電子對抗組網(wǎng)仿真技術研究

謝 軍

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

電子對抗組網(wǎng)作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)是對在實際或假想的環(huán)境下,按照所設計的規(guī)則和過程行動2支或多支部隊進行對抗的仿真系統(tǒng)。組網(wǎng)仿真即運用仿真分析的方法,模擬綜合運用各種電子對抗裝備,與相關部隊密切配合,將具有不同特點、性能和工作頻段的信息對抗裝備組織起來,形成全時空、全頻域的各種平臺互相補充、各種干擾相互聯(lián)系且相互支援的有機整體,評價這個整體的綜合作戰(zhàn)能力,研究武裝力量的需求和組織結構,為作戰(zhàn)指揮提供輔助決策。

1 仿真體系結構

電子對抗組網(wǎng)仿真技術的研究可從以下幾個層次上進行:

①構建較為完善的各電子對抗設備模型,能體現(xiàn)設備的主要性能;

②構建完善的地理環(huán)境電磁環(huán)境的模型,能適應多邊的電磁環(huán)境和典型地形環(huán)境的變化需要;

③對敵通信系統(tǒng)建模,能仿真敵通信設備和系統(tǒng)的主要性能和工作過程;

④構建完善對抗系統(tǒng)模型,能體現(xiàn)系統(tǒng)的主要性能和通信對抗作戰(zhàn)能力;

⑤建立系統(tǒng)模型的性能評價標準。

為了適應組網(wǎng)工作環(huán)境,實現(xiàn)各種電子偵察、測向和干擾站型組網(wǎng)協(xié)調工作,建立組網(wǎng)仿真控制的體系結構如圖1所示。

圖1 組網(wǎng)仿真體系結構

2 仿真系統(tǒng)建模方法

模型生成是指在系統(tǒng)內(nèi)形成一組能反映實體運動形態(tài)的模型。模型生成過程具有如下特點:

①模型在系統(tǒng)內(nèi)的主要存儲方式是非程序式的。基于數(shù)據(jù)的模型表示和基于知識的模型表示都可以作為模型的基本形態(tài);

②在生成模型的過程中,采用定量建模和推理分析相結合的技術。定量建模用于確定模型的數(shù)學形態(tài)和有關的參數(shù)。推理分析在建模前、建模中和建模后都起作用;

③模型生成在人機交互中完成。在傳統(tǒng)的建模過程中,人的作用和機器的作用二者的分界線十分明顯,而在模型生成技術中這種分界線是模糊的。

模型生成應該是一個動態(tài)的過程。特別是在實體所處的環(huán)境變化時,模型的生成環(huán)境也應該隨之變化,即使按同一工作步驟,所生成的模型也不會完全相同。

3 仿真設計

3.1 仿真建模方法

組網(wǎng)仿真系統(tǒng)首先建立電子對抗各設備完善的性能描述,在此基礎上建立各設備的仿真模型,其次建立電子對抗系統(tǒng)及戰(zhàn)場電子對抗組網(wǎng)的一整套系統(tǒng)描述和性能評價標準,并建立系統(tǒng)仿真模型。通過仿真試驗,驗證系統(tǒng)模型描述和系統(tǒng)性能評價標準的正確性。

在組網(wǎng)仿真系統(tǒng)中,干擾站仿真布署主要涉及到的關鍵環(huán)節(jié)有:建立干擾站及干擾目標的模型,要求準確、完整,能體現(xiàn)設備的主要性能和主要技術指標;建立戰(zhàn)場電磁環(huán)境和地形環(huán)境模型,要求模型建立準確、完整,能夠適應多變的電磁環(huán)境和典型的地形環(huán)境的變化需要;從技術角度建立戰(zhàn)場中電子偵察對抗裝備的統(tǒng)配原則,為戰(zhàn)術使用提供必要的準則,以實現(xiàn)對戰(zhàn)場上所有電子對抗裝備的最佳利用。組網(wǎng)仿真系統(tǒng)組成如圖2所示。圖中各部分組成說明如下:

①情報資料庫:記錄戰(zhàn)場偵察分析得到的情報信息;

②裝備資料庫:記錄本方當前戰(zhàn)場配屬的裝備資料信息;

③目標模型:根據(jù)情報信息抽象,產(chǎn)生敵方目標模型;

④電子戰(zhàn)裝備模型:根據(jù)本方裝備資料信息抽象,產(chǎn)生裝備資料信息模型;

⑤戰(zhàn)場電磁態(tài)勢模擬仿真:根據(jù)戰(zhàn)場地形地貌的地理特征,提取戰(zhàn)場電磁環(huán)境特征,根據(jù)電磁環(huán)境特征確定模糊推理輸入量;

⑥模糊評判規(guī)則庫:根據(jù)在不同地理環(huán)境下累積的經(jīng)驗建立的一套評判準則;

⑦統(tǒng)配規(guī)則庫:根據(jù)在不同地理環(huán)境下累積的經(jīng)驗建立的一套裝備配屬準則;

⑧模糊推理決策:給出了模糊邏輯和近似推理的方法;

⑨仿真結果報告:根據(jù)仿真推理結果,顯示和在地圖上標繪仿真結果信息。

圖2 組網(wǎng)仿真系統(tǒng)組成

3.2 地理信息建模

電磁環(huán)境仿真的工作過程主要分為場景產(chǎn)生和場景處理2步。在場景產(chǎn)生期間,首先由用戶輸入或外部數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生地圖繪制文件;然后,用戶可以在系統(tǒng)仿真平臺上根據(jù)特定的試驗要求確定輻射源參數(shù)和輻射源工作方式。建立戰(zhàn)場地理環(huán)境模型,首先必須能夠精確分析和測量戰(zhàn)場地理環(huán)境,對地理信息進行有效處理。

3.3 電磁環(huán)境建模

根據(jù)仿真模型做粗略計算和根據(jù)抽樣結果進行回歸分析,首先要解決下述模型建模環(huán)節(jié)。

3.3.1 圍繞地球表面的繞射損耗數(shù)學模型

圍繞地球表面的繞射基本衰減計算公式為:

式中,G(x0)=0.0575x0-10lgx0;函數(shù)F(x1)、F(x2)和C1(k,b0)可以通過樣本做曲線擬和取得;G(x0)、F(x1)和F(x2)所用到的函數(shù)參數(shù)如下:其中 ,dlt為發(fā)射端離其視線點的距離;dlr為接收端離其視線點的距離;d為發(fā)射端和接收端之間的直線距離;a為等效地球半徑。

以水平極化方式為例,參數(shù)k,b可以表示為:

式中,x=1.8×104σ/f;參數(shù)ε、σ為介電常數(shù)和電導率。

3.3.2 山峰繞射損耗

對于電磁波單波繞射其數(shù)學模型表示如下:

山峰繞射損耗計算公式為:

此外還有樹林繞射損耗、4個基本無線電氣候區(qū)傳播方式、氣體吸收所引起的具體衰減、波導模式衰減、對流層散射模式衰減、自由空間傳播損耗和等效各向同性輻射功率等等,限于篇幅不再介紹。

4 仿真實例分析

4.1 在數(shù)字地圖上布置干擾臺站實例

在確定干擾站布設截面以后,需要根據(jù)敵臺方位選擇布設合適的干擾臺站。在這里可按照如下方法布設:

①分別在對方電臺布設位置,向干擾站截面所在直線做投影,與干擾站布設截面所在直線交于一點;

②將這些點按緯度高低進行排序;

③根據(jù)模糊計算得出的對方電臺的重要等級程度對投影點進行排序,依次將重要等級高的投影點進行冒泡排序;

④計算干擾站布設點與目標之間是否存在遮擋。如果存在遮擋,以布設點為圓心,r為半徑,背離目標方向做半圓,在圓弧上選擇點,計算與目標是否存在遮擋,如果不存在遮擋,則將干擾站步設點選擇在這里,否則繼續(xù)擴大半徑r,尋找新的布設點;

⑤根據(jù)第1個干擾目標的信號特征,選擇相適合的干擾站,將干擾站布設到目標對應的投影點,并對該目標做已分配標記;

⑥以干擾站布設點為中心,根據(jù)干擾站波束寬度從高緯度向低緯度按一定步進進行掃描,計算是否有新的電臺位置出現(xiàn)在掃描線上方;

⑦如果有新的電臺位置出現(xiàn)在掃描線上方,判斷電臺信號特征是否能夠被當前干擾站干擾;

⑧如果信號特征能夠被當前干擾站干擾,根據(jù)目標距離和目標信號強弱,計算干擾所需壓制功率,如果干擾戰(zhàn)能夠滿足功率要求,將該目標打上分配干擾標記;

⑨將已經(jīng)分配干擾的對方電臺移出目標集,重復⑥～⑧,直到目標庫中絕大多數(shù)電臺都分配干擾站對其進行干擾。

4.2 計算干擾范圍

在選定干擾站和確定干擾站位置以后,從干擾站位置向這個干擾站對付的第1個目標引一條射線,以干擾站位置為中心,從這條射線位置開始,向低緯度方向掃描天線波束寬度角度,記錄下所有能夠干擾的目標。從這些目標中,選擇所需的最大的干擾功率,根據(jù)最大干擾功率,計算最大干擾距離。以干擾站為中心,最大干擾距離為半徑,從射線位置向低緯度方向做扇形,扇形夾角為天線波束寬角度。這個扇形區(qū)域就是分布的干擾站的干擾范圍。

4.3 電磁環(huán)境模型仿真

在實際電磁環(huán)境中,產(chǎn)生電磁波傳播衰減的因素很多,每種因素對電磁波能量損耗的作用大小是不一樣的。在這里將仿真模型的計算局限在傳播方式為傳播方式一即晴空的傳播方式。在這種傳播方式里,對流層散射L1、波導傳播L2、層反射/折射L3、氣體吸收L4和場地屏蔽L5構成主要傳播損耗。

記損耗向量為:L=(L1,L2,L3,L4,L5,ε),損耗系數(shù)為

總的傳播損耗為:

式中,ε為其他因素構成的損耗,這里根據(jù)經(jīng)驗值給出。

①2點通視計算。在地圖上的任意2點,根據(jù)地形地貌,計算2點之間是否存在遮擋。其中?表示2點的位置,實線表示從第1點到第2點之間無遮擋距離,虛線表示遮擋部分;

②2點剖面計算。由于地表的崎嶇不平,在地圖上的任意2點之間其地面存在高低起伏,為直觀描述地表起伏,仿真中可以計算2點的剖面。例如計算2點之間的剖面,其坐標分別為:(109.997 97,34.558 4)和(110.171 3,34.339 3),其剖面如圖3所示。

圖3中橫坐標表示2點的水平距離,縱坐標表示高度,曲線表示2點間的剖面。在這里曲線采用直線插值逼近。

圖3 2點剖面計算

5 結束語

針對電子對抗組網(wǎng)仿真的具體特性,對構建仿真系統(tǒng)的關鍵技術和環(huán)節(jié)進行了分析,設計了應用于通信對抗系統(tǒng)中組網(wǎng)仿真各個體的數(shù)學模型,給出了實際算法。該方法對電子對抗組網(wǎng)仿真性能研究和作戰(zhàn)效能評估提供了一條較好的解決途徑。

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