電磁環境模擬逼真度評估頂層研究

金朝,徐忠富,高進濤,李廣東

(中國洛陽電子裝備試驗中心,河南洛陽471003)

電磁環境模擬逼真度評估頂層研究

金朝,徐忠富,高進濤,李廣東

(中國洛陽電子裝備試驗中心,河南洛陽471003)

目的研究裝備試驗中電磁環境模擬構建的逼真度評估問題。方法在電磁環境逼真度評估相關概念及特性分析的基礎上,從指導層、理論層、方法層及應用層等4個層面建立總體研究框架,闡明評估基本思想,運用IDEF0建模方法對評估活動及過程進行描述和建模,并提出基于相似系統理論的電磁環境逼真度評估方法。結果給出了電磁環境逼真度評估的相關概念,從總體上明確了電磁環境逼真度評估的理論框架、研究內容及方法思路。結論從頂層設計并形成了電磁環境模擬逼真度評估的基礎理論和方法體系。

電磁環境;逼真度;評估

構建逼真的戰場電磁環境,是開展復雜電磁環境下裝備試驗的重要基礎。隨著對復雜電磁環境效應研究和認識的不斷深入,裝備試驗中對電磁環境模擬構建的實戰性、逼真性要求也越來越高[1—4]。只有在貼近實戰背景的試驗環境下檢驗和評估武器裝備的戰技性能及作戰效能,才能客觀地摸清武器裝備的實戰能力,試驗評估結果才能具有可信性,對未來作戰才具有實用價值和指導作用。

電磁環境逼真度評估作為電磁環境構建與評估中的關鍵技術與難點之一,其核心作用是優化電磁環境構建方案,增強電磁環境構建的實戰性、針對性和逼真性,為有效檢驗實戰條件下武器裝備的戰技性能及作戰效能提供依據。加強電磁環境逼真度評估研究工作,發揮電磁環境逼真度評估在復雜電磁環境建設與應用中的先導作用,對于提高裝備試驗電磁環境構建水平,提升我軍電子信息裝備試驗能力,以及對武器裝備的發展與應用都具有重要的現實意義。

1 相關概念及特性分析

1.1 電磁環境逼真度定義

在電磁環境構建與評估領域,對電磁環境逼真度的研究尚處在探索階段,還未形成成熟的規范描述。“逼真度”最早是建模與仿真領域中提出的概念,美國國防部對逼真度的定義是:模型或仿真與真實世界相比表示的正確程度[5]。逼真度實現研究組(Fidelity Implementation Study Grope,FISG)的定義是:模型或仿真以一種可測量或可感知的方式再現真實世界對象的狀態和行為,或真實世界對象、特征、環境和選擇標準的感知程度[6]。文獻[7]中的定義:模型對構建對象某個側面或整體的外部狀態和行為的復現程度。文獻[8]中的定義:仿真數據與真實世界測量數據相符合的程度。結合裝備試驗的實踐探索經驗和建模與仿真領域的逼真度評估定義,認為在裝備試驗電磁環境構建中,電磁環境逼真度的基本定義是:裝備試驗中模擬構建的電磁環境與想定的目標戰場電磁環境的相似程度。

1.2 電磁環境逼真度評估定義

裝備試驗電磁環境構建是以檢驗被試裝備在復雜電磁環境下的實戰能力這一根本需求為出發點,構建能有效反映實際戰場的電磁態勢[9—10]。在這個過程中,通過將模擬電磁環境的構成要素、信號特性和能效數據與目標電磁環境的實際情況進行比較分析,以評估電磁環境的逼真性,這就是電磁環境逼真度評估。根據上述剖析,認為電磁環境逼真度評估的基本定義是:面向武器裝備試驗中的特定應用需求,主體綜合判定模擬電磁環境與真實目標電磁環境近似程度。

1.3 電磁環境逼真度評估特性

通過對電磁環境逼真度評估相關概念定義及內涵的分析,電磁環境逼真度評估具有以下特性。

1)針對性。電磁環境逼真度評估與裝備試驗的需求和目標緊密相關,并突出了面向構建應用的目的,體現了構建活動的針對性。在評估時要有針對性地建立評估指標體系,選擇合理的評估模型和評估方法。

2)客觀性。構建是對戰場電磁環境的模擬,評估時需要將模擬環境與目標環境的情況相比較,評估結果主要受方法、數據的影響,不受環境使用用戶的意志影響。

3)系統性。電磁環境逼真度評估需要考慮模擬環境和目標環境的結構、要素組成及特點規律等多方面因素的影響,在此基礎上對電磁信號特性和能效數據進行相似性分析,確保逼真度評估的系統性、完整性。

2 框架設計

為系統地從全局上把握電磁環境逼真度評估理論,應該建立它的理論框架結構,從頂層和總體上明確主要研究內容及其關系。遵循從理論方法到應用實踐的原則,將理論研究框架分成指導層、理論層、方法層及應用層等4個層面,如圖1所示。

為更好地描述和分析該理論框架,可以用FEFV=＜G,T,M,A,R＞五元組來表示。

1)G(Guidance)為指導層,是基于已有的成熟理論,在宏觀上為電磁環境逼真度評估提供指導和支撐,包括綜合集成方法、相似性科學理論等。

2)T(Theory)為理論層,主要對電磁環境逼真度評估的基礎理論進行研究,包括概念、框架結構、對象、原則、特點、程序和內容等。

圖1 電磁環境逼真度評估的理論研究框架結構Fig.1 The theory study framework for fidelity evaluation of electromagnetic environment

3)M(Method)為方法層,主要研究電磁環境逼真度評估方法與技術。其中,電磁環境解析技術是指輻射電磁波在時域、空域、頻域、能域上的分析與計算,用于電磁環境特征描述及參量計算,能夠進行電磁環境的分析,包括復雜電磁環境分級方法和威脅電磁環境分級方法[11—14]。相似度評估方法是指基于相似性科學理論的評估方法[15—16]。多指標綜合評價方法[17—18]是指綜合使用層次分析法、模糊綜合評判法、模糊層次分析法以及灰色綜合評價法等來定性和定量地對模擬電磁環境的逼真度加以評估。

4)A(Application)為應用層,主要是輔助軟件工具、電磁環境逼真度評估模型與應用的研究與開發,為評估提供相應的支持與輔助。

5)R(Relation)表示各層之間的關系。指導層在總體和宏觀上為其他各層提供方法論指導;理論層在基礎理論方面為方法層和應用層提供理論依據和支撐;方法層是理論層研究成果向應用轉化的紐帶;應用層是其它各層研究的最終實現目的。

在該框架結構中,隨著電磁環境逼真度評估研究層次的提高,研究工作的技術性、具體性逐漸增強,而理論性和抽象性逐漸減弱。研究過程符合事物的一般發展規律,即從定性研究走向定量研究,從理論研究走向應用研究。當應用研究遇到困難,無法解決現實問題時,就需要方法研究來滿足要求,而方法研究又需要理論上的突破。因此,電磁環境逼真度評估的研究發展方向可以描述為:(G)i→(T)i→(M)i→(A)i→(G)i+1→(T)i+1→(M)i+1→(A)i+1→…。

3 電磁環境逼真度評估基本思想

根據電磁環境逼真度評估的概念分析可知,評估與構建息息相關。總體來說,電磁環境的構建與評估包括4個方面:裝備、構建、評估和應用。四者環環相扣,形成有機整體。其中,“裝備”指裝備實體或模型;“構建”是以戰場電磁環境為參照,由構建裝備或模型生成綜合試驗環境,構建運行過程應與實際作戰運用過程相對應;“評估”是將模擬電磁環境的構成要素、信號特性和能效數據與目標電磁環境進行對比分析,以確定相對于目標電磁環境的電磁環境逼真度。最后將電磁環境構建與評估研究中所獲得的數據與結論,服務于裝備研制、試驗訓練和作戰應用。電磁環境構建與逼真度評估之間的關系如圖2所示。

圖2 電磁環境構建與逼真度評估的關系Fig.2 The relation between construction and fidelity evaluation of electromagnetic environment

可以看出,電磁環境逼真度評估是建立在裝備與構建的基礎上,并直接服務于應用目的的。根據評估需求和應用目的不同,電磁環境逼真度評估可以分為2個層次。

1)基于信號特性的電磁環境逼真度評估。從電磁環境信號特性分析入手,將模擬電磁環境與目標電磁環境刻畫為各種信號狀態特征,通過提取電磁環境信號相似特征為相似元素,構建相似系統模型,從分析“受體”所感受到的模擬電磁環境與目標電磁環境的信號特性是否相關來判斷電磁環境的逼真性。

2)基于影響效果的電磁環境逼真度評估。在分析復雜電磁環境對電子信息裝備影響機理和電子對抗作戰機理的基礎上,以電磁環境對電子信息裝備所產生的實際影響效果為依據,分析模擬電磁環境產生的影響效果與目標電磁環境產生的影響效果是否一致。

相比于基于電磁環境信號特性的逼真度評估,第2種方法考慮的要素更加客觀全面,評估結果更有說服力,對于電子信息裝備的作戰效能評估也更有參考價值。

4 活動建模

運用功能建模語言IDEF0進行過程建模的目的是全面描述電磁環境逼真度評估的功能組成、層次結構以及信息流動,從而對電磁環境逼真度評估進行系統的設計和分析。IDEF0在過程建模中具有宏觀性、綜合性和可表達性的特點,它采用自頂向下分解的方法,支持電磁環境逼真度評估過程的分析與改進,實現對評估過程全生命周期的支持[19]。

4.1 ICOM描述

基于IDEF0建模規則分解電磁環境逼真度評估過程中的活動,并分析各活動之間的關系,評估活動包括輸入(Input)、輸出(Output)、控制(Control)和機制(Mechanism),用一個四元組形式化的表示,即:MEFV=＜I,C,O,M＞[20]。電磁環境逼真度評估的ICOM描述如圖3所示。

“I”指評估所需的資源、數據、需求和規則等,包括對目標電磁環境和模擬電磁環境的要素構成、輻射源特征、環境及信號特性和能效數據等源數據,規范完整的構建與評估規則,詳細全面的試驗需求、評估需求、目標等電磁環境逼真度評估基本配置信息。

圖3 電磁環境逼真度評估的ICOM描述Fig.3 The ICOM model for fidelity evaluation of electromagnetic environment

“C”指評估實施所受到的控制和約束,包括指導和控制構建過程的構建方案、評估指標體系、評估計劃和算法、評估要求、評估輔助軟件與工具、源數據規范以及評估活動所需數據。

“M”指參與電磁環境逼真度評估活動的預期用戶、構建小組、評估小組和領域專家。

“O”指評估結論、評估報告、評估過程和一些重要的中間數據以及有關意見和改進建議等評估生成的結果。

該ICOM模型明確描述了電磁環境逼真度評估活動的外部需求,是應用IDEF0方法進行宏觀過程描述的前提和評估活動進一步細化的基礎。

4.2 IDEF0模型

電磁環境逼真度評估活動可繼續分解為更低層次的細化模型,即將電磁環境逼真度評估過程分解為4個主要的且相互作用的階段:評估需求分析,構建評估指標體系;構建裝備或模型展開,獲取評估數據;選擇評估方法和評估工具,實施評估;處理分析評估結果,形成評估報告。如果將電磁環境逼真度評估看成是一個運行的系統,那么它的每個階段都包含著執行相關功能所涉及的流程、信息、系統和人員。將評估各階段與ICOM描述關聯起來,可得到電磁環境逼真度評估過程的IDEF0形式模型,如圖4所示。

圖4 電磁環境逼真度評估過程的IDEF0模型Fig.4 The IDEF0 model for fidelity evaluation process of electromagnetic environment

在具體實施評估的過程中,環境構建小組與評估小組須加強協同,并充分發揮領域專家的作用,從總體上對電磁環境逼真度評估進行規劃和設計,制定合理詳盡的評估計劃和科學完備的評估指標。它們的制定必須參考電磁環境構建方案、相關的數據規范以及合適的評估算法,以指導和控制評估活動的實施。

5 基于相似系統理論的電磁環境逼真度評估方法

根據相似系統理論,如果兩個系統組成要素之間存在相同或相近的特征,那么這兩個系統之間存在相似性。對應要素互為相似要素,每一對相似要素構成一個相似元。系統間的相似性大小與系統組成要素多少及其特征有關,與系統間相似要素數量和相似要素的相似程度大小有關[21]。

文中將目標電磁環境和模擬電磁環境與特定的受體(被試裝備或系統)相關聯,并把電磁環境抽象為以不同類型電磁信號作為要素組成的系統。該系統中所包含的電磁信號類型與所針對的受體密切相關,進而運用相似系統理論,通過分析比較特定受體在目標電磁環境和模擬電磁環境中所能感知到電磁信號特征的相似程度,評估兩個電磁環境的相似度(即:模擬電磁環境相對于目標電磁環境的逼真度)。

1)根據受體的電磁信號感知能力,對目標電磁環境和模擬電磁環境中的電磁信號進行篩選,選擇那些在波束空間上與受體交叉、在工作時間上與受體重合、在工作頻段上與受體重疊、在信號能量上能被受體靈敏接收、在極化方式上與受體非正交、在調制樣式上與受體相同或相近的電磁輻射源。

2)分別著眼于目標電磁環境和模擬電磁環境,對篩選過程中所選擇的電磁輻射源所產生的信號進行分類。例如:劃分為雷達信號、雷達干擾信號、通信信號、通信干擾信號、光電信號、光電干擾信號、導航信號、導航干擾信號、敵我識別信號、敵我識別干擾信號等。將目標電磁環境和模擬電磁環境抽象為由上述電磁信號類型中的1種或多種所組成的系統,并以信號類型作為相似要素建立兩個系統之間的1個或多個相似元。

3)確定相似要素(即:每個信號類型)的相似特征取值,計算每對相似要素所對應相似元的各個特征相似度。對于一種類型的電磁信號來自于2個或多個輻射源的情況,確定相似特征取值時要考慮疊加后的綜合效應,例如脈沖流復合、能量疊加等。

4)計算每個相似元的數值。針對每個相似元,對其所有的特征相似度進行加權求和,每個特征相似度的權重根據該特征在刻畫信號特性方面的重要性確定。例如,對雷達干擾信號,干擾功率和干擾樣式這兩項信號特征的重要性要高于其他信號特征。

5)計算目標電磁環境和模擬電磁環境之間的相似度。對所有的相似元數值進行加權求和,每個相似元的權重應綜合考慮受體信號特性等因素來確定。例如,如果雷達裝備作為受體,雷達干擾信號類型所對應的相似元權重要高于其他信號類型。

6 結語

電磁環境構建的逼真度直接影響裝備試驗的最終評價結果,但由于電磁環境的復雜性,逼真度評估一直是電磁環境構建與評估領域的一個難題。文中深入剖析了電磁環境逼真度評估的定義、特性、研究框架、基本思想及評估過程,從總體上明確了電磁環境逼真度評估的理論框架、研究內容和方法思路,這些理論是研究電磁環境逼真度評估的基礎。研究成果能夠有效指導裝備試驗電磁環境構建逼真度評估的研究與應用,但鑒于文中主要是針對總體理論框架研究,沒有過多深入逼真度計算的具體細節技術,所以未來在電磁環境逼真度評估指標、定量計算模型、評估工具開發等方面還有待進一步研究。

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Research on Fidelity Evaluation of Electromagnetic Environment Simulation Construction in Equipment Test

JIN Zhao,XU Zhong-fu,GAO Jin-tao,LI Guang-dong
(EETC,Luoyang 471003,China)

Objective To study the fidelity evaluation of electromagnetic environment simulation construction in equipment test.Methods Based on the analysis of the conception and characteristics of fidelity evaluation of electromagnetic environment,this paper established four hierarchies of the general study framework for fidelity evaluation from methodology, theory,technique and application,and clarified the basic idea for fidelity evaluation,and established the function and process model of evaluation with IDEF0 method,and presented a fidelity evaluation method based on the similarity system theory.Results This paper presented the concept of electromagnetic environment's fidelity,identified the overall theory framework,concrete contents and research methods of electromagnetic environment fidelity evaluation.Conclusion These ideas formed the basic theory and method system about fidelity evaluation of electromagnetic environment from the top-level.

electromagnetic environment;fidelity;evaluation

10.7643/issn.1672-9242.2014.05.007

TJ06

:A

1672-9242(2014)05-0032-06

2014-04-14;

2014-05-27

Received:2014-04-14;Revised:2014-05-27

“十二五”裝備預先研究項目(51333030103)

Fund:Supported by the"Twelfth Five-Year"Equipment Pre-research Program(51333030103)

金朝(1979—),男,河南人,碩士,工程師,主要研究方向為電子對抗試驗訓練,電磁環境的構建與評估。

Biography:JIN Zhao(1979—),Male,from Henan,Master,Engineer,Research focus:electronic warfare test and training,electromagnetic environment construction and evaluation.