一種基于地理信息系統的用頻臺站電磁態勢仿真分析方法

田 偉，周新力，宋斌斌，劉曉娣

（海軍航空工程學院a.訓練部；b.電子信息工程系，山東煙臺264001）

隨著信息化條件下武器裝備的大量推廣使用和國家工業化進程的快速推進，日常軍事訓練和軍事斗爭所面臨的電磁環境越來越惡劣。大量的智能化武器裝備的推廣使用，在快速提升軍隊信息化條件作戰能力的同時，自身也面臨著日益嚴峻的復雜電磁環境影響。1967年美國“福萊斯特”號航空母艦機載火箭由于受艦面雷達掃描波束照射而突然被引爆發生爆炸事故，造成134人喪生、27架飛機被毀、10層航母艦體中有6 層被破壞就是慘痛的歷史教訓。因此，充分認識并了解掌握訓練場區內電磁態勢分布，及時預測并防范對本場區域內裝備及人員安全可能造成的電磁影響，在當今日益嚴峻的復雜電磁環境下，顯得非常迫切和必要。本文以軍事訓練環境下的用頻臺站（訓練場區內單一射頻輻射源）或陣地（訓練場區內多個射頻輻射源）為研究對象，基于三維地理信息系統（Geographical Information System，GIS）對訓練場區進行建模，借助電波傳播模型和電波在三維空間傳播的計算方法，結合國軍標對不同對象所能承受的電磁輻射極限值，分析訓練場區內電磁態勢及可能造成的電磁輻射危害，以指導部隊采取積極主動的電磁防護措施。

1 訓練場區三維空間建模

從理論上講，電磁波可根據天線理論計算出輻射場分布，再根據傳輸路徑上的損耗等因素加以修正，最終得出待分析區域的場強。但由于傳播路徑上存在著各種各樣的影響，如高空電離層影響，高山、湖泊、海洋、地面建筑、植被以及地球曲面的影響等，電磁波具有反射、繞射、散射和波導傳播等比自由空間復雜得多的傳播方式。因此，建立高精度的三維地理信息模型，是分析電波傳播途徑、計算場強分布的基礎。GIS 以數字地圖信息為載體，通過強有力三維顯示技術和虛擬現實技術等，可以非常直觀、準確地查出測試地點與臺站（陣地）之間的傳播路徑和地形起伏情況，為電波傳播提供可靠的地理信息數據[1]。GIS的數據主要包括空間數據和屬性數據，要完成這些數據由現實世界到計算機世界的轉化需要進行數據模型的設計。地理信息系統的數據模型主要有柵格數據模型，矢量數據模型和數字高程模型等。常用的空間數據模型主要有柵格數據模型（在GIS 中也被稱為網格、柵格地圖、表面覆蓋或影像），矢量數據模型和數字高程模型3種。

地圖配準主要用于在數字化地圖前對地圖進行坐標和投影的校正。地圖配準分為影像配準和空間配準。影像配準的對象是柵格數據，配準時要先確定空間坐標系統，再根據坐標系統尋找控制點信息。空間配準的是矢量數據，其參照物可以是柵格數據或矢量數據，也可以是現實世界里的絕對坐標值；空間配準可以傳遞屬性，即可以把比例尺較大的對象屬性信息傳遞給比例尺較小的對象[2]。

GIS 建模時，首先需要確定臺站的地理信息數據（經緯度范圍等）。采用基于網格的數字高程模型，在原始數字地圖基礎上，根據場區實際地形地貌信息，對場區高程信息進行修改、重建和經緯度配準（控制點應該選擇地形或者建筑的邊緣）。必要時候可借助google地球二維數字地圖數據，采用圖層覆蓋技術，設計出場區內精度更高的二維或三維數字地圖。實際應用中，常用的是美國航空航天局（NASA）2006年版精度為30″世界數字地圖GTOPO30，經過配準和修正后，精度可提高到3″。采用該方法，借助專業地理數據建模軟件，對某臺站進行三維GIS 建模模型如圖1所示。

圖1 某臺站三維數字地圖（精度3″）

2 用頻設備行為級建模

在臺站三維空間模型基礎上，進行場區用頻設備行為級仿真建模，模擬其天線特性和接收機、發射機基本特征，建立設備數據庫。由于不同臺站（陣地）涉及到的用頻設備類型種類多、結構功能復雜，對設備逐一進行詳細功能仿真分析是不現實的。可采用行為級仿真的方法對訓練場典型收/發設備仿真建模。收/發設備行為級仿真是在不考慮收/發設備內部功能結構細節情況下，只對收/發設備的輸入輸出特性進行仿真建模，模擬設備的基本行為特征，并依據天線、接收機和發射機等的基本參數，建立收/發設備的行為級仿真模型的設備數據庫。經過梳理分析總結，軍事應用領域中，常見用頻設備建模進行行為級仿真建模時，所需的設備及位置參數如表1所示。

表1 收/發設備行為級仿真模型建模參數

結合設備地理位置信息，將場區收發設備行為級仿真模型與實際地理坐標匹配，嵌入到訓練場GIS 三維空間模型，建立場區電磁波發射、接收臺站數據庫。下一步將借助專業的電磁仿真軟件，對設備進行行為級仿真建模。

3 電波在三維空間傳播計算及其場強分布

3.1 電波傳播模型選取的分析

根據傳播預測模型的性質大致可分為3 種模型：經驗模型、確定性模型、半經驗或半確定性模型。在工程實踐中，常按照特定的應用環境對其進行分類，如表2所示[3-6]。

表2 常用電波傳播模型

不同地理特征對電波傳播模型選取有著較大的影響，選擇傳播模型時需要考慮以下因素。

頻率：傳播模型的頻率范圍限制。

地形地貌特征：是否可以得到地貌特征，是針對一般應用還是特定臺站的運算。

天線高度：部分傳播模型忽略地面因素影響；如天線距離地面很近，選擇考慮地面影響的傳播模型。

不同電波模型所考慮的頻率、地貌和天線高度等因素影響如表3所示。

作者根據從事該領域的工程實踐經驗，梳理總結出在目前軍事應用環境下，不同的應用環境和地形地貌情況下，電波傳播模型的選擇可參照表4。

表3 選擇模型的主要考慮因素

表4 不同應用環境下的傳播模型選擇

3.2 仿真分析典型剖面的選取

由于測試地點電磁環境的復雜性，不同時間、不同地點、不同高度的電磁環境有較大的差異，需要針對具體場區三維空間及其應用環境選取合適的電磁仿真任務剖面。以機場為例，應該針對機場區域地面設備3個典型地面高度和飛機著陸過程的4個典型技術高度開展7個技術應用剖面的場區三維空間電磁環境仿真分析，具體仿真剖面選擇如表5 所示。其他目標區域應該依據本文提供的方法，按照實際敏感源的高度，合理劃分仿真剖面。

表5 仿真剖面選擇

仿真過程中應充分考慮到測試區域的環境背景噪聲，可通過實地測試累計平均的方式進行初步估算。計算區域的計算精度也應納入統一考慮，目的地的地理模型的水平精度為50 m（3 s），垂直精度為1 m。

3.3 電磁環境仿真分析與驗證方法說明

在選取號電波傳播模型和任務剖面后，基于訓練場區內三維地理模型，可利用瑞譜（WRAP）電波傳播軟件計算輻射源經過三維空間傳播后到達任務剖面的場強。調用場區發射接收臺站數據庫信息，依據相應的電磁波傳播模型，對場區電磁波場強覆蓋情況進行仿真，預測關注位置的場強分布。場強是否對區域內人員、軍械、燃油等造成安全隱患，可參照相關的國軍標[7-11]關于對軍械、人員、航油和場區設備的輻射極限值要求，分析輻射源對場區內人員和設備等可能造成的危害。

下面以某型雷達為例進行仿真說明。雷達天線海拔高度310 m，仿真頻率設為2.41 GHz，根據GJB 5313和GJB 1389A-2005規定的電磁環境極限值，2 m高度仿真結果如圖2所示。

圖2 XX雷達2 m高度場強覆蓋三維分布圖

參照國軍標極限值，在頻率2.41 GHz 情況時，對應極限值如下。

設備/燃油：184 V/m=165 dBμV/m；

工作區人員：25 W/m2=97 V/m=159 dBμV/m；

生活區人員：0.15 W/m2=7.5 V/m=137 dBμV/m。

其中，大于184 V/m 的區域，電磁輻射對設備/燃油超標；大于97 V/m 的區域，電磁輻射對工作區人員超標；大于7.5 V/m的區域，電磁輻射對生活區人員超標；小于7.5 V/m的區域，電磁輻射未超標。

根據GJB 5313《電磁輻射暴露極限值和測量方法》給出的人員間斷暴露日照射劑量極限值，可以計算出，頻率2.41 GHz情況下，在大于97 V/m的區域：

工作區人員日最大暴露劑量為2.4 W?h/m2；

工作區人員日最大暴露時間為t=2.4/25=0.096 h。

采用該方法，可對場區內電磁環境分布進行詳細的實驗驗證。實驗驗證過程中，根據關注的測試地點，先行仿真具體測試點的場強值；再選用專用的儀器設備，對仿真觀測點場強值進行實地測量，比對仿真分析值與實際測量值之間的誤差。基于該方法，通過不同地點的比對，仿真分析場強值普遍比實測值小，最大偏差值不超過6 dB（國軍標要求為10 dB），較準確地反映出各觀測點場強變化的趨勢。仿真分析值比實測值小，主要是沒有能夠背景噪聲的影響納入到考察范圍內。

4 結論

本文所提出的研究方法，可適用于用頻臺站（如軍用雷達臺站、移動通信基站等）電磁態勢分布情況的分析，為臺站有效電磁強度覆蓋范圍、可能對周邊電磁環境造成的干擾、可能受到周邊大功率用頻設備的干擾等情況進行全面有效分析，進而有效分析場區內電磁強度可能對人員、設備、燃油等造成的影響，并輔助新建用頻臺站的選址，防止用頻臺站的二次建設。仿真結果已經過工程試驗測量，具有較高的置信度（由于仿真分析時無法涵蓋周邊其他單位等的大功率設備，因而仿真分析值相對實際測試值要偏小，具體與臺站周邊環境有關；但能在國軍標范圍內反映出觀測區域場強變化趨勢）和推廣實用價值。

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[10]國防科學技術工業委員會.GJB 1446.40-1992 艦船系統界面要求：電磁環境電磁輻射對人員和燃油的危害[S].1992

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[11]中國人民解放軍總裝備部.GJB 5313 電磁輻射暴露極限值和測量方法[S].2004.

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