王東

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復(fù)雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)研究

王東

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036）

為奪取未來戰(zhàn)場(chǎng)的制電磁權(quán)，縮小同國(guó)外先進(jìn)水平的差距，需要構(gòu)建一套標(biāo)準(zhǔn)化具可行性的復(fù)雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)。從控制顯示、武器模型、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)以及效能評(píng)估等角度出發(fā)，提出復(fù)雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。論述控制系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、評(píng)估系統(tǒng)以及顯示系統(tǒng)等各分系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方法。綜合考慮系統(tǒng)的重構(gòu)性、擴(kuò)展性、復(fù)用性以及操控性，搭建復(fù)雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)。為復(fù)雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化與可行性的發(fā)展提供思路。

復(fù)雜電磁環(huán)境；仿真技術(shù)；系統(tǒng)架構(gòu)；環(huán)境監(jiān)測(cè)；系統(tǒng)評(píng)估

當(dāng)前戰(zhàn)場(chǎng)對(duì)抗由海、陸、空、天、電等五個(gè)維度展開，而奪取空間電磁頻譜的控制權(quán)，將決定戰(zhàn)爭(zhēng)的最終走向[1]。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)、阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)以及科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)，是制電磁權(quán)的典型應(yīng)用，并且在此后的伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中，美軍可以精確地對(duì)對(duì)方目標(biāo)實(shí)施壓制和摧毀?？臻g電磁控制權(quán)的取得，不僅依賴于裝備性能的優(yōu)越，而且取決于對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)的準(zhǔn)確判斷以及對(duì)戰(zhàn)力的合理部署[2]。復(fù)雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真能實(shí)時(shí)實(shí)地地對(duì)模擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的電磁頻譜進(jìn)行分析，指導(dǎo)兵力戰(zhàn)力的部署以及武器裝備的優(yōu)化，對(duì)奪取未來戰(zhàn)場(chǎng)的制電磁權(quán)具有重要意義。

以美國(guó)為首的西方國(guó)家針對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)的建模、仿真和評(píng)估，已經(jīng)相當(dāng)成熟。例如，以色列ELISRA公司的NS-90002E系統(tǒng)美國(guó)ASDI公司的AMESII系統(tǒng)以及美國(guó)的星船系統(tǒng)等[3]。國(guó)內(nèi)經(jīng)過多年發(fā)展，也取得了一系列成果。例如，國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的靜態(tài)背景信號(hào)模擬器，山東大學(xué)的戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)，洛陽電子裝備試驗(yàn)中心也初步具備了模擬多波段、多類型和多樣式電磁信號(hào)環(huán)境的能力[4]。

由于國(guó)內(nèi)對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境的仿真研究起步較晚，在武器裝備仿真、電磁特征數(shù)據(jù)庫、頻譜管理以及測(cè)試評(píng)估等方面，與國(guó)外先進(jìn)水平存在巨大差距。因此，有必要構(gòu)建一套標(biāo)準(zhǔn)化并具可行性的復(fù)雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)，以滿足復(fù)雜電磁環(huán)境下武器裝備的適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)和作戰(zhàn)能力評(píng)估，逐步縮小同國(guó)外先進(jìn)水平的差距。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

復(fù)雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的戰(zhàn)場(chǎng)背景、武器性能、兵力部署以及戰(zhàn)斗推演等[5]，相比于實(shí)裝構(gòu)建、半實(shí)物仿真，數(shù)字仿真的成本低、試驗(yàn)周期短、試驗(yàn)過程可控，并且不受時(shí)間、空間的制約。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，仿真的虛擬場(chǎng)景越來越接近真實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。

為模擬接近真實(shí)的數(shù)字復(fù)雜電磁環(huán)境，在結(jié)合現(xiàn)有體系的基礎(chǔ)上[6-8]，從控制顯示、武器模型、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)以及效能評(píng)估等多個(gè)角度出發(fā)，提出復(fù)雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 復(fù)雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

復(fù)雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)分為控制系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、評(píng)估系統(tǒng)以及顯示系統(tǒng)等五個(gè)方面，涵蓋了從前端輻射源信號(hào)產(chǎn)生到后端數(shù)據(jù)處理及分析評(píng)估的整個(gè)仿真流程。

2.1 武器系統(tǒng)

武器系統(tǒng)從波形傳播、功能單元以及載體平臺(tái)等三個(gè)層級(jí)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并提供了模型層級(jí)間的多種選擇：針對(duì)不同的應(yīng)用需求，同一載體平臺(tái)可負(fù)載不同的功能單元；針對(duì)不同的仿真場(chǎng)景，同一功能單元可選擇不同的信號(hào)傳播模型，如圖2所示。

波形傳播模型[9-11]分為參數(shù)級(jí)仿真模型和信號(hào)級(jí)仿真模型，參數(shù)級(jí)仿真一般采用脈沖描述字（Pulse Description Words， PDW）的方法，對(duì)輻射源的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單建模，以此反映出波形在傳播過程中的直觀變化；信號(hào)級(jí)仿真能逼真復(fù)現(xiàn)信號(hào)發(fā)射、傳播、接收以及處理的全過程，一般分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃臀锢砟Ｐ停糠N模型的適用范圍和仿真精度各不相同。

功能單元是收發(fā)電磁波的輻射源，是完成搜索、跟蹤、干擾以及通信等不同功能的電子器件，按功能分為雷達(dá)、光電、電子戰(zhàn)、通信、導(dǎo)航以及識(shí)別等，每種功能單元有不同的硬件架構(gòu)和軟件處理模式。例如，雷達(dá)按工作體制主要分為連續(xù)波雷達(dá)、單脈沖雷達(dá)、脈沖壓縮雷達(dá)、脈沖多普勒雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)、數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)以及合成孔徑雷達(dá)等，不同工作體制的雷達(dá)，其原理、用途、結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)以及信號(hào)處理方式等均不相同。

載體平臺(tái)可安置不同的功能單元，按海、陸、空分為機(jī)載、艦載、車載以及彈載。每類載體平臺(tái)按用途可分為多個(gè)種類，如機(jī)載平臺(tái)包括空中優(yōu)勢(shì)飛機(jī)、地面攻擊飛機(jī)、戰(zhàn)略轟炸機(jī)、海上巡邏飛機(jī)、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視飛機(jī)以及空中預(yù)警飛機(jī)等；艦載平臺(tái)包括戰(zhàn)列艦、巡洋艦、驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦以及潛艦等；車載平臺(tái)包括裝甲車、坦克等；彈載平臺(tái)包括空面導(dǎo)彈、空空導(dǎo)彈、地空導(dǎo)彈以及潛地導(dǎo)彈等。每種載體平臺(tái)的功能用途以及性能參數(shù)各不相同，可參照現(xiàn)有的模型進(jìn)行仿真，主要考慮平臺(tái)姿態(tài)、作戰(zhàn)半徑、運(yùn)動(dòng)速度以及武器懸掛等因素。

武器系統(tǒng)采用分層設(shè)計(jì)和模塊設(shè)計(jì)的思路，為復(fù)雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真構(gòu)建武器戰(zhàn)力體系，通過調(diào)用和加載各個(gè)作戰(zhàn)單元，以滿足不同的仿真場(chǎng)景。

2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)[12-13]是根據(jù)不同的任務(wù)需求和目的，按照給定的規(guī)則，通過對(duì)設(shè)備和參數(shù)的控制，完成對(duì)仿真過程的調(diào)整和推演。主要功能包括方案生成、任務(wù)規(guī)劃、環(huán)境控制和過程推演，如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)

1）方案生成是在需求分析的基礎(chǔ)上，分別從地圖數(shù)據(jù)庫和武器數(shù)據(jù)庫中調(diào)用任務(wù)所需的地圖和武器，并初始化場(chǎng)景視景、傳感器模型以及工作狀態(tài)參數(shù)等。

2）任務(wù)規(guī)劃主要包括路徑規(guī)劃、時(shí)序規(guī)劃以及節(jié)點(diǎn)規(guī)劃。路徑規(guī)劃是描述各個(gè)載體平臺(tái)在空間范圍內(nèi)的運(yùn)行軌跡；時(shí)序規(guī)劃是描述功能單元在時(shí)間序列中的工作順序，如開機(jī)關(guān)機(jī)的時(shí)間點(diǎn)、工作時(shí)長(zhǎng)等；節(jié)點(diǎn)規(guī)劃是描述完成階段性任務(wù)節(jié)點(diǎn)時(shí)所要求的狀態(tài)。

3）環(huán)境控制主要是針對(duì)設(shè)備和參數(shù)的控制。設(shè)備包括模擬器設(shè)備、采集設(shè)備、處理設(shè)備以及顯示設(shè)備，如頻譜選擇、采樣率、顯示方式等。參數(shù)分為載體平臺(tái)參數(shù)和功能單元參數(shù)兩類，如運(yùn)動(dòng)速度、姿態(tài)角、信號(hào)類型、工作帶寬、天線掃描方向等。

4）過程推演通過記錄與回放存儲(chǔ)信息，來完成運(yùn)動(dòng)推演和事件推演，并以此動(dòng)態(tài)調(diào)整環(huán)境控制參數(shù)。信息存儲(chǔ)分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)兩類，其中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是指仿真系統(tǒng)配置的固定不變的數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)是指仿真過程中產(chǎn)生的可變的數(shù)據(jù)。過程推演和環(huán)境控制通過人機(jī)交互進(jìn)行調(diào)整。

控制系統(tǒng)是復(fù)雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)的控制中心，用于發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)仿真系統(tǒng)的控制。為反映真實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)環(huán)境，控制系統(tǒng)應(yīng)具備高性能的實(shí)時(shí)計(jì)算能力和高精度的時(shí)間同步技術(shù)。

2.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[14-15]是將特定頻域、時(shí)域和空域的各類電磁輻射信號(hào)進(jìn)行采集和處理，并分析處理后的數(shù)據(jù)，以此作為系統(tǒng)評(píng)估的依據(jù)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括監(jiān)測(cè)計(jì)劃、采集處理以及監(jiān)測(cè)分析，如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1）監(jiān)測(cè)計(jì)劃是對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境的特定頻域區(qū)間、時(shí)域時(shí)長(zhǎng)、空間位置以及區(qū)域大小等進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，并將計(jì)劃指令下達(dá)至數(shù)據(jù)采集和處理模塊。

2）采集處理是將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣與存儲(chǔ)，并進(jìn)行信號(hào)提取、信息分析、信源推算以及數(shù)據(jù)融合等處理。信號(hào)提取是將真實(shí)信號(hào)從噪聲、雜波和干擾中提取出來，包括濾波處理、雜波處理以及抗干擾處理等；信息分析是從信號(hào)中得到目標(biāo)距離、速度、方位等有用的信息，包括匹配濾波、多普勒處理以及成像算法等；信源推算是通過目標(biāo)信息推算出信號(hào)真實(shí)的輻射源；數(shù)據(jù)融合則是對(duì)真實(shí)信源的信息進(jìn)行采集、傳輸、綜合、過濾、合成等。

3）監(jiān)測(cè)分析是基于監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)頻譜、態(tài)勢(shì)、威力影響、干擾范圍以及動(dòng)態(tài)決策等內(nèi)容進(jìn)行分析，分析結(jié)果作為系統(tǒng)評(píng)估的依據(jù)。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可根據(jù)不同的任務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、分析、統(tǒng)計(jì)、融合、記錄等功能，并向外部系統(tǒng)提供有效的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)處理性能要求較高。

2.4 評(píng)估系統(tǒng)

評(píng)估系統(tǒng)[16-17]是依據(jù)仿真任務(wù)的需求和空域、時(shí)域、頻域以及能量域的特征，選擇適當(dāng)?shù)脑u(píng)估指標(biāo)和評(píng)估方法，對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境下的武器裝備進(jìn)行適應(yīng)性評(píng)估和作戰(zhàn)能力評(píng)估。評(píng)估系統(tǒng)主要包括評(píng)估指標(biāo)、評(píng)估方法以及評(píng)估結(jié)果，如圖5所示。

圖5 評(píng)估系統(tǒng)

1）評(píng)估指標(biāo)應(yīng)結(jié)合仿真平臺(tái)的實(shí)際能力，選擇能反映武器裝備客觀情況的參數(shù)。信號(hào)密集度能反映監(jiān)測(cè)設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)可能接收到的信號(hào)數(shù)量；信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍能反映信號(hào)功率密度的變化范圍；信號(hào)樣式數(shù)量能反映同一信號(hào)樣式的輻射源個(gè)數(shù)；頻率重合度能反映輻射源的頻域擁擠程度；頻帶占用度能反映可供使用的備用頻率資源情況；時(shí)間占用度能反映電子設(shè)備的正常工作時(shí)間；空域覆蓋率能反映電磁信號(hào)環(huán)境與電子設(shè)備在空域上的沖突。

2）評(píng)估方法主要包括四域法、層次分析法、D-S證據(jù)理論以及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等。四域法的評(píng)估指標(biāo)沒有引入權(quán)值，直接將復(fù)雜電磁環(huán)境按4個(gè)評(píng)估指標(biāo)和10個(gè)定性的復(fù)雜度等級(jí)分為104類進(jìn)行評(píng)估；層次分析法通過咨詢專家意見建立標(biāo)度準(zhǔn)則，并構(gòu)造模糊互補(bǔ)判斷矩陣求解權(quán)重，是一種定性和定量相結(jié)合的決策方法；D-S證據(jù)理論綜合多個(gè)傳感器的基本信息分配，通過專家設(shè)定模糊控制規(guī)則，以此得到一個(gè)新的信息分配；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法具有聯(lián)想與記憶能力，通過學(xué)習(xí)與訓(xùn)練得到指標(biāo)權(quán)值，能夠反映多元素之間的高度非線性關(guān)系。

3）評(píng)估結(jié)果分為適應(yīng)性評(píng)估結(jié)果和作戰(zhàn)能力評(píng)估結(jié)果。其中，復(fù)雜度等級(jí)和復(fù)雜度綜合值分別對(duì)電磁環(huán)境復(fù)雜程度作定性和定量評(píng)估，反映了武器裝備對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力；武器效能、系統(tǒng)損耗以及作戰(zhàn)效果反映了武器裝備在復(fù)雜電磁環(huán)境下的作戰(zhàn)能力。

評(píng)估系統(tǒng)是對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境下的武器裝備是否符合應(yīng)用需求而進(jìn)行的整體評(píng)價(jià)與估計(jì)，指標(biāo)選擇應(yīng)基于實(shí)際情況且范圍全面，評(píng)估結(jié)果對(duì)武器裝備的選擇和設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

2.5 顯示系統(tǒng)

顯示系統(tǒng)是對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)的可視化，依據(jù)需求顯示場(chǎng)景視景、仿真模型、電磁頻譜以及電磁態(tài)勢(shì)等。顯示系統(tǒng)包括靜態(tài)顯示、動(dòng)態(tài)顯示、二維數(shù)據(jù)顯示以及三維數(shù)據(jù)顯示，本節(jié)主要分析等值面提取繪制和直接體繪制兩種常用的三維數(shù)據(jù)場(chǎng)繪制方法[18]。

等值面提取繪制方法是利用三維數(shù)據(jù)場(chǎng)相同特征值的位置點(diǎn)，構(gòu)建多邊形網(wǎng)格，從而表現(xiàn)數(shù)據(jù)場(chǎng)的等值特征信息。常用的等值面構(gòu)建方法有Marching Cubes（MC）方法和Marching Tetrahedra（MT）方法等。等值面提取繪制方法不能反映原始數(shù)據(jù)場(chǎng)的全貌和細(xì)節(jié)，但是繪制等值面網(wǎng)格有圖形硬件支持，且能反映原始數(shù)據(jù)場(chǎng)的表面輪廓信息。

直接體繪制方法根據(jù)數(shù)據(jù)映射關(guān)系，將三維數(shù)據(jù)場(chǎng)映射成二維圖像。直接體繪制方法需要在功能性、交互性和高質(zhì)量之間進(jìn)行權(quán)衡，常用的方法有：以圖像為序、以物體為序和基于硬件加速等。直接體繪制方法能反映三維數(shù)據(jù)場(chǎng)的整體信息，繪制圖像質(zhì)量高，但是計(jì)算量大，繪制效率低。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在模型構(gòu)建、理論應(yīng)用和技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮系統(tǒng)的重構(gòu)性、擴(kuò)展性、復(fù)用性以及操控性，搭建復(fù)雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，如圖6所示。

仿真系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的流程為：從地圖數(shù)據(jù)庫和武器數(shù)據(jù)庫中調(diào)用能滿足仿真需求的地圖和武器；通過對(duì)信號(hào)模型、功能單元和載體平臺(tái)的參數(shù)控制，實(shí)現(xiàn)任務(wù)規(guī)劃；由路徑、時(shí)序和節(jié)點(diǎn)的規(guī)劃，完成仿真過程的運(yùn)動(dòng)推演和事件推演，并且通過人機(jī)交互反饋參數(shù)控制；根據(jù)監(jiān)測(cè)計(jì)劃的指令，完成數(shù)據(jù)采集并存儲(chǔ)；對(duì)采集到的數(shù)據(jù)作指標(biāo)選擇和數(shù)據(jù)處理，完成系統(tǒng)評(píng)估和檢測(cè)分析；仿真過程中，由設(shè)備控制完成對(duì)硬件設(shè)備的控制。

圖6 系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

4 結(jié)語

文中綜合當(dāng)前相關(guān)技術(shù)背景下的諸多研究成果，提出復(fù)雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，論述了武器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、評(píng)估系統(tǒng)以及顯示系統(tǒng)等各分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，搭建復(fù)雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，為復(fù)雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化與可行性的發(fā)展提供思路。

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Digital Simulation System of Complex Electromagnetic Environment

WANG Dong

(Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)

To seize the electromagnetic dominance on the battlefield, and narrow the gap with foreign advanced level, it is necessary to build a standard and feasible digital simulation system for complex electromagnetic environment.Based on control and display, weapon model, battlefield surveillance, performance evaluation, etc, the basic structure of complex electromagnetic environment digital simulation system was proposed. The specific design methods of control system, weapon system, monitoring system, evaluating system and display system were discussed.The technical implementation architecture of the complex electromagnetic environment digital simulation system was set up based on considering configurability, extensibility, reusability and controllability.It provides thought for standard and feasible development of the complex electromagnetic environment digital simulation system.

complex electromagnetic environment; simulation technology; system architecture;, environment monitoring; system evaluation

10.7643/ issn.1672-9242.2018.01.020

TJ01；TP391.9

A

1672-9242(2018)01-0100-05

2017-08-28；

2017-09-14

王東（1990—），男，重慶人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)閺?fù)雜電磁環(huán)境。