戰場復雜電磁環境分析與虛擬推演技術研究

吳皓+晏光華

【摘 要】主要闡述了戰場電磁環境的基本概念，分析了戰場電磁環境的基本構成。通過探索戰場電磁環境的基本規律，對戰場電磁環境虛擬推演應用平臺進行總體設計，并就其組成進行了具體分析及建模。

【關鍵詞】戰場 電磁環境 虛擬推演

1 概述

隨著現代軍事的不斷發展，經濟、政治、文化、安全等各個方面對電磁頻譜資源的依賴也越來越高，有限的頻譜資源與無限的頻譜需求之間的矛盾日趨激烈。同時，應用種類和數量的增加使得電磁環境的復雜性呈指數上升。因此，對復雜電磁環境進行分析，尋找其變化規律，從而構建虛擬電磁環境，并在其上進行推演應用，準確把握戰場電磁態勢，其重要性不言而喻。

2 戰場復雜電磁環境分析

戰場電磁環境是指一定的戰場空間內對作戰有影響的電磁活動和現象的總和，即在一定的戰場空間內，由空域、時域、頻域、能量上分布的數量繁多、樣式復雜、密集重疊的電磁信號構成的電磁環境[1]。

從廣義上講，凡是存在電磁屬性和時變電磁場傳播所涉及的一切物質、空間均屬電磁環境范疇。而狹義的電磁環境是指時變電磁場傳播的特定空間，在此空間里存在著電磁應用產生的各種電磁信號。戰場電磁環境則是由作戰地理空間內的各類電磁場和電磁波組成的物理空間。

大量信息化武器設備和系統的裝備和對抗應用，使得電磁環境已經成為第五維戰場空間，不僅敵對雙方圍繞電磁優勢和制電磁權進行激烈爭奪，更有可能對整個戰爭的勝負都產生重大影響。

3 電磁環境虛擬推演技術

頻譜管理的一個重要的輸入是電磁環境地圖，在系統仿真中需要利用不同復雜程度的電磁背景環境進行對比，才能對系統在不同環境下的運行效能給出定量的分析，這就需要根據作戰想定建立虛擬的戰場電磁環境[2]。

一方面，虛擬戰場電磁空間為頻譜感知提供原始數據，仿真系統根據頻譜感知系統的參數可以得到電磁環境地圖的測量值，根據這個測量值，利用頻率指配算法生成用頻方案，在虛擬戰場電磁空間中的頻譜使用效能仿真結果可以反映頻譜感知系統的效能。

另一方面，頻率指配、干擾協調、策略服務等業務均需要最大限度保證設備間的頻率兼容。對不同算法給出的頻譜方案在戰場電磁空間中的干擾驗證，可以驗證頻率指配方案的頻率兼容性，從而驗證不同指配算法和頻譜策略的效能。

采用細粒度模擬表征方法描述電磁環境，結合電磁空間傳播建模應用技術，建立電磁頻譜環境中的作用參數體系，搭建電磁環境虛擬推演應用平臺。

3.1 總體設計

戰場電磁環境虛擬推演的主要功能：通過戰場電磁環境虛擬推演應用平臺，建立相關的電磁模型、背景噪聲模型、干擾分析模型、多維頻譜數據模型共四種模型共同完成戰場電磁環境模擬，使其作為頻譜管理系統頻譜感知、頻率指配、干擾協調、策略服務和效能評估等仿真的參考依據。戰場電磁環境虛擬推演應用平臺可以從電磁輻射角度對仿真結果進行分析和推演[3]。同時，系統得出的相關數據，可為策略方案提供判斷。電磁模型和背景噪聲模型可以依托ITU的現有標準進行建模，干擾分析模型則需要根據具體裝備的特點進行專題研究。戰場電磁環境虛擬推演應用平臺的組成框架如圖1所示：

3.2 主要組成

（1）電波傳播模型

傳播模型表征的是在某種特定環境或傳播路徑下電波的傳播損耗情況，其主要研究對象是傳播路徑上障礙物陰影效應帶來的慢衰落影響。在戰場電磁環境虛擬推演應用平臺中，通過建立相應的電波傳播模型，從而提供計算與分析的解決方案。它提供與電磁傳播相關的分析方法、計算方案和運算法則，以地物的電磁屬性為基礎，并能根據不同的特征地貌輪廓做出適當的調整，對模型進行校正。既要考慮電波傳播方式的不同，如直射、繞射、多徑；又要對電磁波的傳播途徑、自由空間損耗、多徑反射計算、降雨衰減和天線極化衰減等問題進行分析建模[4]。

電磁波在空間傳播，由于不同的傳播空間環境和電波特性，具有不同的傳播模式，如山區電波傳播模型、海平面電波傳播模型、陸海移動電波傳播模型等。由于篇幅所限，本文關于傳播模型不做贅述。

（2）背景噪聲模型

在大量的監測數據中，包含有頻譜資源使用情況和電磁環境變化規律等信息。對海量的監測數據進行分析，找出背景噪聲在時間、頻率維的一些規律，構造一個粗略的通用噪聲模型，便于評估整個電磁環境的背景噪聲。其核心是建立戰場中背景噪聲模型，以虛擬的、數字的形式描述出來，建立和輻射參量相關的數字描述模型。建模時，主要從時域、空域、頻率域、信號域、波形參數、設備工作參數等方面綜合考慮。

以廣州2013年6月的某5天監測歷史數據為例，頻率范圍30—88MHz，頻率間隔25kHz。將每5分鐘掃描1次的數據統計成每小時1條記錄，然后計算5天每小時的均值與方差，最后得出24×2321個μ與σ。再用這些μ與σ進行噪聲N的預測，可按照以下方法取得：

即均值加上方差，在方差前乘以一個系數，這個系數是在-1到1之間隨機取得，以此保證不同天同小時同頻點的值圍繞均值上下波動。

取第2天的真實數據，下面分別計算關于時間和頻點的誤差，得知關于頻率的Rmse：

由此可知，用連續幾天歷史數據的統計值（均值/方差）代入公式（1），計算出來的值在誤差允許的范圍內可以替代這些天每5分鐘掃描的值，這樣可以預測未來1天或者1小時的背景噪聲。當然，具體取間隔幾天要根據需求和允許的誤差來定。不過由于噪聲的隨機性，不能保證每次誤差都很小，通過多次蒙特卡羅試驗發現誤差很大的概率可以控制在很小的范圍內。

（3）干擾分析模型

干擾分析模型的基本思路是：無線電設備間干擾分析可歸結為成對無線電設備間的干擾分析和互調干擾分析兩大類。成對設備干擾類型包括發射機基頻對接收機基頻、發射機基頻對接收機中頻、發射機基頻對接收機鏡頻、發射機基頻對接收機本振、發射機基頻對接收機本振鏡頻、發射機諧波對接收機基頻等干擾類型。互調干擾中的被干擾的頻率相同，干擾源由多部發射機互調產生。干擾分析可在發射機、接收機、天線、傳播等基本模型基礎上，采用分級篩選、快速分析等手段完成電磁兼容條件檢查。endprint

其中，針對當前移動通信網絡高速發展的特點，重點研究具有移動特點系統的干擾模型。對于移動場景可將仿真場景按時間線細分，同時支持對移動路線或區域的設置，仿真時模擬設備的移動并給出對應不同時刻裝備部署情況的干擾分析。

以分級篩選法為例，分快篩選、粗篩選、帶寬修正與頻率間隔修正、細篩選、性能預測五個階段來進行分析。如果在前面的階段中被篩除，則不再進行后續階段的分析。其中，快篩選只基于收發工作頻率來確定可能產生的干擾類型；粗篩選只考慮發射、響應幅度，基本不考慮頻率、帶寬等的影響；第三階段帶寬修正與頻率間隔修正是在第二階段分析的基礎上，增加帶寬與頻率間隔的修正；細篩選在帶寬修正與頻率間隔修正的基礎上詳細考慮了距離、方向和時間變量；第五階段性能預測則將細篩選得出的干擾余量轉化為系統的性能指標，使干擾分析結果成為對用戶更有意義的形式。分級篩選法流程如圖4所示：

（4）多維頻譜數據模型

無線電頻譜資源天然具有多維特性，用三維或更多的維數來描述頻譜資源，可有效提高頻譜資源的使用效率。多維頻譜數據模型就是對無線電頻譜資源的一種較正式的描述，它涉及時間維、頻率維、空間維、功率維、信號維等[5]。最典型的多維頻譜空間應當是各維正交，即各維值只能唯一確定空間內的一點，從而形成多維立方體。從理論上講，可以在這個多維立方體上進行切片、切塊、下鉆、上翻和旋轉等操作，從而實現多維空間內的數據共用。多維頻譜空間如表1所示：

本文建立的多維數據模型主要采用星型模式。由一個不含冗余數據的大規模的中心表（事實表）和一組小的附屬表（維表）構成，數據在事實表中維護，維度數據在維度表中維護，從而建立各個維度表之間的關聯關系。頻率資源事實表如圖5所示：

4 結語

本文通過對戰場電磁環境的概念及組成等進行闡述，探討了戰場電磁環境虛擬推演技術的總體設計思路，并詳細分析了戰場電磁環境虛擬推演技術的組成，對相關系統研制及技術研究具有一定的參考意義。

參考文獻：

[1] 王汝群，胡以華，談何易，等. 戰場電磁環境[M]. 北京： 解放軍出版社， 2006.

[2] 丁鍇. 戰場電磁環境分析與綜合視景仿真[D]. 西安： 西北工業大學， 2010.

[3] 閔濤. 虛擬戰場電磁環境建模與仿真技術研究[D]. 長沙： 國防科技大學， 2006.

[4] 丁鍇，張麟兮. 戰場復雜電磁環境視景仿真研究[J]. 現代電子技術， 2011（14）： 117-120.

[5] 王景，張海山，蔣林，等. 頻譜管理中的多維數據模型[J]. 無線電通信技術， 2005（3）： 1-2.★endprint

其中，針對當前移動通信網絡高速發展的特點，重點研究具有移動特點系統的干擾模型。對于移動場景可將仿真場景按時間線細分，同時支持對移動路線或區域的設置，仿真時模擬設備的移動并給出對應不同時刻裝備部署情況的干擾分析。

以分級篩選法為例，分快篩選、粗篩選、帶寬修正與頻率間隔修正、細篩選、性能預測五個階段來進行分析。如果在前面的階段中被篩除，則不再進行后續階段的分析。其中，快篩選只基于收發工作頻率來確定可能產生的干擾類型；粗篩選只考慮發射、響應幅度，基本不考慮頻率、帶寬等的影響；第三階段帶寬修正與頻率間隔修正是在第二階段分析的基礎上，增加帶寬與頻率間隔的修正；細篩選在帶寬修正與頻率間隔修正的基礎上詳細考慮了距離、方向和時間變量；第五階段性能預測則將細篩選得出的干擾余量轉化為系統的性能指標，使干擾分析結果成為對用戶更有意義的形式。分級篩選法流程如圖4所示：

（4）多維頻譜數據模型

無線電頻譜資源天然具有多維特性，用三維或更多的維數來描述頻譜資源，可有效提高頻譜資源的使用效率。多維頻譜數據模型就是對無線電頻譜資源的一種較正式的描述，它涉及時間維、頻率維、空間維、功率維、信號維等[5]。最典型的多維頻譜空間應當是各維正交，即各維值只能唯一確定空間內的一點，從而形成多維立方體。從理論上講，可以在這個多維立方體上進行切片、切塊、下鉆、上翻和旋轉等操作，從而實現多維空間內的數據共用。多維頻譜空間如表1所示：

本文建立的多維數據模型主要采用星型模式。由一個不含冗余數據的大規模的中心表（事實表）和一組小的附屬表（維表）構成，數據在事實表中維護，維度數據在維度表中維護，從而建立各個維度表之間的關聯關系。頻率資源事實表如圖5所示：

4 結語

本文通過對戰場電磁環境的概念及組成等進行闡述，探討了戰場電磁環境虛擬推演技術的總體設計思路，并詳細分析了戰場電磁環境虛擬推演技術的組成，對相關系統研制及技術研究具有一定的參考意義。

參考文獻：

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[3] 閔濤. 虛擬戰場電磁環境建模與仿真技術研究[D]. 長沙： 國防科技大學， 2006.

[4] 丁鍇，張麟兮. 戰場復雜電磁環境視景仿真研究[J]. 現代電子技術， 2011（14）： 117-120.

[5] 王景，張海山，蔣林，等. 頻譜管理中的多維數據模型[J]. 無線電通信技術， 2005（3）： 1-2.★endprint

其中，針對當前移動通信網絡高速發展的特點，重點研究具有移動特點系統的干擾模型。對于移動場景可將仿真場景按時間線細分，同時支持對移動路線或區域的設置，仿真時模擬設備的移動并給出對應不同時刻裝備部署情況的干擾分析。

以分級篩選法為例，分快篩選、粗篩選、帶寬修正與頻率間隔修正、細篩選、性能預測五個階段來進行分析。如果在前面的階段中被篩除，則不再進行后續階段的分析。其中，快篩選只基于收發工作頻率來確定可能產生的干擾類型；粗篩選只考慮發射、響應幅度，基本不考慮頻率、帶寬等的影響；第三階段帶寬修正與頻率間隔修正是在第二階段分析的基礎上，增加帶寬與頻率間隔的修正；細篩選在帶寬修正與頻率間隔修正的基礎上詳細考慮了距離、方向和時間變量；第五階段性能預測則將細篩選得出的干擾余量轉化為系統的性能指標，使干擾分析結果成為對用戶更有意義的形式。分級篩選法流程如圖4所示：

（4）多維頻譜數據模型

無線電頻譜資源天然具有多維特性，用三維或更多的維數來描述頻譜資源，可有效提高頻譜資源的使用效率。多維頻譜數據模型就是對無線電頻譜資源的一種較正式的描述，它涉及時間維、頻率維、空間維、功率維、信號維等[5]。最典型的多維頻譜空間應當是各維正交，即各維值只能唯一確定空間內的一點，從而形成多維立方體。從理論上講，可以在這個多維立方體上進行切片、切塊、下鉆、上翻和旋轉等操作，從而實現多維空間內的數據共用。多維頻譜空間如表1所示：

本文建立的多維數據模型主要采用星型模式。由一個不含冗余數據的大規模的中心表（事實表）和一組小的附屬表（維表）構成，數據在事實表中維護，維度數據在維度表中維護，從而建立各個維度表之間的關聯關系。頻率資源事實表如圖5所示：

4 結語

本文通過對戰場電磁環境的概念及組成等進行闡述，探討了戰場電磁環境虛擬推演技術的總體設計思路，并詳細分析了戰場電磁環境虛擬推演技術的組成，對相關系統研制及技術研究具有一定的參考意義。

參考文獻：

[1] 王汝群，胡以華，談何易，等. 戰場電磁環境[M]. 北京： 解放軍出版社， 2006.

[2] 丁鍇. 戰場電磁環境分析與綜合視景仿真[D]. 西安： 西北工業大學， 2010.

[3] 閔濤. 虛擬戰場電磁環境建模與仿真技術研究[D]. 長沙： 國防科技大學， 2006.

[4] 丁鍇，張麟兮. 戰場復雜電磁環境視景仿真研究[J]. 現代電子技術， 2011（14）： 117-120.

[5] 王景，張海山，蔣林，等. 頻譜管理中的多維數據模型[J]. 無線電通信技術， 2005（3）： 1-2.★endprint