電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗仿真系統(tǒng)研究

孟海鋒，熊學(xué)明，張琪

（63870部隊，陜西 華陰 714200）

電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗主要是指通過試驗的方式掌握電磁環(huán)境因素對裝備正常發(fā)揮其功能的影響程度，是目前武器裝備試驗領(lǐng)域的重點和難點問題。電磁環(huán)境適應(yīng)性體現(xiàn)了裝備對電磁環(huán)境的適應(yīng)能力，也反映出電磁環(huán)境對裝備的功能、戰(zhàn)技指標(biāo)及作戰(zhàn)效能的影響程度。國內(nèi)對電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗仿真的研究起步較晚，目前來看研究電磁可視化的文獻比較多，如文獻[1-3]，構(gòu)建了電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗仿真系統(tǒng)，但還沒有成系統(tǒng)成體系的方案。文中研究了電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗仿真系統(tǒng)，運用數(shù)字仿真的方式，通過計算機進行戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境建模、想定設(shè)計和仿真推演，對戰(zhàn)場上的各種電磁信號從頻率、功率和覆蓋范圍等參數(shù)進行解算。再與 裝備軌跡、敏感特性等數(shù)據(jù)進行分析，得到裝備的電磁環(huán)境適應(yīng)性數(shù)據(jù)，為裝備電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗方法和能力形成奠定基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗仿真系統(tǒng)由模型管理、想定規(guī)劃、仿真推演、態(tài)勢顯示和仿真模型數(shù)據(jù)庫五大模塊構(gòu)成，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成 Fig.1 System components

模型管理模塊主要用于對模型數(shù)據(jù)庫中各類模型的管理和展示，包括各類作戰(zhàn)平臺、用頻裝備、天線方向圖數(shù)據(jù)和目標(biāo)RCS數(shù)據(jù)等。想定規(guī)劃模塊主要將作戰(zhàn)計劃轉(zhuǎn)化為計算機想定，完成作戰(zhàn)場景的區(qū)域、氣象環(huán)境等設(shè)置，實現(xiàn)兵力編制構(gòu)成、兵力部署、用頻裝備配置、作戰(zhàn)任務(wù)設(shè)置等操作，并生成想定文件供仿真推演模塊使用。仿真推演模塊根據(jù)想定文件加載運行相應(yīng)的仿真模型，基于時間推進和事件觸發(fā)的仿真驅(qū)動機制，推進作戰(zhàn)仿真過程，完成電波傳播、作戰(zhàn)裝備性能參數(shù)、電磁環(huán)境復(fù)雜度等仿真計算。態(tài)勢顯示模塊用于作戰(zhàn)想定規(guī)劃及作戰(zhàn)仿真推演階段的作戰(zhàn)態(tài)勢顯示，包括戰(zhàn)場平臺部署/運動態(tài)勢、作戰(zhàn)任務(wù)過程、電磁覆蓋情況、裝備作用范圍等。仿真模型數(shù)據(jù)庫主要為仿真提供相關(guān)數(shù)據(jù)/模型支撐，包括GIS數(shù)據(jù)庫、武器平臺數(shù)據(jù)庫、用頻裝備數(shù)據(jù)庫、特性度數(shù)據(jù)等。

2 分系統(tǒng)設(shè)計

2.1 電磁傳播計算模型

雖然“電磁傳播計算”只是“仿真推演”模塊的子模塊，但仿真系統(tǒng)的核心就是算法，電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗仿真系統(tǒng)的核心就是電磁傳播算法，這里單獨列出闡述。電磁傳播算法從適用的場景、頻率等因素分為很多種，如ITM、PE拋物方程模型、ITU算法簇等。在電磁傳播算法的選擇上，不同的電波傳播模型通常用于解決不同傳播條件下的問題，即使多個傳播模型可以用于解決同樣的電波傳播問題，但它們通常具有求解方式、求解難度以及求解精度上的差異，為指定的電波傳播問題選擇合適的傳播模型，將能夠提高問題求解過程的實時性和計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，電波傳播模型自動匹配是系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵問題之一。

2.1.1 電磁傳播模型分類

按照模型與傳播條件的吻合程度，將所有可用的模型分為三類：確切描述模型、近似求解模型和理論估算模型。其使用條件如圖2所示。

圖2 可用的電波傳播模型分類 Fig.2 Classification of available radio propagation models

從確切描述模型、近似求解模型到理論估算模型，模型與指定傳播條件的吻合程度越來越低，期望的求解精度也就越來越低，但計算量的大小依賴于選擇模型的自身特點。在不考慮計算實時性的條件下，計算精度越高越好。因此，傳播模型選擇的總原則是：首先選擇確切描述模型，其次是近似求解模型，最后才是理論估算模型。

2.1.2 電波傳播模型自動匹配方法

首先，對所有的檢索詞參數(shù)進行分級，共分為3級：一級檢索詞參數(shù)包括頻率、發(fā)射天線高度、接收天線高度和傳播路徑類型；二級檢索詞參數(shù)包括地表參數(shù)、對流層參數(shù)和電離層折射率梯度；三級檢索詞參數(shù)包括時間百分比、傳播距離、求解類型和已知參數(shù)類型。其次，按順序，將檢索詞與已知傳播模型進行匹配，如果所有檢索詞參數(shù)都得到滿足，即匹配，則該模型作為確切描述模型。如果一級和二級檢索詞參數(shù)得到滿足，而三級檢索詞參數(shù)沒有滿足，稱該模型為在此檢索詞下的一類近似求解模型。此時可以通過對求解結(jié)果進行經(jīng)驗性補償，提高求解精度。如果一級檢索詞參數(shù)得到滿足，而二級檢索詞參數(shù)沒有完全被滿足，稱該模型為在此檢索詞下的二類近似求解模型。此時，需要對求解結(jié)果進行較大動態(tài)范圍的補償，而且結(jié)果的誤差可能會很大。如果一級檢索詞參數(shù)沒有被滿足，則稱該模型在此檢索詞下不匹配，利用理論估算模型進行求解。傳播模型選擇流程如圖3所示：

圖3 傳播模型選擇流程 Fig.3 Flow chart of propagation model selection

2.2 模型管理

模型管理模塊主要是武器裝備平臺模型、數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)可視化等功能的管理。裝備平臺模型可以通過3dmax、CAD、C4D等軟件建模，導(dǎo)入系統(tǒng)。數(shù)據(jù)模型主要是一些武器裝備的屬性數(shù)據(jù)，比如天線的方向圖數(shù)據(jù)、目標(biāo)RCS數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)要通過暗室測試或者仿真（HFSS/FEKO等軟件）來獲取。數(shù)據(jù)可視化則是對模型數(shù)據(jù)的可視化顯示，可用的技術(shù)或控件比較多，如OpenGL/Direct3D、anycad等，一般采用三維可視化，可以方便從各個方向觀察數(shù)據(jù)。

模型文件一般分為實體模型和組件模型兩大類。實體模型指可用于兵力部署的各類作戰(zhàn)平臺模型，包括導(dǎo)彈模型、固定節(jié)點、海基平臺、空基平臺、陸基平臺和天基平臺，主要是為了各設(shè)備搭載配置和作戰(zhàn)關(guān)系組網(wǎng)提供資源，方便整體作戰(zhàn)體系下的管理控制。組件模型指可為作戰(zhàn)平臺搭載的相關(guān)設(shè)備模型，包括電子干擾設(shè)備、電子偵察設(shè)備、雷達導(dǎo)引頭、雷達設(shè)備、通信設(shè)備、武器裝備、天線等，主要是具體設(shè)備參數(shù)和數(shù)據(jù)[4]。

由于仿真系統(tǒng)是針對電磁環(huán)境，其模型準(zhǔn)確度主要涉及功率、頻率、接收機性能等屬性參數(shù)。常用屬性參數(shù)見表1。

表1 常用設(shè)備參數(shù) Tab.1 Common equipment parameters

2.3 想定規(guī)劃

想定規(guī)劃模塊在仿真模型數(shù)據(jù)庫提供的模型/數(shù)據(jù)支撐下，完成作戰(zhàn)場景設(shè)置、作戰(zhàn)兵力部署、作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃等想定編輯工作，并生成想定文件，供仿真推演模塊調(diào)用。根據(jù)不同場景編輯想定，在數(shù)字地圖上部署相關(guān)作戰(zhàn)平臺，配置其基本屬性和運動軌跡，掛載相關(guān)裝備[5-6]，設(shè)置作戰(zhàn)任務(wù)，并生成想定文件。其過程一般有以下幾個方面。

1）作戰(zhàn)區(qū)域設(shè)置。選定作戰(zhàn)發(fā)生的區(qū)域范圍，設(shè)置作戰(zhàn)自然環(huán)境，按照戰(zhàn)場發(fā)生的時間和地點，依托高精度的GIS系統(tǒng)，自動匹配作戰(zhàn)區(qū)域的地形。

2）氣象條件設(shè)置。支持地理氣候類型選擇及參數(shù)設(shè)置，進行平均表面環(huán)境溫度、平均表面相對溫度、年均單點降雨量、雨區(qū)范圍、空氣溫度、海面溫度等參數(shù)的設(shè)置。

3）背景電磁設(shè)置。配置作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)的背景電磁噪聲，包含新建電磁計算區(qū)域、刪除電磁計算區(qū)域和配置區(qū)域電磁噪聲。其中電磁區(qū)域類型包括矩形、圓形和多邊形。電磁噪聲參數(shù)包括起始頻率、終止頻率、所在作戰(zhàn)階段、背景電磁環(huán)境。

4）兵力編配生成。設(shè)置部署的兵力屬于哪一作戰(zhàn)勢力，作戰(zhàn)勢力可添加不同作戰(zhàn)單元類型。

5）作戰(zhàn)網(wǎng)系構(gòu)建模塊。根據(jù)聯(lián)合作戰(zhàn)任務(wù)具體方案，調(diào)用作戰(zhàn)力量編配模塊生成的作戰(zhàn)平臺，建立網(wǎng)系節(jié)點，并設(shè)置節(jié)點間收發(fā)關(guān)系。

6）作戰(zhàn)想定設(shè)計。對單一作戰(zhàn)實體和作戰(zhàn)過程的流程設(shè)計。對于單一實體來說，其流程設(shè)計包括作戰(zhàn)任務(wù)的設(shè)定和行動路徑規(guī)劃。對于整個作戰(zhàn)流程設(shè)計來說，首先要統(tǒng)籌作戰(zhàn)階段，設(shè)置各個作戰(zhàn)階段的起始時間和終止時間，設(shè)定參與該階段作戰(zhàn)的作戰(zhàn)單元、作戰(zhàn)平臺和用頻裝備，設(shè)置其運行狀態(tài)，然后劃分作戰(zhàn)區(qū)域，從而完成作戰(zhàn)預(yù)案向計算機仿真想定的轉(zhuǎn)換。

2.4 仿真推演

仿真推演模塊從功能上主要分為仿真運行管理 模塊和仿真模型解算模塊。其中，仿真運行管理包括仿真控制和仿真推演工作臺，完成想定文件讀取、仿真開始/暫停/重置、仿真速度控制、仿真送顯[7-8]，以及空間分析/雷達計算/通信計算/干擾分析等參數(shù)設(shè)置等功能。仿真模型解算包括仿真模型加載、仿真數(shù)據(jù)解算和仿真效果驅(qū)動[9-10]等功能，并提供大量算法模型，包括電波傳播算法模型、裝備模擬計算算法模型、電磁環(huán)境計算算法等。仿真運行管理能夠控制仿真開始、重置、暫停、終止；能夠根據(jù)仿真想定文件設(shè)置仿真終止條件；能夠通過已完成的百分比及預(yù)計剩余時間顯示仿真進度；能夠?qū)⒎抡鏁r間作為仿真終止條件；能夠在仿真中調(diào)整仿真推進時間步長；能夠調(diào)整仿真速度加速運行。

仿真運行一般采用變時間步長的時間推進與基于離散事件推進的仿真推進機制。事件觸發(fā)機制是在給定仿真時間粒度的前提下，在每一個時間步長都對仿真進行一次判別，一旦滿足了觸發(fā)條件，則該實體執(zhí)行對應(yīng)的作戰(zhàn)任務(wù)。所有觸發(fā)條件和作戰(zhàn)任務(wù)可以通過界面在仿真開始之前配置好，形成推演規(guī)則。部分作戰(zhàn)規(guī)則在模型創(chuàng)建之初通過消息機制來設(shè)定或有用戶指控界面發(fā)出消息來控制。離散事件類型包括時間觸發(fā)、地域觸發(fā)、實體探測、消息接收和實體狀態(tài)變化，如圖4所示。

圖4 仿真推進種類 Fig.4 Simulation deduction subsystem

2.5 態(tài)勢顯示

態(tài)勢顯示模塊主要實現(xiàn)在仿真過程中接收仿真數(shù)據(jù)，對仿真過程進行實時顯示和監(jiān)控。可對矢量地圖數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)及影像數(shù)據(jù)進行處理，生成可視化的三維立體地形，可在三維地形上進行常規(guī)地形量算，并將量算結(jié)果展現(xiàn)在三維地形上。同時，在三維地形上對作戰(zhàn)相關(guān)的詢問應(yīng)答波束、干擾波束、信號傳輸、預(yù)警探測引導(dǎo)波束和范圍、指揮引導(dǎo)波束、數(shù)據(jù)鏈和通信電臺通信波束、雷達探測波束和范圍等進行可視化顯示[11-14]，支持按照時間和頻率篩選電磁分布數(shù)據(jù)，并進行電磁態(tài)勢分析。可通過UDP、TCP、RTI等多種外部交互方式從外部獲取相關(guān)驅(qū)動數(shù)據(jù)，驅(qū)動展現(xiàn)效果的動態(tài)變化。

2.6 仿真模型數(shù)據(jù)庫

GIS數(shù)據(jù)庫主要用來存儲地理信息平臺應(yīng)用的高程數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)。武器裝備三維模型數(shù)據(jù)庫包含豐富的軍事電子信息系統(tǒng)和武器裝備三維模型。天線模型庫一般支持導(dǎo)入仿真、測試的天線 方向圖文件，通過天線主瓣波束寬度、增益以及副瓣電平定義方向圖，通過參數(shù)定義的陣列天線。

3 總體結(jié)構(gòu)

電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、模塊劃分、數(shù)據(jù)流向如圖5所示。系統(tǒng)以仿真模型數(shù)據(jù)庫的GIS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，搭建二、三維GIS可視化平臺，與模型管理模塊進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)武器裝備模型的實體化，為想定規(guī)劃模塊提供基礎(chǔ)作戰(zhàn)單元模型的支撐。想定規(guī)劃模塊依托GIS可視化平臺和作戰(zhàn)計劃制定想定文件，供仿真推演模塊調(diào)用。仿真推演模塊根據(jù)想定文件中的裝備基本屬性、掛載的組件裝備、運行軌跡和作戰(zhàn)任務(wù)，調(diào)用仿真模型數(shù)據(jù)庫里的裝備數(shù)據(jù)，運用適合場景的電磁傳播算法，進行覆蓋范圍、電子對抗、復(fù)雜度等推演計算。模型管理模塊中的可視化數(shù)據(jù)、想定規(guī)劃模塊中作戰(zhàn)計劃數(shù)據(jù)、仿真推演模塊中的推演計算結(jié)果數(shù)據(jù)都在態(tài)勢顯示模塊中以作戰(zhàn)態(tài)勢、電磁態(tài)勢、數(shù)據(jù)圖表等顯示方式呈現(xiàn)。

圖5 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) Fig.5 System overall mechanics

圖6 無人機對地攻擊案例 Fig.6 Case of UAV attack on the ground

4 仿真案例

場景模擬紅方無人機按照預(yù)定航線向藍方陣地飛行，搜尋探測目標(biāo)雷達站并進行攻擊。在此過程中，藍方所有用頻設(shè)備（搜索雷達、跟蹤雷達、干擾裝備、通信裝備等）均處于工作狀態(tài)。當(dāng)紅方無人機飛行至藍方防空識別區(qū)內(nèi)，并被藍方雷達成功探測到時，藍方干擾機開始對紅方無人機進行干擾[15-16]。紅方無人機導(dǎo)引頭和導(dǎo)航系統(tǒng)受干擾后自身航線將發(fā)生偏移，對目標(biāo)的測向定位也會失準(zhǔn)。

按照模擬的場景建立模型、設(shè)置參數(shù)、構(gòu)建想定，進行推演仿真，如圖6所示。無人機按預(yù)設(shè)軌跡飛行，并將導(dǎo)航、偵察、攻擊等狀態(tài)信息實時發(fā)送給無人機 測控中心。當(dāng)無人機進入藍方防空范圍，并被藍方預(yù)警機/雷達站探測到后，藍方干擾機開始對無人機實施導(dǎo)航干擾和雷達干擾，無人機的航跡發(fā)生偏移，場景中通信鏈路性能、雷達探測覆蓋范圍、電磁環(huán)境復(fù)雜度等可通過統(tǒng)計分析模塊予以顯示。無人機的電磁環(huán)境適應(yīng)性可以通過敏感特性數(shù)據(jù)和計算得到的無人機所處電磁環(huán)境對比分析得到。

5 結(jié)語

電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗仿真系統(tǒng)涉及GIS、模型繪制、電磁傳播算法、態(tài)勢顯示、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用、分析評估等專業(yè)方向，是一個復(fù)雜系統(tǒng)。從仿真案例看，文中設(shè)計思路和方法切實可行，可以應(yīng)用于試驗、訓(xùn)練和推演等方面，具有一定的研究價值和應(yīng)用前景。需要說明的是，仿真都是在一定想定場景下進行，得出的電磁環(huán)境適應(yīng)性是局限的，僅能說明仿真場景下武器裝備的電磁環(huán)境適應(yīng)性，可以在想定中增加不同類型輻射源來提高仿真適應(yīng)性的覆蓋度。