韓 慧，吳若無，陳 翔

(電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471003)

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基于場(chǎng)景定義的電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓 慧，吳若無，陳 翔

(電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471003)

電磁環(huán)境的模擬是開展電磁環(huán)境效應(yīng)研究的基礎(chǔ)。針對(duì)電磁環(huán)境逼真構(gòu)建的問題，基于面向受體實(shí)時(shí)生成與場(chǎng)景定義相一致的電磁環(huán)境的設(shè)計(jì)思想，提出了一種電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架、場(chǎng)景定義設(shè)計(jì)和電磁信號(hào)生成設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。場(chǎng)景定義單元通過對(duì)實(shí)體、信號(hào)環(huán)境、行為的編輯實(shí)現(xiàn)電磁環(huán)境場(chǎng)景自定義，并驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成單元；信號(hào)生成單元采用軟件無線電思想，基于預(yù)定義場(chǎng)景進(jìn)行信號(hào)模擬，產(chǎn)生真實(shí)信號(hào)環(huán)境。

場(chǎng)景定義；電磁環(huán)境；信號(hào)生成；模擬

0 引言

隨著人類社會(huì)活動(dòng)的發(fā)展、軍事電子信息技術(shù)的進(jìn)步以及軍事對(duì)抗強(qiáng)度的增加，戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境呈現(xiàn)出日趨復(fù)雜的發(fā)展態(tài)勢(shì)，會(huì)對(duì)現(xiàn)在電磁環(huán)境敏感度越來越高、具有電磁脆弱性的電子信息系統(tǒng)的工作性能和應(yīng)用效能，甚至生存能力產(chǎn)生深刻影響。開展電磁環(huán)境綜合效應(yīng)研究及復(fù)雜電磁環(huán)境下試驗(yàn)，構(gòu)建逼真且動(dòng)態(tài)可控的電磁環(huán)境問題受到廣泛關(guān)注。電磁環(huán)境的模擬是開展電磁環(huán)境效應(yīng)研究的基礎(chǔ)，它不但能為電子信息系統(tǒng)各研發(fā)階段提供相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試電磁環(huán)境，以便對(duì)其技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，也可為其實(shí)際應(yīng)用提供與真實(shí)工作場(chǎng)景一致的電磁環(huán)境，以用于開展系統(tǒng)效能及適應(yīng)性試驗(yàn)與評(píng)估。

國內(nèi)外對(duì)電磁環(huán)境構(gòu)建方法開展了大量的研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了多種電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)，這些模擬試驗(yàn)系統(tǒng)經(jīng)過不斷補(bǔ)充和更新，模擬技術(shù)日益完善，具備頻率范圍寬、生成的輻射源數(shù)量多、信號(hào)密度高、信號(hào)波形復(fù)雜等特點(diǎn)。但也存在單方面追求電磁環(huán)境構(gòu)成上的逼真性，而忽視了電磁環(huán)境與電子信息系統(tǒng)之間的效應(yīng)相關(guān)性和動(dòng)態(tài)過程的問題，使得實(shí)踐中難以構(gòu)建真正逼真、有效的電磁環(huán)境。電磁環(huán)境構(gòu)建中，要盡可能真實(shí)地反映預(yù)期電磁環(huán)境，表現(xiàn)設(shè)備與環(huán)境的關(guān)系，就需要把設(shè)備效應(yīng)和設(shè)備所處的電磁環(huán)境結(jié)合起來，以受體設(shè)備感受的真實(shí)電磁環(huán)境為目標(biāo)，針對(duì)可能存在的輻射源目標(biāo)、所面臨的作戰(zhàn)想定、所處地域的地理信息及傳播因素等設(shè)定電磁環(huán)境，并解決信號(hào)環(huán)境生成的實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)可控性、可重復(fù)性等問題，才能為實(shí)驗(yàn)和訓(xùn)練提供近實(shí)戰(zhàn)化的電磁環(huán)境。

本文正是基于面向受體實(shí)時(shí)生成與場(chǎng)景定義相一致的可控電磁環(huán)境的設(shè)計(jì)思想，將電磁環(huán)境場(chǎng)景設(shè)計(jì)、信號(hào)生成與裝備感受結(jié)合起來，設(shè)計(jì)了基于場(chǎng)景定義的電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)，為電磁環(huán)境效應(yīng)實(shí)驗(yàn)及電子信息系統(tǒng)電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)所需的實(shí)時(shí)可控可重復(fù)的電磁環(huán)境構(gòu)建提供支持。

1 系統(tǒng)組成

1)設(shè)計(jì)思想

基于場(chǎng)景定義的電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是：以構(gòu)建電磁環(huán)境效應(yīng)實(shí)驗(yàn)或復(fù)雜電磁環(huán)境條件下，受體設(shè)備所面臨的真實(shí)電磁環(huán)境為目標(biāo)，基于軟件平臺(tái)定義可編程腳本化的電磁環(huán)境場(chǎng)景，充分反映與受體設(shè)備相關(guān)的輻射源特征、地域特征、傳播條件、多徑等的影響，以及輻射源和受體設(shè)備在場(chǎng)景中的位置信息，依據(jù)作戰(zhàn)想定編輯任務(wù)命令驅(qū)動(dòng)實(shí)體行為，實(shí)現(xiàn)電磁環(huán)境建模與可視化仿真，并將場(chǎng)景命令轉(zhuǎn)換為參數(shù)模型，驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器生成與場(chǎng)景定義相一致的真實(shí)信號(hào)環(huán)境，以支持開展電子信息系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)實(shí)驗(yàn)及射頻推演。

2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由電磁環(huán)境場(chǎng)景定義單元和電磁信號(hào)環(huán)境生成單元兩部分組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于軟件平臺(tái)完成基本場(chǎng)景編輯、電磁環(huán)境建模與可視化，驅(qū)動(dòng)硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)與定義的電磁環(huán)境相一致的電磁信號(hào)環(huán)境的生成?；趫?chǎng)景定義的電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 基于場(chǎng)景定義的電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在電磁環(huán)境的基本場(chǎng)景輸入中，主要設(shè)計(jì)從頻率和調(diào)制模式、設(shè)備地理信息、設(shè)備間距離、設(shè)備傳輸狀態(tài)、環(huán)境效應(yīng)、地形地貌六個(gè)方面的信息來反映所需電磁環(huán)境的特征；結(jié)合要素模型將基本場(chǎng)景信息轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型參數(shù)，通過加載信號(hào)和傳播模型模擬信號(hào)從輻射源到裝備天線端口的傳播過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備面臨的電磁環(huán)境的自定義生成，一方面支持電磁環(huán)境的可視化仿真，另一方面使用參數(shù)模型驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器；信號(hào)發(fā)生器主要完成多通道時(shí)變載波的生成，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的固定時(shí)延多路徑模擬、信道衰落模擬等，模擬生成受體設(shè)備天線口面面臨的電磁環(huán)境；生成的信號(hào)環(huán)境可通過電纜注入式或輻射式兩種方式提供給受體設(shè)備，用于滿足不同條件下的電磁環(huán)境模擬需求。

2 電磁環(huán)境場(chǎng)景定義單元設(shè)計(jì)

電磁環(huán)境場(chǎng)景定義單元的主要功能是自定義電磁環(huán)境場(chǎng)景模式，依據(jù)模擬需求和作戰(zhàn)想定，在構(gòu)建實(shí)體數(shù)據(jù)庫和要素模型庫的基礎(chǔ)上，通過場(chǎng)景編輯、任務(wù)編輯和數(shù)據(jù)庫編輯，實(shí)現(xiàn)受體設(shè)備面臨的電磁環(huán)境的自定義，并通過可視化仿真的方法直觀顯示模擬的電磁環(huán)境信息。場(chǎng)景定義單元的組成如圖3所示。

圖3 電磁環(huán)境場(chǎng)景定義單元組成圖

構(gòu)建實(shí)體數(shù)據(jù)庫和要素模型庫是電磁環(huán)境場(chǎng)景定義的基礎(chǔ)，主要包括輻射源信息、地形地貌、地理信息、傳播條件、天線模型、傳播模型等信息，在具體的場(chǎng)景定義中，調(diào)用基本數(shù)據(jù)庫完成場(chǎng)景所需數(shù)據(jù)的定義；數(shù)據(jù)庫編輯是根據(jù)模擬需求和作戰(zhàn)想定調(diào)用基本數(shù)據(jù)庫生成場(chǎng)景實(shí)體數(shù)據(jù)文件，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬所需實(shí)體要素的編輯，并可在類似場(chǎng)景中重復(fù)使用；任務(wù)編輯主要實(shí)現(xiàn)任務(wù)的構(gòu)建、執(zhí)行和控制，一個(gè)任務(wù)就是一個(gè)腳本，通過預(yù)設(shè)一系列的任務(wù)，設(shè)置一個(gè)實(shí)體的行為，并通過時(shí)序控制進(jìn)行觸發(fā)，完成信號(hào)的動(dòng)態(tài)生成過程控制；場(chǎng)景編輯主要實(shí)現(xiàn)依據(jù)模擬需求定義電磁環(huán)境模擬的地域，添加各實(shí)體要素并定義實(shí)體位置，完成電磁環(huán)境模擬的實(shí)體布局，為滿足可控可重復(fù)的模擬需求，場(chǎng)景設(shè)置還需具備在電磁信號(hào)環(huán)境生成過程中添加實(shí)體要素、以及生成可重復(fù)調(diào)用的場(chǎng)景設(shè)置文件、形成場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫的能力；模擬引擎是在命令驅(qū)動(dòng)下完成電磁環(huán)境的模擬生成，數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)外部數(shù)據(jù)的導(dǎo)入及系統(tǒng)數(shù)據(jù)的導(dǎo)出，波形生成接口與信號(hào)發(fā)生器連接，驅(qū)動(dòng)生成信號(hào)環(huán)境。

場(chǎng)景的自定義采用基本場(chǎng)景模塊為單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 場(chǎng)景自定義軟件結(jié)構(gòu)圖

場(chǎng)景自定義軟件由控制軟件界面、生成的場(chǎng)景要素集以及采集或生成的信號(hào)和噪聲數(shù)據(jù)三部分組成。其中軟件界面分成了全局參數(shù)、信號(hào)參數(shù)、多徑參數(shù)以及噪聲參數(shù)四個(gè)設(shè)置模塊?？紤]信號(hào)場(chǎng)景生成中的實(shí)際情況，這里把每個(gè)模塊又分成參數(shù)設(shè)置和集成參數(shù)設(shè)置兩個(gè)小模塊，參數(shù)設(shè)置模塊中的信號(hào)參數(shù)是在信號(hào)生成過程中經(jīng)常變化，需要對(duì)其進(jìn)行設(shè)置的參數(shù)。以信號(hào)參數(shù)設(shè)置模塊為例，信號(hào)參數(shù)設(shè)置模塊了包含了信號(hào)的輸出端口、信號(hào)路數(shù)、輸出延時(shí)、多徑開關(guān)等控制參數(shù)，這些參數(shù)都是需要根據(jù)不同環(huán)境場(chǎng)景來做具體設(shè)置的；與信號(hào)參數(shù)設(shè)置模塊相對(duì)應(yīng)，集成信號(hào)參數(shù)模塊中涉及到的信號(hào)參數(shù)是諸如信號(hào)的增益、傳輸損耗、信號(hào)格式、讀取信號(hào)的采樣率等參數(shù)，可以結(jié)合具體場(chǎng)景，對(duì)上述參數(shù)做相應(yīng)設(shè)置，打包成一個(gè)集成場(chǎng)景要素命令包，需要的時(shí)候通過集成信號(hào)選擇模塊進(jìn)行選擇加載。場(chǎng)景要素命令集是對(duì)想定或典型通信信號(hào)場(chǎng)景命令的集中存儲(chǔ)，它分成了全局、信號(hào)、多徑、噪聲場(chǎng)景要素集四個(gè)部分，場(chǎng)景要素分模塊存儲(chǔ)一方面是考慮到不同場(chǎng)景在某些參數(shù)的設(shè)置上可能存在交集，按照分模塊的存儲(chǔ)方式可以減少在提取要素命令集構(gòu)建場(chǎng)景時(shí)的工作量；另外一方面，模塊化的組合方式也使得場(chǎng)景的生成過程更加靈活多變。信號(hào)和噪聲數(shù)據(jù)來自于采集到的真實(shí)數(shù)據(jù)或者是按照一定數(shù)據(jù)格式人為生成的基本數(shù)據(jù)樣式。

3 電磁信號(hào)環(huán)境生成單元設(shè)計(jì)

電磁信號(hào)環(huán)境生成單元的主要功能是基于預(yù)定義電磁環(huán)境場(chǎng)景模式生成真實(shí)信號(hào)環(huán)境，完成多通道時(shí)變載波生成、任意載波功率、頻率、時(shí)延外貌時(shí)變模擬、信道衰落模擬、跳頻網(wǎng)絡(luò)模擬、發(fā)射機(jī)端相位噪聲模擬、發(fā)射機(jī)端非線性特性模擬、固定時(shí)延的多路徑信號(hào)模擬等。

電磁環(huán)境生成單元采用軟件無線電的思想，以系統(tǒng)總線架構(gòu)為核心，主要由多部通用軟件無線電平臺(tái)USRP、存儲(chǔ)單元、時(shí)鐘同步模塊、天線組成，使用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，系統(tǒng)組成框圖如圖5所示。

圖5 電磁信號(hào)環(huán)境生成單元組成圖

計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)下達(dá)指令，將準(zhǔn)備發(fā)射的信號(hào)在基帶進(jìn)行處理后搬移到中頻，傳送到相應(yīng)的USRP；總線控制系統(tǒng)管理著各個(gè)模塊，負(fù)責(zé)給USRP提供行動(dòng)指令和傳送數(shù)據(jù)；存儲(chǔ)單元用于存放信號(hào)記錄設(shè)備采集的各種信號(hào)樣本；USRP用來執(zhí)行計(jì)算機(jī)傳輸?shù)母鞣N指令，進(jìn)行上變頻、信道模擬，將信號(hào)由中頻搬移到射頻。最終生成的信號(hào)通過射頻端口輸出，信號(hào)可通過合路器傳送給被測(cè)設(shè)備，也可通過天線輻射出去。

軟件功能主要包括信號(hào)生成與信號(hào)損害兩大部分，如圖6所示。

圖6 信號(hào)生成軟件功能結(jié)構(gòu)圖

4 關(guān)鍵技術(shù)分析

上文給出了基于場(chǎng)景定義的電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)的各組成單元設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中還需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)問題：

1)基于場(chǎng)景的電磁環(huán)境設(shè)計(jì)

基于場(chǎng)景的電磁環(huán)境設(shè)計(jì)是將電磁環(huán)境轉(zhuǎn)換為可編程腳本化的場(chǎng)景集，首先要在對(duì)預(yù)期電磁環(huán)境特性認(rèn)知的基礎(chǔ)上，將電磁環(huán)境要素分解為可編程的場(chǎng)景要素，如在輻射源信息、地形地貌、地理信息、傳播條件、天線模型、傳播模型等方面創(chuàng)建實(shí)體要素，通過預(yù)設(shè)的實(shí)體任務(wù)控制實(shí)體的行為，從而依據(jù)需求創(chuàng)建復(fù)雜的可控可重復(fù)的電磁環(huán)境場(chǎng)景。

2)基于虛擬儀器的實(shí)時(shí)控制與仿真技術(shù)

自定義的電磁環(huán)境場(chǎng)景需要實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)發(fā)生器的控制，模擬生成與場(chǎng)景定義相一致的電磁信號(hào)環(huán)境?；谔摂M儀器的實(shí)時(shí)控制與仿真技術(shù)，是通過利用虛擬儀器軟件本身所具有的向下對(duì)硬件良好的虛擬控制功能，設(shè)計(jì)場(chǎng)景要素集，實(shí)現(xiàn)基本場(chǎng)景模塊化，控制信號(hào)發(fā)生器完成自定義的電磁信號(hào)環(huán)境生成。

3)任意體制信號(hào)模擬技術(shù)

實(shí)現(xiàn)任意體制信號(hào)的逼真模擬，需要對(duì)各種體制的信號(hào)建立樣本庫，以真實(shí)設(shè)備射頻端口的輸出為目標(biāo)，在獲得失真鏈路傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，并使用模擬控制器進(jìn)行統(tǒng)一管理，對(duì)每一種信號(hào)都建立起對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模型，輸出經(jīng)過補(bǔ)償后的任意體制的信號(hào)。

4)電磁環(huán)境信息動(dòng)態(tài)可視化仿真技術(shù)

電磁環(huán)境的復(fù)雜多變性造成電磁環(huán)境仿真和信號(hào)環(huán)境構(gòu)建的困難，基于場(chǎng)景定義的電磁環(huán)境信息動(dòng)態(tài)可視化仿真，是在分解電磁環(huán)境場(chǎng)景要素的基礎(chǔ)上，利用可視化技術(shù)，通過豐富的圖形、圖像處理技術(shù)和各種信息建立特殊的映射關(guān)系，并給以動(dòng)態(tài)的顯示，把各類信息的操作、訪問用圖給予實(shí)現(xiàn)，在生成真實(shí)信號(hào)環(huán)境前實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)建電磁環(huán)境的直觀顯示，并支持完成射頻推演。

5 結(jié)束語

本文從受體設(shè)備角度感受的真實(shí)電磁環(huán)境模擬需求出發(fā)，提出了一種基于場(chǎng)景定義的電磁環(huán)境模擬方法，并重點(diǎn)對(duì)模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行了框架設(shè)計(jì)。電磁環(huán)境效應(yīng)研究與電子信息系統(tǒng)適應(yīng)性試驗(yàn)對(duì)電磁環(huán)境模擬逼真性、動(dòng)態(tài)性、針對(duì)性等需求，使得該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)更具有實(shí)用性，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用可支持室內(nèi)注入式電磁環(huán)境效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的研究，也可擴(kuò)展應(yīng)用于野外試驗(yàn)電磁環(huán)境生成。后續(xù)將進(jìn)一步完善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，細(xì)化軟件設(shè)計(jì)，解決關(guān)鍵技術(shù)問題，完成系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，并開展系統(tǒng)應(yīng)用方法研究?！?/p>

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Design of electromagnetic environment simulation system based on scene definition

Han Hui，Wu Ruowu，Chen Xiang
(State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environment Effects on Electronics and Information System, Luoyang 471003, Henan，China)

The simulation of electromagnetic environment is the basis of the research on electromagnetic environment effect. Aiming at the problem of the realistic construction of electromagnetic environment, a design method of electromagnetic environment simulation system is brought based on the design idea of the electromagnetic environment consistent with the receptor real time generation and scene definition. The framework of the system, the definition of the scene and the design of the electromagnetic signal generation are given, and the key technologies of system implementation are analyzed. The custom of electromagnetic environment scene is achieved by the edit of entity, signal environment and behavior using the scene definition unit, and the signal generating unit is drove; the idea of software radio is adopted by the signal generating unit, and the real signal environment is produced based on the signal simulation of predefined scene.

scene definition; electromagnetic environment; signal generation; simulation

2016-05-06；2016-07-15修回。

韓慧(1980-)，女，助理研究員，碩士，研究方向?yàn)閺?fù)雜電磁環(huán)境特性與模擬、通信對(duì)抗試驗(yàn)技術(shù)。

TN97

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