田 偉，周新力，宋斌斌，劉曉娣

（海軍航空工程學(xué)院a.訓(xùn)練部；b.電子信息工程系，山東煙臺(tái)264001）

隨著信息化條件下武器裝備的大量推廣使用和國(guó)家工業(yè)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，日常軍事訓(xùn)練和軍事斗爭(zhēng)所面臨的電磁環(huán)境越來(lái)越惡劣。大量的智能化武器裝備的推廣使用，在快速提升軍隊(duì)信息化條件作戰(zhàn)能力的同時(shí)，自身也面臨著日益嚴(yán)峻的復(fù)雜電磁環(huán)境影響。1967年美國(guó)“福萊斯特”號(hào)航空母艦機(jī)載火箭由于受艦面雷達(dá)掃描波束照射而突然被引爆發(fā)生爆炸事故，造成134人喪生、27架飛機(jī)被毀、10層航母艦體中有6 層被破壞就是慘痛的歷史教訓(xùn)。因此，充分認(rèn)識(shí)并了解掌握訓(xùn)練場(chǎng)區(qū)內(nèi)電磁態(tài)勢(shì)分布，及時(shí)預(yù)測(cè)并防范對(duì)本場(chǎng)區(qū)域內(nèi)裝備及人員安全可能造成的電磁影響，在當(dāng)今日益嚴(yán)峻的復(fù)雜電磁環(huán)境下，顯得非常迫切和必要。本文以軍事訓(xùn)練環(huán)境下的用頻臺(tái)站（訓(xùn)練場(chǎng)區(qū)內(nèi)單一射頻輻射源）或陣地（訓(xùn)練場(chǎng)區(qū)內(nèi)多個(gè)射頻輻射源）為研究對(duì)象，基于三維地理信息系統(tǒng)（Geographical Information System，GIS）對(duì)訓(xùn)練場(chǎng)區(qū)進(jìn)行建模，借助電波傳播模型和電波在三維空間傳播的計(jì)算方法，結(jié)合國(guó)軍標(biāo)對(duì)不同對(duì)象所能承受的電磁輻射極限值，分析訓(xùn)練場(chǎng)區(qū)內(nèi)電磁態(tài)勢(shì)及可能造成的電磁輻射危害，以指導(dǎo)部隊(duì)采取積極主動(dòng)的電磁防護(hù)措施。

1 訓(xùn)練場(chǎng)區(qū)三維空間建模

從理論上講，電磁波可根據(jù)天線理論計(jì)算出輻射場(chǎng)分布，再根據(jù)傳輸路徑上的損耗等因素加以修正，最終得出待分析區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)。但由于傳播路徑上存在著各種各樣的影響，如高空電離層影響，高山、湖泊、海洋、地面建筑、植被以及地球曲面的影響等，電磁波具有反射、繞射、散射和波導(dǎo)傳播等比自由空間復(fù)雜得多的傳播方式。因此，建立高精度的三維地理信息模型，是分析電波傳播途徑、計(jì)算場(chǎng)強(qiáng)分布的基礎(chǔ)。GIS 以數(shù)字地圖信息為載體，通過(guò)強(qiáng)有力三維顯示技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等，可以非常直觀、準(zhǔn)確地查出測(cè)試地點(diǎn)與臺(tái)站（陣地）之間的傳播路徑和地形起伏情況，為電波傳播提供可靠的地理信息數(shù)據(jù)[1]。GIS的數(shù)據(jù)主要包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，要完成這些數(shù)據(jù)由現(xiàn)實(shí)世界到計(jì)算機(jī)世界的轉(zhuǎn)化需要進(jìn)行數(shù)據(jù)模型的設(shè)計(jì)。地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型主要有柵格數(shù)據(jù)模型，矢量數(shù)據(jù)模型和數(shù)字高程模型等。常用的空間數(shù)據(jù)模型主要有柵格數(shù)據(jù)模型（在GIS 中也被稱為網(wǎng)格、柵格地圖、表面覆蓋或影像），矢量數(shù)據(jù)模型和數(shù)字高程模型3種。

地圖配準(zhǔn)主要用于在數(shù)字化地圖前對(duì)地圖進(jìn)行坐標(biāo)和投影的校正。地圖配準(zhǔn)分為影像配準(zhǔn)和空間配準(zhǔn)。影像配準(zhǔn)的對(duì)象是柵格數(shù)據(jù)，配準(zhǔn)時(shí)要先確定空間坐標(biāo)系統(tǒng)，再根據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)尋找控制點(diǎn)信息。空間配準(zhǔn)的是矢量數(shù)據(jù)，其參照物可以是柵格數(shù)據(jù)或矢量數(shù)據(jù)，也可以是現(xiàn)實(shí)世界里的絕對(duì)坐標(biāo)值；空間配準(zhǔn)可以傳遞屬性，即可以把比例尺較大的對(duì)象屬性信息傳遞給比例尺較小的對(duì)象[2]。

GIS 建模時(shí)，首先需要確定臺(tái)站的地理信息數(shù)據(jù)（經(jīng)緯度范圍等）。采用基于網(wǎng)格的數(shù)字高程模型，在原始數(shù)字地圖基礎(chǔ)上，根據(jù)場(chǎng)區(qū)實(shí)際地形地貌信息，對(duì)場(chǎng)區(qū)高程信息進(jìn)行修改、重建和經(jīng)緯度配準(zhǔn)（控制點(diǎn)應(yīng)該選擇地形或者建筑的邊緣）。必要時(shí)候可借助google地球二維數(shù)字地圖數(shù)據(jù)，采用圖層覆蓋技術(shù)，設(shè)計(jì)出場(chǎng)區(qū)內(nèi)精度更高的二維或三維數(shù)字地圖。實(shí)際應(yīng)用中，常用的是美國(guó)航空航天局（NASA）2006年版精度為30″世界數(shù)字地圖GTOPO30，經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)和修正后，精度可提高到3″。采用該方法，借助專業(yè)地理數(shù)據(jù)建模軟件，對(duì)某臺(tái)站進(jìn)行三維GIS 建模模型如圖1所示。

圖1 某臺(tái)站三維數(shù)字地圖（精度3″）

2 用頻設(shè)備行為級(jí)建模

在臺(tái)站三維空間模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行場(chǎng)區(qū)用頻設(shè)備行為級(jí)仿真建模，模擬其天線特性和接收機(jī)、發(fā)射機(jī)基本特征，建立設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)。由于不同臺(tái)站（陣地）涉及到的用頻設(shè)備類型種類多、結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜，對(duì)設(shè)備逐一進(jìn)行詳細(xì)功能仿真分析是不現(xiàn)實(shí)的?？刹捎眯袨榧?jí)仿真的方法對(duì)訓(xùn)練場(chǎng)典型收/發(fā)設(shè)備仿真建模。收/發(fā)設(shè)備行為級(jí)仿真是在不考慮收/發(fā)設(shè)備內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)情況下，只對(duì)收/發(fā)設(shè)備的輸入輸出特性進(jìn)行仿真建模，模擬設(shè)備的基本行為特征，并依據(jù)天線、接收機(jī)和發(fā)射機(jī)等的基本參數(shù)，建立收/發(fā)設(shè)備的行為級(jí)仿真模型的設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)。經(jīng)過(guò)梳理分析總結(jié)，軍事應(yīng)用領(lǐng)域中，常見用頻設(shè)備建模進(jìn)行行為級(jí)仿真建模時(shí)，所需的設(shè)備及位置參數(shù)如表1所示。

表1 收/發(fā)設(shè)備行為級(jí)仿真模型建模參數(shù)

結(jié)合設(shè)備地理位置信息，將場(chǎng)區(qū)收發(fā)設(shè)備行為級(jí)仿真模型與實(shí)際地理坐標(biāo)匹配，嵌入到訓(xùn)練場(chǎng)GIS 三維空間模型，建立場(chǎng)區(qū)電磁波發(fā)射、接收臺(tái)站數(shù)據(jù)庫(kù)。下一步將借助專業(yè)的電磁仿真軟件，對(duì)設(shè)備進(jìn)行行為級(jí)仿真建模。

3 電波在三維空間傳播計(jì)算及其場(chǎng)強(qiáng)分布

3.1 電波傳播模型選取的分析

根據(jù)傳播預(yù)測(cè)模型的性質(zhì)大致可分為3 種模型：經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、確定性模型、半經(jīng)驗(yàn)或半確定性模型。在工程實(shí)踐中，常按照特定的應(yīng)用環(huán)境對(duì)其進(jìn)行分類，如表2所示[3-6]。

表2 常用電波傳播模型

不同地理特征對(duì)電波傳播模型選取有著較大的影響，選擇傳播模型時(shí)需要考慮以下因素。

頻率：傳播模型的頻率范圍限制。

地形地貌特征：是否可以得到地貌特征，是針對(duì)一般應(yīng)用還是特定臺(tái)站的運(yùn)算。

天線高度：部分傳播模型忽略地面因素影響；如天線距離地面很近，選擇考慮地面影響的傳播模型。

不同電波模型所考慮的頻率、地貌和天線高度等因素影響如表3所示。

作者根據(jù)從事該領(lǐng)域的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，梳理總結(jié)出在目前軍事應(yīng)用環(huán)境下，不同的應(yīng)用環(huán)境和地形地貌情況下，電波傳播模型的選擇可參照表4。

表3 選擇模型的主要考慮因素

表4 不同應(yīng)用環(huán)境下的傳播模型選擇

3.2 仿真分析典型剖面的選取

由于測(cè)試地點(diǎn)電磁環(huán)境的復(fù)雜性，不同時(shí)間、不同地點(diǎn)、不同高度的電磁環(huán)境有較大的差異，需要針對(duì)具體場(chǎng)區(qū)三維空間及其應(yīng)用環(huán)境選取合適的電磁仿真任務(wù)剖面。以機(jī)場(chǎng)為例，應(yīng)該針對(duì)機(jī)場(chǎng)區(qū)域地面設(shè)備3個(gè)典型地面高度和飛機(jī)著陸過(guò)程的4個(gè)典型技術(shù)高度開展7個(gè)技術(shù)應(yīng)用剖面的場(chǎng)區(qū)三維空間電磁環(huán)境仿真分析，具體仿真剖面選擇如表5 所示。其他目標(biāo)區(qū)域應(yīng)該依據(jù)本文提供的方法，按照實(shí)際敏感源的高度，合理劃分仿真剖面。

表5 仿真剖面選擇

仿真過(guò)程中應(yīng)充分考慮到測(cè)試區(qū)域的環(huán)境背景噪聲，可通過(guò)實(shí)地測(cè)試?yán)塾?jì)平均的方式進(jìn)行初步估算。計(jì)算區(qū)域的計(jì)算精度也應(yīng)納入統(tǒng)一考慮，目的地的地理模型的水平精度為50 m（3 s），垂直精度為1 m。

3.3 電磁環(huán)境仿真分析與驗(yàn)證方法說(shuō)明

在選取號(hào)電波傳播模型和任務(wù)剖面后，基于訓(xùn)練場(chǎng)區(qū)內(nèi)三維地理模型，可利用瑞譜（WRAP）電波傳播軟件計(jì)算輻射源經(jīng)過(guò)三維空間傳播后到達(dá)任務(wù)剖面的場(chǎng)強(qiáng)。調(diào)用場(chǎng)區(qū)發(fā)射接收臺(tái)站數(shù)據(jù)庫(kù)信息，依據(jù)相應(yīng)的電磁波傳播模型，對(duì)場(chǎng)區(qū)電磁波場(chǎng)強(qiáng)覆蓋情況進(jìn)行仿真，預(yù)測(cè)關(guān)注位置的場(chǎng)強(qiáng)分布。場(chǎng)強(qiáng)是否對(duì)區(qū)域內(nèi)人員、軍械、燃油等造成安全隱患，可參照相關(guān)的國(guó)軍標(biāo)[7-11]關(guān)于對(duì)軍械、人員、航油和場(chǎng)區(qū)設(shè)備的輻射極限值要求，分析輻射源對(duì)場(chǎng)區(qū)內(nèi)人員和設(shè)備等可能造成的危害。

下面以某型雷達(dá)為例進(jìn)行仿真說(shuō)明。雷達(dá)天線海拔高度310 m，仿真頻率設(shè)為2.41 GHz，根據(jù)GJB 5313和GJB 1389A-2005規(guī)定的電磁環(huán)境極限值，2 m高度仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 XX雷達(dá)2 m高度場(chǎng)強(qiáng)覆蓋三維分布圖

參照國(guó)軍標(biāo)極限值，在頻率2.41 GHz 情況時(shí)，對(duì)應(yīng)極限值如下。

設(shè)備/燃油：184 V/m=165 dBμV/m；

工作區(qū)人員：25 W/m2=97 V/m=159 dBμV/m；

生活區(qū)人員：0.15 W/m2=7.5 V/m=137 dBμV/m。

其中，大于184 V/m 的區(qū)域，電磁輻射對(duì)設(shè)備/燃油超標(biāo)；大于97 V/m 的區(qū)域，電磁輻射對(duì)工作區(qū)人員超標(biāo)；大于7.5 V/m的區(qū)域，電磁輻射對(duì)生活區(qū)人員超標(biāo)；小于7.5 V/m的區(qū)域，電磁輻射未超標(biāo)。

根據(jù)GJB 5313《電磁輻射暴露極限值和測(cè)量方法》給出的人員間斷暴露日照射劑量極限值，可以計(jì)算出，頻率2.41 GHz情況下，在大于97 V/m的區(qū)域：

工作區(qū)人員日最大暴露劑量為2.4 W?h/m2；

工作區(qū)人員日最大暴露時(shí)間為t=2.4/25=0.096 h。

采用該方法，可對(duì)場(chǎng)區(qū)內(nèi)電磁環(huán)境分布進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中，根據(jù)關(guān)注的測(cè)試地點(diǎn)，先行仿真具體測(cè)試點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)值；再選用專用的儀器設(shè)備，對(duì)仿真觀測(cè)點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)值進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，比對(duì)仿真分析值與實(shí)際測(cè)量值之間的誤差。基于該方法，通過(guò)不同地點(diǎn)的比對(duì)，仿真分析場(chǎng)強(qiáng)值普遍比實(shí)測(cè)值小，最大偏差值不超過(guò)6 dB（國(guó)軍標(biāo)要求為10 dB），較準(zhǔn)確地反映出各觀測(cè)點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)變化的趨勢(shì)。仿真分析值比實(shí)測(cè)值小，主要是沒有能夠背景噪聲的影響納入到考察范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

本文所提出的研究方法，可適用于用頻臺(tái)站（如軍用雷達(dá)臺(tái)站、移動(dòng)通信基站等）電磁態(tài)勢(shì)分布情況的分析，為臺(tái)站有效電磁強(qiáng)度覆蓋范圍、可能對(duì)周邊電磁環(huán)境造成的干擾、可能受到周邊大功率用頻設(shè)備的干擾等情況進(jìn)行全面有效分析，進(jìn)而有效分析場(chǎng)區(qū)內(nèi)電磁強(qiáng)度可能對(duì)人員、設(shè)備、燃油等造成的影響，并輔助新建用頻臺(tái)站的選址，防止用頻臺(tái)站的二次建設(shè)。仿真結(jié)果已經(jīng)過(guò)工程試驗(yàn)測(cè)量，具有較高的置信度（由于仿真分析時(shí)無(wú)法涵蓋周邊其他單位等的大功率設(shè)備，因而仿真分析值相對(duì)實(shí)際測(cè)試值要偏小，具體與臺(tái)站周邊環(huán)境有關(guān)；但能在國(guó)軍標(biāo)范圍內(nèi)反映出觀測(cè)區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)變化趨勢(shì)）和推廣實(shí)用價(jià)值。

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