基于Wireless InSite的廣義電磁環境復雜度計算

楊宗文，趙和鵬

(1.中國人民解放軍92941部隊，遼寧 葫蘆島 125000； 2.海軍裝備部信息系統局，北京 100841)

0 引言

現代戰爭戰場電磁環境越來越呈現出其復雜多變的重要特性[1]，近些年來，國內外對武器裝備在復雜電磁環境下生存能力越來越重視[2]，目前電磁環境復雜度評估方法主要有兩類：一類是廣義上的電磁環境復雜度評估方法[2-7]，這類評估方法認為電磁環境是環境的一種，其復雜度是電磁環境固有屬性，不針對單獨裝備而言，而是針對環境中所有用頻設備而定義的一種復雜特性的定量分級；還有一類是狹義的電磁環境復雜度評估方法[8-16]，這類評估方法更多關注的是電磁環境對特定裝備或某類裝備的的具體影響。廣義的電磁環境復雜度評估方法從能域、空域、頻域及時域較為全面地評估了復雜電磁環境固有的復雜特性，但在計算過程中均涉及到各用頻設備間電磁信號的傳播預測分析，傳統的自由空間電波傳輸模型較為簡單，計算精度無法滿足工程要求，也無法合理考慮實際環境中地形及建筑物的影響，針對該問題，本文通過將基本的四域電磁環境評估法與Wireless InSite電波傳播模型有效結合，解決了廣義電磁環境復雜度的高精度評估問題。

1 廣義電磁環境復雜度定量分析方法

目前廣義電磁環境復雜度定量分析主要采用環境電平門限S0、頻譜占用度FO、時間占用度TO、空間覆蓋率SO及平均功率密度譜進行四個維度的綜合定量評估。由于這種分類能綜合考慮復雜電磁環境的總體復雜態勢，故適用于對復雜電磁環境復雜態勢量化評估并形成相關標準[4]。環境電平門限S0、頻譜占用度FO、時間占用度TO、空間覆蓋率SO及平均功率密度譜的具體計算公式可參考文獻[3-4]。

在實際分析計算過程中，環境電平門限S0、頻譜占用度FO、時間占用度TO、空間覆蓋率SO及平均功率密度譜計算公式中積分計算由于階躍函數最終離散為對各用頻設備的求和計算，總體而言，電磁環境復雜度定量計算核心在于計算一定空域、頻域及時域內各個用頻設備的空間傳播功率。準確計算各用頻設備的空間傳播功率需要建立電波傳播分析模型，而Wireless InSite軟件已集成較為完備的電波傳播模型，本文選擇該軟件完成這部分的計算，以免重復研究。

2 Wireless InSite電波傳播分析模型介紹

電波傳播模型是電磁環境分析軟件的核心，Wireless InSite傳播分析模型主要功能是根據不同的應用環境，采用相應的傳播分析模型來計算和分析無線電波的傳播特性。Wireless InSite的傳播分析模型主要包括基于射線追蹤算法(SBR)和一致性繞射理論(UTD)、基于時域有限差分法(FDTD)、基于經驗公式、實時模塊4類算法和城市峽谷、全三維、快速三維城市、垂直平面、城市峽谷時域有限差分、移動窗口時域有限差分、自由空間、HATA、COST-HATA以及RT 模塊十種傳播模型。

Wireless InSite軟件內嵌了多種傳播分析模型，通過采用相關高級的電磁場分析處理方法，使其幾乎可以在任意頻段內完成電波傳播的精確計算。目前，該軟件可用于對城市、郊區、室內等規則區域，山脈、植被區等非規則地形，機場、大型艦船等復雜平臺的電磁環境預測分析。采用的電磁分析算法主要包括2D、3D以及快速3D的算法，根據散射的特性以及跟物體相關的反射、透射系數評估電場、磁場，通過將電場與具體的天線模式相結合來計算路徑損耗，到達時間以及到達角度等[5-6]。

3 基于Wireless InSite四域評估算法

Wireless InSite分析建模環境能夠讓用戶可視化創建用頻裝備及輻射(干擾)裝備并設置其相關位置、波形、頻率等參數，進而可以分析計算指定接收機收到的信號強度，但Wireless InSite并不具備電磁環境評估的功能；上文中給出的四域評估法為廣義電磁環境復雜度定量評估提供了四域的計算公式，但需要準確快速計算用頻裝備對用頻裝備間的功率、輻射源對用頻裝備間的功率、用頻裝備對用頻裝備頻域及時域平均功率、輻射源對用頻裝備頻域及時域平均功率的計算，為解決該問題，采用開發MATLAB與Wireless InSite的接口程序的辦法，通過MATLAB調用Wireless InSite的電波傳播計算內核，完成各類功率計算，最后再代入四域法電磁環境復雜度計算公式完成各用頻裝備復雜度的計算，最終實現區域電磁環境復雜度的定量評估，具體結合流程如圖1所示。

圖1 Wireless InSite與四域評估法的結合流程

在分析電磁環境過程中，需要根據用頻裝備及輻射裝備的參數進行傳播功率計算，主要實現方法是通過Matlab軟件編程實現，用Matlab軟件調用Wireless InSite計算內核Calcprop.exe文件，這個執行程序可以通過cmd命令行實現，MATLAB是可以通過dos命令執行cmd命令的，Calcprop.exe具體的命令行調用格式如下：

Calcprop.exe --命令1=<屬性值1> --命令2=<屬性值2> …

例如：

Calcprop.exe--calc-mode=New -project= “D:ProgramFilesRemcomInSite2.5 examp.Setup”實現D:Program FilesRemcomInSite 2.5目錄下examp.setup文件的分析計算，而*.setup文件正是Wireless InSite的工程文件。

WirelessInSite分析模型在分析計算時涉及的工程文件還包括*.tx文件和*.rx文件。由于篇幅關系，這里不再一一列舉，具體可參考Wireless InSite軟件說明，電磁環境復雜度的評價標準依據為最新的國軍標[4]。

主要包含兩部分，一部分用于參數設置，一部分用于計算結果展示。參數設置方面可以直接加載已經完成建模的Wireless Insite工程文件，同時也可打開Wireless Insite對工程文件進行修改。計算時，程序將自動調用Wireless Insite完成工程文件中包含的所有用頻設備間電磁信號傳輸功率計算和計算結果讀取，并最終代入復雜度計算公式得出電磁環境復雜度。

4 典型復雜電磁環境定量分析

為驗證該評估方法的有效性，結合靶場具體試驗裝備組織專門的驗證試驗。試驗場景包含有2部干擾機和2部收發一體用頻設備(被干擾設備)，具體4個裝備參數如下所示：

① 干擾設備參數

設備A：干擾頻段：14.5～15.5 GHz；發射天線增益：20 dB；發射功率100 W；

設備B：干擾頻段：9～11 GHz；天線增益：0 dB；發射功率 50 W。

② 被干擾設備參數

設備P：工作頻段：9.25～9.45 GHz；天線增益：0 dB；

設備Q：工作頻段：14.75～15.25 GHz；天線增益：0 dB。

4.1 試驗1

構建典型電磁環境，設備A干擾帶寬為1 GHz，中心頻率為15 GHz；設備B采用噪聲壓制干擾，帶寬2 GHz；被干擾設備記錄工作過程。各裝備工作參數記錄如表1和表2所示。

表1 干擾設備參數

設備時間位置功率/WA13:58-14:16121.09624,40.59768100B14:00-14:30121.1567,40.493850

表2 被干擾設備參數

設備時間位置功率/WP14:27-14:32121.10736,40.554720Q14:02-14:18121.1116,40.552420

根據記錄的工作時間、位置、功率及設備工作頻率、功率參數通過Wireless InSite創建4個用頻裝備，其中設備A和B定義為發射設備，設備P和Q定義為收發一體設備，將各參數代入開發的計算程序，通過Wireless InSite 完成電磁信號空間傳播計算后自動代入四域法進行3個維度的占用度及平均功率密度譜計算，計算結果如表3所示。

表3 試驗1電磁環境復雜度計算結果

設備名稱頻率占用度/%時間占用度/%空間占用度/%平均功率譜密度P10060100-73.3Q10087.5100-46.2電磁環境復雜度:90.1722%(IV級)

綜合3個指標可以得出結論：計算結果參照國軍標標準件該條件下電磁環境總體態勢為IV級。

4.2 試驗2

改變試驗1部分參數，構建典型電磁環境并進行比較。

設備A干擾帶寬改為200 MHz，中心頻率為15 GHz；

設備B采用噪聲壓制干擾，干擾帶寬改為1 GHz，中心頻點改為9.75 GHz；

被干擾設備記錄工作過程，各裝備工作參數記錄如表4和表5所示。

表4 干擾設備參數

設備時間位置功率/WA13:58-14:16121.09624,40.59768100B14:28-14:31121.1567,40.493850

表5 被干擾設備參數

設備時間位置功率/WP14:27-14:32121.10736,40.554720Q14:02-14:18121.1116,40.552420

同樣，根據記錄的工作時間、位置、功率及設備工作頻率、功率參數通過Wireless Insite創建4個用頻裝備，其中設備A他B定義為發射設備，設備P和Q定義為收發一體設備，將各參數代入開發的計算程序，計算結果如表6所示。

表6 試驗2電磁環境復雜度計算結果

名稱頻率占用度 /%時間占用度/%空間占用度/%平均功率譜密度設備P10060100-73.5設備Q4087.5100-49.2電磁環境復雜度:77.7182%(IV級)

結論：計算結果參照國軍標標準件該條件下電磁環境總體態勢為IV級。

由于復雜度的計算沒有真值可以參考，試驗過程中主要通過比對設備間接收的干擾信號功率和一些直觀的經驗來間接驗證計算方法的正確性，從試驗記錄數據來看，功率測量值與本文計算值之間存在一定誤差，約1～3 dBm，但總體變化趨勢與計算結果一致，同時從2個構建的電磁環境來看，試驗1構建的干擾設備工作帶寬明顯寬于試驗2，時間占用上重疊與試驗2基本一致，故試驗1構建的電磁環境直觀上應比試驗2復雜，這也是與計算結果相吻合的。

由以上2個典型試驗分析可知，通過部分參數的改變，基于本文的電磁環境復雜度計算結果與理論改變情況一致，特別是通過設備間由于電波傳播到達被干擾裝備的功率計算符合實際測量值。另外，從宏觀角度看，電磁環境復雜度計算能夠便捷地反映出特定區域、特定時段、特定頻段內總的電磁環境復雜程度。

5 結束語

本文針對廣義電磁環境復雜度精確計算這一問題，提出了一種基于Wireless InSite和MATLAB相結合的計算方法，開發了相關接口程序和計算軟件，將Wireless InSite電波傳播模型有效地嵌入于傳統的四域評估法，初步實現了電磁環境復雜度精確定量評估。由于受技術水平和計算能力的限制，各干擾及被干擾裝備均為靜止狀態，運動狀態下動態電磁環境的復雜度計算將是進一步的研究方向。