微波暗室中基于開關切換的動態干擾仿真方法

高 穎，姜 濤，王阿敏，郭淑霞

(1.西北工業大學航海學院，710072 西安;2.中國電子科技集團第十研究所，610031 成都;3.西北工業大學無人機特種技術重點實驗室，710065 西安)

微波暗室中基于開關切換的動態干擾仿真方法

高 穎1，姜 濤2，王阿敏1，郭淑霞3

(1.西北工業大學航海學院，710072 西安;2.中國電子科技集團第十研究所，610031 成都;3.西北工業大學無人機特種技術重點實驗室，710065 西安)

為了準確實時復現航空通信系統數據鏈路中復雜電磁空間環境，本文進行了動態干擾仿真.在靜態暗室中設計一種能模擬真實飛行過程抗干擾的半實物仿真系統，并分析了航空通信系統數據鏈路的特性.在微波暗室中復現動態干擾時，通過微波儀表的控制實現電磁空間環境動態干擾的映射構建.采用參數化模型表征技術實時建立相應的動態干擾模型，并利用最小均方值方法設計出與其匹配的干擾切換的輸出算法，利用動靜結合的方法仿真實現了微波暗室中通過靜態喇叭模擬動態干擾模擬功能.驗證結果表明，采用本文的方法能夠逼真的反映飛行器在真實環境下所受動態干擾的影響，該仿真系統的研究對提高航空通信系統數據鏈路的抗干擾性能具有參考意義.

場景映射;微波開關切換;動態干擾模擬;儀表驅動;抗干擾性能

隨著電磁空間環境越來越成為制約航空通信系統發展趨勢的關鍵因素，越來越多的學者對電磁空間環境的模擬仿真進行細致而詳盡的研究.文獻［1］是以王汝群的電磁空間環境理論為基礎進行的理論研究，沒有生成模型和進行仿真驗證;文獻［2］對以雷達為主體構成的電磁空間環境進行了建模和仿真;文獻［3］是圍繞復雜電磁空間環境中的動態背景信號，基于“軟件無線電”的思想進行設計與實現;文獻［4］針對戰術通信訓練電磁環境特點，提出了應用拋物型方程和神經網絡對電磁環境模擬仿真的方法;文獻［5］提出了復雜電磁空間環境的構建方法，構造了復雜電磁環境仿真涉及的主要數學模型;為了更加真實的模擬航空通信系統的動態干擾，文獻［6］利用微波暗室模擬仿真復雜電磁空間環境，并指出微波暗室的設計規則與測試方法;文獻［7］將微波暗室改造為多發射天線測試環境，提出一種基于已有微波暗室相關結構限制條件下的、接收機所接收衛星導航信號模擬環境的DOP值計算方法;文獻［8］開發和演示1個可擴展的計算機電磁環境仿真軟件，解決現實的物體和復雜的幾何結構的雷達電磁環境的散射截面;文獻［9］在微波暗室中對電磁干擾進行了系統的模擬仿真，并評估了干擾對于通信系統的性能影響;在模擬復雜電磁空間環境中的動態干擾時，文獻［10］完成了微波暗室運動平臺的機械結構、控制系統、軟件及通信系統的設計，并對系統指標進行了實驗檢驗.

綜上可知，利用微波暗室來模擬仿真復雜的電磁空間環境已經成為主流趨勢，相應的理論與算法也日趨成熟，但是在實現動態干擾仿真時，文獻［3］存在頻率范圍過窄，實時信號處理能力較弱的不足，而文獻［10］是通過改變微波暗室運動平臺的機械結構來實現動態干擾模擬，雖然更為逼真的再現動態干擾過程，但付出的暗室改造成本過高，難以推廣.本文基于靜態輻射天線的微波暗室，設計了能模擬真實飛行過程中抗干擾的半實物仿真系統，在微波暗室中復現動態干擾時，通過動態切換微波開關來調整信號模擬的輸入輸出，從而真實實時的模擬每一時刻(仿真節拍)的飛行器接收到的干擾與通信信號，并通過實驗結果來驗證通過動態微波開關的切換可以更準確、實時的再現航空通信系統面臨的復雜電磁空間環境，最后對其抗干擾性能進行驗證.結果表明，采用基于微波開關切換的暗室中動態干擾仿真方法的抗干擾性能優于靜態不動的干擾仿真方式，可滿足準確實時復現航空通信系統數據鏈路中的復雜電磁空間環境動態干擾的需求.

1 半實物仿真系統組成

微波暗室半實物環境模擬電磁空間環境方法的逼真度僅次于外場全實物模擬，它由微波暗室、射頻信號輻射器、射頻信號產生器、計算機系統及監視系統等部分組成，可為輻射無線電騷擾(EMI)和輻射敏感度(EMS)測量，利用微波暗室能更加逼真的復現航空通信系統數據鏈路中的復雜電磁空間環境.本系統基于微波暗室的半實物仿真的系統如圖1所示.

基于微波暗室的半實物仿真系統硬件組成以總控機為核心，通過16口的光纖通信模塊連接發射機、評估機、接收機及8個干擾模擬源設備，并通過8入8出的微波開關將各個干擾模擬設備生成的干擾信號，根據與其匹配的干擾切換的輸出算法，有選擇性的映射到綜合性能測試的微波屏蔽暗室里面的輻射天線上，完成整個航空通信系統數據鏈路工作過程中面臨的動靜態干擾模擬的仿真過程［11］.

圖1 基于微波暗室的半實物仿真系統

2 微波暗室中的復雜電磁環境場景映射

基于微波暗室的半實物電磁空間環境的干擾仿真系統，通過軟件界面可快速的構建用戶指定的飛行器模擬通信過程中的干擾場景，并實時傳遞干擾信號參數到微波儀表，進行飛行器與干擾的位置及功率信息的模擬，完成干擾在微波暗室的逼真實時復現.本系統的仿真流程如圖2所示.

圖2 基于微波暗室的半實物仿真系統流程圖

基于微波暗室的半實物電磁空間環境的干擾仿真系統，首先從系統校準開始，包括計算各路信號模擬的功率補償、系統誤差等.然后通過二維圖標操作的交互手段，用戶可快速構建指定的仿真場景，設置場景的初始化信息.同時，依據初始仿真場景數據進行系統的初始化設置:1)計算各干擾與飛行器之間的相對位置關系(方位角、俯仰角)，功率關系，并進行干擾其他參數值的設置、選擇干擾的模擬設備;2)根據系統校準數據，設定各路信號(干擾、遙控信號)模擬的功率補償值.仿真啟動后，控制模擬儀表按相應的參數設置輸出模擬信號，并接收各儀表的執行反饋，進入下一仿真節拍，其中在1個仿真節拍中系統仍然計算各干擾與飛行器之間的相對位置關系(方位角、俯仰角)，功率關系，控制微波開關切換至相應的輻射天線，設置新的功率參數，進行干擾模擬輸出，直至整個仿真節拍的結束.

2.1 仿真場景的快速構建

整個系統的仿真場景設置，可通過對飛行器、干擾、地面站等二維圖標的點擊，快速地在大地形中進行設置，并可通過拖曳或手動輸入設置它們的位置信息及各自的航跡、速度等動態信息，從而完成1個動態干擾的仿真場景搭建.其效果示意圖如圖3 所示［12］.

2.2 多種模式的仿真設置

針對不同數據及相應的仿真需求，系統采取多種模式的仿真設置［12］，包含了數字式仿真和非數字式仿真，其中這兩部分都包含了儀表模擬和實物模擬，系統仿真模式如圖4所示.

圖3 仿真場景的快速構建示意圖

圖4 多種仿真模式

1)數字式仿真.數字式仿真提供開放的數字式仿真接口，通過導入數字式的仿真數據，完成對測試場景的構建，對相關參數進行設置，并結合微波暗室等實物動態切換仿真過程中的開關，達到逼真復現數字式仿真過程與結果.

2)非數字式仿真.非數字式仿真包含了儀表模擬和實物模擬，非數字式仿真要求用戶根據需求完成對仿真場景及相關參數的初始化設置，并結合微波暗室等實物，動態切換仿真過程中的開關，達到逼真復現非數字式仿真過程與結果.

3)儀表模擬.儀表模擬通過一系列微波儀表(如SMU200A、E8267D、SMF100A 矢量信號發生器及信號分析儀等)來模擬產生指定參數的干擾信號，并對功率進行實時輸出.

4)實物模擬.實物參與的干擾模擬可精確地模擬干擾環境，實物模擬采取電控衰落模擬器來實時模擬生成準確的干擾衰落信號.

3 動靜結合動態干擾仿真方法

3.1 動態開關切換模擬動態干擾

在微波暗室中復現航空通信系統面臨的復雜電磁環境場景中，各個干擾的位置可以通過主控程序動態的切換微波開關來選擇最為接近真實電磁信號輻射的輸出，而輻射的功率則要改變干擾的功率設置來達到下一仿真節拍的輻射功率值.

復雜電磁環境模擬控制模塊中，多路電磁信號的模擬與動態開關切換輸出流程示意圖如圖5所示.

多路電磁信號的模擬與動態開關切換過程中，需要實時解算干擾與地面站相對于航空通信系統的方位角與俯仰角及輻射功率，通過比對角度關系設置功率參數，并通過動態切換微波開關完成干擾模擬源的干擾信號輸出，其場景設置與微波暗室的角度與功率關系映射解算具體步驟如下.

圖5 多路電磁信號的模擬與動態開關切換輸出流程圖

航空通信系統飛行場景的描述如圖6～7所示，設置航空通信系統的飛行航道，并放置干擾.系統仿真開始之前，根據場景的初始化信息，代入八路干擾與航空通信系統在電子沙盤坐標系中的坐標值，分別解算出八路干擾相對于航空通信系統的俯仰角，與微波暗室中的輻射天線的俯仰角進行比對，選擇最為接近的輻射天線作為此干擾的輻射源輸出，在微波開關中切換，關聯俯仰角度關系最為接近的場景中干擾模型與微波暗室中輻射天線，依次計算八路干擾的俯仰角，各自完成角度比對，由主控程序進行微波開關動態切換的控制，完成逼近真實干擾的模擬輸出.

圖6 航空通信系統飛行場景圖

圖7 航空通信系統動態仿真場景

假設航空通信系統當前飛行場景如圖7所示，以干擾3為例進行方位角和俯仰角的計算.航空通信系統當前位置為(x，y，z)，干擾3當前位置為(xt，yt，zt)，地面站當前位置為(x'，y'，z')，定義干擾相對方位角為θ，相對俯仰角為φ，可以通過計算干擾相對y軸的夾角和地面站相對y軸夾角之差得到干擾相對方位角，通過計算干擾和飛機相對位置與z軸角度得到相對俯仰角［13］.

計算得到航空通信系統與干擾的方位角后，為了完成進一步復現，需要為干擾匹配暗室中方位最優天線，其相關的算法如下:

1)首先假設 a［8］={10，20，30，40，50，60，70，80}(單位為度)表示靜態喇叭在微波暗室中的角度，而這些角度可以由仿真前人為設定，然后，將實時仿真中輸入的干擾相對于飛行器的角度按照大小順序進行排列，設干擾的個數為c，則由實時解算的角度為b［c］.

2)當max(b［c］)＜ min(a［i］)，即實時角度都小于設定角度，或 min(b［c］)＞ max(a［i］)，實時角度都大于設定角度時，用實時角度b［c］按照由小到大的順序設定相應的a［i］并順序模擬.

3)當 b［c］中有實時角度在 a［i］區間內，則通過計算每個實時角度與設定角度的最小均方值，取其最小值，如下式所示:

式中:匹配相應的b［m］與a［n］，則實時第m個角度可由第n個設定角度模擬，得到最佳的仿真效果.

4)最后，通過實時切換微波開關，將對應的實時角度的干擾與設定角度的輻射天線關聯.此算法完成了航空通信系統與干擾之間位置的相對比較，實現了8入8出微波開關的動態切換功能，其開關切換顯示效果如圖8所示.

圖8 微波開關動態切換示意圖

圖9和圖10分別為仿真環境下t0時刻(微波開關切換前)與t1時刻(微波開關切換后)干擾的輻射輸出場景映射的效果示意圖.

圖9 t0時刻(微波開關切換前)干擾的輻射輸出場景映射圖

圖10 t1時刻(微波開關切換后)干擾的輻射輸出場景映射圖

復雜電磁環境模擬完成對多路、不同形式的電磁信號的模擬與控制.隨著仿真的進行，在對多路電磁信號的模擬過程中，干擾與信號源相對于飛行器的相對位置關系(方位角與俯仰角)與對飛行器機載接收端的輻射功率在變化，所以在整個仿真的每個節拍中干擾與信號源的位置與功率都需要不斷的調整.

在系統仿真過程中，仿真的每一幀在飛行器接收機端，干擾與通信信號的功率隨著飛行器飛行仿真而實時動態變化，通過研究實時動態的功率解算公式可提供準確的干擾與通信信號的功率值［14］，為飛行器在復雜電磁環境中的抗干擾性能評估提供功率基礎.

以下的功率解算公式，提供實時動態的干擾或通信信號到飛行器接收機端的功率值.

其中:a表示設定的發送功率;b表示發射天線增益;fWaveFreq表示載波頻率;fMeter表示飛行器與信號源(干擾源或通信信號地面站等)的距離.

3.2 基于腳本的儀表驅動技術

由于系統模擬了多路干擾信號與通信信號，而對其進行模擬，則需采用多個多種的微波儀表設備，因此，本系統中針對不同的干擾類型對應不同的儀表，軟件智能顯示可用儀表，并通過比對相同名稱的儀表名與腳本名來給相應的儀表加載匹配的腳本文件［15］，此腳本文件包含大量的儀表驅動時的參量及驅動儀表的指令.

本系統在數據庫中定義了多種干擾類型所相應的儀表類型，如圖11所示.

圖11 數據庫中定義的微波儀表及可模擬的干擾類型

針對不同的干擾及信號，分別由不同的儀表類型來驅動，選擇儀表后會調用相應儀表的腳本程序，如圖12所示.加載對應儀表的驅動腳本，進一步節省系統的處理時間，提高系統相應速度，提升微波儀表的實現模擬效率，完成儀表的有效管理.

圖12 可供微波儀表驅動的腳本程序

4 實驗仿真結果

仿真場景設定為飛機按照大陸－海洋－半島的飛行仿真路線，實時與地面站進行通信，同時，分布三路干擾分別位于沿海陸地、海洋上及海洋島嶼中，三路干擾類型為脈沖干擾、脈內線性干擾及其他混合干擾，其隨著通信信號與干擾之間信噪比變化，呈現出來的誤碼率關系如圖13所示.

圖13 動態開關切換與靜態開關切換的誤碼率

由于仿真初始化時，干擾的實時角度與設定角度差距較大，所以其誤碼率偏高，而隨著仿真的進行，飛行器與干擾的角度逐漸趨于穩定，則其誤碼率迅速下降.而利用動態開關切換控制動態干擾的模擬，與靜態開關切換的誤碼率對比，在相同的電磁空間環境仿真場景與干擾分布環境下，利用動態微波開關切換的仿真方式，隨著信噪比的增大，呈現誤碼率明顯減小的趨勢，并且對比傳統的靜態開關切換的方式，整個航空通信系統的誤碼率有明顯的下降.

4 結論

1)基于微波暗室完成了半實物仿真系統組建，用于模擬電磁空間環境，通過對各種仿真場景的快速構建，本文中系統可實現多種模式的仿真，控制微波儀器、開關及程控衰減器等物理硬件可更加逼真實時的再現復雜電磁空間特性.

2)在靜態暗室中模擬動態干擾時，設計了基于最小均值的干擾匹配輸出算法，可實時在每一仿真節拍中通過控制微波開關切換，達到較好的動態干擾模擬效果，并與靜態的干擾輸出算法進行了比較，結果表明基于微波開關切換的動態干擾模擬方法在降低通信系統誤碼率的條件下，實時逼真性也得到保障.

3)由于系統中采用了多種的微波儀器，因此針對不同的干擾及信號，可分別由不同的儀表類型來驅動，本文設計了相應儀表的腳本程序，加載對應儀表的驅動腳本，能進一步節省系統的處理時間，提高系統相應速度，提升微波儀表的實現模擬效率，完成儀表的有效管理.

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Dynamic interference simulation method based on switching in the microwave chamber

GAO Ying1，JIANG Tao2，WANG Amin1，GUO Shuxia3
(1.Collage of Marine Engineering，Northwestern Polytechnical University，710072 Xi＇an，China;2.10th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，610031 Chengdu，China;3.Science and Technology on UAV Laboratory，Northwestern Polytechnical University，710065 Xi＇an，China)

To accurately and real-time reproduce complex electromagnetic space environment of aeronautical communications system data link，the dynamic interference was simulated.A semi-physical simulation system is designed to simulate the real flight’s anti-interference in static microwave chamber，then the characteristics of aeronautical communications system’s data chain is analyzed，when reproducing the dynamic interference in the anechoic chamber，the electromagnetic space environment’s dynamic interference mapping is achieved through the control of microwave instruments.The corresponding dynamic interference model is built in realtime by using the parametric model characterization techniques，and its matching output switching interference algorithm is designed by using the least mean square method.Thus，the function of simulating the dynamic interference through a static radio trumpet in the microwave chamber is realized by the method of combining static and dynamic simulation.Finally，the verification for anti-interference performance shows that the dynamic interference’s impact on the aircraft can be realistically reflected by the method of simulating dynamic interference in the anechoic chamber based on the microwave switch.The study of the simulation system can greatly improve the anti-interference performance of aeronautical communications system data chain.

scene mapping;microwave switching;dynamic interference analog;instrument drive;antiinterference performance

TP391

A

0367－6234(2014)03－0104－06

2012－12－21.

武器裝備部重點預研基金資助項目(9140A04020212 HK03010).

高 穎(1965—)，男，副教授.

高 穎，gaoying@nwpu.edu.cn.

(編輯 張 宏)