趙 元，齊 鋒，何 俊，張 坤

(國(guó)防科技大學(xué)電子對(duì)抗學(xué)院， 合肥 230037)

0 引言

信息化條件下的現(xiàn)代空戰(zhàn)中，空空通信是空中平臺(tái)之間指揮引導(dǎo)和作戰(zhàn)協(xié)同的重要途徑。預(yù)警機(jī)對(duì)作戰(zhàn)編隊(duì)進(jìn)行態(tài)勢(shì)通報(bào)、指揮控制以及作戰(zhàn)編隊(duì)內(nèi)部之間的作戰(zhàn)協(xié)同都離不開(kāi)空空通信。通信暢通區(qū)[1]是衡量通信效能的主要戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)，它是在通信發(fā)射機(jī)位置已知的條件下，能夠與其保持通信暢通的接收機(jī)位置形成的區(qū)域。在態(tài)勢(shì)上對(duì)通信暢通區(qū)進(jìn)行可視化，可直觀形象的展示通信裝備的作戰(zhàn)能力，對(duì)通信一方?jīng)Q策編隊(duì)內(nèi)部隊(duì)形以及預(yù)警機(jī)與編隊(duì)之間的位置關(guān)系具有支撐作用，同時(shí)對(duì)于通信干擾一方，也能夠有效支持其干擾力量的配置、數(shù)量需求以及干擾時(shí)機(jī)等作戰(zhàn)決策。

在和平時(shí)期，通過(guò)模擬的手段，構(gòu)建一個(gè)貼近實(shí)戰(zhàn)的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，能給指揮員直觀、形象的戰(zhàn)場(chǎng)描述，為快速搶占電子戰(zhàn)先機(jī)，把握戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，做出準(zhǔn)確判斷、科學(xué)決策意義重大[2]。當(dāng)前模擬訓(xùn)練系統(tǒng)大多采用基于HLA仿真架構(gòu)[3]的分布式仿真環(huán)境，在這個(gè)環(huán)境中，一般由進(jìn)行作戰(zhàn)行動(dòng)模擬的多個(gè)模型成員和二三維態(tài)勢(shì)成員組成。模型成員負(fù)責(zé)解算通信暢通區(qū)的數(shù)據(jù)，由態(tài)勢(shì)成員完成通信暢通區(qū)的可視化，兩個(gè)成員之間通過(guò)RTI(run-time infrastructure)[4]進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。傳統(tǒng)方法中，當(dāng)數(shù)據(jù)交互采用全三維空間數(shù)據(jù)時(shí)，每部電臺(tái)的數(shù)據(jù)量超過(guò)100 Kbit[5]，在大規(guī)模作戰(zhàn)仿真中(仿真實(shí)體成百上千)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬要求高，很難滿足實(shí)時(shí)性要求。

1 空空通信暢通區(qū)計(jì)算模型

1.1 無(wú)干擾下通信暢通區(qū)計(jì)算模型

自然通信暢通區(qū)是指以通信發(fā)射機(jī)為中心，最大通信距離為半徑的圓[6]。根據(jù)空空通信的特點(diǎn)及通信方程，計(jì)算最大通信距離時(shí)，考慮發(fā)射機(jī)和接收機(jī)使用鞭狀天線，信號(hào)以自由空間波傳播，可得Rmax：

(1)

式中:Pt、Gt(θ,φ)為通信發(fā)射機(jī)發(fā)射功率和增益；Pr(min)為通信接收機(jī)接收天線端的最小接收功率。

1.2 干擾條件下通信暢通區(qū)計(jì)算模型

依據(jù)文獻(xiàn)[7]中給出的二維空間通信干擾方程,考慮三維空間中俯仰角的影響，可將方程拓展到三維空間中如下式：

(2)

式中:Pj、Gj為干擾機(jī)輸出功率和發(fā)射增益；φt(Rt)為通信線路傳播衰耗；φj(Rj)為干擾線路傳播衰耗；qrt為通信接收機(jī)天線在發(fā)射機(jī)方向上的接收增益；qrj(θ)為通信接收機(jī)天線在干擾機(jī)方向上的接收增益；γj為干擾的極化損失；Ka為壓制系數(shù)；Δfj為干擾帶寬，其余量意義同上。

(3)

(4)

圖1 通信暢通區(qū)邊界點(diǎn)三維空間關(guān)系示意圖

代入式(4)中得：

a2(x2+y2+z2)=(d-x)2+y2+z2

(5)

設(shè)Rt的長(zhǎng)度為r，則三維空間極坐標(biāo)下的通信干擾方程表示為：

(a2-1)r2+2drcosφcosθ-d2=0

(6)

可知，在確定俯仰角和方位角時(shí)可獲得三維空間干擾條件下通信暢通區(qū)邊界點(diǎn)通信距離。

1.3 計(jì)算模型分解

增益系數(shù)是衡量天線能量轉(zhuǎn)換效率和方向特性的參數(shù)，它是方向系數(shù)與天線效率的乘積。即

G=ηAD

(7)

式中：ηA是天線效率，D是方向系數(shù)。

三維空間中，在任一方向的方向系數(shù)D(θ,φ)，與天線的最大方向系數(shù)Dmax的關(guān)系為：

D(θ,φ)=DmaxF2(θ,φ)

(8)

式中：F(θ,φ)為天線的歸一化方向函數(shù)。

代入式(2)可得：

(9)

根據(jù)上式可知有無(wú)干擾條件通信設(shè)備在垂直面上某一方位(方位角θ相同)的通信距離等于二維最大通信距離與天線歸一化方向函數(shù)的乘積：

Ry(θ,φ)=Rmax(θ)F(θ,φ)

(10)

式中:Ry(θ,φ)為在方位角θ和俯仰角為φ的通信距離；Rmax(θ)為在方位角θ上的最大通信距離。

2 空空通信暢通區(qū)數(shù)據(jù)采樣

根據(jù)上述的計(jì)算過(guò)程，采樣過(guò)程為：根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，按照協(xié)議解析出干擾前后圓心位置、半徑和干擾強(qiáng)度，計(jì)算得到水平面上各個(gè)方位的通信距離。進(jìn)而進(jìn)行空間采樣，即根據(jù)各個(gè)方位上的最大通信距離，加入天線歸一化方向函數(shù)，可得到全三維空間的數(shù)據(jù)。

2.1 水平數(shù)據(jù)采樣

情形1干擾后的通信暢通區(qū)落入到自然通信區(qū)內(nèi)部。設(shè)未受干擾時(shí)的圓心T到通信暢通區(qū)邊界的距離為M，根據(jù)余弦定理：

(11)

式中:D為干擾前后圓心的偏移距離；θ為水平面方位角；r為受干擾后通信暢通區(qū)的半徑。

情形2干擾后的通信暢通區(qū)有部分在自然通信區(qū)外部，此時(shí)通信暢通區(qū)為兩個(gè)圓形區(qū)域的交集，如圖中陰影部分所示。同理，在三角形中根據(jù)余弦定理：

(12)

在自然通信區(qū)外部的部分需要舍棄，這部分求解出的M>R,只要令M=R，即可求得陰影部分水平面的通信距離。

(13)

式中:R為受干擾后通信暢通區(qū)的半徑。其余量意義同上。

將方位角θ從0°到360°，以3°為間隔采樣,兩種強(qiáng)干擾情形的采樣示意圖如圖3。

圖3 強(qiáng)干擾下通信暢通區(qū)兩種采樣情形

圖4 弱干擾下通信暢通區(qū)情形1

(14)

當(dāng)切點(diǎn)在自然通信區(qū)外(即有一個(gè)交點(diǎn))的時(shí)候可將通信暢通區(qū)分成兩部分求解，按方位角分為：[-θ1,θ1]，[θ1,2π-θ1]。

(15)

采樣步驟同強(qiáng)干擾，采樣示意圖如圖5。

圖5 弱干擾下通信暢通區(qū)采樣情形

2.2 全三維數(shù)據(jù)采樣

在獲得二維平面采樣數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，讀取態(tài)勢(shì)成員本地存儲(chǔ)的天線歸一化方向函數(shù)，順序改變俯仰角φ的值，由式(9)可得三維空間采樣數(shù)據(jù)。目前空空通信無(wú)論是數(shù)據(jù)鏈，還是語(yǔ)音通信，通信方式主要采用超短波通信，通信天線多為各向同性的鞭狀天線。根據(jù)文獻(xiàn)[9]鞭狀天線的歸一化方向函數(shù)如表1。

3 實(shí)例仿真

實(shí)例背景：紅軍*型戰(zhàn)斗機(jī)按照作戰(zhàn)計(jì)劃，沿指定航路對(duì)藍(lán)軍機(jī)場(chǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程打擊，藍(lán)軍**型預(yù)警機(jī)擔(dān)負(fù)空中預(yù)警及指揮引導(dǎo)任務(wù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有敵方目標(biāo)進(jìn)入其防空責(zé)任區(qū)后，將通過(guò)機(jī)載數(shù)據(jù)鏈(超短波通信)，指揮引導(dǎo)編隊(duì)內(nèi)*型戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行空中攔截。紅軍為掩護(hù)其飛機(jī)突防，在飛機(jī)航路上順次部署*部預(yù)警機(jī)數(shù)據(jù)鏈干擾機(jī)，各干擾機(jī)之間部署距離在**km，按照行動(dòng)計(jì)劃，間隔*min依次開(kāi)機(jī)干擾。在分布式仿真環(huán)境中，模型成員負(fù)責(zé)作戰(zhàn)行動(dòng)的模擬、建立對(duì)抗關(guān)系，并通過(guò)模型解算獲得二維通信暢通區(qū)域，三維態(tài)勢(shì)顯示成員利用文中提出的方法，分別對(duì)接收到的無(wú)干擾，弱干擾和強(qiáng)干擾3種情況下的二維通信暢通區(qū)進(jìn)行了數(shù)據(jù)采樣和三維空間數(shù)據(jù)生成，并在三維地理信息系統(tǒng)上可視化，獲得了實(shí)時(shí)、直觀的通信暢通區(qū)三維動(dòng)態(tài)圖，如圖6～圖8。

表1 鞭狀天線歸一化方向函數(shù)及仿真圖

圖6是仿真時(shí)間為八時(shí)十四分時(shí)的態(tài)勢(shì)圖(仿真開(kāi)始時(shí)間為八時(shí)零分)，此時(shí)紅方飛機(jī)已飛入藍(lán)方防空責(zé)任區(qū)，藍(lán)方預(yù)警機(jī)引導(dǎo)其作戰(zhàn)飛機(jī)進(jìn)行攔截，紅方飛行航路上部署的第一部干擾機(jī)由于距離預(yù)警機(jī)過(guò)遠(yuǎn)，干擾無(wú)效，此時(shí)預(yù)警機(jī)無(wú)干擾下的通信暢通區(qū)半徑達(dá)450 km，能夠正常引導(dǎo)其飛機(jī)出航。

圖7是仿真時(shí)間為八時(shí)十九分時(shí)的態(tài)勢(shì)圖，紅方飛機(jī)航路上部署的3部干擾機(jī)工作，由于干擾功率較小、距離過(guò)遠(yuǎn)，只對(duì)預(yù)警機(jī)指揮引導(dǎo)通信造成弱干擾，紅方飛機(jī)航路方向預(yù)警機(jī)通信距離被壓縮至196 km，但仍能夠正常引導(dǎo)飛機(jī)。

圖8是仿真時(shí)間為八時(shí)三十二分時(shí)的態(tài)勢(shì)圖，5部干擾機(jī)全部工作，干擾合成功率較大，對(duì)預(yù)警機(jī)指揮引導(dǎo)通信造成強(qiáng)干擾，此時(shí)正面通信距離壓縮至130 km，破壞預(yù)警機(jī)對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)的引導(dǎo)作用，飛機(jī)失去引導(dǎo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)由近百部電臺(tái)組成的通信網(wǎng)仿真發(fā)現(xiàn)，利用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)，僅三維通信暢通區(qū)數(shù)據(jù)量每步長(zhǎng)約10 Mbit，在較慢的仿真速度(3 s/步)時(shí)能夠勉強(qiáng)隨著作戰(zhàn)進(jìn)程實(shí)時(shí)更新。而使用文中提出的方法，每步長(zhǎng)約7 Kbit，在較快的仿真速度(0.01 s/步)時(shí)仍能很好的展示三維通信暢通區(qū)的變化過(guò)程，對(duì)其進(jìn)行定量分析，能夠有效支持指揮員作戰(zhàn)過(guò)程中的實(shí)時(shí)指揮和對(duì)戰(zhàn)前作戰(zhàn)籌劃的評(píng)估。

圖7 弱干擾條件下指揮引導(dǎo)通信圖

圖8 強(qiáng)干擾條件下指揮引導(dǎo)通信圖