林 曦,任 赫,陳 研
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十一研究所,上海 201802)
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基于SystemVue的電子偵察仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)
林 曦,任 赫,陳 研
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十一研究所,上海 201802)
電子偵察系統(tǒng)仿真的主要目的是建立典型電子偵察系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型以及模擬電磁環(huán)境,通過(guò)射頻接收、數(shù)字處理、信號(hào)分選實(shí)現(xiàn)電子偵察系統(tǒng)功能。利用SystemVue系統(tǒng)仿真軟件、ADS軟件和VC軟件協(xié)同建模仿真,搭建了一套包含雷達(dá)信號(hào)生成、空間傳播、天線、接收機(jī)、處理機(jī)、顯控界面等模塊組成的典型電子偵察仿真系統(tǒng),并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了性能測(cè)試。該系統(tǒng)的建立,不僅能為外場(chǎng)試驗(yàn)提供仿真數(shù)據(jù),同時(shí)也能為電子偵察系統(tǒng)對(duì)抗試驗(yàn)評(píng)估提供有力支撐。
SystemVue;協(xié)同仿真;ADS軟件;電子偵察
仿真技術(shù)是以相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)工程為基礎(chǔ),以電子計(jì)算機(jī)及相關(guān)設(shè)備(仿真器)為工具,利用模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行研究、分析和評(píng)估的多學(xué)科綜合性技術(shù)[1]。近年來(lái),隨著建模仿真技術(shù)的進(jìn)步,其在軍用和民用領(lǐng)域中的應(yīng)用更是不斷向深度和廣度拓展[2],同時(shí)對(duì)于仿真系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。
利用現(xiàn)代建模和仿真技術(shù),構(gòu)建虛擬的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境,進(jìn)行電子對(duì)抗的仿真,與傳統(tǒng)的外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和實(shí)兵演習(xí)等方法相比具有費(fèi)效比高、可控性強(qiáng)、顯示直觀、可大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。針對(duì)典型電子戰(zhàn)系統(tǒng)及裝備,建立裝備及其作戰(zhàn)環(huán)境的數(shù)學(xué)模型和仿真模型,構(gòu)建全數(shù)字電子戰(zhàn)仿真系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)電子戰(zhàn)裝備的仿真設(shè)計(jì)和作戰(zhàn)效能的評(píng)估,已經(jīng)成為現(xiàn)代電子裝備研制、論證、發(fā)展建設(shè)和作戰(zhàn)運(yùn)用研究的有效手段。
本系統(tǒng)以典型電子偵察裝備為出發(fā)點(diǎn),建立輻射源信號(hào)、空間傳播及接收機(jī)系統(tǒng)、處理機(jī)系統(tǒng)的模型,以封裝的仿真模型和軟件模型的形式在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行功能再現(xiàn);同時(shí)考慮各模塊間的協(xié)同、通訊問(wèn)題,以標(biāo)準(zhǔn)的接口方式組建成完整電子戰(zhàn)裝備的數(shù)字樣機(jī),使其具有正常雷達(dá)信號(hào)偵察處理顯示能力;對(duì)關(guān)鍵信號(hào)設(shè)置耦合檢測(cè)端口,實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)等的圖形化顯示并進(jìn)行作戰(zhàn)效能的評(píng)估;完成了電子戰(zhàn)裝備從仿真設(shè)計(jì)、驗(yàn)證到虛擬測(cè)試的任務(wù),可用于支持靶場(chǎng)電子戰(zhàn)裝備的仿真設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和虛擬測(cè)試,為外場(chǎng)效應(yīng)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。
仿真采用SystemVue環(huán)境和VS環(huán)境聯(lián)合開發(fā),發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)電子偵察系統(tǒng)各部分的仿真設(shè)計(jì),并通過(guò)通信接口和網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)環(huán)境的數(shù)據(jù)傳遞,搭建完整的典型電子偵察仿真系統(tǒng)。
1.1 物理模型
采用波束掃描搜索體制的典型電子偵察設(shè)備主要由天線單元、接收機(jī)單元、處理機(jī)單元、主機(jī)等部分組成。其中,天線通過(guò)伺服轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行掃描偵收,實(shí)現(xiàn)360°覆蓋,在空間上、頻率上完成輻射信號(hào)的預(yù)選。接收機(jī)主要完成射頻信號(hào)的超外差變頻接收,輸出中頻信號(hào)給數(shù)字信號(hào)處理模塊,數(shù)字信號(hào)處理模塊完成信號(hào)的采樣、檢測(cè)、參數(shù)測(cè)量,并形成完整的脈沖描述字(PDW),完成方位上的PDW的分選,將分選結(jié)果上報(bào)給主機(jī),主機(jī)進(jìn)行分批處理并顯示。
針對(duì)上述典型電子偵察設(shè)備的構(gòu)成,通過(guò)構(gòu)建典型偵察接收系統(tǒng)的電路組成模型,選取器件的典型參數(shù),模擬典型偵察接收系統(tǒng)的工作過(guò)程,建立典型電子偵察仿真系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)計(jì)需要,將整個(gè)仿真系統(tǒng)分為雷達(dá)模塊、空間傳播模塊、偵察接收天線模塊、微波接收機(jī)電路模塊、信號(hào)處理模塊、信號(hào)分選模塊、顯控界面幾大部分,如圖1所示。
1.2 仿真設(shè)計(jì)
本文建立的仿真系統(tǒng)基于SystemVue軟件平臺(tái),聯(lián)合ADS軟件和VC軟件開發(fā)。SystemVue[5-11]是一款專為電子系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)產(chǎn)品,支持射頻系統(tǒng)鏈路與數(shù)字信號(hào)處理單元協(xié)同仿真,其作為專用的電子系統(tǒng)級(jí)(ESL)設(shè)計(jì)和信號(hào)處理算法開發(fā)平臺(tái),可以替代通用的數(shù)字、模擬和數(shù)學(xué)仿真環(huán)境。產(chǎn)品內(nèi)部搭載了詳細(xì)的雷達(dá)、電子戰(zhàn)模塊,可形成純軟件的完整的雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)。它具有與外部文件相通的、開放的算法建模接口,可直接獲得并處理輸入/輸出數(shù)據(jù),可以與Matlab、C++、數(shù)字信號(hào)處理(DSP)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)、ADS等其他軟件互聯(lián)使用,支持多域化模型的設(shè)計(jì)框架。基于其靈活性與拓展性,選擇SystemVue作為整個(gè)系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺(tái)。
為了復(fù)現(xiàn)實(shí)際裝備的靈敏度、增益和信噪比等參數(shù),仿真系統(tǒng)中的射頻部分必須用有熱噪聲的射頻元件搭建,這種設(shè)計(jì)方法與SystemVue的數(shù)據(jù)流仿真方法并不一致,故采用ADS軟件來(lái)進(jìn)行接收機(jī)電路的搭建。
同時(shí),為了實(shí)現(xiàn)SystemVue軟件無(wú)法完成的復(fù)雜處理和人機(jī)交互功能,采用VC軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯控界面的開發(fā)。
綜上所述,整個(gè)系統(tǒng)的仿真分為電路仿真模塊、信號(hào)處理模塊、顯控界面三部分,基于電路仿真軟件ADS、電子系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)軟件SystemVue和VC軟件來(lái)實(shí)現(xiàn),以完成對(duì)典型電子偵察系統(tǒng)的電路級(jí)、信號(hào)級(jí)和系統(tǒng)級(jí)操作方式的仿真,如圖2所示。電路仿真與顯控界面集成入SystemVue系統(tǒng)仿真軟件中,最后形成一個(gè)整體仿真系統(tǒng)。
首先通過(guò)VC顯控界面設(shè)置仿真場(chǎng)景,在電子系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)軟件SystemVue中產(chǎn)生輻射源信號(hào),并通過(guò)空間傳播模型組到達(dá)接收天線模型,由軟件SystemVue將該復(fù)信號(hào)傳遞給電路仿真環(huán)境ADS。當(dāng)電路仿真環(huán)境ADS接收到電子系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)軟件SystemVue傳遞的經(jīng)過(guò)接收天線口面的到達(dá)射頻前端電路的復(fù)包絡(luò)信號(hào)流以后,調(diào)用包絡(luò)仿真器進(jìn)行電路輸出包絡(luò)信號(hào)的計(jì)算,然后再將響應(yīng)的復(fù)包絡(luò)信號(hào)傳遞回電子系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)軟件SystemVue,進(jìn)行模擬/數(shù)字(A/D)采樣、信號(hào)處理、信號(hào)分選,輸出分選結(jié)果并顯示。圖3為SystemVue工程整體結(jié)構(gòu)(僅作示意用)。
電子偵察仿真系統(tǒng)的模型來(lái)自2種設(shè)計(jì)方法:一方面,通過(guò)分析典型電子戰(zhàn)裝備各部分分機(jī)、模型的數(shù)學(xué)原理和結(jié)構(gòu)功能,在SystemVue軟件中通過(guò)基本元件搭建,或是采用C++編寫仿真模型;另一方面,為彌補(bǔ)SystemVue在復(fù)雜算法實(shí)現(xiàn)、仿真控制、參數(shù)設(shè)置和態(tài)勢(shì)顯示上不夠直觀和靈活的缺陷,采用VS2010環(huán)境編寫軟件模塊,并組成數(shù)據(jù)處理與顯控軟件,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理、策略分析和人機(jī)交互功能。
2.1 空間傳播模型組
空間傳播模型組包括坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型和傳播損耗模型。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型用于將偵察站和雷達(dá)站的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為以各站為中心的極坐標(biāo)系的相對(duì)方位與俯仰,提供給各站的發(fā)射或接收天線,使得天線模型輸出的信號(hào)帶有天線方向圖調(diào)制特征。傳播損耗模型包括三維距離解算模型、大氣損耗模型和延時(shí)模型,通過(guò)計(jì)算偵察站與輻射源的實(shí)時(shí)距離,在雷達(dá)信號(hào)中附加大氣損耗和傳播延時(shí)。
2.2 微波接收機(jī)電路模型
微波接收機(jī)電路模型主要是仿真典型偵察接收機(jī)的整個(gè)電路組成,用于建構(gòu)整個(gè)電路模型。由于SystemVue的主要仿真流程為數(shù)據(jù)流仿真,即根據(jù)設(shè)置的時(shí)鐘周期產(chǎn)生數(shù)據(jù),鏈路上模型依次對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。其自帶的算法庫(kù)提供了在數(shù)據(jù)流仿真狀態(tài)下的時(shí)域射頻模型,可以展示理想狀態(tài)下一些射頻元件的處理效果,但在非線性、噪聲以及泄露等射頻器件的非理想效果上表現(xiàn)不佳。
為了彌補(bǔ)這一缺陷,采用頻域射頻仿真模型進(jìn)行設(shè)計(jì),利用ADS軟件進(jìn)行射頻鏈路的仿真設(shè)計(jì)工作,可以真實(shí)復(fù)現(xiàn)實(shí)際裝備的靈敏度、增益和信噪比等參數(shù)。
在ADS軟件中,依據(jù)器件的性能搭建兩級(jí)變頻超外差接收機(jī)電路原理圖,如圖4所示。
進(jìn)入接收機(jī)的微弱信號(hào)首先通過(guò)限幅器,然后經(jīng)低噪聲放大器進(jìn)行放大。射頻濾波器是為了抑制進(jìn)入接收機(jī)的外部干擾,混頻器將雷達(dá)的射頻信號(hào)變換為中頻信號(hào),再經(jīng)中頻放大器進(jìn)行中頻放大。對(duì)于不同頻率,不同頻帶的接收機(jī)都可以通過(guò)變換本振頻率,使其形成固定中頻頻率和帶寬的中頻信號(hào)。SystemVue工程中的接收機(jī)模型在仿真時(shí)會(huì)調(diào)用ADS軟件,加載該工程文件以進(jìn)行接收機(jī)鏈路仿真。
2.3 數(shù)字信號(hào)處理模型
數(shù)字信號(hào)處理的任務(wù)是配合射頻接收機(jī),實(shí)現(xiàn)對(duì)中頻信號(hào)的采樣、檢測(cè)和幅度、頻率等參數(shù)的測(cè)量,送脈沖字形成模塊形成脈沖描述字(PDW)。子模型包括:
(1) 表征頻率變換
為了提高仿真速率、降低帶通數(shù)字仿真系統(tǒng)的采樣頻率,目前的仿真軟件是以包絡(luò)信號(hào)的方式來(lái)表征帶通信號(hào)的,即用數(shù)字序列描述信號(hào)的基帶成分,用表征頻率描述信號(hào)的中心頻率。因此,包絡(luò)仿真信號(hào)的數(shù)字序列并不能通過(guò)相位變化來(lái)測(cè)量變頻之后的頻率殘余,需要將表征頻率變至0,使數(shù)字序列部分能夠完整地描述帶通信號(hào)。實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程的模型是表征頻率變換模型。
(2) A/D采樣模型
雖然仿真軟件中的中頻信號(hào)仍然是時(shí)間離散的數(shù)字序列,但其幅度仍然是以精度較高的浮點(diǎn)數(shù)表示的。利用SystemVue自帶的A/D采樣模型,對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采樣,得到時(shí)域和頻率都離散的真正意義上的數(shù)字信號(hào),此時(shí)信號(hào)幅度帶有A/D量化誤差。
(3) 數(shù)字下變頻模型
對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字下變頻,將中頻信號(hào)的中心頻率變至零頻,得到I/Q兩路正交數(shù)字信號(hào),同時(shí)采樣率降低了一半。
(4) 檢波(幅度測(cè)量)和相位測(cè)量模型
檢波的目的是得到中頻信號(hào)的視頻包絡(luò)信號(hào),同時(shí)得到信號(hào)幅度,方法是求I、Q兩路信號(hào)幅度的平方和后開方。相位測(cè)量是測(cè)量中頻信號(hào)的相位,方法是求I/Q兩路信號(hào)比值后再求反正切。二者在SystemVue仿真中可同時(shí)實(shí)現(xiàn),方法為使用SystemVue“RectToPolar”元件,將I、Q兩路信號(hào)作類型轉(zhuǎn)換得到復(fù)信號(hào)的幅度和相位。
(5) 自適應(yīng)檢測(cè)模型
本模型通過(guò)對(duì)信號(hào)噪聲平均幅度的估計(jì),結(jié)合預(yù)設(shè)的檢測(cè)信噪比,判定信號(hào)中是否存在有用成分;同時(shí)以滑窗法更新噪聲幅度的估計(jì)值,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的自適應(yīng)檢測(cè)??衫梅答伜瘮?shù)動(dòng)態(tài)計(jì)算調(diào)整,實(shí)現(xiàn)恒虛警檢測(cè)等方式。
(6) 頻率測(cè)量模型
模型通過(guò)相差變化率即為頻率的基本原理,對(duì)相位解纏繞后求得信號(hào)頻率。
2.4 信號(hào)分選模型
信號(hào)分選主要包括預(yù)分選和主分選模型。
信號(hào)預(yù)分選是對(duì)PDW的聚類處理,將頻率、到達(dá)時(shí)間、脈寬和幅度等參數(shù)按一定門限進(jìn)行相關(guān)處理,將全部參數(shù)都在某類均值的一定范圍內(nèi)的PDW歸入該類中并更新均值,起到盡可能將不同輻射源的PDW區(qū)分開的作用。
針對(duì)預(yù)分選結(jié)果,主分選模型將通過(guò)最大值分選法確定目標(biāo)方位[12],通過(guò)其幅度的周期性變化,尋找幅度最大的PDW字區(qū)間,計(jì)算對(duì)應(yīng)的天線方向,即得到目標(biāo)方位角。下面簡(jiǎn)述最大值分選處理流程:
(1) 掃描周期判定、數(shù)據(jù)輸出與更新。
判定當(dāng)前采樣點(diǎn)是否位于新的掃描周期內(nèi)。
如是,判斷每個(gè)信號(hào)源的脈沖是否滿包(脈沖數(shù)達(dá)到PDW_PACK_LEN)。已滿包的,計(jì)算歷史最大脈幅(PA)脈沖組的脈沖重復(fù)間隔(PRI)并輸出;未滿包的,計(jì)算當(dāng)前脈沖組的PRI并輸出。輸出后清空緩存內(nèi)所有變量。
(2) 采樣點(diǎn)有效判定
通過(guò)射頻(RF)等參數(shù)判斷當(dāng)前采樣點(diǎn)是否為有效PDW字。如否,跳過(guò)剩余步驟,結(jié)束當(dāng)前處理,進(jìn)入新的處理周期,開始步驟(1)。
(3) 按RF及到達(dá)方向(DOA)進(jìn)行脈沖相關(guān)處理
根據(jù)設(shè)定的RF容差與DOA容差區(qū)分來(lái)自多個(gè)信號(hào)源的脈沖。將當(dāng)前有效PDW字的RF、DOA依次與緩存內(nèi)各信號(hào)源的當(dāng)前脈沖組平均RF、平均DOA作差比較,兩者均在容差范圍內(nèi)的歸入對(duì)應(yīng)信號(hào)源當(dāng)前脈沖組。若未與任何信號(hào)源相關(guān),則建立新的信號(hào)源標(biāo)志,將PDW字歸入該組。相關(guān)后,計(jì)算當(dāng)前組脈沖平均PA并更新。容差與測(cè)量精度相關(guān),精度越高則容差越小。
(4) 滿包判定
脈沖相關(guān)后,針對(duì)相關(guān)的信號(hào)源判斷當(dāng)前組中脈沖數(shù)是否滿包。若當(dāng)前組滿包,計(jì)算組內(nèi)平均PA,與歷史最大PA脈沖組的平均PA比較。若當(dāng)前組的PA均值較大,用當(dāng)前組覆蓋歷史最大組。無(wú)論比較結(jié)果如何,清空當(dāng)前組內(nèi)的所有數(shù)據(jù),以容納后續(xù)相關(guān)脈沖。
2.5 數(shù)據(jù)處理與顯控模塊
為了實(shí)現(xiàn)SystemVue軟件無(wú)法完成的復(fù)雜處理和人機(jī)交互功能,需要通過(guò)編寫顯控和數(shù)據(jù)處理軟件來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示控制,其與SystemVue的數(shù)據(jù)傳遞是通過(guò)通信口和網(wǎng)絡(luò)端口實(shí)現(xiàn)的。圖5為該電子偵察仿真系統(tǒng)配套的顯控軟件界面??稍趨?shù)設(shè)置頁(yè)進(jìn)行仿真場(chǎng)景和仿真參數(shù)的設(shè)置,通過(guò)SystemVue提供的通信接口實(shí)現(xiàn)對(duì)模型和數(shù)字樣機(jī)的參數(shù)設(shè)置和仿真控制。仿真產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可由SystemVue網(wǎng)絡(luò)發(fā)送方式實(shí)時(shí)獲取。
在建立了典型電子偵察系統(tǒng)仿真模型之后,需要對(duì)其功能進(jìn)行驗(yàn)證。本文通過(guò)驗(yàn)證系統(tǒng)建立的數(shù)據(jù)測(cè)試節(jié)點(diǎn)輸出進(jìn)行信號(hào)圖形化顯示。典型電子偵察仿真系統(tǒng)正常工作時(shí)接收到雷達(dá)信號(hào),信號(hào)經(jīng)由這些模型的變化過(guò)程如圖6和圖7所示。圖中分別給出了在1.2 μs和0.081 μs時(shí)間區(qū)域內(nèi),信號(hào)經(jīng)由天線調(diào)制、混頻到中頻輸出,至A/D量化后的各端口波型。信號(hào)波形符合預(yù)期,與實(shí)際樣機(jī)類似。
設(shè)輻射源與接收機(jī)距離為150 km,接收機(jī)天線增益18 dB,仿真系統(tǒng)信號(hào)偵察仿真分析見(jiàn)表1。通過(guò)設(shè)置不同的雷達(dá)發(fā)射功率,功率大小由74 dBm減至28 dBm,經(jīng)過(guò)偵察仿真系統(tǒng),分選結(jié)果如表1所示。由表1可知,系統(tǒng)具有正常的雷達(dá)信號(hào)偵察能力。當(dāng)發(fā)射功率降至34 dBm時(shí),收到脈沖個(gè)數(shù)較少,分選結(jié)果受到影響。通過(guò)計(jì)算可知,此時(shí)接收口面信號(hào)大小在-73 dBm左右,接近系統(tǒng)靈敏度,與實(shí)際樣機(jī)吻合,整個(gè)電子偵察仿真模型的等效性較好。
表1 系統(tǒng)信號(hào)偵察仿真分析
本文利用SystemVue協(xié)同ADS、VC軟件,針對(duì)實(shí)際典型電子偵察系統(tǒng)仿真分析需求,建立了一套典型電子偵察仿真系統(tǒng),并詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及重要模型實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)對(duì)搭建系統(tǒng)各關(guān)鍵輸出節(jié)點(diǎn)及系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)的測(cè)試,表明系統(tǒng)具備了典型電子偵察系統(tǒng)仿真模擬的能力。該仿真系統(tǒng)具有較強(qiáng)的靈活性與拓展性,它使用功能模型去描述程序,可方便地完成各種模型的設(shè)計(jì)與仿真,快速建立和修改模型,訪問(wèn)與調(diào)整參數(shù),能為真實(shí)電子設(shè)備的研發(fā)提供全新的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法,亦可驗(yàn)證真實(shí)樣機(jī)的功能與性能。在全系統(tǒng)仿真效能評(píng)估方面有極大的應(yīng)用前景。
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DesignofElectronicReconnaissanceSimulationSystemBasedonSystemVue
LIN Xi,REN He,CHEN Yan
(51st Research Institute of CETC,Shanghai 201802,China)
The main purpose of electronic reconnaissance system simulation is to establish mathematical models of typical electronic reconnaissance system and simulate electromagnetic environment.Through radio frequency reception,digital processing and signal sorting,the function of electronic reconnaissance system is realized.A set of typical electronic reconnaissance simulation system including radar signal generation module,space broadcast module,antenna module,receiver module,processor module and display and control interface module,etc. is constructed by means of the collaborative modeling and simulation of system simulation software SystemVue,ADS software and VC software,and the performance test to the system is performed.The established system not only provides the simulation data for the outfield experiment but also provides the powerful support for the countermeasure test assessment of electronic reconnaissance countermeasure system.
SystemVue;co-simulation;ADS software;electronic reconnaissance
2017-03-15
TN971
:A
:CN32-1413(2017)03-0092-07
10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.03.023