超短波電臺傳播特性仿真系統﹡

李建儒，張 蕊，王洪明，趙振維

(中國電波傳播研究所電波環境特性及模化技術國防科技重點實驗室，山東 青島 266107)

0 引言

無線通信是現代軍事通信中廣泛使用的信息傳輸手段，在戰略、戰術方面都具有相當重要的地位。超短波通信（頻率:30～300 MHz）作為無線通信系統的重要組成部分，具有通信質量高、通信容量大、抗干擾能力強、受季節變化影響小和通信穩定等特點[1]。超短波電臺由于其系列化、小型化的特點，架設使用方便并且具有一定的抗干擾性，能夠提供中低速數傳功能和話音通話功能，可滿足多種情況下執行任務的需要，已成為執行各類任務的重要通信手段[2]。

目前分布交互仿真（DIS, Distributed Interactive Simulation）技術已經廣泛應用于軍事領域、國民經濟和社會生活的多個方面，在實現了大規模復雜系統仿真的同時降低了費用，但是隨著仿真技術的發展，DIS在技術和體系結構方面也表現出了一定的局限性。為了加強與各類系統之間的互操作性，美國國防部于1995年發布的建模與仿真計劃中提出了高層體系架構（HLA，High Level Architecture）。HLA是繼DIS之后提出的新一代分布式交互仿真體系結構，是一個通用的計算機仿真技術框架，可以很好地解決不同類型仿真系統之間的互操作性和重用性[3]。通過運行支撐環境(RTI，Run - Time Infrastructure) ,提供通用的、相對獨立的支撐服務程序，將仿真應用同底層的支撐環境分開，實現了HLA結構規范中的六大服務功能。隨著HLA標準的不斷完善，RTI軟件也不斷得到發展，常用的有美國MAK公司的MAK RTI，中國的國防科大軍用仿真研究室自主開發的KD-RTI[4]，航天機電集團第二研究院開發的SSS-RTI[5]，北航的BH-RTI[6]。本文采用的仿真開發工具為KD-RTI。

本文基于HLA仿真框架，在地理信息系統的基礎上，采用確定性傳播算法模型實現了對某型超短波電臺的傳播特性的仿真，可初步用于我軍對超短波電臺性能的評估以及戰術通信網的規劃。

1 仿真系統的設計與實現

1.1 系統功能

系統主要實現以下功能:

1）典型場景中固定發射電臺，接收電臺沿規劃路徑運動時的傳播特性評估仿真。

2）典型場景中沿規劃路徑運動的各移動站之間的傳播特性評估仿真。

3）典型場景中布設多部超短波電臺時的系統覆蓋傳播特性評估仿真。

同時具備地理信息系統操作的各項功能，如地圖的放大、縮小，漫游、打印輸出等基本操作，并具備各種模型的導入以及路徑規劃的功能。

1.2 系統組成結構

系統的主要功能模塊主要包括仿真主控、電波傳播算法、發射/接收電臺，二維態勢顯示、三維態勢顯示、地理信息系統（GIS，Geographic Information System）數據庫等，組成結構如圖1所示。

圖1 仿真系統組成結構

仿真主控主要通過人機界面，設定仿真的開始時間、結束時間，仿真的時間步長等參數，也可對實際仿真過程進行加快、減慢、開始、停止等操作。

發射/接收電臺作為超短波通信的發射電臺和接收電臺，進行各類基本參數包括工作頻率、天線高度、發射功率、接收機靈敏度、發射天線增益、接收天線增益、環境類型等的設定。

地理信息數據庫主要提供通信車的三維模型、地理高程數據、高分辨率影像數據。

電波傳播模型通過獲取收/發電臺的系統參數、位置信息等，仿真計算收發站之間的通信能力。

二維態勢實時顯示整個場景中的二維態勢信息，同時可在二維地圖上進行超短波通信車移動軌跡的路徑規劃、運行速度的設定。

三維態勢實時顯示整個場景中的三維態勢信息，可顯示各超短波通信車的位置信息、狀態信息以及各電臺之間的通信能力以及傳播損耗分布信息。

1.3 算法模型

超短波傳播效應預測中常用的算法模型有統計模型和確定性模型，如ITU-R P.1546模型、ITM模型、拋物方程模型、點對面確定性傳播預測方法（ITU-R P.1812）等。文獻[7]利用Matlab環境對甚高頻/超高頻的幾種傳播模型進行了仿真計算，文獻[8]利用三種傳播算法模型實現了對艦載超短波通信偵察系統的偵查效能進行了評估。為了提高預測精度，本文采用點對面確定性傳播預測方法該方法綜合考慮了地理信息和電波環境信息，通過對傳播路徑的地形剖面分析、大氣折射率剖面分析等，綜合考慮傳播路徑上的不同傳播機理，如散射、折射、繞射、多徑等傳播效應，然后對系統性能進行預測評估。

1.4 聯邦對象模型/成員對象模型設計

根據系統的主要功能模塊設計了本系統的聯邦成員。其中，發射電臺聯邦成員屬性主要包括發射站的位置信息，天線高度、發射功率、調制方式等參數類型；作為接收電臺的其它聯邦成員主要包括接收位置信息、天線高度、接收機靈敏度等參數；系統的交互參數包括電臺的位置信息、地理高程數據、時間同步數據等。二維、三維態勢需要訂購超短波電臺的名稱、位置、損耗值等。

2 仿真結果

仿真場景選擇為中國某區域的30 km×30 km范圍，發射電臺與接收電臺的通信頻率均為40 MHz，天線高度均為15 m，模擬靈敏度為-116 dBm，數據傳輸速率為19.2 kb/s。仿真系統啟動后，各聯邦成員依次加入系統，仿真開始運行。

圖2仿真了發射電臺固定，接收電臺沿著規劃路線移動，二者之間語音通信的功能。圖中通信車A作為發射電臺位置固定，通信車B作為接收電臺沿著黃線規劃的路徑移動，通信車B周圍的偽彩色圖表示傳播損耗分布，連線表示二者可實現通信。計算時首先提取當前路徑上的地理高程數據，然后通過確定性傳播算法計算得到路徑傳播損耗，最后計算得到接收機的接收功率，通過與接收機靈敏度比較得到收發站之間是否可通。

圖2 語音傳輸質量仿真

圖3給出了該條路徑上的接收功率隨距離的變化。可以看出，在接收電臺移動的過程中，由于地形的起伏變化，在低于接收機靈敏度的點上將無法實現話音通信。

圖3 接收功率隨距離變化曲線

圖4仿真了在場景中布設三部超短波電臺，各自沿著事先規劃的路線移動時數據的傳輸質量。其中，箭頭起始端表示為發射電臺，末端表示接收電臺，實線表示可通，虛線表示中斷。從圖4中可以看出，通信車A和通信車B，通信車A和通信車C之間均可以實現雙向互通，通信車B和通信車C之間由于地形遮蔽的原因，未能實現通信。

圖4 數據傳輸質量仿真

圖5仿真了在場景中不同位置布設超短波電臺后的傳播損耗分布。

對比圖5 (a)和圖5(b)可以看出，處于不同布設位置的A、B、C三部電臺由于地理位置的不同，可以很明顯的看出傳播損耗分布的不同。利用該功能，對比不同站址布設的系統覆蓋情況，可用來進行網絡優化。同時利用該功能，也可仿真天線高度在不同高度時的傳播損耗分布情況。

圖5 不同站點布設情況下的傳播損耗分布

3 結語

本文開發了一種基于HLA的超短波電臺傳播特性仿真評估系統，與傳統的仿真系統相比在交互性和重用性等方面都具有一定的優勢，具有經濟、可靠、可復用性強等特點。利用本系統為研究和提高超短波電臺通信性能提供了有效的方法和途徑，同時利用多個電臺的組網功能，可以應用于網絡規劃、網絡優化等方面，為系統設計等提供技術支撐。

[1]張爾揚,王瑩,路軍,等.短波通信技術[M].北京:國防工業出版社,2002.

[2]楊健新.超短波通信在C<’3>I 系統中的應用研究[D].南京:南京理工大學,2010:4-6.

[3]周彥,戴劍偉.HLA 仿真程序設計[M].北京:電子工業出版社,2002.

[4]黃健,郝建國,黃柯棣.基于HLA 的分布仿真環境KD-HLA的研究與應用[J].系統仿真學報,2004,16(02):214-221.

[5]劉鐘書,周忠,吳威.BH RTI中容錯機制的設計與實現[J].系統仿真學報,2006,18(08):2133-2136.

[6]卿杜政,李伯虎.HLA運行支撐框架(SSS-RTI)的研究和開發[J].系統仿真學報,2000,12(05):490-493.

[7]平怡.V/UHF傳播計算模型仿真研究[J].通信技術,2008,41(06):68-70.

[8]郭晉宏,李建濤.艦船超短波通信偵察系統偵察效能評估[J].通信技術,2009,42(09):117-120.

[9]王宇.BCH編碼在GPS探空儀中的應用[J].信息安全與通信保密,2010(07):45-46.