李金梁， 李明忠

(1.解放軍95899部隊， 北京　100076；2.復雜航空系統仿真重點實驗室， 北京　100076)

復雜電磁環境是現代信息化戰爭的基本特征，也是影響武器裝備體系效能的關鍵因素之一。裝備論證作為武器裝備發展建設的“前端”工程，必須深入研究復雜電磁環境對武器裝備作戰效能的影響，計算仿真技術的快速發展為戰場復雜電磁環境的研究提供了有效的支撐手段。在各類仿真系統中，任務級仿真在軍方開展武器裝備宏觀綜合論證、型號發展論證和體系作戰運用研究中應用最為廣泛。目前美軍有大量的任務級仿真系統，在軍方主導的裝備采辦論證及作戰任務籌劃分析方面得到了廣泛且卓有成效的應用。國內也開展了相關研究和系統建設，但由于起步較晚，在戰場復雜電磁環境的建模與仿真方面與美軍存在很大差距。毋庸置疑，戰場仿真電磁環境是否符合實戰情形，將直接影響仿真結論的可信性。尤其隨著體系貢獻率概念的提出并逐步引起重視，裝備論證要求在近似實戰的條件下對現有實際武器系統和未來新概念武器系統在大規模體系作戰層面進行技術和戰術效能的評估，因此，對于大尺度戰場空間內大規模武器裝備體系對抗產生和面對的復雜電磁環境建模仿真需求更加迫切。但是，復雜電磁環境在現實客觀世界對電子信息系統的破壞作用機理及其規律十分復雜，還沒徹底認識清楚，復雜電磁環境建模仿真難度較大。目前，美國等發達國家在該領域仿真系統、模型方法和試驗數據上，已經具備了多年的技術積累，形成了豐富的軟件產品和相關研究方法，在滿足軍方復雜電磁環境模擬需求方面具有較強實力，這一點從美軍EADSIM等任務級仿真系統的分析中可窺見一斑。國內對電磁環境建模仿真的研究熱點主要集中在工程級和交戰級，涉及電磁環境感知、電磁環境生成、電磁環境效應、電磁環境度量和電磁態勢展現等方向，研究成果大多用于支撐裝備研制、作戰訓練等軍事應用。在任務級層面成果相對較少，但有交聯或可轉化的研究工作正在開展，如東南大學毫米波國家重點實驗室的復雜電磁環境與感知對抗系統、中國電科集團的復雜電磁環境高性能應用軟件系統、中國電科36所的參數化電磁環境生成軟件等。在電子戰成為現代戰爭主旋律的背景下，作為裝備論證重要支撐手段之一，任務級仿真對戰場復雜電磁環境構建的需求日益迫切，亟需形成一套科學的理論方法和技術手段，并盡早推出能夠滿足體系對抗條件下裝備論證需求的軟件產品。為此，本文進行一些初步的探討，以裝備論證仿真實踐工程經驗為依據，重點圍繞面向裝備論證應用的任務級仿真系統復雜電磁環境“仿什么”、“模型如何建”等問題進行分析，以期對任務級仿真系統設計與建設提供借鑒與參考。

1　任務級仿真及其特點

軍事領域歷來是建模與仿真的研究“熱區”，也是推動建模與仿真發展的最強大動力。實踐中，不同的應用目的對建模與仿真的需求也不同，這就形成了不同類型的模型及其相應的仿真系統。美軍國防部建模與仿真辦公室，按照模型分辨率由高到低的順序把軍事領域的建模與仿真分為工程、交戰、任務、戰役四個層級。其中，任務級仿真主要描述一方武器裝備系統遂行特定作戰任務，另一方武器裝備系統實施防御和反擊的作戰過程。該類仿真一直是軍方關注的重點。目前美軍有大量的任務級仿真系統，如擴展防空仿真系統EADSIM、兵力結構效能仿真系統4ACES、柔性分析建模與訓練系統FLAMES等。與其他層次仿真相比，該類仿真具有四個顯著特征：

一是仿真規模聚焦于作戰任務力量編組。任務級仿真是對完成某一特定類型作戰任務的作戰力量編組及其完成任務過程進行的仿真，仿真對象針對的是構成作戰力量編組的武器平臺或武器系統以及戰斗員形成的有機整體，不僅包括單個武器平臺及其武器系統，還包括指揮機構及其戰斗員的決策，系統實體模型以能反映實體功能的低分辨率聚合體為主，同時包涵大量裝備實體模型和指揮決策模型。

二是建模重點聚焦任務流程與裝備系統間對抗。任務級仿真的實質是對執行某一特定任務的多兵種或多武器平臺進行的建模與仿真。模型描述重點是作戰任務流程，各種武器裝備系統之間的指揮、控制、通信和情報關系，以及武器裝備系統間的作用影響，而不是單個裝備系統內部機理的描述。通常情況下，單個裝備系統戰術技術性能及作戰效能是依靠工程級、交戰級等下級系統提供輸入來解決。

三是仿真輸出聚焦于作戰任務完成率。模型描述內容及其粒度決定了仿真系統的輸出。任務級仿真模型特點決定了系統的輸出是作戰任務力量編組完成作戰任務的程度，也就是任務裝備體系的任務效能，具體包括損失比率、交戰概率、某項任務完成率等可反映裝備體系執行任務能力的綜合性效能指標。

四是實驗應用定位于任務裝備體系評估驗證。在裝備論證領域，任務級仿真系統主要適用于任務裝備體系效能仿真評估及體系結構分析驗證兩類問題研究。在武器裝備體系論證中，可以基于仿真結果對以任務為主線各種裝備結構形成的裝備體系執行任務能力進行仿真評估，提供多武器平臺對抗效果層面的體系效能指標，支撐任務裝備體系作戰能力需求分析評估，同時也可支撐基于任務的裝備體系結構組成、不同裝備系統之間的信息關系的驗證分析。

2　復雜電磁環境建模需求分析

2.1　任務級仿真電磁環境建模目的

面向裝備論證的任務級仿真實驗，一般要針對需要解決的裝備論證問題，構建模型體系。電磁環境作為影響以電磁頻譜為紐帶的信息化裝備作戰效能的顯著因素，需要納入其模型體系。通過構建復雜電磁環境，模擬武器裝備電磁環境效應，進而反映到任務裝備體系的任務效能上，是任務級仿真電磁環境建模的基本目的。也就是說，任務級仿真并不是為了戰場電磁環境評估，不需要全面反映電磁環境本身的特性特征和復雜性度量指標，而僅僅是武器裝備效能模擬的必要條件。因此，任務級仿真電磁環境建模對象是能夠對任務裝備體系作戰效能產生顯著影響的武器裝備復雜電磁環境效應。為此，一種相對簡單且常用的做法是，根據戰場態勢，設計復雜電磁環境判斷條件，直接調整武器作戰效能，并不對電磁環境過多著墨。但這種方法通常適用于作戰計劃推演，當面向裝備論證應用時，無法真實反映武器裝備的復雜電磁環境效應。戰場電磁環境、作用對象和影響效應之間的關系如圖1所示。

輻射源發射電磁信號，經過傳播環境，在接收機產生電磁環境效應，包括軟殺傷導致裝備效能降低和硬殺傷導致裝備物理毀傷。兩種效應都可能導致裝備體系的任務效能下降。電磁信號特性和電磁傳播環境影響都十分復雜，需要對哪些進行建模，如何建模，應以裝備電磁環境效應為牽引展開分析。硬殺傷作為一類特殊的電磁環境效應，可按照毀傷模型進行建模，在此不展開討論。本文僅針對軟殺傷電磁環境效應，以雷達對抗為例，分析復雜電磁環境建模要素。分析方法可描述為：首先基于作戰力量編組和作戰流程，分析能夠影響作戰任務完成率的雷達指標；然后根據裝備系統之間的對抗關系，分析影響雷達指標的電磁環境要素；最后著眼任務裝備體系評估驗證建立雷達裝備電磁環境模型體系。

2.2　雷達電磁環境效應指標

以防空作戰行動偵察預警環節為例，防空作戰任務效能指標是對敵機總的攔截概率，其中，偵察預警環節貢獻指標為偵察預警系統獲取目標情報的概率。偵察預警系統主要包括地面警戒雷達網、空中預警機及情報通信系統。雷達系統的貢獻指標為目標發現概率。雷達干擾對偵察預警環節的影響主要針對各種警戒、預警雷達實施干擾，以降低雷達發現概率、推遲雷達預警時間，實質是壓制雷達作用距離。因此，偵察預警環節首先需要模擬計算的雷達效能指標是雷達作用距離，在此基礎上計算雷達或雷達網的目標發現概率、暴露區、預警時間，及其對任務完成率的貢獻。防空作戰其他環節和空中進攻任務各環節指標分析見表1。

表1　雷達貢獻指標分析

建模要素中，受電磁環境影響顯著的是雷達威力范圍、測量精度和抗干擾能力三項指標。其中，雷達探測精度，如果考慮裝備參數、技術體制和電磁環境的綜合影響，模型十分復雜，很難保證解析結果。可直接使用幾種典型隨機分布模型描述雷達探測精度，如正態分布、對數正態分布、指數分布、常數分布、均勻分布等，由用戶選擇和配置參數。雷達威力范圍和抗干擾能力，可通過干擾條件下的雷達作用距離來描述，這是任務級仿真雷達系統建模的主要內容。

2.3　雷達電磁環境建模要素

從雷達作戰流程來看，與電磁環境緊密相關的環節為目標探測和目標攻擊，雷達類型主要有早期預警雷達、防空警戒雷達、空中預警雷達、機載火控雷達、雷達導引頭等。為使上述裝備作戰效能降到最低，敵我雙方展開激烈的電子對抗活動。電子對抗裝備分為三類：電子支援措施ESM、電子干擾ECM和電子對抗反措施ECCM。ESM主要目的是戰術偵測，即獲取敵方電子裝備的戰術情報，主要指敵方電磁輻射源信息及分布情況，用于支持自衛干擾和支援干擾等戰術行動。ESM典型裝備包括雷達告警、紅外告警、激光告警、電子支援、通信支援等。ECM主要目的是最大程度降低敵方電子裝備的作戰能力，作戰對象包括搜索雷達、跟蹤雷達、紅外探測系統、激光探測系統和通信系統等。ECM典型手段包括噪聲干擾、欺騙干擾、箔條干擾、投擲式誘餌、通信干擾、紅外干擾、激光干擾、衛星導航干擾、外形隱身等。ECCM目的是盡可能降低或消除敵方有意實施的電子干擾，典型系統包括搜索雷達反干擾、跟蹤雷達反干擾、紅外反干擾和通信反干擾等。頻繁的電子對抗活動作用于環境，導致電磁環境十分復雜，反過來影響處于復雜環境中的武器裝備。根據作戰力量編組構成、裝備之間的對抗關系和裝備與環境之間的交互關系，影響雷達作用距離的電磁環境要素可分為三類：雷達干擾、傳播損耗和目標特性，數學模型由雷達方程和干擾方程描述，要素分析見表2。

壓制干擾和欺騙干擾是構成戰場復雜電磁環境的主要因素，需要對各種干擾輻射樣式重點建模。壓制干擾包括瞄準干擾、阻塞干擾、多頻干擾、掃頻干擾、箔條走廊等，欺騙干擾包括距離欺騙、速度欺騙、角度欺騙、箔條彈、多假目標、誘餌等。在任務級仿真中，應根據作戰力量編組的武器裝備和作戰想定針對性建模和采集數據，通過干擾方程反映干擾樣式、干擾距離、干擾強度等對目標雷達探測跟蹤性能的影響。因此，干擾信號的模型粒度需要涉及時間、空間、頻率、能量等特性。欺騙干擾一般可假設頻率、波形與目標信號相同，因此，只需要對干擾時間、空間、能量特性建模。民用干擾與戰場態勢無關，且非主要影響因素，可建立基礎數據庫供調用。地雜波和海雜波對地面雷達和機載下視雷達影響較大，可根據實際精度需求和條件建設能力適當建模。任務級仿真中，建議采用雜波關系模型，通過描述由實驗數據擬合σ0與俯仰角、極化、頻率、環境參數等物理量的依賴關系進行建模。如有氣象條件，也可對氣象雜波建模，但均不應過于復雜。環境噪聲與頻段和空間位置有關，由經驗數據描述，不需要建模。傳播損耗中自由傳輸損耗和大氣吸收損耗為主要因素，自由傳輸損耗指自由空間傳播能量損耗，僅與距離和頻率有關，可公式計算；大氣吸收損耗對于傳播距離較遠或信號載頻較高的情況影響較大，可通過建立大氣吸收損耗數據庫，使用插值方法計算以電磁波頻率、路徑角度、傳播距離為變量的損耗值。如EADSIM采用的ALARM 3.0(Advanced Low Altitude Radar Model，先進低海拔雷達模型)中的ATTEN模型。多徑傳輸損耗和地物繞射損耗在超短波和微波頻段，主要考慮地表反射引起的多路徑效應、地表繞射損耗和刃峰繞射損耗，可根據實際條件適當建模，針對任務級仿真應用特點，建議選擇大尺度確定性模型，如Free Space、SEKE、TIREM、Longley-Rice、Durkin等。目標RCS是計算回波功率的重要參數，在精度要求不高，缺乏數據來源的情況下，可使用平均值表示，但還應盡量考慮頻段、極化、角度等因素影響，建立相對合理的數據庫。在條件允許的情況下，還可考慮對其起伏特性適當建模。典型起伏目標特性統計模型有χ2分布模型、Swerling模型、萊斯分布模型和對數正態分布模型等。

表2　雷達電磁環境建模要素分析

3　復雜電磁環境仿真模型體系

3.1　模型體系結構

為支撐任務裝備體系評估驗證，除上述電磁環境建模要素外，還需要構建裝備作戰效能、電磁空間態勢和基礎支撐等相關模型，共同模擬復雜電磁環境對武器裝備作戰效能的影響。模型體系涵蓋電磁環境信號生成、電波傳播、信號檢測、態勢分析等環節，如圖2。

基礎電磁環境，負責模擬以電子戰裝備為主要輻射源的戰場復雜電磁環境，包括干擾輻射控制、電磁傳播計算、地海雜波計算三個部分，涉及信號偵察、干擾引導、干擾發射、電波傳播、目標特性、地海雜波等6類模型；干擾輻射控制決定干擾信號的時域、空域、頻域和能域特性。時域由開關機模型控制。空域控制包括天線掃描和波束分配模擬。頻域控制指信號頻率控制模型，需要對頻率控制規律進行建模，或對其抗干擾效果直接建模；能域控制包括天線方向圖和功率分配。電子干擾裝備的信號輻射控制與戰場實時情報有關，選定某目標進行干擾前，需要目標情報支持。因此，需要模擬信號偵察和干擾引導。信號偵察用于模擬ESM和RWR對目標雷達信號的接收計算和參數獲取；干擾引導用于根據信號偵察結果、目標優先級、重點區域等，引導干擾機生成干擾方式和干擾樣式。在此基礎上，雷達干擾機進行時域、空域、頻域和能域的干擾資源分配模擬。

裝備作戰效能，負責計算復雜電磁環境下武器裝備作戰效能及其對任務效能的影響，包括信號輻射控制、信號接收檢測、作戰效能計算三個部分，涵蓋信號控制、探測發射、接收檢測、抗干擾處理、裝備效能指標、任務效能指標等6類模型；雷達輻射控制與干擾輻射控制在時空頻能域的建模要素大體相同，但除天線方向圖外，其他模型一般不能通用。信號檢測的基本模型是信噪比功率級模型，基本要素是目標信號和系統噪聲，還需要考慮人為干擾、傳播損耗、雜波干擾和抗干擾體制等影響。目標檢出可考慮確定性和概率性兩種方法，前者使用信噪比門限判斷，后者結合虛警概率，計算發現概率，通過隨機抽樣判斷。作戰效能計算分為裝備作戰效能和作戰任務效能兩個層面指標，需要根據實驗目的具體設計。

如果路面滲水則會導致瀝青材料受到嚴重影響，增加水泥處理基層被腐蝕的可能性。同時路面基層不能夠及時排出積水，隨著積水的不斷增多，在一定程度上會導致整個路面結構的支撐能力下降。而且當道路邊緣被淤泥堵塞時，排水功能就會失去效果，密級配基層的滲透率低滲透率就得不到有效控制，導致排水性能下降。因此在設計過程中，可以選用一些新型的路面材料。三維復合排水網材料具備孔隙率高、排水效果強等特點，將該材料應用在排水系統中，不但能提高整體路面的抗拉強度，同時還能夠為公路路基的質量提供保證[3]。

電磁空間態勢，負責度量和展現武器裝備的局部電磁態勢和電子對抗關系，支撐裝備效能和任務效能分析與評估，主要包括局部電磁態勢、電子對抗態勢和電磁態勢展現三個方面，屬于擴展模型部分。局部電磁態勢描述指定武器裝備在任意時間點所面臨的電磁態勢，包括所有干擾的來源、類型、效果、概率等屬性，為裝備作戰效能分析和評估提供基礎和依據；電子對抗態勢指某一時間點或時間段用頻裝備之間、戰術子網之間的電子對抗態勢，為任務效能分析和評估提供基礎和依據；電磁態勢展現指對電磁域戰場態勢進行可視化描述，輔助實驗分析。電磁空間態勢模型是根據任務級仿真實驗一般需求提出的，是否需要支持更多的態勢分析功能需要根據具體實驗任務而定。

另外，上述模型需要地形、大氣、海況等環境模型，及任務規劃、戰場規則等其他基礎模型支撐。

3.2　模型交互關系

各模型要素之間的關系如圖3。用頻裝備和電子干擾設備構成戰場電磁環境的主要輻射源，其中，電子干擾需要信號偵察模型和干擾引導模型支撐。電磁傳播計算模型根據輻射源輻射的信號，生成接收天線所處電磁環境。接收機經過信號檢測，一方面計算典型裝備和作戰任務的電磁環境效應；另一方面可作為電磁態勢描述和展現的輸入。另外，信號接收檢測需要考慮接收機的抗干擾能力和目標特性。通過干擾和抗干擾博弈條件下的信號檢測計算，確定受到的電磁環境影響，計算裝備作戰效能和作戰任務效能。

需要指出，接收天線所處的電磁環境，不僅包括敵方電子干擾、地海雜波、地物回波，還可能包括不同類型裝備頻譜重疊的電磁信號，甚至是己方電磁信號等。電磁傳播計算模型除進行各種傳播損耗計算，還需要根據戰場上接收機時空頻等特性，過濾所有戰場輻射源信號，對其可能產生影響的信號進行合成計算，輸出局部電磁信號環境。合成計算有兩種方式：功率疊加和場強合成。功率疊加方式直接將接收機前段各種干擾信號功率相加，忽略各信號之間的相位差別。功率疊加方式是目前絕大多數體系級分析論證仿真系統采取的方法，計算效率高；場強合成方式先根據接收機前段各干擾信號場強和相位計算總電場強度，再由合成電場求出接收功率。由于戰場上各干擾信號之間一般不相關，場強合成方式與功率疊加方式結果近似等價。考慮到體系作戰仿真系統超實時仿真需求，建議采用功率疊加方式。

4　結束語

本文初步探討了面向裝備論證的任務級仿真復雜電磁環境建模問題，以雷達對抗為例，提出相應的建模要素、模型方法、模型體系和交互關系。研究結論已應用于相關仿真系統設計和建設，初步表明了其科學性和合理性。本文希望在任務級仿真復雜電磁環境“仿什么，怎么仿”的問題研究上提供一點借鑒和參考，但限于篇幅和筆者水平，更多工程問題尚未涉及，例如：大尺度場景輻射傳播效應模擬、大規模實體電磁輻射影響交互模擬、電磁環境模擬運算與作戰效能仿真同步同效等，需要根據系統建設實際逐一研究解決。