多輻射平臺(tái)運(yùn)動(dòng)區(qū)域電磁環(huán)境預(yù)測方法*

董俊，洪麗娜，汪連棟，陳翔

(電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽　471003)

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綜合保障性技術(shù)

多輻射平臺(tái)運(yùn)動(dòng)區(qū)域電磁環(huán)境預(yù)測方法*

董俊，洪麗娜，汪連棟，陳翔

(電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽471003)

摘要：針對目前電磁環(huán)境預(yù)測手段還不能滿足未來復(fù)雜電磁環(huán)境變化要求的問題，開展多輻射平臺(tái)面臨的區(qū)域電磁環(huán)境預(yù)測方法研究，利用建模仿真方法預(yù)測多平臺(tái)區(qū)域綜合電磁環(huán)境。首先，簡要闡述了開展電磁環(huán)境預(yù)測研究的現(xiàn)實(shí)需求和總體思路。然后，從電磁環(huán)境構(gòu)成要素提取和電磁環(huán)境建模方面進(jìn)行了介紹。最后，在電磁環(huán)境建?；A(chǔ)上設(shè)計(jì)了電磁環(huán)境預(yù)測軟件系統(tǒng)，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)多輻射平臺(tái)協(xié)同工作場景中電磁態(tài)勢顯示和動(dòng)態(tài)電磁環(huán)境再現(xiàn)與分析。

關(guān)鍵詞：多平臺(tái)；區(qū)域；電磁環(huán)境；預(yù)測；建模；仿真

0引言

隨著電子信息系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，電磁輻射源數(shù)量迅速增長，導(dǎo)致開放空間、局部工作及生活空間中電磁環(huán)境變得越來越復(fù)雜。反之，日益復(fù)雜的電磁環(huán)境又會(huì)對電子信息系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響[1]。為了保證處于一定區(qū)域內(nèi)復(fù)雜電磁環(huán)境下的電子信息系統(tǒng)充分發(fā)揮其效能，必須充分認(rèn)識(shí)和了解未來可能面臨的復(fù)雜電磁環(huán)境對系統(tǒng)的影響，從而合理的運(yùn)用電子信息系統(tǒng)，這就提出了對未來復(fù)雜電磁環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測的現(xiàn)實(shí)要求[2]。

基于上述背景，本文提出一種多輻射平臺(tái)運(yùn)動(dòng)區(qū)域電磁環(huán)境預(yù)測方法，以區(qū)域內(nèi)電子信息系統(tǒng)大規(guī)模協(xié)同工作電磁環(huán)境預(yù)測為研究目標(biāo)，以機(jī)群面臨的外部干擾和內(nèi)部互擾電磁環(huán)境為研究對象，利用建模仿真的方法，建立全局干擾電磁環(huán)境和局部輻射源密集區(qū)域互擾電磁環(huán)境預(yù)測與分析模型集，開發(fā)電磁環(huán)境預(yù)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)典型區(qū)域電磁環(huán)境預(yù)測及規(guī)律驗(yàn)證，預(yù)測空中機(jī)群面臨的區(qū)域綜合電磁環(huán)境，為解決多輻射平臺(tái)外部干擾環(huán)境和內(nèi)部互擾環(huán)境預(yù)測的難題提供技術(shù)支撐。

1電磁環(huán)境要素提取

電磁環(huán)境要素提取，是進(jìn)行電磁環(huán)境建模的基礎(chǔ)。根據(jù)電磁環(huán)境現(xiàn)象產(chǎn)生和存在的物理基礎(chǔ)，將電磁環(huán)境分解為環(huán)境實(shí)體和電磁信號2部分，其物理基礎(chǔ)如圖1所示。

相應(yīng)的，對于電磁環(huán)境要素的提取，將要素分為2類： 實(shí)體構(gòu)成要素和信號環(huán)境要素。實(shí)體構(gòu)成要素用來描述形成區(qū)域電磁環(huán)境的實(shí)體環(huán)境，信號環(huán)境要素用來描述由實(shí)體構(gòu)成要素形成的空中平臺(tái)運(yùn)動(dòng)區(qū)域空間電磁信號環(huán)境。根據(jù)上述分類提取下列實(shí)體構(gòu)成要素和信號環(huán)境要素，如圖2所示。

圖1　電磁環(huán)境的物理基礎(chǔ)Fig.1　Physical basic of electromagnetic environment

2電磁環(huán)境要素建模

2.1輻射平臺(tái)外部干擾電磁環(huán)境建模

為了準(zhǔn)確地表現(xiàn)平臺(tái)外部干擾電磁信號環(huán)境，對信號環(huán)境進(jìn)行定量的表述，并為復(fù)雜電磁環(huán)境的仿真與預(yù)測提供充分的模型支持，在對電磁環(huán)境構(gòu)成要素進(jìn)行概念抽象的基礎(chǔ)上，對平臺(tái)、設(shè)備和傳播環(huán)境進(jìn)行數(shù)學(xué)模型抽象和分解，分別建立信號環(huán)境模型、天線模型、傳播模型、仿真共用模型。根據(jù)脈沖、 連續(xù)波和噪聲信號的特點(diǎn)分別建立3類信號的描述模型，根據(jù)信號樣式建立信號模型，根據(jù)信號的傳輸路徑建立信號傳播模型，全部模型如圖3所示[3-4]。

圖2　區(qū)域空間電磁環(huán)境要素Fig.2　Electromagnetic environment elements of region

數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用參數(shù)根據(jù)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)區(qū)域和電子信息設(shè)備使用情況確定，主要關(guān)注信號模型、信號描述模型、信號傳播模型和天線模型。根據(jù)天線掃描樣式、掃描速度確定天線掃描模型的參數(shù)設(shè)置；根據(jù)設(shè)備天線特點(diǎn)，確定天線方向圖模型及參數(shù)設(shè)置；根據(jù)航線和天氣情況等確定信號傳輸模型及參數(shù)設(shè)置。

上述模型中，信號描述模型主要用于對信號變化特征進(jìn)行描述，是進(jìn)行電磁環(huán)境預(yù)測結(jié)果可視化的重要基礎(chǔ)。

脈沖信號描述字(pulse description word,PDW)定義為：{ 脈沖前沿到達(dá)時(shí)間(time of arrival,TOA)、脈沖載頻(radio frequency,RF)、脈沖功率密度(power density,PD)、相位(phase,PH)、脈沖寬度(pulsewidth,PW)、脈沖到達(dá)角(angle of arrival,AOA)}。

連續(xù)波信號描述字(signal description word,SDW)定義為：{ 信號瞬時(shí)頻率(carrier frequency,CF)、平均帶寬(mean band width,MBW)、平均時(shí)寬(mean time width,MTW)、帶內(nèi)頻譜序列(frequency spectrum sequence,FSS)、帶內(nèi)功率密度序列(power density spectrum sequence,PDSS)}。

噪聲統(tǒng)計(jì)信號描述字(noise description word,NDW)定義為：{ 噪聲調(diào)制類型(noise modulation,NM)、噪聲功率密度(noise power density,NPD)、噪聲干擾信號帶寬(noise band width,NBW)}。

部分信號描述模型如下：

(1) TOA模型

脈沖前沿到達(dá)時(shí)間TOA主要和脈沖發(fā)射時(shí)間t及脈沖傳播時(shí)間τ有關(guān)，第n個(gè)雷達(dá)脈沖的TOA表達(dá)式為

TOA(n)=t(n)+τ(n)，

(1)

式中：脈沖發(fā)射時(shí)間t與雷達(dá)的脈沖重復(fù)周期PRI有關(guān)，脈沖傳播時(shí)間τ與傳播距離R及傳播速度c等因素有關(guān)。對于脈沖發(fā)射時(shí)間，如果上一脈沖發(fā)射時(shí)間為t(n-1)，則

t(n)=t(n-1)+PRI，

(2)

對于重頻固定雷達(dá)，PRI模型為

PRI=PRI0+N，

(3)

式中:PRI0為雷達(dá)脈沖重復(fù)周期；N為隨機(jī)噪聲，服從均勻分布。

(2) MBW模型

(4)

式中：s(t)為時(shí)域連續(xù)波信號。

(3) MTW模型

(5)

式中：S(ω)為連續(xù)波信號頻譜。

2.2多輻射平臺(tái)內(nèi)部互擾電磁環(huán)境建模[5-7]

針對平臺(tái)本身所攜帶的電子信息設(shè)備可能產(chǎn)生多平臺(tái)間互相干擾的問題，建立平臺(tái)模型和平臺(tái)天線模型，剖分之后進(jìn)行電磁場問題求解。

圖3　外部干擾電磁環(huán)境模型Fig.3　Model of exterior jam electromagnetic environment

針對具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的平臺(tái)及天線系統(tǒng)，根據(jù)惠更斯等效原理選擇合適的閉合面的S，并設(shè)置等效源(惠更斯源)的源分布—表面電流密度Js與表面磁流密度Jms。以S面為界將平臺(tái)及天線系統(tǒng)分解為2個(gè)關(guān)聯(lián)的問題：內(nèi)問題和外問題。為了應(yīng)用等效原理，以飛機(jī)及機(jī)載天線為對象，以天線閉合面S為等效面，在等效面S上設(shè)置外法向單位矢量n，如圖4所示。

圖4　等效問題Fig.4　Epuivalence problem

內(nèi)問題(天線結(jié)構(gòu))包含原有天線，S面內(nèi)原來的場和S面外的零場。根據(jù)等效原理，除了天線上的激勵(lì)源，還需要在S面設(shè)置表面電流-Js和表面磁流-Ms，其中

(6)

(7)

同理，外問題(地面結(jié)構(gòu))含有原來地面的幾何結(jié)構(gòu)，S面外原來的場和S面內(nèi)的零場。除此之外，也需要在S面上設(shè)置表面電流Js和表面磁流Ms，其中E, H是原問題中沿S上的電場和磁場。對于不

同的平臺(tái)結(jié)構(gòu)表面使用不同的數(shù)值方法進(jìn)行計(jì)算。對于圖5的等效問題來說，內(nèi)問題和外問題以等效電流和磁流作為銜接，共享表面電流信息，從而完成原問題整個(gè)結(jié)構(gòu)的等效計(jì)算。

建立了平臺(tái)模型和天線模型之后，運(yùn)用合適的電磁場計(jì)算方法求解平臺(tái)間互擾電磁場問題。通過上述方法對3架飛機(jī)建立等效計(jì)算模型，計(jì)算3架飛機(jī)間某區(qū)域的電場分布如圖5所示。

圖5　3架飛機(jī)之間某區(qū)域電場分布Fig.5　Electric field distributing between three planes

3電磁環(huán)境預(yù)測應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)及預(yù)測實(shí)驗(yàn)

3.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

電磁環(huán)境預(yù)測軟件系統(tǒng)包括電磁環(huán)境數(shù)據(jù)庫管理與應(yīng)用、電磁環(huán)境仿真與預(yù)測兩大功能模塊。預(yù)測軟件體系結(jié)構(gòu)如圖6所示。

電磁環(huán)境數(shù)據(jù)庫管理與應(yīng)用模塊包括數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理軟件兩部分。數(shù)據(jù)庫包括雷達(dá)設(shè)備數(shù)據(jù)庫、通信設(shè)備數(shù)據(jù)庫、背景噪聲數(shù)據(jù)庫和其他參數(shù)數(shù)據(jù)庫等4個(gè)子庫。

圖6　軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖Fig.6　Structure of software system

電磁環(huán)境仿真與預(yù)測模塊包括工作場景管理與控制、仿真管理與控制和仿真結(jié)果顯示3個(gè)子模塊。工作場景管理與控制模塊根據(jù)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)編制工作場景設(shè)計(jì)與開發(fā)平臺(tái)，并形成工作場景文件供仿真管理與控制模塊調(diào)用。仿真管理與控制模塊通過調(diào)用工作場景文件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，根據(jù)仿真模型進(jìn)行雷達(dá)、通信和噪聲信號傳播過程仿真，生成預(yù)定工作區(qū)域的電磁信號環(huán)境數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果顯示模塊實(shí)現(xiàn)可視化輸出，輸出結(jié)果包括數(shù)據(jù)文件、統(tǒng)計(jì)圖表和基于電子地圖的二維電磁態(tài)勢顯示[8-10]。

3.2典型區(qū)域電磁環(huán)境預(yù)測實(shí)驗(yàn)

下面以機(jī)群協(xié)同工作為例，進(jìn)行機(jī)群內(nèi)、外部電磁環(huán)境預(yù)測。首先進(jìn)行工作場景設(shè)置，主要進(jìn)行電子信息設(shè)備工作位置的部署和機(jī)群航跡設(shè)置。設(shè)置效果如圖7所示。

圖7　機(jī)群工作場景設(shè)置圖Fig.7　Air fleet work scene set

飛機(jī)位于某位置時(shí)面臨的干擾電磁環(huán)境預(yù)測結(jié)果如圖8，9所示，機(jī)間互擾電磁環(huán)境顯示如圖10所示。

圖8　雷達(dá)信號環(huán)境預(yù)測結(jié)果Fig.8　Prediction result of radar signals environment

圖9　通信信號環(huán)境預(yù)測結(jié)果Fig.9　Prediction result of communication signals environment

圖10　機(jī)間電磁環(huán)境顯示Fig.10　Showing of electromagnetic environment between planes

4結(jié)束語

本文圍繞區(qū)域復(fù)雜電磁環(huán)境預(yù)測需求，提出了多輻射平臺(tái)外部和內(nèi)部相結(jié)合的區(qū)域電磁環(huán)境預(yù)測方法。通過對典型區(qū)域電磁環(huán)境進(jìn)行分析，利用建模仿真的方法，開發(fā)了區(qū)域復(fù)雜電磁環(huán)境仿真與預(yù)測系統(tǒng)，并對典型區(qū)域內(nèi)空中運(yùn)動(dòng)平臺(tái)面臨的雷達(dá)類和通信類電子信息系統(tǒng)所形成的電磁信號環(huán)境進(jìn)行了預(yù)測。可以為電子信息系統(tǒng)的研制、檢測分析以及頻譜管理應(yīng)用提供支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]王汝群. 戰(zhàn)場電磁環(huán)境概論[M].北京：解放軍出版社，2010.

WANG Ru-qun. Introduction to Battlefield Electromagnetic Environment [M]. Beijing: Chinese People’s Liberation Army Press, 2010.

[2]李超峰，焦培南，聶文強(qiáng). 射線追蹤技術(shù)在城市環(huán)境場強(qiáng)預(yù)測計(jì)算中的應(yīng)用[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2005,20(5):660-665.

LI Chao-feng, JIAO Pei-nan, NIE Wen-qiang. Application of Ray-Tracing to Field Strength Prediction in Urban Environments[J]. Chinese Journal Of Radio Science, 2005,20(5): 660-665.

[3]王英，何小光，余貴水. 海上電波傳播預(yù)測模型研究與仿真[J]. 電子測試，2010(9)：15-20.

WANG Ying, HE Xiao-guang, YU Gui-shui. Research and Simulation of Radio Propagation Model over the Ocean [J]. Electronic Test, 2010(9):15-20.

[4]李炳偉，萬福，吳愛民．復(fù)雜電磁環(huán)境模型及仿真框架的構(gòu)建[J]．航天電子對抗，2009，25(6)：40-42．

LI Bing-wei, WAN Fu, WU Ai-min. Complex Electromagnet Circumstance Model and Simulation Framework Building [J]. Aerospace Electronic Warfare, 2009, 25(6): 40-42.

[5]葉紅霞，金亞秋. 三維隨機(jī)粗糙面上導(dǎo)體目標(biāo)散射的解析一數(shù)值餛合算法[J]. 物理學(xué)報(bào)，2008,57(2):839-846.

YE Hong-xia, JIN Ya-qiu. A Hybird Analytical-Numercial Algorithm for Scattering from a 3-D Target Above a Randomly Rough Surface[J]. Acta Physica Sinica, 2008, 57(2): 839-846.

[6]趙欣楠，程光偉. 雷達(dá)系統(tǒng)間電磁兼容性的計(jì)算與預(yù)測[J]. 火控雷達(dá)技術(shù)，2007，36(4)：48-51.

ZHAO Xin-nan, CHENG Guang-wei. Prediction and Evaluation of EMC in Radar Systems [J]. Fire Control Radar Technology, 2007,36(4):48-51.

[7]黃紅瑕. 復(fù)雜媒質(zhì)中瞬態(tài)電磁場快速算法的研究[D]. 保定：華北電力大學(xué)，2011.

HUANG Hong-xia.Research on Fast Algorithm of Transient Electromagnetic Fields in Complex Medium [D].Baoding: North China Elecctric Power University, 2011.

[8]高穎，王鳳華，胡占濤，等. 復(fù)雜電磁環(huán)境預(yù)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2013, 36(17) :146-150.

GAO Ying, WANG Feng-hua, HU Zhan-tao,et al. Design and Implementation of Prediction System for Complex Electromagnetic Environment [J]. Modern Electronics Technique, 2013, 36(17):146-150.

[9]程健，郭丹丹，張俊華. 基于空間電磁環(huán)境模擬的系統(tǒng)間電磁兼容性預(yù)測分析軟件設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)量技術(shù)，2011(8)：7-10.

CHENG Jian, GUO Dan-dan, ZHANG Jun-hua. Prediction and Analysis Software Design of Intersystem Electromagnetic Compatibility Based on the Simulation of Space Electromagnetic Environment[J]. Metering Technology，2011(8):7-10.

[10]劉易勇，孫樹棟，郭恩全，等. 電磁干擾預(yù)測試系統(tǒng)研制[J]. 測控技術(shù)，2003，22(11)：37-41.

LIU Yi-yong, SUN Shu-dong, GUO En-quan,et al. Development of EMI Pretesting System [J]. Remote Control Technology, 2003,22(11):37-41.

[11]徐文杰，周新力，李福琦，等. 基于ANN的電磁環(huán)境預(yù)測分析[J]. 艦船電子工程，2010，30(11)：159-161.

XU Wen-jie, ZHOU Xin-li, LI Fu-qi, et al. Prediction and Analysis of Electromagnetic Environment Based on ANN [J]. Ship Electronic Engineering, 2010，30(11)：159-161.

[12]連世偉，李修和，沈陽，等. 基于GM(1，1)模型的電磁環(huán)境復(fù)雜度預(yù)測方法[J]. 火力與指揮控制，2012，37(11)：33-36.

LIAN Shi-wei, LI Xiu-he, SHEN Yang, et al.Study on Complexity Prediction of Electromagnetic Environment Based on GM(1,1) [J]. Fire Control & Commend Control, 2012，37(11)：33-36.

[13]李光所. 艦船電磁環(huán)境預(yù)測分析方法[J]. 船舶，2010，10(5)：41-43.

LI Guang-suo. Predictive Analysis on Shipboard Electromagnetic Environment [J]. Ship & Boat, 2010，10(5)：41-43.

[14]賈志軍，張琪，徐慨. 基于FEKO的編隊(duì)短波裝備間電磁兼容預(yù)測研究[J]. 艦船電子對抗，2013，36(2)：92-95.

JIA Zhi-jun, ZHANG Qi, XU Kai. Research into Prediction of Electromagnetic Compatibility Among Formation Shortwave Equipments Based on FEKO [J]. Shipboard Electronic Countermeasure, 2013，36(2)：92-95.

[15]盛楠，廖成，張青洪，等. 基于OpenMP的多輻射源二維電波傳播預(yù)測方法[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，28(4)：611-615.

SHENG Nan, LIAO Cheng, ZHANG Qing-hong,et al. Approach for Modeling 2-D Radio Wave Propagation of Multi-Radiation Sources Based on OpenMP [J]. Chinese Journal of Radio Science, 2013，28(4)：611-615.

Prediction Methods of Regional Electromagnetic Environment Radiated by Movement Multi-Platform

DONG Jun, HONG Li-na, WANG Lian-dong, CHEN Xiang

(State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environment Effects on Electronics and Information System,Henan Luoyang 471003, China)

Abstract:The current electromagnetic environment prediction methods can't meet the requirement of complex electromagnetic environment in future very well. It’s necessary to study the modeling and simulation to predict the electromagnetic environment radiated by multi-platform. First, the realistic demand and the overall idea of electromagnetic environment prediction are briefly described. Then electromagnetic environment elements extraction and electromagnetic environment modeling are introduced. Finally, electromagnetic environment prediction software is designed based on the modeling and the simulation tests are carried out. Results show that this method can display the electromagnetic situation radiated by multi-platform and realize the dynamic electromagnetic environment representation and analysis.

Key words:multi-platform；regional; electromagnetic environment; prediction; modeling; simulation

*收稿日期：2014-10-10；修回日期：2015-06-25

作者簡介：董俊(1980-)，男，湖北當(dāng)陽人。工程師，碩士，主要研究方向?yàn)閺?fù)雜電磁環(huán)境特性與模擬。

通信地址：471003河南省洛陽市085信箱33號E-mail：dj0636@sina.com

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2016.02.030

中圖分類號：O441；TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-086X(2016)-02-0190-07