基于場景定義的電磁環境模擬系統設計

韓 慧，吳若無，陳 翔

(電子信息系統復雜電磁環境效應國家重點實驗室，河南 洛陽 471003)

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基于場景定義的電磁環境模擬系統設計

韓 慧，吳若無，陳 翔

(電子信息系統復雜電磁環境效應國家重點實驗室，河南 洛陽 471003)

電磁環境的模擬是開展電磁環境效應研究的基礎。針對電磁環境逼真構建的問題，基于面向受體實時生成與場景定義相一致的電磁環境的設計思想，提出了一種電磁環境模擬系統設計方法。給出了系統結構框架、場景定義設計和電磁信號生成設計，并對系統實現的關鍵技術進行了分析。場景定義單元通過對實體、信號環境、行為的編輯實現電磁環境場景自定義，并驅動信號生成單元；信號生成單元采用軟件無線電思想，基于預定義場景進行信號模擬，產生真實信號環境。

場景定義；電磁環境；信號生成；模擬

0 引言

隨著人類社會活動的發展、軍事電子信息技術的進步以及軍事對抗強度的增加，戰場電磁環境呈現出日趨復雜的發展態勢，會對現在電磁環境敏感度越來越高、具有電磁脆弱性的電子信息系統的工作性能和應用效能，甚至生存能力產生深刻影響。開展電磁環境綜合效應研究及復雜電磁環境下試驗，構建逼真且動態可控的電磁環境問題受到廣泛關注。電磁環境的模擬是開展電磁環境效應研究的基礎，它不但能為電子信息系統各研發階段提供相應的實驗測試電磁環境，以便對其技術指標進行測試驗證，也可為其實際應用提供與真實工作場景一致的電磁環境，以用于開展系統效能及適應性試驗與評估。

國內外對電磁環境構建方法開展了大量的研究，設計并實現了多種電磁環境模擬系統，這些模擬試驗系統經過不斷補充和更新，模擬技術日益完善，具備頻率范圍寬、生成的輻射源數量多、信號密度高、信號波形復雜等特點。但也存在單方面追求電磁環境構成上的逼真性，而忽視了電磁環境與電子信息系統之間的效應相關性和動態過程的問題，使得實踐中難以構建真正逼真、有效的電磁環境。電磁環境構建中，要盡可能真實地反映預期電磁環境，表現設備與環境的關系，就需要把設備效應和設備所處的電磁環境結合起來，以受體設備感受的真實電磁環境為目標，針對可能存在的輻射源目標、所面臨的作戰想定、所處地域的地理信息及傳播因素等設定電磁環境，并解決信號環境生成的實時性、動態可控性、可重復性等問題，才能為實驗和訓練提供近實戰化的電磁環境。

本文正是基于面向受體實時生成與場景定義相一致的可控電磁環境的設計思想，將電磁環境場景設計、信號生成與裝備感受結合起來，設計了基于場景定義的電磁環境模擬系統，為電磁環境效應實驗及電子信息系統電磁環境適應性試驗所需的實時可控可重復的電磁環境構建提供支持。

1 系統組成

1)設計思想

基于場景定義的電磁環境模擬系統的設計思想是：以構建電磁環境效應實驗或復雜電磁環境條件下，受體設備所面臨的真實電磁環境為目標，基于軟件平臺定義可編程腳本化的電磁環境場景，充分反映與受體設備相關的輻射源特征、地域特征、傳播條件、多徑等的影響，以及輻射源和受體設備在場景中的位置信息，依據作戰想定編輯任務命令驅動實體行為，實現電磁環境建模與可視化仿真，并將場景命令轉換為參數模型，驅動信號發生器生成與場景定義相一致的真實信號環境，以支持開展電子信息系統電磁環境效應實驗及射頻推演。

2)系統結構

系統主要由電磁環境場景定義單元和電磁信號環境生成單元兩部分組成，如圖1所示。

圖1 系統組成圖

系統設計基于軟件平臺完成基本場景編輯、電磁環境建模與可視化，驅動硬件平臺實現與定義的電磁環境相一致的電磁信號環境的生成?；趫鼍岸x的電磁環境模擬系統結構設計如圖2所示。

圖2 基于場景定義的電磁環境模擬系統結構圖

在電磁環境的基本場景輸入中，主要設計從頻率和調制模式、設備地理信息、設備間距離、設備傳輸狀態、環境效應、地形地貌六個方面的信息來反映所需電磁環境的特征；結合要素模型將基本場景信息轉換為數學模型參數，通過加載信號和傳播模型模擬信號從輻射源到裝備天線端口的傳播過程，實現對裝備面臨的電磁環境的自定義生成，一方面支持電磁環境的可視化仿真，另一方面使用參數模型驅動信號發生器；信號發生器主要完成多通道時變載波的生成，實現對信號的固定時延多路徑模擬、信道衰落模擬等，模擬生成受體設備天線口面面臨的電磁環境；生成的信號環境可通過電纜注入式或輻射式兩種方式提供給受體設備，用于滿足不同條件下的電磁環境模擬需求。

2 電磁環境場景定義單元設計

電磁環境場景定義單元的主要功能是自定義電磁環境場景模式，依據模擬需求和作戰想定，在構建實體數據庫和要素模型庫的基礎上，通過場景編輯、任務編輯和數據庫編輯，實現受體設備面臨的電磁環境的自定義，并通過可視化仿真的方法直觀顯示模擬的電磁環境信息。場景定義單元的組成如圖3所示。

圖3 電磁環境場景定義單元組成圖

構建實體數據庫和要素模型庫是電磁環境場景定義的基礎，主要包括輻射源信息、地形地貌、地理信息、傳播條件、天線模型、傳播模型等信息，在具體的場景定義中，調用基本數據庫完成場景所需數據的定義；數據庫編輯是根據模擬需求和作戰想定調用基本數據庫生成場景實體數據文件，實現對模擬所需實體要素的編輯，并可在類似場景中重復使用；任務編輯主要實現任務的構建、執行和控制，一個任務就是一個腳本，通過預設一系列的任務，設置一個實體的行為，并通過時序控制進行觸發，完成信號的動態生成過程控制；場景編輯主要實現依據模擬需求定義電磁環境模擬的地域，添加各實體要素并定義實體位置，完成電磁環境模擬的實體布局，為滿足可控可重復的模擬需求，場景設置還需具備在電磁信號環境生成過程中添加實體要素、以及生成可重復調用的場景設置文件、形成場景數據庫的能力；模擬引擎是在命令驅動下完成電磁環境的模擬生成，數據接口實現對外部數據的導入及系統數據的導出，波形生成接口與信號發生器連接，驅動生成信號環境。

場景的自定義采用基本場景模塊為單元進行設計，軟件結構如圖4所示。

圖4 場景自定義軟件結構圖

場景自定義軟件由控制軟件界面、生成的場景要素集以及采集或生成的信號和噪聲數據三部分組成。其中軟件界面分成了全局參數、信號參數、多徑參數以及噪聲參數四個設置模塊?？紤]信號場景生成中的實際情況，這里把每個模塊又分成參數設置和集成參數設置兩個小模塊，參數設置模塊中的信號參數是在信號生成過程中經常變化，需要對其進行設置的參數。以信號參數設置模塊為例，信號參數設置模塊了包含了信號的輸出端口、信號路數、輸出延時、多徑開關等控制參數，這些參數都是需要根據不同環境場景來做具體設置的；與信號參數設置模塊相對應，集成信號參數模塊中涉及到的信號參數是諸如信號的增益、傳輸損耗、信號格式、讀取信號的采樣率等參數，可以結合具體場景，對上述參數做相應設置，打包成一個集成場景要素命令包，需要的時候通過集成信號選擇模塊進行選擇加載。場景要素命令集是對想定或典型通信信號場景命令的集中存儲，它分成了全局、信號、多徑、噪聲場景要素集四個部分，場景要素分模塊存儲一方面是考慮到不同場景在某些參數的設置上可能存在交集，按照分模塊的存儲方式可以減少在提取要素命令集構建場景時的工作量；另外一方面，模塊化的組合方式也使得場景的生成過程更加靈活多變。信號和噪聲數據來自于采集到的真實數據或者是按照一定數據格式人為生成的基本數據樣式。

3 電磁信號環境生成單元設計

電磁信號環境生成單元的主要功能是基于預定義電磁環境場景模式生成真實信號環境，完成多通道時變載波生成、任意載波功率、頻率、時延外貌時變模擬、信道衰落模擬、跳頻網絡模擬、發射機端相位噪聲模擬、發射機端非線性特性模擬、固定時延的多路徑信號模擬等。

電磁環境生成單元采用軟件無線電的思想，以系統總線架構為核心，主要由多部通用軟件無線電平臺USRP、存儲單元、時鐘同步模塊、天線組成，使用計算機軟件對整個系統進行控制，系統組成框圖如圖5所示。

圖5 電磁信號環境生成單元組成圖

計算機負責下達指令，將準備發射的信號在基帶進行處理后搬移到中頻，傳送到相應的USRP；總線控制系統管理著各個模塊，負責給USRP提供行動指令和傳送數據；存儲單元用于存放信號記錄設備采集的各種信號樣本；USRP用來執行計算機傳輸的各種指令，進行上變頻、信道模擬，將信號由中頻搬移到射頻。最終生成的信號通過射頻端口輸出，信號可通過合路器傳送給被測設備，也可通過天線輻射出去。

軟件功能主要包括信號生成與信號損害兩大部分，如圖6所示。

圖6 信號生成軟件功能結構圖

4 關鍵技術分析

上文給出了基于場景定義的電磁環境模擬系統的各組成單元設計，在系統的實現中還需要解決以下關鍵技術問題：

1)基于場景的電磁環境設計

基于場景的電磁環境設計是將電磁環境轉換為可編程腳本化的場景集，首先要在對預期電磁環境特性認知的基礎上，將電磁環境要素分解為可編程的場景要素，如在輻射源信息、地形地貌、地理信息、傳播條件、天線模型、傳播模型等方面創建實體要素，通過預設的實體任務控制實體的行為，從而依據需求創建復雜的可控可重復的電磁環境場景。

2)基于虛擬儀器的實時控制與仿真技術

自定義的電磁環境場景需要實現對信號發生器的控制，模擬生成與場景定義相一致的電磁信號環境?；谔摂M儀器的實時控制與仿真技術，是通過利用虛擬儀器軟件本身所具有的向下對硬件良好的虛擬控制功能，設計場景要素集，實現基本場景模塊化，控制信號發生器完成自定義的電磁信號環境生成。

3)任意體制信號模擬技術

實現任意體制信號的逼真模擬，需要對各種體制的信號建立樣本庫，以真實設備射頻端口的輸出為目標，在獲得失真鏈路傳遞函數的基礎上，對信號發生器輸出信號進行動態補償，并使用模擬控制器進行統一管理，對每一種信號都建立起對應的動態補償模型，輸出經過補償后的任意體制的信號。

4)電磁環境信息動態可視化仿真技術

電磁環境的復雜多變性造成電磁環境仿真和信號環境構建的困難，基于場景定義的電磁環境信息動態可視化仿真，是在分解電磁環境場景要素的基礎上，利用可視化技術，通過豐富的圖形、圖像處理技術和各種信息建立特殊的映射關系，并給以動態的顯示，把各類信息的操作、訪問用圖給予實現，在生成真實信號環境前實現對構建電磁環境的直觀顯示，并支持完成射頻推演。

5 結束語

本文從受體設備角度感受的真實電磁環境模擬需求出發，提出了一種基于場景定義的電磁環境模擬方法，并重點對模擬系統結構和組成單元結構進行了框架設計。電磁環境效應研究與電子信息系統適應性試驗對電磁環境模擬逼真性、動態性、針對性等需求，使得該系統的實現更具有實用性，系統的設計應用可支持室內注入式電磁環境效應實驗的研究，也可擴展應用于野外試驗電磁環境生成。后續將進一步完善系統結構，細化軟件設計，解決關鍵技術問題，完成系統的實現，并開展系統應用方法研究?！?/p>

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Design of electromagnetic environment simulation system based on scene definition

Han Hui，Wu Ruowu，Chen Xiang
(State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environment Effects on Electronics and Information System, Luoyang 471003, Henan，China)

The simulation of electromagnetic environment is the basis of the research on electromagnetic environment effect. Aiming at the problem of the realistic construction of electromagnetic environment, a design method of electromagnetic environment simulation system is brought based on the design idea of the electromagnetic environment consistent with the receptor real time generation and scene definition. The framework of the system, the definition of the scene and the design of the electromagnetic signal generation are given, and the key technologies of system implementation are analyzed. The custom of electromagnetic environment scene is achieved by the edit of entity, signal environment and behavior using the scene definition unit, and the signal generating unit is drove; the idea of software radio is adopted by the signal generating unit, and the real signal environment is produced based on the signal simulation of predefined scene.

scene definition; electromagnetic environment; signal generation; simulation

2016-05-06；2016-07-15修回。

韓慧(1980-)，女，助理研究員，碩士，研究方向為復雜電磁環境特性與模擬、通信對抗試驗技術。

TN97

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