黃一斌， 鐘海波

(1. 裝甲兵工程學院裝備試用與培訓大隊， 北京 100072； 2. 裝甲兵工程學院科研部， 北京 100072)

基于戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)運用效果的電磁仿真

黃一斌1， 鐘海波2

(1. 裝甲兵工程學院裝備試用與培訓大隊， 北京 100072； 2. 裝甲兵工程學院科研部， 北京 100072)

摘要：針對戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)仿真訓練、演練等需求，提出了基于戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)運用效果的電磁建模仿真方法，構(gòu)建了經(jīng)驗影響效果電磁環(huán)境模型，并對模型算法進行了特征分析，解決了人在環(huán)實時仿真中復雜電磁環(huán)境建模仿真的難題。模型充分體現(xiàn)了實踐經(jīng)驗且易于拓展修改、便于集成，專業(yè)要求低，運算消耗小，適合于大規(guī)模人在環(huán)仿真系統(tǒng)應用。

關鍵詞：經(jīng)驗模型; 運用效果; 電磁環(huán)境仿真

戰(zhàn)場電磁環(huán)境主要由人為電磁輻射、自然電磁輻射和輻射傳播等因素組成[1]，由于其復雜多變、隨機性強，因此難以準確地進行描述。而數(shù)字化部隊大量配備了各種類型的電子設備、通信裝備，加上各類電磁干擾，共同形成了復雜的電磁環(huán)境。其中，在戰(zhàn)術(shù)通信裝備的實際組網(wǎng)運用過程中，當電臺組網(wǎng)規(guī)模較大，或一定區(qū)域內(nèi)組網(wǎng)太多，抑或頻譜規(guī)劃不當時，整個指揮控制及通信效果明顯下降，說明通信裝備之間也存在明顯干擾。然而，對于這種異常復雜的電磁環(huán)境，要構(gòu)建科學合理的模型非常困難，因此需要對電磁環(huán)境模型進行簡化處理。

為了便于開展電磁環(huán)境仿真集成，要求仿真模型易于拓展修改、便于集成，專業(yè)要求低，運算消耗小；同時，需要規(guī)避傳統(tǒng)建模難題，如傳統(tǒng)方法中的電磁波源、傳播、干擾等模型不僅復雜，且各種假設難以反映實際使用時的電磁情況，計算復雜度大，專業(yè)要求高，難以滿足人在環(huán)仿真訓練的實時性要求。筆者通過綜合分析戰(zhàn)術(shù)通信實際運用效果，構(gòu)建各類電磁影響因素的主觀經(jīng)驗模型，提出基于戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)運用效果的電磁環(huán)境建模仿真方法。

1電磁影響因素及效果分析

數(shù)字化部隊戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)在實際運用時，復雜電磁環(huán)境的影響主要表現(xiàn)為：1)電臺通信鏈路無法建立，如在進行短波電臺的線路質(zhì)量分析時，無法得到穩(wěn)定的頻點分析結(jié)果，不能進入同步過程，更無法建鏈和通信；2)通信質(zhì)量較差，導致語音聽不清或數(shù)據(jù)收發(fā)不成功。

由于復雜電磁環(huán)境對戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)的同步過程、建鏈過程、通信質(zhì)量等效果有影響，因此，為了描述整個電磁環(huán)境對戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)訓練的影響，筆者定義信道綜合質(zhì)量(Channel Integrated Quality，CIQ)來決定通信過程和通信質(zhì)量。

從實際運用效果來看：短波(High Frequency, HF)電臺的通信質(zhì)量雖然不佳，但在不考慮極端情況和操作得當?shù)那疤嵯?，話音通信基本沒有太大影響，與其他類型電臺相比，在山區(qū)更有優(yōu)勢，距離遠時，優(yōu)勢更明顯；超短波(Very High Frequency, VHF)電臺基本上是視距通信，話音和數(shù)據(jù)通信效果較好，抗干擾性能較強，但繞射性能較差，在山區(qū)使用效果不好；寬帶數(shù)據(jù)甚高頻(Ultra High Frequency, UHF)電臺在近距離通信效果非常好，在靜止或低速運行時，是指揮所常用的數(shù)據(jù)通信手段。

一般來說，電磁波傳播時會遇到各種地形環(huán)境，如平原、高山、丘陵、水面、城市高樓大廈等，可進行半定量描述，形成衰減影響。同時，在受到對方人為電磁干擾的影響時，也要進行適當修正，強化訓練的針對性和效果。

綜上所述，將電臺工作波段、通信距離、地形地貌、頻譜分布占用狀況、組網(wǎng)規(guī)模、對方干擾等因素的影響綜合考慮為一個結(jié)果，即CIQ，其概念模型為

CIQ=F(WB, SP, HG, FD, WN, OD),

式中：WB、SP、HG、FD、WN、OD分別為工作波段、距離、地形、頻譜占用度、組網(wǎng)規(guī)模、對方干擾的半定量描述。通過仿真計算，可對復雜電磁環(huán)境影響程度進行等級劃分，通過計算調(diào)整參數(shù)和權(quán)重，實現(xiàn)對復雜電磁影響效果主觀感覺的逼近，可分為2個階段：1)構(gòu)建概念模型；2)構(gòu)建數(shù)學模型。

在發(fā)射穩(wěn)定、不明顯區(qū)分短波傳播方式的差異、裝備操作及天線選擇合理等理想狀態(tài)下，波段與距離對通信效果的經(jīng)驗統(tǒng)計如表1所示。

表1　波段與距離對通信效果的經(jīng)驗統(tǒng)計

采用分類法描述地形時，通常僅考慮平坦地、丘陵地、低山地和中山地4類地形。對于裝甲機械化部隊，由于主要運用于中等起伏地域，可以將數(shù)字化部隊運用地域劃分為平坦地、中等起伏地、山地(城市高樓)3類。在理想狀態(tài)下，當只考慮地形地貌電磁傳播空間對電磁影響時，地形地貌對通信效果的經(jīng)驗統(tǒng)計如表2所示。

表2　地形地貌對通信效果的經(jīng)驗統(tǒng)計

對于頻譜分布狀況的影響，結(jié)合戰(zhàn)術(shù)電臺的性能指標和實踐經(jīng)驗，一般要求頻譜占用度小于一定指標時，通信效果才能有保證。頻譜占用度對通信效果的經(jīng)驗統(tǒng)計如表3所示。

表3　頻譜占用度對通信效果的經(jīng)驗統(tǒng)計

從實踐經(jīng)驗來看：組網(wǎng)規(guī)模越大，即子網(wǎng)用戶(電臺)數(shù)越多，通信能力越差，如超短波電臺在組網(wǎng)規(guī)模偏大時，通話延遲嚴重，數(shù)據(jù)傳輸時間變長。組網(wǎng)規(guī)模對通信效果的經(jīng)驗統(tǒng)計如表4所示。

由于不同波段上抗干擾技術(shù)特性不同(如跳頻體制、直接擴頻體制等)，在同等干擾條件(干擾方式、樣式等一致)與有效通信距離前提下，干擾對3個波段通信效果的經(jīng)驗統(tǒng)計如表5所示。

表4　組網(wǎng)規(guī)模對通信效果的經(jīng)驗統(tǒng)計

表5　干擾對通信效果的經(jīng)驗統(tǒng)計

2影響效果歸一化

借助品質(zhì)效用函數(shù)，可將各影響因素對主觀效果的變化規(guī)律和具體參數(shù)進行歸一化處理。

基礎數(shù)據(jù)的獲取是經(jīng)驗模型具體量化或驗證的重要環(huán)節(jié)，一般有2條途徑：1)通過大量試驗測量出各影響因素的數(shù)據(jù)，進而計算出具體參數(shù)；2)通過采取專家經(jīng)驗問卷統(tǒng)計，然后采用相應算法處理，計算出具體參數(shù)。相比之下，途徑1)的準確性和可靠性較好，途徑2)在工作量、繁雜性、可操作性等方面優(yōu)勢明顯，因此本文采用途徑2)獲取基礎數(shù)據(jù)。

模型的歸一化處理和主觀經(jīng)驗逼近，是對經(jīng)驗模型的二次建模。為了便于在仿真訓練中進行計算，需要將主觀經(jīng)驗的概念模型轉(zhuǎn)化成相應的數(shù)學解析表達式、數(shù)據(jù)表格等形式的計算模型。

當精度要求較高時，二次建?？山柚鷶?shù)學工具軟件(如MATLAB)，采用分段多項式或多項式樣條函數(shù)進行擬合[2-3],當擬合區(qū)間較寬時，若先細分成若干小區(qū)間，再分別進行擬合，擬合效果將更好；當精度要求不高時，二次建模也可用普通函數(shù)分階段近似處理，以便調(diào)整參數(shù)，降低函數(shù)的復雜性。

與經(jīng)典電磁模擬方法相比，經(jīng)驗模型的二次建模方法靈活方便，精度能夠達到仿真訓練的要求，符合戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)運用實際。

采取分段函數(shù)近似描述6個影響因素效果對應的主觀經(jīng)驗。將距離、地形地貌、頻譜占用度、組網(wǎng)規(guī)模、干擾的經(jīng)驗影響效果分別記為fd、 ft、 ff、 fs、 fh，分別對應表1-5，并進行近似擬合。

將3個波段與距離x之間的電臺通信影響效果函數(shù)fd分別定義為fdHF、 fdVHF和fdUHF，則有

(1)

fdVHF=0.85-2x-15.5, 0

(2)

fdUHF=0.95-2x-10.3, 0

(3)

對于短波，若采用4次分段多項式進行擬合，則

(4)

若采用12次多項式樣條函數(shù)進行整體擬合，則

fdHF=2.287 5x12/1018-1.168 7x11/1015+

2.620 2x10/1013-3.384x9/1011+2.777 7x8/109-

1.507 5x7/107+5.451 5x6/106-0.000 129 17x5+

0.001 922 5x4-0.016 684x3+0.073 969x2-

0.127 15x+0.731 68。

(5)

由式(1) 、(4) 、(5)可以看出：在精度要求不高時，采用普通函數(shù)進行擬合，計算方便且可顯著降低計算復雜度、減小資源消耗。

圖1　距離對通信的影響效果

式(1)-(5)所反映距離對通信的影響效果如圖1所示?？梢钥闯觯簩Ρ仁?1) 、(4) 、(5)所采用的分段近似處理、分段多項式擬合和整體多項式擬合3種方法，由于整體多項式需要12階以上函數(shù)擬合才能達到前2種方法的近似程度，因此該擬合方法不可取。編程實現(xiàn)時，采用分段函數(shù)方式既便于計算和代碼編程，又能減少計算時間。

為了討論地形地貌對電磁傳播的影響，可將地形地貌的起伏變化或地質(zhì)影響折算成一個[0,1]區(qū)間的綜合系數(shù)c，依次對應于表2中平坦地、中等起伏地、山地，即對電磁傳播影響越小時，c越?。环粗?，則c越大。將ft分別定義為ftHF、ftVHF和ftUHF，則有

ftHF=

(6)

(7)

(8)

圖2為式(6)-(8)所反映地形地貌對通信的影響效果，符合電磁波在不同地形地貌的傳播效果。

圖2　地形地貌對通信的影響效果

通信效果與頻譜占用度有著密切的聯(lián)系，特別是頻點間隔z需要達到相應指標時，才能保證通信質(zhì)量。將ff分別定義為ffHF、ffVHF和ffUHF，則有

(9)

(10)

(11)

式(9)-(11)所反映頻點間隔對通信的影響效果如圖3所示。

圖3　頻點間隔對通信的影響效果

通信效果與組網(wǎng)規(guī)模n直接相關，當超過一定組網(wǎng)規(guī)模時，通信效率明顯下降。將fs分別定義為fsHF、 fsVHF和fsUHF,則有

(12)

(13)

(14)

式(12)-(14)所反映組網(wǎng)規(guī)模對通信的影響效果如圖4所示。

圖4　組網(wǎng)規(guī)模對通信的影響效果

對于干擾度通信的影響，引入綜合干擾系數(shù)p，變化范圍為(0,1]，干擾越大時p越大。將fh分別定義為fhHF、 fhVHF和fhUHF，則有

fhHF=0.98(1-p)5;

(15)

fhVHF=0.98(1-p)3;

(16)

fhUHF=0.98(1-p)2。

(17)

式(15)-(17)所反映干擾對通信的影響效果如圖5所示。

圖5　干擾對通信的影響效果

3經(jīng)驗效果綜合模型

針對復雜電磁環(huán)境中各種影響因素構(gòu)建的經(jīng)驗模型，可以看作是該影響因素下的一個邊際函數(shù)，將復雜電磁環(huán)境經(jīng)驗模型看作是一個多維分布函數(shù)。通過分析單個邊際函數(shù)的特征，可部分反映經(jīng)驗模型多維分布函數(shù)的特征。

對于模型的綜合集成，一般多采用算術(shù)平均法(如加權(quán)求和法)，也可采用幾何平均法(如指數(shù)求積法)，還可依據(jù)需求靈活運用其他方法。若采用加權(quán)求和法，則綜合效果Fp=λdfd+λtft+λfff+λsfs+λhfh，其中0<λd,λt,λf,λs,λh<1，且λd+λt+λf+λs+λh=1。若采用指數(shù)求積法，則綜合效果Fm=fdλd+ftλt+ffλf+fsλs+fhλh。

令λd=λt=λf=λs=λh=0.2,分別采用2種方法綜合得到距離和地形對短波通信影響效果,分別如圖6、7所示?？梢钥闯觯褐笖?shù)求積法更能明顯反映因素變化快慢。

對于短波，各類干擾是致命影響因素，因此，需調(diào)大λh；地形對其影響不明顯，可調(diào)小λt。而超短波和甚短波正好相反，需調(diào)小λh、調(diào)大λt。

圖6　距離和地形對短波通信影響效果(加權(quán)求和法)

圖7　距離和地形對短波通信影響效果(指數(shù)求積法)

4經(jīng)驗效果模型分析

復雜電磁環(huán)境是戰(zhàn)術(shù)通信建模仿真不能回避的問題之一，傳統(tǒng)方法是從電磁原理、環(huán)境組成、影響因素等角度對其進行假設，并對主要矛盾進行分析建模，致力于量化描述復雜電磁環(huán)境，達到仿真電磁環(huán)境的目的[4-9]。其主要著力點在于分析電磁波分布空間內(nèi)電磁的變化，試圖量化電磁場空間描述，用于分析電磁傳播特性，或者通過研究復雜電磁環(huán)境來探索在理論技術(shù)和工程應用上的應對措施，因而，不適用于基層數(shù)字化部隊戰(zhàn)術(shù)通信訓練仿真。

4.1模型依據(jù)與思路

傳統(tǒng)研究主要從電磁波源、傳播、干擾等方面入手，提出一些假設，便于構(gòu)建各自的模型，然后利用各類工具進行仿真分析。一般來說，由于影響因素太多，加上隨機現(xiàn)象(如電離層變化、太陽風暴等)，即使作了大量假設，各類模型也是非常繁雜，計算難度很大，因而難以應用于在線仿真，也不滿足戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)模擬訓練對實時仿真的需要[10-12]。

傳統(tǒng)研究中很少探討因自身電磁頻譜分布而產(chǎn)生的影響，但從實際情況來看，該因素在小區(qū)域戰(zhàn)術(shù)通信成體系運用時會受到很大影響。因此，從影響效果的角度考慮這些因素，能更好地貼近戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)運用時的實際情況和特征。

本文研究目標在于仿真訓練、演練等特定背景，側(cè)重于效果的實現(xiàn)，不苛求精準性，其與傳統(tǒng)研究的差別在電磁環(huán)境仿真處理上得到了充分體現(xiàn)。

基于戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)運用效果的電磁環(huán)境建模仿真流程與傳統(tǒng)電磁環(huán)境建模仿真流程對比如圖8所示?？梢钥闯觯夯趹?zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)運用效果的電磁環(huán)境建模仿真是在對比分析傳統(tǒng)研究優(yōu)劣的前提下，針對通信仿真訓練的特殊要求，在建模方法上融合了定性和定量2種類型，在建模特征上融合了主觀經(jīng)驗與客觀參數(shù)2類信息。

圖8　電磁環(huán)境建模仿真流程對比

4.2模型可信性分析

在經(jīng)驗效果綜合模型的可信性方面，通過分別固定5個因素中的4個因素，單獨分析各個邊際函數(shù)。圖9以短波影響效果為例進行了對比分析，可以看出：經(jīng)驗效果綜合模型同樣可以反映影響效果和原始經(jīng)驗，與表1-5結(jié)果一致。

圖9　經(jīng)驗效果綜合模型可信性對比

4.3運行效果與模型特征

對于基于運用效果的電磁仿真模型和算法，利用計算機分析(CPU主頻為2.2 GHz，內(nèi)存為4 GB)短波算法時，記錄2種綜合集成方式的原始數(shù)據(jù)，如表6所示，由于時間太短，故重復計算9次，每次計算105個循環(huán)，最后剔除最大值和最小值后進行統(tǒng)計。當采用指數(shù)求積法進行綜合集成時，平均消耗時間為9.965 μs；當采用加權(quán)求和法時，同樣處理后平均消耗時間為8.478 75 μs?？梢姡簩τ谌嗽诃h(huán)實時仿真，該模型算法消耗時間可忽略不計。

表6　計算105個循環(huán)的消耗時間　s

將各影響因素經(jīng)驗效果模型綜合集成到仿真應用中時，距離采用分段函數(shù)計算80個點，地形計算1 000個點，頻譜分布計算200個點，組網(wǎng)規(guī)模計算10個點，干擾計算100個點后，再采用指數(shù)求積法計算距離和地形一起變化時，即80×1 000個點的影響效果，然后再描繪成圖像(圖7)。經(jīng)過10次重復，可得到消耗CPU時間分別為0.180 3、0.140 2、0.130 2、0.140 2、0.150 2、0.140 2、0.130 2、0.140 2、0.140 2、0.130 2 s，剔除最大值和最小值后，則計算80 000個點消耗CPU時間的平均值為0.138 s?？梢钥闯觯好看斡嬎愕臅r間遠遠小于1.72 μs，基本可以忽略不計。而圖6采用加權(quán)求和法，經(jīng)過10次重復，可得到消耗CPU時間分別為0.050 1、0.01、0.01、0.01、0、0.01、0.01、0、0.01、0.01 s，每次計算時間更不用考慮。與專業(yè)軟件相比，基于戰(zhàn)術(shù)通信運用效果的電磁環(huán)境建模仿真運行效率高，易于修改拓展，方便編輯實現(xiàn)和集成到各類仿真應用中。

在集成嵌入方面，傳統(tǒng)電磁環(huán)境建模仿真一般先分析復雜電磁環(huán)境中各種要素，然后選擇需要重點研究的要素進行原理分析，并建立相應仿真模型，采用專業(yè)電磁仿真軟件(如OPNET、NS2、G1oMoSim等)進行計算分析。由于該類專業(yè)軟件一般不提供接口，采取離線計算方式進行仿真模擬和分析時，難以集成嵌入到實時仿真系統(tǒng)中。而基于戰(zhàn)術(shù)通信運用效果的電磁環(huán)境建模仿真只需根據(jù)經(jīng)驗建立影響效果模型，即可集成到任何環(huán)境中。

在運行要求和計算效率方面，傳統(tǒng)電磁環(huán)境建模仿真一般要求專業(yè)人員具備較深的專業(yè)知識，經(jīng)過復雜的推導計算和建模過程才能完成，操作復雜，效率相對較低。而基于戰(zhàn)術(shù)通信運用效果的電磁環(huán)境建模仿真對專業(yè)知識要求不高，基層人員可以靈活地依據(jù)經(jīng)驗調(diào)整相關參數(shù)，計算簡單，速度快。

在使用拓展方面，傳統(tǒng)電磁環(huán)境建模仿真針對某一應用領域建立電磁模型，針對性強，不利于拓展使用。而基于戰(zhàn)術(shù)通信運用效果的電磁環(huán)境建模靈活，能任意擴展影響因素，便于其他應用領域使用。

綜上所述，通過對比分析，基于戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)運用效果的電磁環(huán)境模型及算法具有以下特征：1)能夠反映電磁影響效果的主觀經(jīng)驗，解決了復雜電磁環(huán)境建模的難題；2)主觀經(jīng)驗效果模型緊緊圍繞戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)實際運用的經(jīng)驗和特征，重點考慮波段、距離、地形、頻譜占用度、組網(wǎng)規(guī)模和綜合干擾等因素的影響效果，抓住了關鍵因素，符合實際運用情況；3)主觀經(jīng)驗模型擴展性、靈活性好，便于進行修正或改進；4)算法直觀明了，易于操作和實現(xiàn)，相對于經(jīng)典電磁環(huán)境模型算法而言，對計算能力要求低，消耗資源少；5)計算速度快，實時性好，適合于在線仿真應用，滿足人在環(huán)對實時性的要求。

5結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)電磁環(huán)境建模仿真方法無法準確反映真實的電磁情況、計算復雜度大、難以滿足人在環(huán)實時仿真要求等問題，提出了基于戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)運用效果的電磁環(huán)境仿真方法，構(gòu)建了影響效果經(jīng)驗模型，實現(xiàn)了對電磁環(huán)境的簡化描述和計算分析。該方法從戰(zhàn)術(shù)通信運用實際經(jīng)驗出發(fā)，實現(xiàn)了電磁環(huán)境快速仿真和集成嵌入，專業(yè)要求較低，便于開展大規(guī)模的仿真訓練。

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(責任編輯: 尚彩娟)

Electromagnetic Simulation Based on the Application Effect of Tactical Communication System

HUANG Yi-bin1, ZHONG Hai-bo2

(1. Brigade of Equipment Trial and Training, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;2. Department of Science Research, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Abstract：According to the simulation training or exercise requirement of the tactical communication system, an electromagnetic simulation method based on the application effect of tactical communication system is presented, the electromagnetic environment model based on experience influence effect is constructed, the characteristics of the model algorithm are analyzed, solving the difficulty in modeling and simulation of traditional complicated electromagnetic environment. The model fully reflecting the practical experience is easy to expand, modify and integrate, as well as has low professional requirements and small operation consumption, which is suitable for online stimulated application requirement for teaching and training.

Key words:experience model; application effect; electromagnetism simulation

文章編號：1672-1497(2016)01-0074-07

收稿日期：2015-10-20

基金項目：軍隊科研計劃項目

作者簡介：黃一斌(1975-)，男，博士研究生。

中圖分類號：TP391.9

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.01.015