基于自然地理空間的戰場電磁環境模型及評估方法*

馬延明 李仁松

(海軍兵種指揮學院 廣州 510430)

基于自然地理空間的戰場電磁環境模型及評估方法*

馬延明 李仁松

(海軍兵種指揮學院 廣州 510430)

對戰場電磁環境的描述和評估是其他應用研究的基礎。簡單物理化和形象化的描述,以及基于這種表述方法的對戰場電磁環境的綜合評價存在客觀性、實用性不強的缺點。在地理空間上從自然輻射、人工輻射源和接收設備、電磁波傳播環境幾方面出發所建立的戰場電磁環境描述方法,以及在此基礎上建立的多指標評價方法,可克服上述缺點。

戰場電磁環境;描述;評估

Class NumberTM15

1 引言

戰場電磁環境是戰場環境的重要組成部分,也是研究的一個難點。戰場電磁環境通常從電磁波的時域、頻域、空間功率密度譜等幾個特征上進行表述,典型函數是時變功率譜S(r,t,f)函數,它表示任一空間位置在任一時刻、頻率、單位面積上在單位時間、單位帶寬流過的電磁能量。用這種物理描述方法,在借助戰場電磁偵測技術獲取相關信息后,可用于武器裝備的環境適應性設計論證。由于不同電子設備,在同樣電磁環境條件下所受到的影響并不相同,因此即便將戰場的每一處的電磁環境都搞清楚(實際上不太可能),部隊也還是難以利用這些信息準確估計可能受到的影響。

從文獻[2～3,5～6]可以看出,不論是模糊評估模型、層次分析法還是基于D-S證據理論的定量分析方法,企圖對戰場電磁環境影響建立起一個簡單的評估辦法,都使評估結果客觀性降低、物理意義不明確而不便于應用。需要換個角度,以方便部隊在作戰訓練中的理解和應用為目的來思考如何描述和評估戰場電磁環境。

2 建立在自然地理空間基礎上的戰場電磁環境模型

2.1 戰場空間點的電磁環境模型

對地理空間點的電磁場物理特征的描述,是建立戰場電磁環境模型的基礎。文獻[3～4]中所使用的時變功率譜S(r,t,f)函數由于不包含電磁波

2.2 基于地理空間坐標的戰場輻射源電磁環境模型

上述戰場空間點的電磁環境模型只具有理論意義,在實踐上甚至難以給出一個確切的表達式。如果從軍事實踐意義上解決這一問題,可以用輻射源加輻射傳輸函數的辦法解決和式的有限分量問題。

2.2.1 輻射源的表示

從電磁信號的視角看,自然和人工電磁輻射源所輻射的電磁信號(電磁波)可以視為由某個基礎頻率及其許多經過幅度、相位甚至極化方向調制的倍頻信號的合成波。其數學表達方法可以用空間矢量

式中,K為自然數;ω表示基礎角頻率;矢量Ak表示基頻的k倍頻信號的電場或磁場強度和方向,是時間t的函數;θk表示基頻的k倍頻信號的初始相位角,也是時間t的函數。

在這個表達式中,輻射源輻射電磁波所攜帶的信息以各頻率信號的幅值、極化方向、相位角等攜帶。

對于自然干擾源(如閃電輻射、電焊的電火花輻射)則可以當成其所攜帶的信息是隨機信號,在信號接收系統中是一種干擾。因此,任意一個電磁輻射源所輻射的信號都可以用式(1)的形式表示。

2.2.2 自然環境的電磁波傳播函數

戰場的地形地貌、植被和建筑物、戰場大氣環境、電離層等都對電磁波傳播產生影響,理論上存在一個以自然環境為變量的傳遞函數,該函數由3個子函數組成,如果分別用矢量r1、r2表示戰場空間的兩個坐標點,則

Fa(r1,r2)表示位于電磁信號從r1點出發到達r2點后場強和極化方向的改變;

fω(r1,r2)表示位于電磁信號從r1點出發到達r2點后,頻率的漂移;

fθ(r1,r2)表示位于電磁信號從r1點出發到達r2點后,相位的漂移。

為簡便起見,定義一個矩陣函數F(r1,r2),如果位于r1點的輻射信號為A(1),到達r2點后變為A(2),則

不難理解,矩陣函數F(r1,r2)的形式將隨戰場大氣環境以及電離層等條件的改變而發生變化。到目前為止,已經有一些基于地理信息系統(GIS)的軟件可以部分實現該函數的功能。盡管矩陣函數F(r1,r2)的實現難度很大,可以預想必須由一個復雜的計算機軟件來實現其功能,但在實際戰術應用中卻有很實際的用途,是一個必須解決的問題。

2.2.3 基于輻射源的戰場電磁環境模型

在戰場的任意一點r0,電磁信號的構成可以看作由一個當地背景噪聲信號和有限個異地輻射源信號經空間傳播后在本地的疊加,如果用A(0)來表示該地點的電磁信號,B(0)表示該地點的本地噪聲信號,則B(0)是一個隨機向量,通常情況下其平均強度隨方向有所變化。

設異地點ri輻射源的輻射信號為A(i)(i=1,2,3,…,n)

則

3 對戰場電磁環境的評估方法

將戰場電磁環境分成戰時和平時兩種狀態分別進行評估具有更強的實用性。平時對戰場電磁環境的評估,主要應從獲取各處的背景噪聲B(0)和環境的電磁波傳輸矩陣函數F(r1,r2)入手,解決部隊平時戰備、訓練和各種勤務過程中所出現的問題,如陸上指揮所無線電通信盲區的預測問題,警戒雷達探測范圍變化的預先估計問題等。特別是由于氣候、氣象條件改變所引起的雷達觀測范圍和通信異常變化問題,是平時部隊所經常遇到卻沒有有效解決的問題。因此,平時對電磁環境的評估可以依托不斷完善的F(r1,r2)功能軟件從解決局部重點地區開始向外逐步擴展。

戰時戰場電磁環境形成過程的特殊性給評估帶來較大問題,本文參考文獻中所提出的幾種方法,由于戰時難以獲得實時的測量數據而無法進行實時評估。因此,依托統計數據的評估結果只具有統計意義,可以用于裝備研制中的設計過程,卻無法作為作戰指揮時的決策依據。戰時戰場上的輻射源與兵力行動密切相關,因此輻射源的數量、位置、輻射信號特征都隨時可能發生變化,因此無法利用式(3)計算特定位置的電磁環境。要解決這一問題,需要借助對作戰問題的研究結果,利用與估計敵我雙方兵力兵器相似的方法,預先估計戰場上可能出現的輻射源及其輻射信號特征,然后再利用式(3)可以估算特定地點的電磁環境,進一步可以利用文獻[4]的方法對電磁環境作出進一步評價。

當前許多對電磁環境的復雜度評估的方法,忽視了戰場電磁環境幾乎完全由人工構建出來并隨時可以隨意改變,實際上它更像是一種作戰力量而不是供作戰力量在其上行動的舞臺。不能簡單套用對自然環境進行描述、評價的方法。以環境的角度研究戰場電磁環境,必須從較少變化的因素:背景噪聲B(0)和環境電磁波傳輸矩陣函數F(r1,r2)入手,文獻[9]提到了多種軟件和方法用于解決電磁波傳輸矩陣函數的相關問題,有可供應用的軟件包。相信隨著研究的深入,許多困擾部隊多年的雷達、通信裝備使用可靠性問題將得以解決。

[1]王汝群.戰場電磁環境[M].北京:解放軍出版社,2006

[2]邵濤.戰場電磁環境復雜度定量評估方法研討[J].電光與控制,2010(1)

[3]代合鵬,等.電磁環境復雜度定量分析方法研究[J].微波學報,2009(6)

[4]陳行勇.面向對象的戰場電磁環境復雜度評估[J].電子信息對抗技術,2010(3)

[5]董志勇,等.基于層次分析法的人為電磁環境復雜程度評估[J].指揮控制與仿真,2008(10)

[6]吳三元,等.復雜電磁環境評估方法研究[J].信息化研究,2010(5)

[7]趙保軍,等.復雜電磁環境威脅模型研究[J].現代防御技術,2009(8)

[8]鄒陽森,等.復雜電磁環境系統的效能評估[J].兵工自動化,2009(11)

[9]焦培南,等.雷達環境與電波傳播特性[M].北京:電子工業出版社,2007,7

A Battlefield Electromagnetic Environment Model and Assessment Methods Based on Geographical Space

Ma Yanming Li Rensong
(Naval Arms Command Academy,Guangzhou 510430)

The description and assessment of the battlefield electromagnetic environment is the basis of other applied research.Simplified physics model or visualize description is inapplicable,therefore,comprehensive evaluation of battlefield electromagnetic environment based on these methods is deficient in objectivity and practicality.Such deficiency can be overcome by describing battlefield electromagnetic environment with respect to radiation in nature,artificial radiative sources and receivers,electromagnetic wave propagation environment,and the multi-standard evaluation method based on it.

battlefield electromagnetic environment,description,assessment

TM15

2010年8月13日,

2010年9月20日

馬延明,男,副教授,研究方向:戰場環境。的方向、極化特征,不能滿足實際對抗需要。理論上,任意時刻、空間點處的電磁場的描述可以用該點的瞬時電磁場強值加以描述,并且由于電場和磁場場強的矢量疊加特性,這種表述具有唯一性。即對于任一空間點P(x,y,z),在任一時刻t,該點的磁場強度矢量H=h(x,y,z,t),電場強度矢量E=e(x,y,z,t)。這種表達方式盡管精確,卻不好用。由于磁場強度矢量H和電場強度矢量E的瞬時值實際上是由向各個方向傳播的、各種頻率、各種極化方向、不同場強的電磁波的場強疊加的結果,因而理論上我們可以用一個 ∑和式或積分式來表示H和E。根據實際戰場情況,考慮頻率在300GHz以下的常用電磁頻段內,合成H和E的電磁波來源可分為自然輻射和人工輻射兩大類,其中人工輻射可以歸結為有限個輻射源的輻射波經傳播路徑上的折射、反射、散射、吸收等效應后的結果;自然輻射部分依輻射特征又可分為強度、頻譜、方向、極化特征都沒有明顯統計特征、又難以準確確定來源的部分(通常被稱為背景噪聲)和能夠確定來源的部分(如閃電、宇宙輻射)。由此,可以將H和E用一個代表背景噪聲的隨機函數和有限個代表可確認輻射源的矢量函數的矢量和表達。