战场电磁兼容

2024-05-07

战场电磁兼容（精选六篇）

战场电磁兼容篇1

电磁战场环境是作战建模与仿真系统中不可或缺的一部分,不同的武器系统都有不同的电磁特征[1]。战场上,侦察系统可以对侦测到的电磁信号,通过对特定的特征信息进行筛选和提取,然后进行模式分析,得出电磁信号所属的类型或电磁辐射源的位置、配属的相关武器及其变化规律等,从而对研究战场电磁环境的组成、进行电磁威胁态势的分析、目标判别、指挥决策都有极大的意义。

1 理论概述

现代作战规模越来越大,指战员需要了解的信息越来越多,从而使得信息跟踪、检测、收发等技术及装备迅猛发展,各式侦察传感器的数量和种类越来越多,电磁环境也就越来越复杂,电子对抗装备系统的体系结构和规模也越来越庞大,这些都给电磁信号的识别技术有了很大的不确定性[2]。而模糊逻辑的思想和D-S证据理论,可以很好地解决不确定性问题,同时结合信号在时间上的冗余信息,就能有效提高信号的识别率。

自从L.A.Zadeh在1965年提出了模糊集的概念后,模糊集理论在工业控制、经济决策、模式识别等领域得到了广泛应用,并在多传感器信息融合中显示出越来越强大的优势。电磁信号的识别可以通过建立相应的隶属度函数转化为模糊模式识别的问题,即根据观测样本与己知模板库中的样本之间的距离,从而建立观测样本与模板中的各个样本的相似度,最终确立观测样本所属的类别[3]。

证据理论又称Demopster-Shafer理论或信任函数理论,它是经典概率论的一种扩充形式。该算法用可信度、拟信度区间表达证据对结论的支持程度。通过获取目标的相关信息,根据相应的推理知识库,推导计算出目标的各属性结论的可信度区间,并进而判定出目标的属性结论。D-S证据理论的最大特点是在证据中引入了不确定性,同时又摆脱了先验概率的限制。

2 电磁信号识别建模与算法步骤

电磁信号含有许多反映其属性的特征参数,包括工作频率、脉冲重复频率、脉冲宽度、信号调制方式、频率变化方式等。被侦测接收到的电磁信号,经过相关、滤波、特征提取等处理后,将得到一个联合特征矢量,其中矢量的各个参数分量代表电磁信号的各个特征,所给出的每一组特征参数代表一个待识别的电磁信号观测样本[4,5]。

2.1 研究问题表述

假设当前己知电磁数据库中的模板样本中有N类电磁信号,其识别框架为:

$\tilde{U} = (\tilde{U}_{1}, \tilde{U}_{2}, \dots, \tilde{U}_{Ν})$

式中: $\tilde{U}_{j} (j = 1, 2, \dots, Ν)$ 表示第j类信号,它是一个含k个特征参数的联合特征矢量: $\tilde{U}_{j} = (U_{j 1}, U_{j 2,} \dots, U_{j k})^{Τ}, U_{j i}$ 表示电磁辐射信号j的第i(i=1,2,…,k)个特征参数,它有多个取值[6]。侦测接收到的电磁信号经过特征提取后也会得到一个含k个特征参数的矢量X=(x1,x2,…,xk)T,其中xi是观测样本中的第i个特征参数。那么即可由下述步骤确定所接收的信号的种类。

2.2 确定隶属度函数

对于联合特征矢量中离散型参数变量,如电磁信号的射频调制方式、重频调制方式、频率变化方式等,可定义其隶属度函数如下:

$u_{U_{j i}} = {\begin{cases} 1, 当调制方式匹配时 \\ 0, 当调制方式不匹配时 \end{cases} (1)$

对于联合特征矢量中的连续模拟型参数变量,如电磁信号的工作频率、重复频率、脉宽等,采用正态型隶属度函数表示为:

$u_{U_{j i}} (x_{i}) = \exp [- \frac{(x_{i} - U_{j i})^{2}}{2 σ_{j i}^{2}}] (2)$

式中:σji是Uji的偏差,称为uUji(xi)的展度。Uji的取值是多个,可选取隶属度函数中最大的作为该参数的隶属度。

2.3 计算综合模糊隶属度

基于被观测目标的许多特征矢量相关参数的重要性不同,因而必须进行经过一事实上的加权处理[7]。

令Wi为第i种参数的权重系数,则有 $\sum_{i}^{k} W_{i} = 1 (W_{i} \geq 0, i = 1, 2, \dots, k)$ ,可定义观测样本的加权模糊隶属度 $u_{\tilde{U}_{j}} (X)$ 为:

$u_{\tilde{U}_{j}} (X) = \sum_{i = 1}^{k} W_{i} \times u_{U_{j i}} (x_{i}) (3)$

由此可得出观测样本矢量X对于模板 $\tilde{U}$ 的一组模糊隶属度集合G为:

$G = {u_{\tilde{U}_{j}} (X) | j = 1, 2, \dots, Ν} (4)$

2.4 样本信息合成

取t次观测样本,其中第i次样本对已知电磁信号源数据库中样本的隶属度集合为:

$G_{i} = {u_{\tilde{U}_{j}} (X_{i}) | j = 1, 2, \dots, Ν}, i = 1, 2, \dots, t (5)$

判别框架是己知电磁信号数据库中经过预匹配得到的模板样本。

上面的隶属度函数还不能合理地描述信号识别过程中的不确定性,同时多样本观测的合成在模糊推理框架下仍不能有效合成。为了便于利用证据理论对不同时间观测样本的信息进行合成,可以运用下面的构造基本概率分配函数的方法:

首先对式(5)给出的隶属度进行归一化处理,归一化后的隶属度记为 $v_{\tilde{U}_{j}} (X_{i})$ ,则:

$v_{\tilde{U}_{j}} (X_{i}) = u_{\tilde{U}_{j}} (X_{i}) / \sum_{j = 1}^{Ν} u_{\tilde{U}_{j}} (X_{i}) (6)$

由于一些不确定因子的影响,观测样本和模板样本的匹配存在着不同程度的不可靠性,因而还需对归一化处理后的隶属度函数G中的各项隶属度进行一定的折扣运算,得到多样本所提供证据的mass函数[8]。

隶属度的相对可靠度为:

$α_{\tilde{U}_{j}} (X_{i}) = ω_{\tilde{U}_{j}} [1 - (v_{\tilde{U}_{j}}^{\max} (X_{i}) - v_{\tilde{U}_{j}} (X_{i}))] (7)$

式中: $v_{\tilde{U}_{j}}^{\max} (X_{i}) = \max v_{\tilde{U}_{j}} (X_{i})$ ; $ω_{\tilde{U}_{j}}$ 是不确定系数,可根据先验信息获得,一般取 $0.9 \leq ω_{\tilde{U}_{j}} \leq 1$ 。显然 $0 \leq α_{\tilde{U}_{j}} (X_{i}) \leq 1$ 。由此得到:

$G_{i}^{*} = α_{\tilde{U}_{j}} (X_{i}) G_{i} (8)$

这时 $\sum_{j = 1}^{Ν} α_{\tilde{U}_{j}} (X_{i}) v_{\tilde{U}_{j}} (X_{i}) \leq 1$ ,而 $1 - \sum_{j = 1}^{Ν} α_{\tilde{U}_{j}} (X_{i}) v_{\tilde{U}_{j}} (X_{i})$ 属于未知信息。

选用mass函数对上述不确定性信息进行表示,得到mass函数为:

$m_{\tilde{U}_{j}} (X) = {\begin{cases} α_{\tilde{U}_{j}} (X_{i}) v_{\tilde{U}_{j}} (X_{i}), X = X_{i} \\ 1 - \sum_{j = 1}^{Ν} α_{\tilde{U}_{j}} (X_{i}) v_{\tilde{U}_{j}} (X_{i}), X = Ω \end{cases} (9)$

通过运用上述证据理论的组合公式,可以对多样本所提供的信息进行两两组合,得出最终的基本概率分配函数结果,进而可依据判决准则对观测样本做出判断。

2.5 选择评判准则

评估准则选择为: $m_{\tilde{U}_{j}} (X) \geq λ (λ$ 为给定的阈值),则X∈ $\tilde{U}$ j;若 $\min m_{\tilde{U}_{j}} (X) \geq λ$ ,则X∈ $\tilde{U}$ ;若则 $\max m_{\tilde{U}_{j}} (X) < λ$ ,则X∉ $\tilde{U}$ 。

3 仿真实验

利用软件开发工具Visual C++和SQLServer,对战场电磁信号识别技术进行验证。在识别仿真中,利用脉冲信号仿真生成电磁辐射信号[9],选择载频(单位:MHz)、脉冲重复频率(单位:Hz)、脉宽(单位:μs)三个特征参数构成电磁信号的特征向量,特征参数的权重由外场统计得到,分别为W=(0.3,0.4,0.4),从电磁信号数据库中提取3个相近的电磁信号作为识别框架:A=(8 211,600,0.7),B=(8 300,610,0.8),C=(8 161,620,0.9)。

通过抽取一个己知特征矢量并加上测量误差构成观测样本,根据统计实验设均方误差分别为0.5%,1%,2.5%。将信号A叠加随机噪声,可得四次观测样本信号分别为:a=(8 179,600,0.8),b=(8 220,610,0.6),c=(8 107,610,0.7),d=(8 137,630,0.7)。

通过式(2),式(3)和式(6)～式(9),取 $ω_{\tilde{U}_{j}} = 0.9$ ,可求得mass函数值,如表1所示。

运用D-S证据推理组合公式对信任度进行组合之后,得到最终的结果,如表2所示。

采用阈值原则进行识别[10],取门限值λ=0.6,则由表2可得,观测到的样本信号的样式与电磁信号A比较接近,与实际情况相符。通过对多组数据的多次仿真测试进行结果分析,可证实该识别方法有较高的识别效果。

4 结语

本文针对确定电磁信号源的不确定性,研究了基于模糊理论和D-S证据理论建立电磁信号源识别的数学模型可行性,仿真结果表明了模型的合理性与有效性,为战场电磁环境的开发和战场态势的显示探索出了新的算法与路径。

摘要：电子技术的突飞猛进让越来越多的电磁设备应用于战场,从而使电磁信号的识别成为摆在广大指战员面前的难题。通过对电磁信号特征进行建模、利用模糊理论构造隶属度函数计算综合模糊隶属度、用证据理论对样本的信息进行合成,从而设计了一种基于模糊集和D-S证据理论的电磁信号识别技术。最后,通过实验仿真证实了该方法的可行性。

关键词：模糊集,D-S证据理论,电磁信号,识别

参考文献

[1]毕义明.军事建模与仿真[M].北京:国防工业出版社,2009.

[2]梁百川.电子战装备一体化技术[J].信息与电子工程,2010,8(4):397-400.

[3]刘宝碇,彭锦.不确定理论教程[M].北京:清华大学出版社,2011.

[4]王中杰,李侠,陆小星,等.雷达网实际探测概率分布模型与仿真算法[J].火力与指挥控制,2009,34(4):88-92.

[5]王志英,章新华,张新杰.战场电磁环境可视化研究[J].现代防御技术,2004,32(6):38-42

[6]杨超,陈鹏,魏迎梅.雷达最大探测范围三维可视化研究与实现[J].计算机工程与应用,2007,43(11):245-248.

[7]杨超,徐江斌,赵健,等.基于多层等值面的电磁环境三维可视化研究[J].系统工程与电子技术,2009,31(11):2767-2772.

[8]孙永军,许国银.模糊综合评判的同类地空导弹火力单元作战能力评估[J].火力与指挥控制,2007,32(3):65-71.

[9]蒙洁,汪连栋,王国良,等.雷达电子战系统电磁环境仿真[J].计算机仿真,2004,21(12):21-24.

战场电磁兼容篇2

战场电磁环境对无人机系统的干扰分析

提高无人机系统抗电磁干扰能力,是适应信息化战争复杂战场电磁环境的必然要求.从干扰源、干扰设备、干扰途径等不同方面综合分析了复杂战场电磁环境对无人机系统可能存在的电磁干扰,描述了作用机理,对潜在的`危险性作出分析评估,并提出了有效的抗电磁干扰的防护措施.

作者：宣源田晓凌程德胜巨孝成汪卫华 XUAN Yuan TIAN Xiao-ling CHENG De-sheng JU Xiao-cheng WANG Wei-hua 作者单位：中国人民解放军炮兵学院,合肥,230031刊名：装备环境工程 ISTIC英文刊名：EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING年，卷(期)：5(1)分类号：V279 X123关键词：无人机电磁干扰电磁防护电磁兼容

未来战场的行动指南——电磁地图篇3

磁盘地图

磁盘地图就是将拍摄到的某地区全貌的录像带转到磁盘上，通过计算机和图解设备来读取地图。这种地图与传统意义上的地图相比，使用功能远远大于后者。一是判断效率高它能非常迅速地向用户提供从任何角度拍摄到的地形、地貌，要查看任何指定地区，只需几秒钟就能显示在用户眼前。二是实时性、真实性强如指挥官要亲眼看到正翻山越岭或行进在街巷的部队，只需简单地观察地图监视器就行了；若要了解战斗任务是否受天气影响，只需命令地图系统显示预先拍摄下来的多角度的夜间地图即可。三是存取常规地图和标绘地图容易如指挥官可通过输入设备在地图显示器上写字、标符号、注释和制定作战计划等，标写、修改、印刷、携带和传送都十分便捷。

全息地图

全息地图就是利用空中对地面进行“全息摄影”得到的“立体影像”后，经计算机处理，用相关仪器“判读”的地图。它与常规地图比较，有以下优点：一是三维立体感强一般地图是二维平面图，直观性不太强。经计算机处理的全息型地图，则大大提高了三维地图的作战使用价值。二是获取实时性地图容易传统的地图已经很难满足指挥员全面、可靠、适时地掌握战场地形情况的需要。而全息型地图因存有地形信息，如战场地形经战场硝烟洗礼发生变化时，只需修改相应的数据，计算机就可绘制出变化了的立体模型来。三是绘制情况变化图较快利用卫星照相技术提供的资料，参谋人员不但可以迅速地绘制敌军部署的透视图，而且还可以通过人一机对话的方式更新有关敌军情报资料，并对透视图加以评述和旁注。

数字地图

数字地图就是在计算机内将地图资料以数字的形式储存起来的地图。它与传统的地图相比，有以下优点：一是分辨率极高一般地图受到印刷条件的限制，线条太细，肉眼难以辨认。而在数字地图上，就不存在这个问题。你可任意地不断放大，直到你精确地、详细地了解到了资料为止。二是能全面“回答”某地区问题如当指挥员要求找出所有的距离某公路最近而又便于部队隐蔽埋伏、快速出击，以及这些林区与公路之间坡度的大小信息时，计算机便能立即显示出一副特殊地图来，还附带一则说明：“有×个地方符合埋伏要求，它们分布如下：……”。三是具有“指挥”能力将数字地图输入导弹存储器的电脑内，一经“对数”，导弹就能按指定的航线、路线精确地命中目标。

信息地图

信息地图就是利用现代信息技术，将气象数据、情报、敌友军的位置、后勤保障等士兵所需要的一切作战信息融合到一起并加以储存，制成一种应用于21世纪数字化战场的地图。它与传统的地图相比有以下优点：一是以数字化电子方式传输、储存信息通过全球指挥和控制系统，它可以以计算机数字通信方式随时传输到任何地点，从而使前线士兵和后方指挥官都能随时获得实时的战场信息。二是能与全球定位系统结合使用通过与全球定位系统结合使用，可以使未来战场上的士兵在任何情况下都能迅速而准确地知道自己所在位置。三是能实现数据共享由于实现了数据共享，使用者可通过数据库迅速而又方便地查询所需的全部作战信息。四是能与武器系统结合这种地图可改变以往那种先将纸制地图转变成电子地图，再将电子地图输入灵巧武器的方式，不仅省时、省钱，而且克服了纸制地图不精确的弊端，从而大大地提高武器的射击精度。

基于战场雷达电磁环境构建技术研究篇4

电磁环境, 通常是指在某些特定战场空间内有影响电磁活动和现象的总和[1]。由于战场电磁环境受到作战装备、器材的频率、功率、分布情况、辐射方式、地形条件、气象水文等多种因素影响, 因此战场电磁环境是一种复杂的电磁环境。随着电子战逐步拓展, 对抗双方使用的电子装备越来越多。以雷达为例, 辐射源数量日益增多, 且大量地纵深密集配置。战场上存在的电磁信号少则每秒几万个, 多则每秒百万个, 此外还会出现在同一时刻信号叠加和互扰的情况。

1 战场电磁环境特征描述

当前, 战场电磁环境构成复杂, 构成因素多元, 从整体上来讲, 可以通过空间状态、时间分布、频谱范围、和能量密度来描述。

1.1 空间状态复杂

随着信息技术在军事领域的广泛应用, 战场上的民用和军用电子装备的种类和型号也日益繁杂。在作战空间的某一位置, 来自不同作战平台的电磁辐射交织在一起, 形成交叉重叠的电磁态势。海湾战争中, 美军在狭小的作战地域内开设了通信枢纽2500个, 电台1.62万部。3.5万个频率。电磁辐射源的数量达数万个以上。伊拉克战争中, 有关军事通信、指挥控制、情报侦察、预警探测、电子对抗、测绘导航等类型电子设备的电磁辐射源都会给信息化装备产生不同程度的影响, 进而影响指挥作战整体效能。

1.2 时间分布连续

时间分布是战场电磁环境随时间变化的表现形式, 是时域的描述结果。无论平时还是战时, 电磁辐射活动是连续的, 某一时刻, 各种武器装备也会受到各种类型电磁波的辐射。此外在战场中, 由于电子对抗的存在, 使电磁辐射在时域上表现的更加密集, 因此, 时间分布这一特性是战场电磁环境的重要特征。

1.3 频谱范围交错

频谱是电磁信号在频域的表现形态。随着电磁频谱领域研究内容不断深入, 一方面, 电磁频谱越来越宽, 另一方面由于电离层反射、吸收等因素影响, 在实际操作中可供利用的频谱十分有限。因此, 战时频率重叠现象十分严重, 电子装备之间自扰互扰现象明显。例如世界各国军队的超短波通信频率均在30-300MHz之间, 对敌方超短波通信进行干扰势必会对进入干扰区内的己方超短波通信造成负面影响。

1.4 能量密度不均

能量密度是战场电磁辐射强度的另一种表述。它的典型特征是密度跌宕起伏。在现代战场, 运用强大的电磁信号和电磁能, 可以在特定时间、位置使电磁辐射特别强大, 以达到电子对抗的目的。

2 战场雷达电磁环境模拟

目前主要通过计算机模拟的方法来模拟现实中的战场雷达电磁环境[2]。但实际上战场电磁环境是千变万化的, 具有不确定性。因此不能用一个通用的模型来模拟、仿真, 只能建立一个粗略的带有统计性质的模型。例如在某一战场电磁空间, 它受到的干扰分为有源干扰和无源干扰。有源干扰分为自然干扰和人为干扰。人为干扰指的是对某一频段电磁波进行压制性或欺骗性干扰。自然干扰指的是自然或其他因素无意识的干扰。由于人为干扰的诸多不确定性, 因此不作为电磁环境模拟需要考虑的因素。在本文中对自然的有源干扰进行建模。其模型可以简化为各种辐射源对雷达战场电磁场的影响。假设战场只存在一些随机的雷达源, 他们的类型可以是一种, 位置也可以是随机的。然后通过科学计算, 得出雷达元对作战区域电磁场的影响, 其物理模型示意图如图1所示。

一般情况下, 模拟的的方法有两种, 一种是信号模拟, 可以建立精确的数学模型, 对具体的频率、功率、相位进行模拟;一种是功能模拟, 可以对电磁环境的功能参数进行模拟, 不具备对信号频率、功率进行模拟。

2.1 信号模拟

一般来说, 信号模拟的方法就是求解麦克斯韦尔 (Maxwell) 方程的过程。主要有解析法、近似法、分析法三种。

解析法:主要是建立和求解麦克斯韦尔微分方程或积分方程。其优点是可以将模型转变为具体的函数公式, 可以得出精确的结果;可以对近似值和数值解进行校验;解析过程中可以明显看出模型内在的联系和具体参数对结果起到的作用。此外其缺点也十分明显, 它只能解决较为简单的问题, 对于大多数问题无法得出详细结果。

近似法:它也是一种解析法, 具体来说是一种近似解法。它可以求解一些解析法不能解决的问题。但是, 近似法中解析的部分计算量较大, 而且随着期望的精度提高而增大。有时会存在计算量和计算精度的矛盾。

数值法:可以解决以上两种方法不能解决的问题。主要是运用差分代替微分, 有限求和代替积分的方法将研究的问题转变为差分方程或代数问题。其优点是可以解决以上两种方法不能解决的问题, 可以得出精确答案。其缺点是在具体实践中收到计算机存储量、执行时间和数字误差等其他问题。数值法的种类很多, 比如有限差分法、矩量法、边界元素法等。

2.2 功能模拟

战场电磁环境模拟是指到达电子设备所有雷达辐射信号的集合。其实质是这些雷达信号形成的脉冲流。脉冲流是由某一时刻, 某一雷达射频脉冲形成。通常可以用PDW (Pluse Describe Word) 来描述。通过对脉冲载频 (RF) 、脉冲宽度 (PW) 、脉冲前沿到达时间 (TOA) 、脉冲幅度 (PA) 和雷达发射信号来建立相应模型。

2.2.1 RF模型

雷达脉冲载频可以分为单载频和多载频两类。频率的分集是指多部载频不同的发射机、接收机和处理器公用一部天线发射脉冲。频率捷变是指脉冲载频在脉间有规律的随机变化。

脉组变载是指一个周期内存在多个载频, 每个载频发射多个脉冲, 形成载频脉冲组, 脉冲组间变载频。

2.2.2 PW模型

脉冲宽度主要有单脉宽和变脉宽两类, 其变化规律可以是线性非线性或其他函数。

2.2.3 TOA模型

脉冲前沿时间主要和该脉冲发射时间及大气中的传播距离和传播速度有关。因此, 在进行TOA模拟时, 要首先计算PRI, 然后求出时间t (n) , 然后才能根据t (n) 和距离R求出TOA。

2.2.4 雷达发射信号模型

雷达发射信号模型可以表述为:

其中WC为载频, Pt为发射机峰值功率, Lt为发射综合损耗, g (θ) 为发射天线方向图, v (t) 为复调制函数, 考虑到脉间捷变频和线性调频有:

其中, Wk为第k个脉冲的角频率增量, Tr为脉冲重复频率, μ (t) 为单个调制函数, 举行函数Rect (t) 定义为:

2.3 雷达电磁环境场地构建

有了电磁环境的构建模型, 就需要一定的模拟环境场地。通常场地的构建包括外场构建和内场构建。外场构建包括外场实物模拟和外场模拟器构建。内场构建包括内场模拟器构建和计算机仿真。

2.3.1 外场实物模拟

该方法就是用实体电子装备工作模拟战场雷达电磁环境, 是最直接、最逼真的模拟环境, 但是由于受武器禁运、保密等原则, 通常获得较全面、成体系的电子装备较为困难, 不能客观地模拟战场雷达环境。

2.3.2 外场模拟器构建

该方法是才在外场采用各种模拟器来产生逼真的雷达电磁环境, 具体可以通过模拟电磁信号功率、频率、电磁波辐射方向等, 根据需要模拟电磁环境。该方法造价低廉, 可以模拟多种电磁信号。

2.3.3 内场模拟器构建

该方法也是利用模拟器, 在微波室内进行的各种战场雷达环境的模拟实验, 通过对模拟器参数的具体设置, 可以做到定量控制, 模拟电磁信号种类齐全, 并且可重复实验、使用灵活、造价低廉等特点, 是一种较为普遍的模拟环境。但是这种内场环境与真实的战场环境存在较大的差异, 并且由于场地的限制不能引入大型模拟设备, 存在一定程度的局限性。

2.3.4 计算机仿真

通过计算机系统构建虚拟战场环境, 通过软件构建战场雷达环境模型, 利用已知的雷达、通信等数据库信息或者实验数据再现战场环境, 从而达到接近实战的环境。例如信息化的排头兵, 美国开发的大型软件实验平台Starship系统, 在产品鉴定、人员训练中都起到了广泛的作用。此外, 利用分布式交互仿真技术, 将分散于不同地点的模拟系统有机结合在一起, 构成一个整体联合训练, 起到了很好的训练效果。

3 结语

信号模拟相对于功能模拟, 可以模拟真实的信号, 得到信号的功率、相位等值。但是信号模拟的算法比较复杂, 且运算量大;在不需要模拟具体信息的情况下, 功能模拟能够模拟出一些统计性的参数, 如脉冲流密度的各种分布, 功率密度分布等, 但是无法获得电磁场信号的具体信息;此外通常使用计算机仿真方法进行场地构建。

参考文献

[1]刘培国.电磁环境基础[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2010.

战场复杂电磁环境频谱管理仿真技术篇5

战场复杂电磁环境是指时域上突发多变、空域上纵横交错、频域上密集重叠、功率分布参差不齐, 对有益电磁活动产生重大干扰, 严重影响武器装备效能、作战指挥和部队作战行动的无形战场环境。

频谱管理仿真系统用于模拟生成接近实际的电磁应用背景、评估用频系统的电磁性能、对网络的抗干扰能力进行验证以及对用频系统配置结构进行优化仿真等。

1战场复杂电磁环境模型

在理论研究的基础上, 结合实际应用, 建立战场复杂电磁环境仿真模型。建立接近实战的复杂电磁环境是进行频谱管理仿真计算、实验分析及验证的基础。战场复杂电磁环境模型主要包括:基础计算环境、台站模型和传播模型等内容。

1.1基础计算环境

1.1.1 设计方法

基础计算环境的主要任务是对战场复杂电磁环境的构成要素、要素间相互关系和联系, 以及系统的全部功能和各要素的基本功能进行设计, 按照特定作战场景构建系统级仿真环境。基础计算环境模型设计方法如下:

① 明确系统需求及使用背景, 掌握作战计划、作战样式、作战任务、战场环境、双方态势、参战兵力编成和武器装备、战斗进程、首长对频谱管理的指示和要求。背景应考虑作战想定、态势变化、时间阶段和技术保证条件;其环境状态应考虑地理位置、战场界限和资源调度等, 明确敌情、我情、天气和地理信息;

② 掌握战场频谱资源、战场电磁态势、频谱管理网系及保障力量情况, 收集汇总频谱资源征用、无线电管理动员需求;

③ 明确系统功能。系统的功能是战场频管系统的基本特征, 也是系统本质的体现, 不妨按以下内容分类:指挥、控制、通信、计算机、情报、侦察、监视, 或作战指挥、情报、通信、防空指挥、电子战等;

④ 明确系统组成。明确不同功能系统的物理部署、组织结构和功能组成;

⑤ 明确系统之间的交互关系, 包括物理连接关系和信息交互要求等;

⑥ 明确系统的作战要素。明确系统各作战要素的技术特征和重要参数。

1.1.2 主要功能

基础计算环境是战场频谱管理仿真系统的主体框架, 是台站模型、设备模型和传播模型等其他模型的集成环境, 是所有频管仿真功能计算、呈现和输出的基础平台。

① 电子地图:

基础计算环境提供由3种基本类型地图构成的地图浏览窗口, 即利用地理数据提供剖面视窗、普通的二维地图或全景三维地图。地理数据包括栅格数据、矢量数据和扫描图像等;

② 频谱资源管理:

主要频谱资源包括干扰源禁用保护频率数据;台站和装备数据;天线、发射机、接收机、滤波器、移动台和电缆等天馈线数据;国际、国内频谱划分数据;

③ 电磁拓扑管理:

建立与应用相符的电磁拓扑结构, 主要内容包括战场用频装备、台站部署和相互关系;民用频谱资源使用、台站设置和干扰态势;敌方干扰源、其他有害干扰源部署、特性;频谱管理网系、频谱监测、频谱探测装 (设) 备的组织与保障;

④ 频率协调:

收集汇总战场频谱管理综合情况, 协调处置各种频谱管理情况;拟制频谱管理协同方案、报告建议、计划、指示和通报;

⑤ 电磁态势显示:

生成战场电磁环境态势图、电子对抗态势图和综合态势图。

1.2台站模型

将所有的用频设备抽象为一个台站模型。台站类别有5种:地面台站、空间站、地球站、中继站和其他。每一个台站都是由发射天线、接收天线、发射机、接收机、滤波器和电缆组成 (如果仅仅是发射台站则可以忽略接收部分, 反之亦然) 。可见台站模型是由天线模型、发射机模型、接收机模型、滤波器模型、移动台模型和电缆模型等各种基本模型组成的综合模型。在创建台站过程中, 可以基于某种基本模板模型, 也可以自己进行定制。

台站模型基本属性:① 发射设备:发射机类型、天线类型、天线特性、滤波器类型、电缆特性、电缆长度、经纬度、海拔高度、相对高度、方向角、天线俯仰角、等效全向辐射功率和占空比;② 接收设备:接收机类型、天线类型、天线特性、滤波器类型、电缆特性、电缆长度、馈线损耗、附加损耗、经纬度、海拔高度、相对高度、方向角、天线俯仰角和最大容忍干扰率;③ 天线特性:频率、口面天线直径、极化方式、交叉极化隔离、天线最大增益和波瓣宽度等;④ 电缆特性:频率和衰减等。

1.3传播模型

1.3.1 基本传播模型

战场频谱管理仿真系统中包括一系列的传播模型, 这些模型涵盖了主要的传播模式, 频率范围从10 kHz～350 GHz。对于频率范围在2～30 MHz之间的高频系统, 采用电离层传播模型并集成了美国通信科学研究院的软件代码进行规划。

常用传播模型包括4类:① 基于在详细地形信息基础上的模型:如CRC传播模型、ITU-R P.526、ITU-R P.452、DETVAG 90/FOA;② 基于在粗糙地形和地面覆盖信息的模型:ITU-R P.370以及DETVAG 90/FOA针对地波传播的低频率计算;③ 统计模型:如Longley-Rice、COST-231-Hata、COST-231-Walfish-Ikegami、ITU-R P.619;④ 自由空间模型。

1.3.2 传播模型的选择

对于特定的计算, 必须选择合适的传播模型以保证计算结果正确。选择传播模型需要考虑的基本条件有:① 频率:一些传播模型有频率范围的限制;② 地形地貌特征:能否得到地貌数据;③ 地面以上的天线高度:如果天线距离地面很近, 需要选择一个考虑地面影响的传播模型;④ 计算速度:因为考虑了陆地覆盖的详细的地形和高度信息, 含有地貌信息的传播模型一般比较慢。

选择合适的传播模型主要考虑具体的应用, 传播模型的选择建议如表 1所示。

频谱管理仿真软件可以自动给出一种最合适的传播模型建议, 如果没有最合适的评估结果, 则可以通过牺牲计算速度, 以得到适当的传播模型。

2频谱管理仿真

基于战场复杂电磁环境仿真模型, 对系统的抗干扰技术和电磁兼容性等进行仿真。主要内容包括覆盖范围计算与比较、干扰计算 (包括同址干扰计算) 、无线链路性能计算、频率指配、无线电计算、无线电网络规划、高频规划管理、卫星网络协调、地球站协调管理和频谱浏览等。这里重点介绍覆盖计算、干扰分析及频率指配。

2.1覆盖计算

2.1.1 覆盖范围计算

覆盖范围计算的运算目标包括场强 (U/D) 、功率通量密度 (U/D) 、信号强度 (U/D) 、接收功率 (U/D) 、传输损耗 (D) 、余隙 (D) 和信干比 (D) 等 (U:上行链路, D:下行链路) 。覆盖计算模型如表 2所示。

覆盖计算时可选上行链路或下行链路计算, 用户可自定义移动模型、计算范围、传播模型和分辨率。

2.1.2 雷达覆盖计算

雷达覆盖计算工具可帮助操作员根据目标高度及雷达截面计算远程覆盖。可运算的结果有:① 无线电-视线可见度。根据用户定义的目标高度及可见的等效地球半径系数计算, 过程与覆盖范围计算中的余隙计算基本一致。计算结果的范围是所选的第一菲陧尔区余隙;② 自由空间覆盖。按用户选择的雷达截面, 根据自由空间模型记算并显示最大雷达覆盖范围, 也可以计算出为满足自由空间模型条件所要求的目标高度;③ 障碍或无障碍发射衰减。

每一时间内计算一个雷达站, 可以改变不同的雷达参数 (功率、天线高度和地面高度等) 以达到最高雷达覆盖范围。

2.2干扰分析

2.2.1 普通干扰计算方法

在频谱电磁兼容性分析中, 需要考虑的干扰主要有同频干扰、邻频干扰、互调干扰、谐波和杂散干扰。在具体分析时, 首先要确定共存条件即允许的干扰标准, 然后根据设备参数、站址数据和电波传播条件, 选择适当的模型进行计算。

干扰计算时每次选择一个站址, 可将该台站作为受干扰站或干扰站来分别进行研究。当考虑某站为受干扰站时, 计算工具可以给出受干扰站在各频点的接收频率, 总干扰 (干扰功率) 和总信干比 S/I ;以及造成干扰的发射源信息, 如干扰源频率、信干比和调频概率等。当把某站作为干扰站考虑时, 计算工具可以给出所有受干扰站的信息, 如受干扰站频率、干扰及信干比。

复杂电磁环境中包含大量台站, 用户可定义门限, 将很弱的不太可能形成威胁的干扰排除在外。

2.2.2 同址干扰分析

同址干扰计算工具针对带有许多发射机和接收机的台站进行干扰状况的计算, 而与之相反, 普通干扰计算方法仅计算远区的干扰。同址干扰计算为频率指配和区位天线布局的调整提供了有效的指导。

同址干扰计算输出包括一个可能对节点的接收状况带来干扰的重叠频率的列表。这个列表包括有关每个频率重叠是怎样发生的信息, 与哪些发射机有关和用dB表示的余量, 该余量表示干扰强度与定义的接收门限的差距。这个列表对如何解决潜在的干扰问题提供了有价值的指导意见, 例如可以通过把提供最多干扰的发射机排除在外, 或改变频率、加入其它的外部的滤波器和进行新的分析等办法来解决干扰问题。

同址干扰主要考虑的干扰源如下:① 交调。多达13阶的奇数阶交调和多达6个同时存在的信号;② 镜像频率。根据一个指定的衰减值, 接收机镜频得以考虑;③ 谐波。多达13阶的发射机谐波, 每一个谐波衰减拥有一个指定的值;④ 接收机阻塞。需要详细说明并且考虑最大的接收机输入级别, 这样的级别下接收机饱和, 接收灵敏度迅速变差;⑤ 天线覆盖区。很高方向性的天线可能造成很高的干扰信号;⑥邻道干扰。可根据发射机的频谱覆盖范围和接收机的灵敏度来计算相邻频道的干扰。

2.3频率指配

频率指配从系统角度考虑无线电系统的电磁兼容问题, 解决有限地域内的有限频带和频点的最大复用问题。频谱管理仿真系统支持单一频率分配, 也可以分配一主多备多组频点。

频谱管理仿真系统使用遗传算法完成频率的自动分配。主要考虑以下几种潜在的冲突判断标准:① 最小带宽。用来减小所分配的最高频率和最低频率之间的频率隔离度;② 频率资源少。使得所分配的频率总数量尽可能少;③ 干扰度。减少所分配频率之间的相互干扰;④ 干扰的优先次序。用来对有优先权的站址分配频率以使得低干扰得以实现;⑤ 同址干扰。为使得在进行阵列间干扰的分析计算时, 能够针对所选择的干扰方式进行频率指配。

结束的标准由遗传所经历的代的最大数量和所允许的干扰分配百分比给出。以上2个标准中, 任何一个达到给定值则结束频率指配过程。

以下列方式中的一种来对台站进行分类:① 最小最后。拥有最小限值的发射机被放在最后。这个限制计算了阻塞被分析的发射机的频率使用的发射机的数量;② 普遍最后最小。限值是根据因发射机的影响而被阻塞的频段的总数来计算的。

分配按下列优先次序来完成:① ST, 顺序技术。台站是按照优先权列表中的次序进行分配的;② AF, 适用的频段。那些拥有最少的适用频段的台站首先被分配。

频率可能以下面的次序来分配:① 最小容忍度, SA。从频带任一边沿指定第一个可接受的频率;② 最小的严重侵占, SMHO。将已经分配过的第一个可接受频率指配给大多数的基站。

3结束语

频谱管理仿真系统通过建立模拟战场复杂电磁环境, 构造系统级仿真环境, 对系统的抗干扰技术和电磁兼容性等进行仿真, 检验其抗干扰能力和电磁兼容能力。通过战场复杂电磁环境频谱管理仿真技术的研究, 重点解决战场复杂电磁环境模型的构建方法, 在此基础上进行覆盖分析、干扰分析和频谱指配等仿真计算, 为检验战场复杂电磁环境下系统的抗干扰能力和电磁兼容能力, 科学合理地规划和使用有限的频谱资源, 确保电子信息系统具有良好的频率兼容性, 充分发挥系统的综合作战效能提供了一个验证平台。

参考文献

[1]王景, 张海山.频谱管理中的多维数据模型[J].无线电通信技术, 2005, 31 (3) :1-2.

浅谈战场电磁环境的可视化篇6

关键词：战场电磁环境,可视化,电子对抗

1 战场电磁环境的构成及特点

战场电磁环境是指:一定的战场空间中对作战有影响的电磁活动、现象、及其相关条件的总和。战场电磁环境直接表现为在特定的作战时间和空间内, 为完成特定的作战任务, 在自然电磁辐射影响的基础上, 由各种电子设备产生的电磁辐射和信号密度的总体状态, 其组成如图1所示。

战场电磁环境具有主观性、动态性、随机性和复杂性等特点, 而复杂性是其最本质的特性描述。信息化战争中电磁环境的复杂性主要表现在以下几个方面:

1) 战场电磁辐射密集, 功率强大, 电磁环境污染严重;

2) 电子设备型号繁杂, 频率重叠, 自扰互扰问题突出;

3) 战场电磁环境动态变化, 统管难度很大;

4) 敌对双方电子对杭激烈, 电磁环境复杂性加剧。

2 战场电磁环境的定义描述和可视化表达

与其他有形的战场环境一样, 看似无形的战场电磁环境也是客观实在地存在着, 具体可从空域、时域、频域、能域等四个方面来描述电磁环境的本质特征。对这些特征以科学直观的方式表达, 将便于相关人员迅速理解、把握战场电磁环境, 做出科学的判断和决策。

2.1 电磁环境的空域描述

主要描述各种辐射产生的电磁场在空间的分布, 包括场强和能量的分布。其中, 最基本的有:辐射源分布、辐射源参数, 如辐射源种类、发射功率、工作频率 (频段) 、天线辐射特性、辐射传播条件等。把这些因素与GIS电子地图相结合, 就形成了战场辐射源分布图、辐射源作战威力图和战场电磁态势图。

2.2 电磁环境的时域描述

主要描述电磁信号个体和群体随时间和作战进程变化的规律。可以用各种电子信息系统工作状态流程图, 单位时间密集度, 信号强度时域变化图等直观表示电磁环境随时间的变化情况。

2.3 电磁环境的频域描述

电磁环境在频域的直观表达方式是电磁频谱图。频谱图可以是单信号的, 也可以是多信号的, 可以是全频段的, 也可以是局部频段的, 在众多的频率中分清敌我, 分清有用信号和无用信号, 重点信号和一般信号等, 具有很重要的意义。

2.4 电磁环境的能量描述

目的是描述各种电磁信号能量随空间、时间、频率变化的规律。

当然, 仅仅描述这些要素是不够的, 整个战场电磁态势, 以及战场自然环境均可用三维动画来生成, 并且要能按照指挥员的意图全方位显示出电磁波覆盖的变化。

3 战场电磁环境可视系统的构想

战场电磁环境可视化系统是以现有三维立体空间的电磁环境数据场的点数据为基础, 借助三维可视化技术和GIS技术, 全面表现战场地理环境、电磁态势等情况, 并对其进行三维可视化再现, 为作战指挥辅助决策提供支持。

3.1 需求分析

电磁环境可视化的根本目的是使指挥员迅速直观地了解和分析战场电磁态势, 为正确指挥决策提供可靠依据。因此, 复杂电磁环境可视化系统必须具备以下功能:

1) 能全景显示战场电磁态势, 包括战场上各种电子设备的种类、数量、分布、用频及干扰 (或受干扰) 等状况, 电磁辐射的强度与作用范围等。

2) 具有较强的交互性, 指挥员可根据需要查询有关信息, 可以定制需要输出的查询结果, 且操作简便迅捷, 显示结果直观、准确。

3) 具备辅助决策功能, 在做出正确的态势评估后, 给出几套辅助决策方案, 供指挥员选择。

4) 具备电子对抗训练功能, 相关人员训练, 以有效提升联合作战条件下的电子对抗能力。

3.2 可视化必须的遵循的原则

战场电磁环境的可视化必须遵循以下原则:

1) 必须以指挥员的需要为出发点。战场电磁环境可视化的目的是给指挥员提供作战指挥所需的战场电磁信息, 因此显示的结果应能被作战指挥人员看得懂、用得上, 做到简洁直观;且能实时跟踪和反应战场电磁态势的变化。

2) 可视化的结果要符合战场的实际。系统不仅要对战场电磁环境各要素进行正确、合理的分析, 而且要把影响电磁环境的其他因素 (如地理要素和气象要素) 考虑进去, 进行科学地分析, 使得电磁环境描述最大限度地符合客观实际。

3) 要尽量全面反映客观电磁环境。研究战场电磁环境绝不可以只考虑其中某些方面而忽视了其它要素:既要研究通信电磁环境, 又要研究雷达和光电等电磁环境;既要研究电磁信号的时域特征, 又要对频域、空域特性进行分析。

3.3 可视化系统框架

战场电磁环境可视化系统从作战指挥的实际需要出发, 采用面向对象方法, 结合应用软件的特点, 系统体系结构分为基础层、核心层、应用层三部分, 如图2所示。

3.3.1 基础层

基础层是软件系统的基础, 主要包括:

1) 硬件平台 (含操作系统) 。

2) 数据库平台。主要提供应用层、核心层模块对各类数据的调用, 包括地理信息数据、电磁环境数据库等。

3) 支撑平台。支撑平台是指软件系统开发所需各种软件的总称, 主要包括:编程软件 (如VC.NET) 、地理信息系统 (GIS) 工具软件 (如:Map Info) 、三维建模软件 (如Creator) 、视景驱动开发软件 (如Vega) 等编程软件。

3.3.2 核心层

核心层是系统的核心部分, 主要包括:

1) 平均电磁环境计算与分析。电磁环境计算与分析模块利用已有的数据和模型进行大量的计算。

2) 数据预处理。数据预处理包括两部分:

一是战场电磁环境数据预处理, 二是海量地理环境数据的预处理。

3) 基础地理环境构建。基础地理环境平台包括二维地图平台和三维场景平台。二维地图平台在“军用通用信息处理平台”及“军事地理支持环境”下实现对地图的二维显示、操作、处理和各种分析功能, 三维场景平台实现三维场景生成及显示等功能。

3.3.3 应用层

应用层是系统的功能使用部分, 也是软件的对外接口, 包括:

1) 电磁态势显示。主要实现对电磁态势分析结果进行显示的操作、处理等各种分析功能。包括台站布局态势显示、总体电磁态势显示、区域态势显示、频段态势显示等等。

2) 统计分析与辅助决策。系统根据电磁态势计算的结果和干扰分析情况, 自动生成电磁态势文书或报告, 为作战指挥、武器装备运用、台站选址、战场电磁频谱管理等提供参考依据。

3) 模拟训练系统。主要供操作人员设定战场、构建复杂电磁环境, 用于平时的针对性训练。

3.4 可视化的技术实现

实现电磁环境可视化的步骤如下:

1) 原始数据场的获取。时域有限差分方法 (Finite Difference TimeDomain Method, FDTD) 是电磁场数值计算的有效方法之一, 其计算过程表现为在每一时刻整个模拟空间网格点上的场量, 将这些场量数据按照网格点的空间位置关系进行顺序保存, 形成一系列的电磁态势数据文件, 便完成了原始数据场的获取。

2) 将电磁数据映射成图像。可视化映射是电磁环境可视化系统的重要组成部分, 其任务是综合运用颜色、透明度、形状以及其他属性表示出电磁数据中人们感兴趣的性质和特点, 以最有效的图形方式来揭示数据中隐含的各种现象和规律。

3) 电磁三维数据场的绘制。一个有效而简单的方法是切片技术 ( (slice) , 即用一个或多个平面去切开模拟空间某个 (或几个) 感兴趣的部位, 切面上各网格点上的电磁场量的值, 按一定的规则用各种色图 (color map) 来表示, 从而在切面上可得到用色图来表示的电磁场量分布图像。

4) 电磁环境动态显示。主要显示战场上各种电子设备的种类、数量、分布、用频及干扰 (或受干扰) 等状况, 电磁辐射的强度与作用范围等。

4 结束语

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