李建儒，張 蕊，王洪明，趙振維

(中國電波傳播研究所電波環(huán)境特性及模化技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266107)

0 引言

無線通信是現(xiàn)代軍事通信中廣泛使用的信息傳輸手段，在戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)方面都具有相當(dāng)重要的地位。超短波通信（頻率:30～300 MHz）作為無線通信系統(tǒng)的重要組成部分，具有通信質(zhì)量高、通信容量大、抗干擾能力強(qiáng)、受季節(jié)變化影響小和通信穩(wěn)定等特點(diǎn)[1]。超短波電臺(tái)由于其系列化、小型化的特點(diǎn)，架設(shè)使用方便并且具有一定的抗干擾性，能夠提供中低速數(shù)傳功能和話音通話功能，可滿足多種情況下執(zhí)行任務(wù)的需要，已成為執(zhí)行各類任務(wù)的重要通信手段[2]。

目前分布交互仿真（DIS, Distributed Interactive Simulation）技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域、國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活的多個(gè)方面，在實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)仿真的同時(shí)降低了費(fèi)用，但是隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，DIS在技術(shù)和體系結(jié)構(gòu)方面也表現(xiàn)出了一定的局限性。為了加強(qiáng)與各類系統(tǒng)之間的互操作性，美國國防部于1995年發(fā)布的建模與仿真計(jì)劃中提出了高層體系架構(gòu)（HLA，High Level Architecture）。HLA是繼DIS之后提出的新一代分布式交互仿真體系結(jié)構(gòu)，是一個(gè)通用的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)框架，可以很好地解決不同類型仿真系統(tǒng)之間的互操作性和重用性[3]。通過運(yùn)行支撐環(huán)境(RTI，Run - Time Infrastructure) ,提供通用的、相對獨(dú)立的支撐服務(wù)程序，將仿真應(yīng)用同底層的支撐環(huán)境分開，實(shí)現(xiàn)了HLA結(jié)構(gòu)規(guī)范中的六大服務(wù)功能。隨著HLA標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，RTI軟件也不斷得到發(fā)展，常用的有美國MAK公司的MAK RTI，中國的國防科大軍用仿真研究室自主開發(fā)的KD-RTI[4]，航天機(jī)電集團(tuán)第二研究院開發(fā)的SSS-RTI[5]，北航的BH-RTI[6]。本文采用的仿真開發(fā)工具為KD-RTI。

本文基于HLA仿真框架，在地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用確定性傳播算法模型實(shí)現(xiàn)了對某型超短波電臺(tái)的傳播特性的仿真，可初步用于我軍對超短波電臺(tái)性能的評估以及戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)的規(guī)劃。

1 仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能:

1）典型場景中固定發(fā)射電臺(tái)，接收電臺(tái)沿規(guī)劃路徑運(yùn)動(dòng)時(shí)的傳播特性評估仿真。

2）典型場景中沿規(guī)劃路徑運(yùn)動(dòng)的各移動(dòng)站之間的傳播特性評估仿真。

3）典型場景中布設(shè)多部超短波電臺(tái)時(shí)的系統(tǒng)覆蓋傳播特性評估仿真。

同時(shí)具備地理信息系統(tǒng)操作的各項(xiàng)功能，如地圖的放大、縮小，漫游、打印輸出等基本操作，并具備各種模型的導(dǎo)入以及路徑規(guī)劃的功能。

1.2 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的主要功能模塊主要包括仿真主控、電波傳播算法、發(fā)射/接收電臺(tái)，二維態(tài)勢顯示、三維態(tài)勢顯示、地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）數(shù)據(jù)庫等，組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 仿真系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

仿真主控主要通過人機(jī)界面，設(shè)定仿真的開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間，仿真的時(shí)間步長等參數(shù)，也可對實(shí)際仿真過程進(jìn)行加快、減慢、開始、停止等操作。

發(fā)射/接收電臺(tái)作為超短波通信的發(fā)射電臺(tái)和接收電臺(tái)，進(jìn)行各類基本參數(shù)包括工作頻率、天線高度、發(fā)射功率、接收機(jī)靈敏度、發(fā)射天線增益、接收天線增益、環(huán)境類型等的設(shè)定。

地理信息數(shù)據(jù)庫主要提供通信車的三維模型、地理高程數(shù)據(jù)、高分辨率影像數(shù)據(jù)。

電波傳播模型通過獲取收/發(fā)電臺(tái)的系統(tǒng)參數(shù)、位置信息等，仿真計(jì)算收發(fā)站之間的通信能力。

二維態(tài)勢實(shí)時(shí)顯示整個(gè)場景中的二維態(tài)勢信息，同時(shí)可在二維地圖上進(jìn)行超短波通信車移動(dòng)軌跡的路徑規(guī)劃、運(yùn)行速度的設(shè)定。

三維態(tài)勢實(shí)時(shí)顯示整個(gè)場景中的三維態(tài)勢信息，可顯示各超短波通信車的位置信息、狀態(tài)信息以及各電臺(tái)之間的通信能力以及傳播損耗分布信息。

1.3 算法模型

超短波傳播效應(yīng)預(yù)測中常用的算法模型有統(tǒng)計(jì)模型和確定性模型，如ITU-R P.1546模型、ITM模型、拋物方程模型、點(diǎn)對面確定性傳播預(yù)測方法（ITU-R P.1812）等。文獻(xiàn)[7]利用Matlab環(huán)境對甚高頻/超高頻的幾種傳播模型進(jìn)行了仿真計(jì)算，文獻(xiàn)[8]利用三種傳播算法模型實(shí)現(xiàn)了對艦載超短波通信偵察系統(tǒng)的偵查效能進(jìn)行了評估。為了提高預(yù)測精度，本文采用點(diǎn)對面確定性傳播預(yù)測方法該方法綜合考慮了地理信息和電波環(huán)境信息，通過對傳播路徑的地形剖面分析、大氣折射率剖面分析等，綜合考慮傳播路徑上的不同傳播機(jī)理，如散射、折射、繞射、多徑等傳播效應(yīng)，然后對系統(tǒng)性能進(jìn)行預(yù)測評估。

1.4 聯(lián)邦對象模型/成員對象模型設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的主要功能模塊設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)的聯(lián)邦成員。其中，發(fā)射電臺(tái)聯(lián)邦成員屬性主要包括發(fā)射站的位置信息，天線高度、發(fā)射功率、調(diào)制方式等參數(shù)類型；作為接收電臺(tái)的其它聯(lián)邦成員主要包括接收位置信息、天線高度、接收機(jī)靈敏度等參數(shù)；系統(tǒng)的交互參數(shù)包括電臺(tái)的位置信息、地理高程數(shù)據(jù)、時(shí)間同步數(shù)據(jù)等。二維、三維態(tài)勢需要訂購超短波電臺(tái)的名稱、位置、損耗值等。

2 仿真結(jié)果

仿真場景選擇為中國某區(qū)域的30 km×30 km范圍，發(fā)射電臺(tái)與接收電臺(tái)的通信頻率均為40 MHz，天線高度均為15 m，模擬靈敏度為-116 dBm，數(shù)據(jù)傳輸速率為19.2 kb/s。仿真系統(tǒng)啟動(dòng)后，各聯(lián)邦成員依次加入系統(tǒng)，仿真開始運(yùn)行。

圖2仿真了發(fā)射電臺(tái)固定，接收電臺(tái)沿著規(guī)劃路線移動(dòng)，二者之間語音通信的功能。圖中通信車A作為發(fā)射電臺(tái)位置固定，通信車B作為接收電臺(tái)沿著黃線規(guī)劃的路徑移動(dòng)，通信車B周圍的偽彩色圖表示傳播損耗分布，連線表示二者可實(shí)現(xiàn)通信。計(jì)算時(shí)首先提取當(dāng)前路徑上的地理高程數(shù)據(jù)，然后通過確定性傳播算法計(jì)算得到路徑傳播損耗，最后計(jì)算得到接收機(jī)的接收功率，通過與接收機(jī)靈敏度比較得到收發(fā)站之間是否可通。

圖2 語音傳輸質(zhì)量仿真

圖3給出了該條路徑上的接收功率隨距離的變化。可以看出，在接收電臺(tái)移動(dòng)的過程中，由于地形的起伏變化，在低于接收機(jī)靈敏度的點(diǎn)上將無法實(shí)現(xiàn)話音通信。

圖3 接收功率隨距離變化曲線

圖4仿真了在場景中布設(shè)三部超短波電臺(tái)，各自沿著事先規(guī)劃的路線移動(dòng)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量。其中，箭頭起始端表示為發(fā)射電臺(tái)，末端表示接收電臺(tái)，實(shí)線表示可通，虛線表示中斷。從圖4中可以看出，通信車A和通信車B，通信車A和通信車C之間均可以實(shí)現(xiàn)雙向互通，通信車B和通信車C之間由于地形遮蔽的原因，未能實(shí)現(xiàn)通信。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量仿真

圖5仿真了在場景中不同位置布設(shè)超短波電臺(tái)后的傳播損耗分布。

對比圖5 (a)和圖5(b)可以看出，處于不同布設(shè)位置的A、B、C三部電臺(tái)由于地理位置的不同，可以很明顯的看出傳播損耗分布的不同。利用該功能，對比不同站址布設(shè)的系統(tǒng)覆蓋情況，可用來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。同時(shí)利用該功能，也可仿真天線高度在不同高度時(shí)的傳播損耗分布情況。

圖5 不同站點(diǎn)布設(shè)情況下的傳播損耗分布

3 結(jié)語

本文開發(fā)了一種基于HLA的超短波電臺(tái)傳播特性仿真評估系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的仿真系統(tǒng)相比在交互性和重用性等方面都具有一定的優(yōu)勢，具有經(jīng)濟(jì)、可靠、可復(fù)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。利用本系統(tǒng)為研究和提高超短波電臺(tái)通信性能提供了有效的方法和途徑，同時(shí)利用多個(gè)電臺(tái)的組網(wǎng)功能，可以應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等方面，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)等提供技術(shù)支撐。

[1]張爾揚(yáng),王瑩,路軍,等.短波通信技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002.

[2]楊健新.超短波通信在C<’3>I 系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].南京:南京理工大學(xué),2010:4-6.

[3]周彥,戴劍偉.HLA 仿真程序設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002.

[4]黃健,郝建國,黃柯棣.基于HLA 的分布仿真環(huán)境KD-HLA的研究與應(yīng)用[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2004,16(02):214-221.

[5]劉鐘書,周忠,吳威.BH RTI中容錯(cuò)機(jī)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2006,18(08):2133-2136.

[6]卿杜政,李伯虎.HLA運(yùn)行支撐框架(SSS-RTI)的研究和開發(fā)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2000,12(05):490-493.

[7]平怡.V/UHF傳播計(jì)算模型仿真研究[J].通信技術(shù),2008,41(06):68-70.

[8]郭晉宏,李建濤.艦船超短波通信偵察系統(tǒng)偵察效能評估[J].通信技術(shù),2009,42(09):117-120.

[9]王宇.BCH編碼在GPS探空儀中的應(yīng)用[J].信息安全與通信保密,2010(07):45-46.