸、海、空三維空間的基礎上，電磁空間的重要性更加凸顯，電磁域?qū)箲B(tài)勢可視化成為戰(zhàn)場態(tài)勢可視化中不可或缺的部分。戰(zhàn)場空間中各種雷達信號、通信信號、電子戰(zhàn)以及其他背景輻射信號的相互作用，構(gòu)成了戰(zhàn)場空間內(nèi)復雜的電磁環(huán)境，大幅增加了對戰(zhàn)場態(tài)勢研判的難度，影響了指揮員的決策。電磁態(tài)勢已成為信息化戰(zhàn)場態(tài)勢的重要組成部分，對電磁態(tài)勢的把握和研判直接影響到未來作戰(zhàn)主動權(quán)的爭奪，是現(xiàn)代戰(zhàn)場不可或缺的作戰(zhàn)維度[1-3]，結(jié)合當下人工智能[4]，展望未來電磁態(tài)勢的發(fā)展[5-7]。在針對電磁域進行戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法研究的過程中，對電磁域?qū)箲B(tài)勢從不同維度進行動態(tài)可視化的展示就成為輔助指揮人員和技術(shù)人員掌控戰(zhàn)場態(tài)勢的重要手段[8-10]。申良強等[11]對復雜陣地態(tài)勢可視化關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，采用三維態(tài)勢可視化技術(shù)與二維態(tài)勢可視化及二者的實時聯(lián)動，為固定核心陣地作戰(zhàn)指揮員提供了更豐富的物理空間環(huán)境，從而更好地部署武器，把握戰(zhàn)場形勢全局，提升空間環(huán)境感知能力。研發(fā)人員提出了一種通用戰(zhàn)場態(tài)勢可視化系統(tǒng)的顯示元素、框架及接口的設計，并實現(xiàn)了基于數(shù)字地球的戰(zhàn)場態(tài)勢可視化[12-15]。系統(tǒng)歸納了聯(lián)合作戰(zhàn)電磁態(tài)勢可視化的5項需求，并梳理列舉了聯(lián)合作戰(zhàn)電磁態(tài)勢可視化的圖形、圖表展示[16-17]，在分析復雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境可視化構(gòu)建內(nèi)容的基礎上，提出基于粒子系統(tǒng)的電磁態(tài)勢可視化方法，實現(xiàn)地理環(huán)境和電磁環(huán)境的一體化顯示[18]。對雷達探測范圍可視化進行了探討，采用拋物方程方法給出了實現(xiàn)雷達最大探測范圍三維可視化的方法[19-20]。當前條件下，各類信息系統(tǒng)中復雜電磁環(huán)境[21]多以二三維圖形、作戰(zhàn)實體圖標等方式對作戰(zhàn)兵力的行動過程進行展示，缺少有針對性的對電磁域博弈對抗過程、對抗效果的展示，更不能體現(xiàn)出電磁頻譜戰(zhàn)中電磁裝備運用的快速變化及發(fā)展規(guī)律。

基于裝備用頻效能分析的對抗態(tài)勢可視化系統(tǒng)針對電磁域博弈對抗態(tài)勢展示需求進行設計和研究，將無形的、快速變化的復雜電磁對抗態(tài)勢進行多維度直觀形象地展現(xiàn)。以電磁對抗為主要研究背景，重點突破電磁裝備能力包絡、電子偵察/告警、電子干擾和雷達探測等的顯控技術(shù)，重點關(guān)注雷達、通信和電子戰(zhàn)等各種相關(guān)展示視角的多維度顯示，覆蓋雷達、雷達告警接收機、通信系統(tǒng)等各類電磁裝備，構(gòu)建完善的電磁域?qū)箲B(tài)勢多維度可視化顯控系統(tǒng)，實時、直觀、準確地展示電磁域?qū)箲B(tài)勢，為電磁對抗的戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法編制、演練、應用和評判提供可視化方法及手段，滿足專業(yè)研究需求。

1 裝備用頻效能分析

電磁域?qū)箲B(tài)勢顯控的實現(xiàn)依賴于電磁域?qū)狗抡婺Ｐ徒馑愫湍Ｐ蛿?shù)據(jù)驅(qū)動。裝備用頻效能分析以電磁傳播模型、接收信號分析模型和信干比分析模型為基礎，對用頻裝備的效能進行分析，從而確定用頻裝備的探測范圍、偵察范圍和干擾范圍等作戰(zhàn)效能。由于雷達信號存在從雷達到目標再返回雷達的雙程過程，雷達裝備的用頻效能分析模型相對來說較為復雜，所以本文以雷達為例構(gòu)建雷達裝備用頻效能分析模型，分析雷達模型的探測范圍。

1.1 電磁傳播模型

電磁傳播模型主要用于計算復雜地形、復雜氣象條件下電磁波空間傳播損耗，是所有電磁環(huán)境計算分析的基礎。傳播模型的準確與否關(guān)系到整個電磁環(huán)境仿真的科學性和有效性，同樣，傳播模型也是電磁環(huán)境計算分析軟件中最復雜的模型之一。電磁傳播模型是各類電磁裝備仿真、電磁分析計算的基礎，直接決定了各類仿真計算的逼真度、時效性和易用性。通常，對于電磁波不能傳播的兩點之間(例如由于地球曲率、或者地形遮擋等原因)，電磁傳播模型解算的傳播損耗可認為是無窮大。

電磁傳播模型依據(jù)對無線傳播模型算法的研究和對國際電聯(lián)標準的使用，建立基于復雜地理環(huán)境、復雜氣象環(huán)境以及適用于不同頻段不同業(yè)務的空間傳播損耗，包括ITU-R P.1546，Longley-Rice,ITU-R P.833和 ITU R P.840等傳播模型等。其中ITU-R P.1546傳播模型提供了地面業(yè)務點對面預測的方法，適用于開闊和低起伏的陸地和海洋，其中市區(qū)、郊區(qū)均可。ITU-R P.1546傳播模型計算電磁波傳播過程中衰減的參數(shù)如圖1所示。

圖1 傳播模型參數(shù)設置實例Fig.1 Parameter setting example of propagation model

ITU-R P.1546傳播模型的處理流程如圖2所示。

圖2 傳播模型的處理流程Fig.2 Process flow diagram of propagation model

1.2 接收信號功率分析模型

接收信號功率分析模型描述電磁波從發(fā)射機到接收機之間單程傳輸?shù)男盘柟β史治觯醚b備性能參數(shù)以及電波傳播模型計算從發(fā)射機到接收機位置天線口面處的信號功率。電磁信號接收信號功率分析模型為：

S=Ps+Gs-Ls+Gr，

式中，S為接收機接收到的信號功率(dB)；Ps為發(fā)射機的發(fā)射功率(dB)；Gs為發(fā)射天線增益(dB)；Ls為單程電磁傳播模型計算的空間衰減；Gr為接收天線增益(dB)。

1.3 干擾信號功率分析模型

在測定干信比時，需要計算進入接收機工作頻帶內(nèi)的干擾信號功率。在上述條件下，到達接收機輸入端的干擾信號功率為：

J=PJ+GJ-LJ+GrJ，

式中，J為接收機接收到的干擾功率(dB)；PJ為在接收機頻帶內(nèi)干擾機的發(fā)射功率(dBm)；GJ為干擾機天線增益(dB)；LJ為干擾機在傳播過程中的衰減(dB)；GrJ為干擾機方向接收天線增益(dB)。

干擾情況下接收機端的干擾信號遠大于噪聲信息，此時的接收機噪聲可以忽略不計。在沒有干擾的情況下，需要考慮接收機有效噪聲功率，主要與接收機噪聲溫度和接收機帶寬相關(guān)。

1.4 信干比分析模型

在接收機頻帶內(nèi)，信干比是有效信號強度與干擾信號強度之比(dB)。根據(jù)上式，可以直接推導出信干比公式，由于S和J均以“dB”來表示，它們的功率比與其分貝比是大體相同的。對于單程信號傳輸情況來說，信干比公式可用分貝計算為S-J，得：

信干比=Pr-PJ+GT-GJ-Ls+Lj+Gr-GrJ+D，

式中，D為接收機對有效信號與干擾信號的壓制系數(shù)。

對于雙程信號傳輸情況來說，信干比公式可用分貝計算為S-J，得：

信干比=Pr-PJ+GT-GJ-Ls-Lo+lg (RCS)+

Lj+Gr-GrJ+D，

式中，Lo為目標反射回波到接收機的衰減；RCS為雷達頻率和角度上目標的雷達反射面積。如果接收機接收到的信干比大于接收機的閾值，則接收機可以正常接收到信號；否則，接收機無法正常接收到有效信號，信干比成為描述裝備用頻效能的基礎。

1.5 雷達探測范圍分析

雷達探測范圍分析的基礎為上述雙程信號信干比公式為基礎的雷達探測距離計算模型。模型根據(jù)雷達參數(shù)、目標參數(shù)、地理環(huán)境、氣象環(huán)境和外部電磁干擾等參數(shù)計算雷達在指定區(qū)域內(nèi)對特定目標的探測范圍。計算中考慮雷達性能、地形遮蔽、接收機底噪和外部干擾等因素。分析雷達及雷達網(wǎng)在復雜地形、復雜氣象及干擾條件下的探測范圍變化情況，為電磁態(tài)勢生成、臺站部署位置確定等提供支持。雷達探測范圍計算模型的典型流程如圖3所示。

圖3 雷達探測范圍計算流程Fig.3 Calculation flow of radar detection range

2 電磁態(tài)勢顯控總體設計

電磁域?qū)箲B(tài)勢顯控的實現(xiàn)依賴于電磁域?qū)狗抡婺Ｐ徒馑愫湍Ｐ蛿?shù)據(jù)驅(qū)動，涉及的仿真模型包括雷達仿真模型、雷達干擾模型、雷達偵察模型、通信偵察模型和通信干擾模型等。針對電磁態(tài)勢顯示的以上各方面特點，對電磁態(tài)勢顯示提出如下方案：

一是電磁態(tài)勢顯控主要用于顯示雷達、通信和電子戰(zhàn)裝備在訓練任務進程中動態(tài)變化情況。例如雷達的開機、關(guān)機、搜索、跟蹤和遭到干擾；電子戰(zhàn)系統(tǒng)的開機、關(guān)機、告警和有源干擾等信息，主要提供雷達對抗、通信對抗及電子對抗總體運用效果顯示，包括雷達裝備、通信裝備的威力范圍。

二是加入面向注意力的自動消隱機制，只對關(guān)鍵過程的參與實體進行電磁效果顯示，自動隱藏其他作戰(zhàn)實體，其中注意力由預先設定的特征事件和實時導調(diào)信息確定。此類方法將有效屏蔽不同頻段、不同范圍的電子戰(zhàn)裝備顯示效果疊加問題，減少信息飽和的風險。

三是引入人工和自動輔助的導調(diào)控制手段，可以根據(jù)指揮所情報、預設行為腳本對電磁態(tài)勢進行輔助導調(diào)和顯示。雖然實際裝備引接過程中可能缺失部分關(guān)鍵工作參數(shù)信息，但是根據(jù)作戰(zhàn)系統(tǒng)和主要的目標分配關(guān)系，技術(shù)人員可以利用可視化系統(tǒng)為指揮員生成輔助態(tài)勢信息，將雷達威力范圍、干擾設備及對抗關(guān)系等關(guān)鍵信息顯示到統(tǒng)一的電磁態(tài)勢場景中。

電磁域?qū)箲B(tài)勢多維度顯示系統(tǒng)的設計如圖4所示。

圖4 電磁域?qū)箲B(tài)勢多維度顯示系統(tǒng)Fig.4 Multi-dimension display system of electromagnetic countermeasure situation

3 電磁態(tài)勢顯控設計

電磁裝備能力包絡顯示主要指電子對抗裝備運用效果展示，具體包括雷達裝備在有無干擾條件下的威力范圍顯示、雷達裝備其他屬性顯示以及通信裝備屬性顯示等，展示效果區(qū)分為二維顯控效果和三維顯控效果。

3.1 雷達探測范圍顯示

雷達探測范圍顯示主要指雷達運用效果展示，具體包括雷達裝備受地形影響、在有無干擾情況下的威力范圍等，展示效果區(qū)分為二維顯控效果和三維顯控效果。

(1) 雷達受地形影響的威力范圍

使用設置填充色的多邊形表示雷達威力范圍二三維展示效果，如圖5所示，該圖的雷達威力范圍主要受地形的影響。圖5(a)、(b)中的雷達位于海平面沒有受地形遮擋，二維展示為標準的圓形，三維展示為標準的波束環(huán)繞形狀。相對來說，圖5(c)、(d)由于雷達位于山區(qū)，受地形影響，在圖5(a)、(b)的基礎上出現(xiàn)了遮擋產(chǎn)生的缺口。

(a) 無遮擋威力范圍二維顯示

(b) 無遮擋威力范圍三維顯示

(c) 有遮擋威力范圍二維顯示

(d) 有遮擋威力范圍三維顯示圖5 雷達受地形影響的威力范圍Fig.5 Range of radar power affected by terrain

(2) 雷達受干擾影響的威力范圍

在敵我雙方的對抗過程中，雷達經(jīng)常受到來自對方干擾機影響。圖 6展示了某型對空警戒雷達在沒有受到干擾情況下的正常威力范圍。

圖6 雷達威力區(qū)顯示Fig.6 Display of radar power area

雷達受干擾后威力范圍如圖 7所示。與圖6相比，雷達在右上角方向上受到干擾，因此雷達覆蓋范圍在此方向上出現(xiàn)缺口，敵方可以在此缺口中執(zhí)行其期望的戰(zhàn)術(shù)動作。

圖7 雷達被干擾后探測威力Fig.7 Detection power of jammed radar

3.2 雷達其他屬性范圍顯示

除了雷達威力范圍顯示，還可以提供雷達其他屬性的顯示，例如：可探測最小截面積顯示、雷達探測概率顯示等。

(1) 雷達可探測最小截面積顯示

在指定目標高度和偵測概率下，分析指定區(qū)域內(nèi)雷達可探測的目標RCS分布情況。

圖8給出了雷達可探測到目標的RCS，從雷達位置向外逐漸變大。

圖8 雷達可探測最小截面積顯示Fig.8 Display of minimum radar-detectable cross-sectional area

(2) 雷達探測概率顯示

在假定雷達參數(shù)和目標RCS保持不變情況下，給出每個位置同一個目標被發(fā)現(xiàn)概率的功能。

圖9給出了雷達對目標的發(fā)現(xiàn)概率，從雷達位置向外逐漸降低。

圖9 雷達發(fā)現(xiàn)概率顯示Fig.9 Display of radar detection probability

3.3 通信鏈路和范圍顯示

使用樣本點連線和線與三角面結(jié)合的方式繪制通信鏈路和范圍展示效果，通過設置alpha渲染通道值實現(xiàn)不同威力包絡顏色和半透明效果，根據(jù)場強值大小自動設置不同顏色代表雷達威力強弱變化，形象立體、層次分明地展示通信威力的效果。通信威力范圍展示的同時，展示通信受干擾的狀態(tài)，如圖10和圖11所示。圖10展示了無干擾條件下的通信鏈路的連通情況(所有通信鏈路全部聯(lián)通)和數(shù)傳電臺-2的接收范圍，綠色表示某型接收機可以接收數(shù)傳電臺-2的信號，紅色表示該型接收機不能接收數(shù)傳電臺-2的信號。圖11顯示了干擾條件下的通信鏈路(SU27和數(shù)傳電臺-2處于干擾區(qū)域內(nèi)其上行鏈路全部受到干擾，數(shù)傳電臺和數(shù)傳電臺-1處于干擾區(qū)域外還能夠接收來自SU27的通信信號)和數(shù)傳電臺-2的接收范圍(受干擾影響綠色區(qū)域明顯減少,尤其干擾機有效干擾方向上)。

圖10 通信鏈路和威力范圍示例Fig.10 Example of communication link and power range

圖11 干擾條件下通信鏈路和威力范圍示例Fig.11 Example of jammed communication link and power range

4 結(jié)束語

基于裝備用頻效能分析的對抗態(tài)勢可視化設計支持全局態(tài)勢的多維度展示效果，針對性的展示局部戰(zhàn)場電磁態(tài)勢，提升對復雜電磁環(huán)境的掌控能力。可為戰(zhàn)場態(tài)勢和電磁態(tài)勢可視化相關(guān)技術(shù)研究和系統(tǒng)的研制提供一定的參考。在后續(xù)研究過程中，進一步結(jié)合復雜電磁環(huán)境仿真技術(shù)、人機界面友好等技術(shù)，使態(tài)勢顯控效果逐步逼近真實戰(zhàn)場空間，操控更簡潔方便。