閆 超

(北京華悅邁普科技有限公司，北京100107)

0 引言

伴隨信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，戰(zhàn)爭形態(tài)逐步由物理域向信息域演化，在傳統(tǒng)陸、海、空三維空間的基礎(chǔ)上，電磁空間的重要性更加凸顯，電磁域?qū)箲B(tài)勢可視化成為戰(zhàn)場態(tài)勢可視化中不可或缺的部分。戰(zhàn)場空間中各種雷達(dá)信號、通信信號、電子戰(zhàn)以及其他背景輻射信號的相互作用，構(gòu)成了戰(zhàn)場空間內(nèi)復(fù)雜的電磁環(huán)境，大幅增加了對戰(zhàn)場態(tài)勢研判的難度，影響了指揮員的決策。電磁態(tài)勢已成為信息化戰(zhàn)場態(tài)勢的重要組成部分，對電磁態(tài)勢的把握和研判直接影響到未來作戰(zhàn)主動權(quán)的爭奪，是現(xiàn)代戰(zhàn)場不可或缺的作戰(zhàn)維度[1-3]，結(jié)合當(dāng)下人工智能[4]，展望未來電磁態(tài)勢的發(fā)展[5-7]。在針對電磁域進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法研究的過程中，對電磁域?qū)箲B(tài)勢從不同維度進(jìn)行動態(tài)可視化的展示就成為輔助指揮人員和技術(shù)人員掌控戰(zhàn)場態(tài)勢的重要手段[8-10]。申良強(qiáng)等[11]對復(fù)雜陣地態(tài)勢可視化關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，采用三維態(tài)勢可視化技術(shù)與二維態(tài)勢可視化及二者的實(shí)時聯(lián)動，為固定核心陣地作戰(zhàn)指揮員提供了更豐富的物理空間環(huán)境，從而更好地部署武器，把握戰(zhàn)場形勢全局，提升空間環(huán)境感知能力。研發(fā)人員提出了一種通用戰(zhàn)場態(tài)勢可視化系統(tǒng)的顯示元素、框架及接口的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)字地球的戰(zhàn)場態(tài)勢可視化[12-15]。系統(tǒng)歸納了聯(lián)合作戰(zhàn)電磁態(tài)勢可視化的5項(xiàng)需求，并梳理列舉了聯(lián)合作戰(zhàn)電磁態(tài)勢可視化的圖形、圖表展示[16-17]，在分析復(fù)雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境可視化構(gòu)建內(nèi)容的基礎(chǔ)上，提出基于粒子系統(tǒng)的電磁態(tài)勢可視化方法，實(shí)現(xiàn)地理環(huán)境和電磁環(huán)境的一體化顯示[18]。對雷達(dá)探測范圍可視化進(jìn)行了探討，采用拋物方程方法給出了實(shí)現(xiàn)雷達(dá)最大探測范圍三維可視化的方法[19-20]。當(dāng)前條件下，各類信息系統(tǒng)中復(fù)雜電磁環(huán)境[21]多以二三維圖形、作戰(zhàn)實(shí)體圖標(biāo)等方式對作戰(zhàn)兵力的行動過程進(jìn)行展示，缺少有針對性的對電磁域博弈對抗過程、對抗效果的展示，更不能體現(xiàn)出電磁頻譜戰(zhàn)中電磁裝備運(yùn)用的快速變化及發(fā)展規(guī)律。

基于裝備用頻效能分析的對抗態(tài)勢可視化系統(tǒng)針對電磁域博弈對抗態(tài)勢展示需求進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究，將無形的、快速變化的復(fù)雜電磁對抗態(tài)勢進(jìn)行多維度直觀形象地展現(xiàn)。以電磁對抗為主要研究背景，重點(diǎn)突破電磁裝備能力包絡(luò)、電子偵察/告警、電子干擾和雷達(dá)探測等的顯控技術(shù)，重點(diǎn)關(guān)注雷達(dá)、通信和電子戰(zhàn)等各種相關(guān)展示視角的多維度顯示，覆蓋雷達(dá)、雷達(dá)告警接收機(jī)、通信系統(tǒng)等各類電磁裝備，構(gòu)建完善的電磁域?qū)箲B(tài)勢多維度可視化顯控系統(tǒng)，實(shí)時、直觀、準(zhǔn)確地展示電磁域?qū)箲B(tài)勢，為電磁對抗的戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法編制、演練、應(yīng)用和評判提供可視化方法及手段，滿足專業(yè)研究需求。

1 裝備用頻效能分析

電磁域?qū)箲B(tài)勢顯控的實(shí)現(xiàn)依賴于電磁域?qū)狗抡婺Ｐ徒馑愫湍Ｐ蛿?shù)據(jù)驅(qū)動。裝備用頻效能分析以電磁傳播模型、接收信號分析模型和信干比分析模型為基礎(chǔ)，對用頻裝備的效能進(jìn)行分析，從而確定用頻裝備的探測范圍、偵察范圍和干擾范圍等作戰(zhàn)效能。由于雷達(dá)信號存在從雷達(dá)到目標(biāo)再返回雷達(dá)的雙程過程，雷達(dá)裝備的用頻效能分析模型相對來說較為復(fù)雜，所以本文以雷達(dá)為例構(gòu)建雷達(dá)裝備用頻效能分析模型，分析雷達(dá)模型的探測范圍。

1.1 電磁傳播模型

電磁傳播模型主要用于計(jì)算復(fù)雜地形、復(fù)雜氣象條件下電磁波空間傳播損耗，是所有電磁環(huán)境計(jì)算分析的基礎(chǔ)。傳播模型的準(zhǔn)確與否關(guān)系到整個電磁環(huán)境仿真的科學(xué)性和有效性，同樣，傳播模型也是電磁環(huán)境計(jì)算分析軟件中最復(fù)雜的模型之一。電磁傳播模型是各類電磁裝備仿真、電磁分析計(jì)算的基礎(chǔ)，直接決定了各類仿真計(jì)算的逼真度、時效性和易用性。通常，對于電磁波不能傳播的兩點(diǎn)之間(例如由于地球曲率、或者地形遮擋等原因)，電磁傳播模型解算的傳播損耗可認(rèn)為是無窮大。

電磁傳播模型依據(jù)對無線傳播模型算法的研究和對國際電聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)的使用，建立基于復(fù)雜地理環(huán)境、復(fù)雜氣象環(huán)境以及適用于不同頻段不同業(yè)務(wù)的空間傳播損耗，包括ITU-R P.1546，Longley-Rice,ITU-R P.833和 ITU R P.840等傳播模型等。其中ITU-R P.1546傳播模型提供了地面業(yè)務(wù)點(diǎn)對面預(yù)測的方法，適用于開闊和低起伏的陸地和海洋，其中市區(qū)、郊區(qū)均可。ITU-R P.1546傳播模型計(jì)算電磁波傳播過程中衰減的參數(shù)如圖1所示。

圖1 傳播模型參數(shù)設(shè)置實(shí)例Fig.1 Parameter setting example of propagation model

ITU-R P.1546傳播模型的處理流程如圖2所示。

圖2 傳播模型的處理流程Fig.2 Process flow diagram of propagation model

1.2 接收信號功率分析模型

接收信號功率分析模型描述電磁波從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間單程傳輸?shù)男盘柟β史治觯醚b備性能參數(shù)以及電波傳播模型計(jì)算從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)位置天線口面處的信號功率。電磁信號接收信號功率分析模型為：

S=Ps+Gs-Ls+Gr，

式中，S為接收機(jī)接收到的信號功率(dB)；Ps為發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率(dB)；Gs為發(fā)射天線增益(dB)；Ls為單程電磁傳播模型計(jì)算的空間衰減；Gr為接收天線增益(dB)。

1.3 干擾信號功率分析模型

在測定干信比時，需要計(jì)算進(jìn)入接收機(jī)工作頻帶內(nèi)的干擾信號功率。在上述條件下，到達(dá)接收機(jī)輸入端的干擾信號功率為：

J=PJ+GJ-LJ+GrJ，

式中，J為接收機(jī)接收到的干擾功率(dB)；PJ為在接收機(jī)頻帶內(nèi)干擾機(jī)的發(fā)射功率(dBm)；GJ為干擾機(jī)天線增益(dB)；LJ為干擾機(jī)在傳播過程中的衰減(dB)；GrJ為干擾機(jī)方向接收天線增益(dB)。

干擾情況下接收機(jī)端的干擾信號遠(yuǎn)大于噪聲信息，此時的接收機(jī)噪聲可以忽略不計(jì)。在沒有干擾的情況下，需要考慮接收機(jī)有效噪聲功率，主要與接收機(jī)噪聲溫度和接收機(jī)帶寬相關(guān)。

1.4 信干比分析模型

在接收機(jī)頻帶內(nèi)，信干比是有效信號強(qiáng)度與干擾信號強(qiáng)度之比(dB)。根據(jù)上式，可以直接推導(dǎo)出信干比公式，由于S和J均以“dB”來表示，它們的功率比與其分貝比是大體相同的。對于單程信號傳輸情況來說，信干比公式可用分貝計(jì)算為S-J，得：

信干比=Pr-PJ+GT-GJ-Ls+Lj+Gr-GrJ+D，

式中，D為接收機(jī)對有效信號與干擾信號的壓制系數(shù)。

對于雙程信號傳輸情況來說，信干比公式可用分貝計(jì)算為S-J，得：

信干比=Pr-PJ+GT-GJ-Ls-Lo+lg (RCS)+

Lj+Gr-GrJ+D，

式中，Lo為目標(biāo)反射回波到接收機(jī)的衰減；RCS為雷達(dá)頻率和角度上目標(biāo)的雷達(dá)反射面積。如果接收機(jī)接收到的信干比大于接收機(jī)的閾值，則接收機(jī)可以正常接收到信號；否則，接收機(jī)無法正常接收到有效信號，信干比成為描述裝備用頻效能的基礎(chǔ)。

1.5 雷達(dá)探測范圍分析

雷達(dá)探測范圍分析的基礎(chǔ)為上述雙程信號信干比公式為基礎(chǔ)的雷達(dá)探測距離計(jì)算模型。模型根據(jù)雷達(dá)參數(shù)、目標(biāo)參數(shù)、地理環(huán)境、氣象環(huán)境和外部電磁干擾等參數(shù)計(jì)算雷達(dá)在指定區(qū)域內(nèi)對特定目標(biāo)的探測范圍。計(jì)算中考慮雷達(dá)性能、地形遮蔽、接收機(jī)底噪和外部干擾等因素。分析雷達(dá)及雷達(dá)網(wǎng)在復(fù)雜地形、復(fù)雜氣象及干擾條件下的探測范圍變化情況，為電磁態(tài)勢生成、臺站部署位置確定等提供支持。雷達(dá)探測范圍計(jì)算模型的典型流程如圖3所示。

圖3 雷達(dá)探測范圍計(jì)算流程Fig.3 Calculation flow of radar detection range

2 電磁態(tài)勢顯控總體設(shè)計(jì)

電磁域?qū)箲B(tài)勢顯控的實(shí)現(xiàn)依賴于電磁域?qū)狗抡婺Ｐ徒馑愫湍Ｐ蛿?shù)據(jù)驅(qū)動，涉及的仿真模型包括雷達(dá)仿真模型、雷達(dá)干擾模型、雷達(dá)偵察模型、通信偵察模型和通信干擾模型等。針對電磁態(tài)勢顯示的以上各方面特點(diǎn)，對電磁態(tài)勢顯示提出如下方案：

一是電磁態(tài)勢顯控主要用于顯示雷達(dá)、通信和電子戰(zhàn)裝備在訓(xùn)練任務(wù)進(jìn)程中動態(tài)變化情況。例如雷達(dá)的開機(jī)、關(guān)機(jī)、搜索、跟蹤和遭到干擾；電子戰(zhàn)系統(tǒng)的開機(jī)、關(guān)機(jī)、告警和有源干擾等信息，主要提供雷達(dá)對抗、通信對抗及電子對抗總體運(yùn)用效果顯示，包括雷達(dá)裝備、通信裝備的威力范圍。

二是加入面向注意力的自動消隱機(jī)制，只對關(guān)鍵過程的參與實(shí)體進(jìn)行電磁效果顯示，自動隱藏其他作戰(zhàn)實(shí)體，其中注意力由預(yù)先設(shè)定的特征事件和實(shí)時導(dǎo)調(diào)信息確定。此類方法將有效屏蔽不同頻段、不同范圍的電子戰(zhàn)裝備顯示效果疊加問題，減少信息飽和的風(fēng)險。

三是引入人工和自動輔助的導(dǎo)調(diào)控制手段，可以根據(jù)指揮所情報(bào)、預(yù)設(shè)行為腳本對電磁態(tài)勢進(jìn)行輔助導(dǎo)調(diào)和顯示。雖然實(shí)際裝備引接過程中可能缺失部分關(guān)鍵工作參數(shù)信息，但是根據(jù)作戰(zhàn)系統(tǒng)和主要的目標(biāo)分配關(guān)系，技術(shù)人員可以利用可視化系統(tǒng)為指揮員生成輔助態(tài)勢信息，將雷達(dá)威力范圍、干擾設(shè)備及對抗關(guān)系等關(guān)鍵信息顯示到統(tǒng)一的電磁態(tài)勢場景中。

電磁域?qū)箲B(tài)勢多維度顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 電磁域?qū)箲B(tài)勢多維度顯示系統(tǒng)Fig.4 Multi-dimension display system of electromagnetic countermeasure situation

3 電磁態(tài)勢顯控設(shè)計(jì)

電磁裝備能力包絡(luò)顯示主要指電子對抗裝備運(yùn)用效果展示，具體包括雷達(dá)裝備在有無干擾條件下的威力范圍顯示、雷達(dá)裝備其他屬性顯示以及通信裝備屬性顯示等，展示效果區(qū)分為二維顯控效果和三維顯控效果。

3.1 雷達(dá)探測范圍顯示

雷達(dá)探測范圍顯示主要指雷達(dá)運(yùn)用效果展示，具體包括雷達(dá)裝備受地形影響、在有無干擾情況下的威力范圍等，展示效果區(qū)分為二維顯控效果和三維顯控效果。

(1) 雷達(dá)受地形影響的威力范圍

使用設(shè)置填充色的多邊形表示雷達(dá)威力范圍二三維展示效果，如圖5所示，該圖的雷達(dá)威力范圍主要受地形的影響。圖5(a)、(b)中的雷達(dá)位于海平面沒有受地形遮擋，二維展示為標(biāo)準(zhǔn)的圓形，三維展示為標(biāo)準(zhǔn)的波束環(huán)繞形狀。相對來說，圖5(c)、(d)由于雷達(dá)位于山區(qū)，受地形影響，在圖5(a)、(b)的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了遮擋產(chǎn)生的缺口。

(a) 無遮擋威力范圍二維顯示

(b) 無遮擋威力范圍三維顯示

(c) 有遮擋威力范圍二維顯示

(d) 有遮擋威力范圍三維顯示圖5 雷達(dá)受地形影響的威力范圍Fig.5 Range of radar power affected by terrain

(2) 雷達(dá)受干擾影響的威力范圍

在敵我雙方的對抗過程中，雷達(dá)經(jīng)常受到來自對方干擾機(jī)影響。圖 6展示了某型對空警戒雷達(dá)在沒有受到干擾情況下的正常威力范圍。

圖6 雷達(dá)威力區(qū)顯示Fig.6 Display of radar power area

雷達(dá)受干擾后威力范圍如圖 7所示。與圖6相比，雷達(dá)在右上角方向上受到干擾，因此雷達(dá)覆蓋范圍在此方向上出現(xiàn)缺口，敵方可以在此缺口中執(zhí)行其期望的戰(zhàn)術(shù)動作。

圖7 雷達(dá)被干擾后探測威力Fig.7 Detection power of jammed radar

3.2 雷達(dá)其他屬性范圍顯示

除了雷達(dá)威力范圍顯示，還可以提供雷達(dá)其他屬性的顯示，例如：可探測最小截面積顯示、雷達(dá)探測概率顯示等。

(1) 雷達(dá)可探測最小截面積顯示

在指定目標(biāo)高度和偵測概率下，分析指定區(qū)域內(nèi)雷達(dá)可探測的目標(biāo)RCS分布情況。

圖8給出了雷達(dá)可探測到目標(biāo)的RCS，從雷達(dá)位置向外逐漸變大。

圖8 雷達(dá)可探測最小截面積顯示Fig.8 Display of minimum radar-detectable cross-sectional area

(2) 雷達(dá)探測概率顯示

在假定雷達(dá)參數(shù)和目標(biāo)RCS保持不變情況下，給出每個位置同一個目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)概率的功能。

圖9給出了雷達(dá)對目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率，從雷達(dá)位置向外逐漸降低。

圖9 雷達(dá)發(fā)現(xiàn)概率顯示Fig.9 Display of radar detection probability

3.3 通信鏈路和范圍顯示

使用樣本點(diǎn)連線和線與三角面結(jié)合的方式繪制通信鏈路和范圍展示效果，通過設(shè)置alpha渲染通道值實(shí)現(xiàn)不同威力包絡(luò)顏色和半透明效果，根據(jù)場強(qiáng)值大小自動設(shè)置不同顏色代表雷達(dá)威力強(qiáng)弱變化，形象立體、層次分明地展示通信威力的效果。通信威力范圍展示的同時，展示通信受干擾的狀態(tài)，如圖10和圖11所示。圖10展示了無干擾條件下的通信鏈路的連通情況(所有通信鏈路全部聯(lián)通)和數(shù)傳電臺-2的接收范圍，綠色表示某型接收機(jī)可以接收數(shù)傳電臺-2的信號，紅色表示該型接收機(jī)不能接收數(shù)傳電臺-2的信號。圖11顯示了干擾條件下的通信鏈路(SU27和數(shù)傳電臺-2處于干擾區(qū)域內(nèi)其上行鏈路全部受到干擾，數(shù)傳電臺和數(shù)傳電臺-1處于干擾區(qū)域外還能夠接收來自SU27的通信信號)和數(shù)傳電臺-2的接收范圍(受干擾影響綠色區(qū)域明顯減少,尤其干擾機(jī)有效干擾方向上)。

圖10 通信鏈路和威力范圍示例Fig.10 Example of communication link and power range

圖11 干擾條件下通信鏈路和威力范圍示例Fig.11 Example of jammed communication link and power range

4 結(jié)束語

基于裝備用頻效能分析的對抗態(tài)勢可視化設(shè)計(jì)支持全局態(tài)勢的多維度展示效果，針對性的展示局部戰(zhàn)場電磁態(tài)勢，提升對復(fù)雜電磁環(huán)境的掌控能力?？蔀閼?zhàn)場態(tài)勢和電磁態(tài)勢可視化相關(guān)技術(shù)研究和系統(tǒng)的研制提供一定的參考。在后續(xù)研究過程中，進(jìn)一步結(jié)合復(fù)雜電磁環(huán)境仿真技術(shù)、人機(jī)界面友好等技術(shù)，使態(tài)勢顯控效果逐步逼近真實(shí)戰(zhàn)場空間，操控更簡潔方便。