劉 琳，李 煒

（1.海軍駐揚州723所軍事代表室，揚州 225001；2.華中科技大學，武漢 430074）

0 引 言

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)進入到了通信技術(shù)廣泛應用的信息化時代，無線通信技術(shù)在人們的日常生活中占據(jù)著重要的地位，如移動電話、廣播、電視、無線網(wǎng)絡(luò)等［1］。不僅如此，無線通信技術(shù)也廣泛應用于軍事領(lǐng)域，現(xiàn)階段電子戰(zhàn)和信息戰(zhàn)已經(jīng)成為影響現(xiàn)代戰(zhàn)爭勝負的主要因素之一，為了提高電子戰(zhàn)仿真技術(shù)，設(shè)計高效精確的電磁態(tài)勢仿真系統(tǒng)是非常有必要的。

電磁波信號傳播時容易受到復雜環(huán)境因素、地形因素以及傳播機制的多重影響，例如折射、反射、衍射、干涉、散射和波導等［2］。目前，電磁波傳播模型中的確定性模型主要依賴于麥克斯韋方程［3］，但是大多數(shù)電磁問題很難得到嚴格的麥克斯韋方程或波動方程的解析解，通常要采用近似方法［4］。

美國對電磁態(tài)勢仿真的研究比較成熟，在商業(yè)應用領(lǐng)域，美國的未爾科技公司已經(jīng)開發(fā)出的Wireless InSite軟件可以應用到城市郊區(qū)模型中，該系統(tǒng)可以預測出環(huán)境的電場強度、傳輸時延和路徑損耗等信息。在軍事應用領(lǐng)域，美國軍方現(xiàn)已研制出名為高級折射效應預測系統(tǒng)（AREPS）的軟件平臺［5］，應用于美國海軍各基地的軍事通信系統(tǒng)、指揮自動化、雷達、電子戰(zhàn)領(lǐng)域，為其戰(zhàn)場態(tài)勢評估提供電磁態(tài)勢參考數(shù)據(jù)［6－7］。我國對電磁信號射線追蹤算法的研究較晚，起步于20世紀90年代，盡管取得了許多成果，不過尚未推出可以適應于不同場景復雜環(huán)境下的系統(tǒng)性的應用軟件系統(tǒng)?；谶@種情況，本文采用面向?qū)ο蟮木幊趟枷?、Java語言、基于平坦地球模型來實現(xiàn)電磁態(tài)勢仿真系統(tǒng)［8－9］。

1 平坦地球模型的原理

平坦地球模型是將地球近似為平地，計算距離發(fā)射源特定距離內(nèi)的電磁傳播損耗，平坦地球近似方法不考慮折射率的影響，只考慮直射射線和反射射線的干涉（相干性疊加），反射射線受到地面反射系數(shù)以及地球曲率的影響［10］。平坦地球模型的優(yōu)點是計算速度很快，無需占用過多的計算機資源，可以有效彌補拋物方程模型計算的區(qū)域較小、計算量大的缺點。

平坦地球方法的原理及步驟如下：

（1）考慮地球曲率，當輸出點所在的距離rout距發(fā)射源過遠時，地形高度下降會比較明顯，從而導致天線的高度會有下降，其與天線絕對高度之差為x。rout的弧對應的圓心角為由于α是一個很小的角度，可以認為sinα＝α，則 ：

（2）計算射線反射的點對應的距離xreflect：

式中：z p為接收點相對于天線的虛像的高度；href為天線參考高度。

（3）計算直射射線的仰角αd和反射射線的仰角αr：

式中：zm為接收點相對于天線的實像高度，用于計算直射射線仰角；z p為接收點相對于天線的虛像高度，用于計算反射射線仰角。

（4）計算得直射射線走過的總路程長r1和反射射線走過的總路程長r2：

（5）計算總的相位滯后角Ω：

式中：ko為自由空間波數(shù)；φ為反射系數(shù)的相角。

2 基于平坦地球模型的電磁態(tài)勢仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 平坦地球（FE）模型流程設(shè)計

本仿真系統(tǒng)采用Java語言建模編程，系統(tǒng)分成初始化模塊和計算模塊兩大部分。系統(tǒng)開始，首先進行初始化，確定平坦地球（FE）模型的計算區(qū)域。然后確定接收點相對于天線實像和虛像的高度，接著計算反射點距離反射源的距離，得到直射射線和反射射線的仰角，然后計算方向性因子和射線走過的總路長，再根據(jù)相位滯后角計算出總的傳播因子，最后根據(jù)損耗計算公式計算出損耗信息。

圖1 FE模型流程圖

2.2 結(jié)果分析

為了模擬電磁信號在大尺度海平面上的傳播，設(shè)定了計算區(qū)域為距離504 000 m、高度20 000 m的沿發(fā)射源發(fā)射方向的一個垂直剖面，設(shè)定發(fā)射源平均功率10 k W，發(fā)射頻率3.1 GHz，天線類型為余弦天線，天線極化方式為水平極化，天線高度為20 m，天線波束寬度6°，天線仰角0°，環(huán)境條件為標準大氣情況，地形為海平面。利用本FE模型仿真系統(tǒng)計算出整個區(qū)域的場分布情況，然后轉(zhuǎn)換為電磁損耗分布后利用Matlab顯示，如圖2。其顯示的結(jié)果與高級傳播模型結(jié)果類似，表明結(jié)果的準確性和可靠性。

圖2 平坦地球模型的Matlab仿真結(jié)果

3 結(jié)束語

在研究平坦地球模型的基礎(chǔ)上，將平坦地球算法應用于電磁態(tài)勢仿真中，實現(xiàn)了基于FE的電磁態(tài)勢仿真系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過Java語言來實現(xiàn)，跨平臺性好，采用了面向?qū)ο蟮木幊趟枷?，使得系統(tǒng)模塊清晰，有很強的擴展能力。射線追蹤算法擺脫了傳統(tǒng)的經(jīng)驗模型、近似計算方法精確度不高的缺點，在與成熟的AREPS系統(tǒng)對比中，保持著高精度和高速度的優(yōu)勢?；谏鲜鰞?yōu)點的電磁態(tài)勢仿真系統(tǒng)，對大范圍海平面或者平原等復雜地形環(huán)境的電磁信號衰減的計算，以及對甚高頻、特高頻通信、飛機預警等方面的軍事應用有著非常重要的指導意義。

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［6］胡繪斌.預測復雜環(huán)境下電波傳播特性的算法研究［D］.長沙：國防科學技術(shù)大學，2006.

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［9］孫方，趙振維，康士峰，等.大氣波導傳播模型及特性分析［J］.裝備環(huán)境工程，2009，6（6）：16－20.

［10］趙小龍，黃際英，溫志賢，等.大氣波導中的電波傳播與環(huán)境特性研究進展［J］.裝備環(huán)境工程，2009，6（5）：57－62.