游敬云,賴蘭劍

(1. 通信信息控制和安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江嘉興 314033；2. 中國電子科技集團(tuán)公司第36研究所，浙江嘉興 314033)

0 引 言

隨著戰(zhàn)場信息化程度的逐步提高，戰(zhàn)場電磁環(huán)境成為戰(zhàn)場環(huán)境新的構(gòu)成要素[1]。戰(zhàn)場賴以存在的電磁空間和電磁環(huán)境條件的巨大變化，將對電子戰(zhàn)裝備研制；信息化部隊(duì)的作戰(zhàn)、訓(xùn)練和建設(shè)等各項(xiàng)活動產(chǎn)生全面而深遠(yuǎn)的影響。目前，電磁空間已成為各國關(guān)注的焦點(diǎn)，電磁頻譜控制權(quán)的角逐將異常激烈。在未來作戰(zhàn)中，電子戰(zhàn)裝備將面臨著極為復(fù)雜惡劣的電磁環(huán)境，突出表現(xiàn)在通信信號和雷達(dá)信號瞬息萬變，且呈現(xiàn)信號密集、動態(tài)范圍大、帶寬寬窄各異、調(diào)制方式千差萬別等技術(shù)特征[2,3]。此外，還有其他的電磁環(huán)境，如電磁脈沖(EMP)、電磁干擾(EMI)、雷電和沉積靜電直接或間接影響電子戰(zhàn)電磁環(huán)境。

面對戰(zhàn)場復(fù)雜多變的電磁環(huán)境，開展對其模擬技術(shù)研究有著極其重要的軍事應(yīng)用價值和廣闊的技術(shù)應(yīng)用前景。第一，可以作為目標(biāo)信號，配合電子偵察系統(tǒng)在外場進(jìn)行偵察、測向試驗(yàn)，檢驗(yàn)偵察系統(tǒng)的性能；第二，可以為電子戰(zhàn)裝備試驗(yàn)、鑒定提供符合實(shí)戰(zhàn)條件的電磁環(huán)境，檢驗(yàn)裝備的戰(zhàn)場適應(yīng)能力和反應(yīng)能力；第三，為電子戰(zhàn)偵測技術(shù)研究、最佳攻擊樣式研究提供必要的技術(shù)手段；第四，為部隊(duì)的模擬作戰(zhàn)訓(xùn)練和戰(zhàn)法研究提供方便快捷的模擬環(huán)境。

戰(zhàn)場環(huán)境模擬的研究開發(fā)工作可以追溯到20世紀(jì)80年代初。美國國防部是最早支持研究及開發(fā)的一個典型項(xiàng)目SIMNET。該項(xiàng)目的目標(biāo)是開發(fā)一個供軍事訓(xùn)練用的、低價格的、聯(lián)網(wǎng)的分布式軍用虛擬環(huán)境，該系統(tǒng)的研制成功，為后來虛擬戰(zhàn)場環(huán)境的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。美國GTE公司研制的威脅模擬器能產(chǎn)生由各種時間同步、高保真通信、導(dǎo)航和數(shù)據(jù)鏈信號組成的相干威脅環(huán)境，用于在保密方便的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測試和評估電子干擾和電子支援偵察系統(tǒng)的性能，系統(tǒng)的模塊化結(jié)構(gòu)使模擬器具有從小型、單信號、固定情景到大型多信號模擬器等眾多功能，且用戶可定義情景、背景信號環(huán)境模擬、由情景來驅(qū)動機(jī)上傳感器仿真。南非的GSY2000通信環(huán)境模擬/訓(xùn)練器，典型指標(biāo)如下：頻率范圍1～1 000 MHz，最大模擬的跳頻網(wǎng)臺數(shù)為6個，跳頻速率為500跳/秒，非交迭的時間序列下，每個任務(wù)最大模擬的網(wǎng)數(shù)為100個，能模擬經(jīng)度、緯度和高度的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，具有干涉儀測向模擬能力。國內(nèi)關(guān)于虛擬戰(zhàn)場環(huán)境的研究工作也在20世紀(jì)90年代初開始，在單機(jī)上的實(shí)時圖形和繪制算法、碰撞檢測及行為構(gòu)模系統(tǒng)及應(yīng)用方面均取得了多項(xiàng)有意義的研究結(jié)果。在電磁環(huán)境仿真和建模和方面都開展了大量相關(guān)研究[4,5]，在電磁環(huán)境評估及模擬器研制方面也進(jìn)行了廣泛探索[6,7]。

1 模擬仿真關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法

在模擬仿真中，只有解決仿真想定、戰(zhàn)場信號回放、有意電磁輻射模擬、無意電磁輻射模擬、自然電磁輻射模擬和戰(zhàn)場電磁環(huán)境可視化等關(guān)鍵技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)高逼真的復(fù)雜電磁環(huán)境。

1．1 戰(zhàn)場電磁環(huán)境想定的實(shí)現(xiàn)方法

戰(zhàn)場電磁環(huán)境想定是對戰(zhàn)場態(tài)勢進(jìn)行推演，可通過計算機(jī)編程來實(shí)現(xiàn)，通過設(shè)置友好的人機(jī)界面，靈活多變的場景參數(shù)和實(shí)時更新的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對模擬系統(tǒng)場景推演。

1．2 記錄戰(zhàn)場信號回放的實(shí)現(xiàn)方法

圖1 信號的錄取和重建

1．3 有意電磁輻射模擬的實(shí)現(xiàn)方法

有意電磁輻射模擬主要模擬己方電磁輻射、敵方的電磁輻射和電子戰(zhàn)裝備輻射。己方電磁輻射可以通過計算機(jī)仿真下載到信號源(E8267D),也可以通過購置的背景信號模擬器進(jìn)行二次開發(fā)或者任意波形發(fā)生器，還可采用通信裝備或者其測試數(shù)據(jù)。研制的任意波形發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示。

圖2 任意波形發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖

購置的信號模擬器由于在硬件上采用了特有的關(guān)鍵技術(shù)，在同時生成的多個信號中，每個信號的頻率、幅度、調(diào)制樣式、帶寬/數(shù)據(jù)速率可以任意設(shè)置，并且實(shí)時可控，用戶甚至可以將所需的信號內(nèi)容，包括話音、圖像、數(shù)據(jù)文件等實(shí)時地調(diào)制到射頻上。內(nèi)置在信號模擬器的普通信號模型，如AM、FM，QPSK等模擬或數(shù)字調(diào)制信號，可以采用儀器進(jìn)行解調(diào)分析，驗(yàn)證其逼真度；而其它特殊的定制信號，如跳頻、數(shù)據(jù)鏈等信號，是經(jīng)過長期積累的，且校正過的模型。

任意波形發(fā)生器輸出的背景信號頻譜，即為該系統(tǒng)在400 MHz產(chǎn)生的一組瞬時信號，如圖3所示。從圖中不難看出，同時產(chǎn)生了14個信號，存在調(diào)制方式有QPSK、噪聲FM、BPSK、噪聲AM、2FSK、語音AM、語音FM、多音調(diào)頻，以及一個500跳每秒的跳頻信號。

圖3 研制的任意波形發(fā)生器輸出的背景信號頻譜

敵方電磁輻射系統(tǒng)既可通過任意波形產(chǎn)生器，也可通過研制或者購置的模擬器，也可以是通過軟件編程下載到信號源產(chǎn)生的射頻信號。軟件產(chǎn)生的LINK11信號下載到儀器輸出的射頻信號的頻譜和波形，如圖4所示，與資料相吻合。

圖4 LINK11信號頻譜和波形

有意輻射主要模擬電子戰(zhàn)裝備的輻射性能。因此，一方面可以通過積累各種裝備在研制和鑒定時的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，還可以基于軟件無線電設(shè)計理念，搭建一個層次化模塊化、通用化的體系架構(gòu)，構(gòu)成電子戰(zhàn)通用體系平臺，可通過組合方式產(chǎn)生所需的任意有意輻射信號，如仿真產(chǎn)生的寬帶攔阻式信號頻譜，如圖5所示。

圖5 寬帶攔阻式信號頻譜

1．4 無意電磁輻射模擬的實(shí)現(xiàn)方法

無意電磁輻射主要模擬海雜波信號和地雜波信號。而他們的信號幅度分布的模型主要有高斯分布、瑞利分布、韋伯分布、對數(shù)正態(tài)分布和K分布等，這些模型可通過對MATLAB的已有模型進(jìn)行二次開發(fā)，然后下載到信號源產(chǎn)生。

選擇統(tǒng)計學(xué)軟件SPSS19.0對本次檢驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和檢驗(yàn),計數(shù)資料用(率)表示,差異用X2檢驗(yàn),若檢驗(yàn)結(jié)果P<0.05則表示數(shù)據(jù)有統(tǒng)計學(xué)意義。

1．5 自然電磁輻射模擬的實(shí)現(xiàn)方法

自然電磁輻射可通過ADS軟件下載到信號源產(chǎn)生。ADS軟件是業(yè)界領(lǐng)先的射頻系統(tǒng)設(shè)計軟件，可模擬的頻率范圍：250 kHz～40 GHz，滿足高能射線、磁暴雷電和沉積靜電噪聲頻段要求。在ADS仿真軟件自定義各種自然電磁輻射信號的格式，并且由儀表接口模塊將信號波形下載到E4438C /E8267D儀表中，讓它產(chǎn)生符合要求的自然電磁輻射信號。

1．6 戰(zhàn)場電磁環(huán)境可視化的實(shí)現(xiàn)方法

可視化可以實(shí)現(xiàn)對仿真進(jìn)程、結(jié)果最直觀的理解。從生理和心理的角度來說，人類所能接受的各種信息中有百分之八十都來自視覺，人們在很早之前就開始自覺或不自覺地使用“可視化”技術(shù)了，最簡單的如通過使用表格、曲線、圖例等手段來表述各種統(tǒng)計數(shù)據(jù)，用形象的示意圖來表達(dá)抽象的概念。從概念上來說，可視化就是一種用圖形圖像來表征數(shù)據(jù)的計算方法，即利用計算機(jī)圖形圖像技術(shù)將一維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可觀察的二維或三維幾何表示。在電磁環(huán)境的可視化方面主要實(shí)現(xiàn)以下方面的可視化。一是界面的可視化，所有模擬輻射源的參數(shù)都可通過界面的選擇開關(guān)或者按鈕操作。二是建立三維仿真場景，實(shí)現(xiàn)視覺的可視化。三是，通過戰(zhàn)場仿真場景的戰(zhàn)術(shù)推演，呈現(xiàn)戰(zhàn)場電磁環(huán)境的動態(tài)變化效果。仿真可視化采用OPENGL和VEGA仿真軟件來進(jìn)行仿真效果的渲染。OPENGL不是一種計算機(jī)編程語言，而是一個功能強(qiáng)大的圖形庫，集成了所有曲面造型、圖形變換、光照、霧化等復(fù)雜的計算機(jī)圖形學(xué)算法，對于計算機(jī)應(yīng)用開發(fā)人員來說，OPENGL就是一套獨(dú)立于硬件設(shè)備、窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序編程接口(API)。VEGA與仿真的標(biāo)準(zhǔn)文件格式OpenFlight無縫結(jié)合，可以對電磁環(huán)境三維場景進(jìn)行精確而有效的控制。在IRIX環(huán)境下，VEGA與OPENGL緊密結(jié)合，可以充分發(fā)揮SGI圖形硬件的能力。

2 電子戰(zhàn)電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)案例

2．1 電子戰(zhàn)電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)

戰(zhàn)場電磁環(huán)境高逼真模擬系統(tǒng)主要由戰(zhàn)場電磁環(huán)境想定分系統(tǒng)、記錄戰(zhàn)場信號回放分系統(tǒng)、有意電磁輻射分系統(tǒng)、無意電磁輻射分系統(tǒng)、自然電磁輻射分系統(tǒng)和戰(zhàn)場電磁環(huán)境可視化分系統(tǒng)等6個分系統(tǒng)組成，如圖6所示，該系統(tǒng)是一種大型綜合化、可視化的電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)。

圖6 戰(zhàn)場電磁環(huán)境高逼真外場模擬系統(tǒng)

2．2 系統(tǒng)工作流程

戰(zhàn)場環(huán)境想定分系統(tǒng)對電子戰(zhàn)場景進(jìn)行想定，通過高層體系結(jié)構(gòu)(HLA,high level architecture)通知其他分系統(tǒng)(成為聯(lián)邦成員)，記錄戰(zhàn)場戰(zhàn)場回放分系統(tǒng)回放由記錄的真實(shí)戰(zhàn)場通信信號、雷達(dá)信號和導(dǎo)航敵我識別信號，并控制有意電磁輻射分系統(tǒng)、無意電磁輻射分系統(tǒng)和自然電磁輻射分系統(tǒng)來模擬戰(zhàn)場環(huán)境的有意電磁輻射(包括己方電磁輻射、敵方電磁輻射和有意電磁輻射)、無意電磁輻射和自然電磁輻射，再通過戰(zhàn)場環(huán)境可視化分系統(tǒng)進(jìn)行二維或三維顯示，增強(qiáng)其視覺效果和渲染力。

2．3 各個分系統(tǒng)的功能

2．3．1 戰(zhàn)場電磁環(huán)境想定分系統(tǒng)

能夠進(jìn)行作戰(zhàn)想定和任務(wù)規(guī)劃。如制作、存儲、編輯、再現(xiàn)敵我雙方的輻射源的地理位置、工作時間、頻率、調(diào)制方式、帶寬、功率和組網(wǎng)方式等，并能夠?qū)?zhàn)場環(huán)境變化進(jìn)行實(shí)時推演，通過HLA不僅能隨意控制各個聯(lián)邦成員的加入與退出，也能隨時控制各個分系統(tǒng)信號的增加和減少。

2．3．2 記錄戰(zhàn)場信號回放分系統(tǒng)

為真實(shí)反應(yīng)戰(zhàn)場電磁信號的活動和分布情況，采用戰(zhàn)場監(jiān)視與錄取系統(tǒng)來記錄信號，作為電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)設(shè)置的一部分輻射源，同時也可以用設(shè)備回放錄取分系統(tǒng)記錄的射頻或中頻數(shù)據(jù)。

2．3．3 有意電磁輻射模擬分系統(tǒng)

包括己方電磁輻射、敵方電磁輻射和有意電磁輻射幾個方面，己方電磁輻射主要模擬我軍現(xiàn)有通信裝備的信號輻射樣式和能力，敵方電磁輻射模擬敵戰(zhàn)通信裝備的電磁性能，有意輻射主要模擬電子戰(zhàn)裝備的樣式形成部分和激勵部分。

2．3．4 無意電磁輻射模擬分系統(tǒng)

主要模擬海雜波、地雜波等輻射信號。

2．3．5 自然電磁輻射模擬分系統(tǒng)

主要模擬高能射線、磁暴雷電和沉積靜電噪聲等。

2．3．6 戰(zhàn)場電磁環(huán)境可視化分系統(tǒng)

通過計算機(jī)各種人機(jī)界面的交互技術(shù)，增加信號的二維或三維顯示、動態(tài)效果，從而達(dá)到一種身臨其境的效果。

3 結(jié) 語

通過構(gòu)建電子戰(zhàn)復(fù)雜電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)，可以為裝備研制的全壽命周期服務(wù)，也可為部隊(duì)訓(xùn)練和建設(shè)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。同時，電磁環(huán)境呈現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)化、瞬態(tài)可變顯著態(tài)勢，更應(yīng)引起高度關(guān)注，并加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)化電磁環(huán)境仿真和電磁環(huán)境瞬態(tài)仿真研究，提高電磁環(huán)境仿真的逼真度，細(xì)化電磁環(huán)境仿真的顆粒度。

[1] 王汝群.戰(zhàn)場電磁環(huán)境[M].第1版.北京：解放軍出版社，2006.

[2] 闞德鵬、賈翠霞.復(fù)雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境模擬技術(shù)研究[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2009，6(4)：598-599.

[3] 陳鯤、陳云秋、陳世友.海雜波建模與仿真[J].艦船電子工程，2009，176(2)：95-97

[4] 管清波，馮書興.戰(zhàn)場環(huán)境的抽象化模型設(shè)計與仿真[J].系統(tǒng)仿真技術(shù)，2009，5(4)：119-225.

[5] 楊林茂，王加陽.戰(zhàn)術(shù)無線電通信系統(tǒng)所面臨的復(fù)雜電磁環(huán)境建模與仿真[J].信息通信，2012,117(1):1-3.

[6] 吳三元，侯志楠，程紅躍，等.復(fù)雜電磁環(huán)境評估方法研究[J].信息化研究,2010,36(5):52-54.

[7] 沈懷榮，余國浩.導(dǎo)彈試驗(yàn)電磁環(huán)境仿真評估系統(tǒng)研究[J].航天電子對抗;2012,28(6):9-11.