基于檢測評估的仿真電磁海戰場構建研究?

閆泓杉 陳志航

（1.92232部隊 北京 100161）（2.武漢數字工程研究所 武漢 430205）

基于檢測評估的仿真電磁海戰場構建研究?

閆泓杉1陳志航2

（1.92232部隊 北京 100161）（2.武漢數字工程研究所 武漢 430205）

基于檢測評估的仿真電磁海戰場構建，應符合實際交戰狀態中，對抗雙方能使用的電磁手段所產生出的電磁場效應關系。其中，最能表現出的有電子波與脈沖作用力關系；電子頻譜與兼容運用效能關系；電磁全向與定向輻射關系。實現對這些關系的解析，就能有檢測評估作戰體系在復雜電磁環境中能力發揮效果的解析描述。為此，對這些關系進行仿真，則能實現作戰體系在無戰爭狀態時，能力適應復雜電磁環境效果的檢測評估。

電磁效應；電子波與脈沖；電子頻譜與兼容；電磁全向與定向輻射

1 引言

現代海戰場上，電磁對抗是作戰雙方制勝的第一重要手段。誰能掌握并控制好對抗復雜電磁干擾的作用能力，誰就有發揮自身體系作戰能力最大化的作用效果，且能在第一時間內很好的獲取戰場上主動控制權能力。為此，以檢測評估技術為重要手段，以仿真技術作為支撐點，構建出符合實際要求的海戰場檢測場景體系，則能在平時實現必要的虛擬復雜電磁海戰場環境對作戰體系作戰能力的考核，并能以作戰能力指標制定出對作戰體系更新研制提供向上跨越的指導支撐，同時也能對作戰體系指揮控制人員加快適應現代作戰需求操控作戰平臺或作戰各類系統的戰技能力提高，給以必要的測試評估或提供必要的臨戰虛擬現實演練操控方法。

基于檢測評估的仿真電磁海戰場構建研究，就是以實現上述仿真檢測評估為目標的，以仿真技術作為支撐基礎的，通過對所報道介紹現代海戰場資料分析為指導的，研究構建出具有符合實際檢測評估要求能力的仿真體系，從而達到能很好地對作戰體系作戰能力進行整體檢測評估或對各類作戰系統的作戰能力進行檢測評估；同時也能對作戰人員實行必要的戰技能力檢測評估。

2 構建基本要素分析

對于基于檢測評估的仿真電磁海戰場構建研究，注重基本要素點是針對海戰場中的電磁效應場；電磁波與脈沖作用力；電磁頻譜與兼容效能關系；電磁全向與定向輻射等的解析性描述。其中，每點環節都是互相關聯的。

2.1 電磁效應場

電磁效應場，主要指的是區域環境場中的電磁效應。其定義是用一組數在給定的一個區域確定出一個量的特性時，該區域中的每一點都具備這種特性［1］。區域環境電磁效應場主要由靜態場和時變場兩部分組成。采用仿真技術描述區域環境電磁效應場的模型，注重點就是這兩種效應場［2］。

對于靜態場而言，基本仿真描述是區域自然環境電荷生成靜電磁場雜波效應狀態所確定，其描述語言是：

1）區域電荷面雜波電磁能分布；2）區域電荷體雜波電磁能分布；3）區域靜態雜波電磁場強度。

對于時變場而言，它是復雜電磁互轉換作用的過程，其基本仿真描述語言應由法拉第感應定律、安培定律、兩個高斯定律所確定。其中，描述語言對參數的定義有E?為電場強度；J?為磁通密度；B?為電通密度；D?為電流密度；ρ為磁導；H?為體電荷密度；o為電導率。其描述定律語言是：

1）法拉第定律

2）安培定律

3）高斯定律1的數學描述語言

4）高斯定律2的數學描述語言

仿真靜態場只是作為區域自然環境為背景所生成出的雜波電磁效應場，能呈現出的狀態是物體在自然環境中電磁效應場，即自然電磁干擾噪聲的輻射狀態（也稱為自然界中物質運動做功時生成的白噪聲）。而仿真時變場則是區域戰場對抗雙方做運動時，擾動靜態場所產生出相對的電磁效應和各自方以自身任務需求所產生的電磁效應合成的電磁效應場。

對于時變場而言，是生成區域復雜電磁環境的主發生源，它的主要表現形式是電磁波或電磁脈沖。時變場具有很強的干擾能力和滲透能力。而對于靜態場而言，則是雜波噪聲背景源。圖1所示為仿真電磁效應靜態場和時變場組成的區域復雜電磁環境圖。

圖1 仿真區域復雜電磁效應環境

在圖1中的三角形面代表為運動平臺物體，橢圓面和圓面則代表物體平臺運動與自身作用產生的時變電磁效應場（即時變場），而整體方形面就代表著自然環境的靜態電磁效應場（即靜態場），其仿真模型算法的理論輸出結果能與實際較為一致。

2.2 電磁波與脈沖作用力

電磁波與脈沖都是電磁能釋放量的主要表現形式，而電磁脈沖是電磁波在T周期內以t時間棸放波形能量的過程。在自然環境中，具有固定頻率的電磁波能很好地傳輸電子信息和電磁能量，其作用方式能將電子信息傳輸到所規定的范圍中；也能以瞬間高能量波形作用干擾和燒穿正在使用中電子設備等。在自然界中，電磁波都存在于各自的頻率范圍內，而劃定這些頻率范圍的定界標份可稱為電磁頻譜。仿真電磁波與脈沖作用力，應依照電磁波學定律與能量守恒定律做仿真模型指導。其仿真的描述語言大體是［3］：

1）高頻率，偶極振子，大能量變化的磁場激發渦旋電場和變化的電場激發渦旋磁場。自然環境的電磁波特性；

2）以能量守恒定律為約束的發射平均能流密度 Sˉ∝f4，自 然 空 間 體 的 電 磁 輻 射 能 量Sˉ∝ p2sin2θ ；

3）電磁波能流密度，既電磁波能流密度正比于電場或磁場振幅的平方Sˉ∝或；

4）電磁波中的電磁脈沖能量關系式，即電磁頻率 f與周期T的衡量是1時，即T=，其在T周期內極勵過程的電磁脈沖能量就是t時刻的J=fT（J為焦耳）。

針對上述4點描述語言，可用圖2的仿真單位電磁波與電磁脈沖作用力形象化展示圖。

圖2 仿真單位電磁波與電磁脈沖作用力

在圖2中所標示的圓圈串代表單位電磁波；虛直線代表單位電磁脈沖，所仿真模型生成的理論結果基本符合實際要求。

2.3 電磁頻譜與兼容效能關系

我們從上述對電磁波的基本描述中可知，傳輸電磁信號基本項是由頻率所確定的。為此，電磁信號作用能力主要取決于可控范圍內的電磁頻譜應用。而多個電磁頻譜生成的電磁信號應用，必須具有頻譜互不相干擾的兼容性。對于電磁兼容，則是管控電磁頻譜互不產生干擾影響的效能應用。因此，電磁頻譜與電磁兼容的效能關系是：以保證各電磁頻譜信號能力為要點的完善管控收發電磁信號的使用率，則能使電磁信號作用力得到充分發揮。這種區域內的各類電磁頻譜信號應用，則都能使該區域電磁環境復雜化；若無完善的電磁兼容，所需的電磁信號作用時，其效能就會大大降低，甚至會使信號無法收發。仿真電磁頻譜與兼容效能關系，主要指導描述語言是自發源干擾效能影響度模型的關系表達式所確定。該關系表達式有兩部分：

1）電磁頻譜也稱為電磁波譜，按國際計量標準知，任何頻率電磁波的傳輸速度是c=3×108m/s，其頻率 f與波長λ成反比關系

由式（5）能對應劃分出所對應的電磁頻譜，電磁頻譜電磁頻譜的分配方式［4］：按國際規定的頻譜劃分基礎上對具體的每一段頻譜的細致劃分。包括將頻譜分成幾大塊，以共不同類型的業務之用，范圍基本是9kHz～275GHz，共劃分為297項（段）。

2）電磁兼容是使同一電磁環境中的各電磁信號都能發揮作用力，而又互不干擾［5］。即電磁兼容是一體化電磁應用抗自身干擾控制作用效能發揮的表達式。電磁兼容抗自身干擾形式主要有屏蔽、接地、抑制等。

對于電磁頻譜與兼容效能關系的仿真，可用圖3給以抽象化的表示。

圖3 仿真抽象化電磁頻譜與兼容效能關系

圖3 的仿真模型方式在理論上是可行的，能輸出與之較相等的結果。

2.4 電磁全向與定向輻射

電磁全向與定向輻射，是指電磁發生器前端的收發過程。如前端為球狀體或環狀體，其收發是以360°環全向電磁輻射為作用能力特征；而前端為凹透狀體時，其收發則是以定向電磁輻射為作用能力特征。

1）全向電磁輻射常使用于廣播通信任務，開辟電子干擾走廊任務等。隨著電子技術的不斷發展，最具全向電磁輻射還具有全波段的跳頻和擴頻作用能力，是區域內復雜電磁環境最強干擾源，也是數據鏈通信系統最常使用的信號源。還有大自然環境所構成的背景產生出的全向輻射狀態。

2）定向電磁輻射主要應用于點點通信、雷達照射和指定方向干擾等任務。它在區域內所形成的復雜電磁環境是帶狀，即帶狀區域的電磁輻射最強，具有很好的壓制能力或抗干擾能力。

對于電磁全向與定向輻射，不能只指電磁輻射而對光輻射不給以考慮，這會導致復雜電磁環境難成像原理的發生，使仿真的描述語言難以界定。所以，仿真出自然區域內電磁輻射的復雜電磁環境描述，應采用光電輻射復雜環境描述語言進行解析，這才能使仿真的復雜電磁環境較真實，但在構建模型時應有輕重之分，避免也造成仿真難度加大的現象發生［6］。圖4是本文假定帶有電磁輻射功能的區域復雜電磁環境圖。

圖4 仿真全向與定向電磁輻射復雜電磁環境

在圖4中，圖示出兩種向性輻射，其中的虛直線狀所代表為仿真全向輻射；串線狀則是代表為仿真定向輻射。對于這兩種輻射的仿真模型理論輸出結果基本符合實際值。

3 仿真構建方式

仿真電磁海戰場，是將海戰場態勢與戰場電磁使用率進行相結合，仿真出具有復雜電磁環境海戰場態勢場景的過程模式。其整體的構建方式如圖5所示。

圖5 仿真電磁海戰場構建方式圖

從圖5可知，一個基本仿真電磁海戰場須有四大模型件進行構建，以下是這些模型件的基本描述。

3.1 區域海戰場態勢場景模型件

本仿真模型件是確定被測評估對象在虛擬區域內態勢狀況的部件，是模擬體系對抗作戰的基礎。該模型件的基本與現有仿真劇情生成運行演示系統相一致，其總體功能結構概括有［7］：對抗雙方兵力部署編輯與顯示，標注被檢測評估對象運動軌跡及軍標態勢動畫聯動模式，實時仿真標注被測對象數據表和曲線進行過程中的關鍵事件顯示狀態，當前仿真時間和仿真持續時間RTI的統一效時，仿真態勢結果的統計等。對于本仿真模型件運作時，第一時間段是制定好作戰區域，再進行整體性區域態勢作戰的運行，生成出一般檢測機制所需的對抗作戰虛擬劇情。該模型件結構如圖6所示。

圖6 作戰劇情態勢系統結構

對于圖6中的人機交互是指設定地理作戰區域時的變更狀態參數。

3.2 電磁能參數輸入代理模型件

本仿真模型件是制定所設作戰區域電磁效應場生成條件的部件。其仿真功能結構是：代理區域自然變更時電磁環境效應場狀態參數輸入，代理虛擬對抗方時段性生成電磁環境效應場狀態參數輸入，代理被測評估方模擬發生電信號生成的電磁環境效應場狀態輸入等。該模型件代理機制是多對多任務分配的模式，對它的基本描述是［8］：有m個任務需分配給n個代理完成，一個任務最多可以分配給u個代理并行求解，通過將不同代理所有結果進行沖突消解得到最終解；每個代理最多能接收v個任務。根據多對多任務分配的定義，首先給出任務分配的數學模型，設計了任務分配代價函數來求解任務分配代價；其次，根據任務分配的設計目標，引入性能影響因子與任務分配代價函數相結合，給出了任務分配進行組合優化時所遵循的目標函數。而該目標函數是生成復雜電磁環境的基本模型函數，為使該目標函數具有可連續復雜電磁效應場環境，本模型件中同時也設定一個數據池，滿足虛擬變化的需要。因為數據池一方面能對應于不同應用服務任務所涉及的測試評估數據集，另一方面也能為仿真復雜電磁效應場回放提供腳本參量。數據池也可以在大數據量的情況下（潛在的包含數個虛擬代理測試用戶執行上千條事務）自動提取測試數據給虛擬代理測試用戶［9］。

3.3 區域電磁效應環境場視模型件

本模型件是將所處理形成的仿真復雜電磁環境數據，利用數據生成圖形方式展現成區域場視覺圖，使人們能更好地一目了然，以知曉檢測評估中各時段及整體過程的電磁海戰場態勢。它們的數學基本描述表達式如下［10］。

1）描述戰場區域自然環境噪聲雜波信號數學模型表達式：

（1）反射面電磁雜波信號數學表達式

（2）反射體電磁雜波信號數學表達式

①金屬霧云

其中，σ為平均單位射頻截面積；λ為射頻入射波長；σˉc為云等效面積；η為后向散射系數；θα為射頻水平波束寬度；θe為射頻垂直波束；R為射頻端與反射金屬云的距離；τ為射頻脈沖寬度。

②水滴霧云

其中，z為雜波通用反射系數；m為水滴復折射系數。

2）描述戰場區域對抗雙方射頻信號數學模型表達式：

（1）遮掩調頻干擾噪聲

其中，un(τ)為調制信號，使用噪聲與函數（正弦、鋸齒或角波等）疊加；為干擾功率傳輸衰減；γj為干擾信號對射頻信號的極化損失；F(t，θj)為探測接收端對有源干擾的掃描調制。

（2）欺騙距離拖引干擾信號

①距離門拖距時間

其中，V0為射頻掃描速率；B2d為波門寬度；t2為門滑掃止時刻。

②距離門拖引速率

3.4 海戰場復雜電磁環境效果輸出模型件

本模型件是仿真海戰場復雜電磁環境對被測對象實行正確評估的關鍵接口部件。它由三個輸出端組成，即一個被測對象單一性數字接口；一個協助性檢測評估數字接口，還有一個虛擬對抗性自適應改變電磁環境狀態的數字接口。這三個接口在該模型件實行并行交互處理計算，以達到對被測對象具有戰場效應的檢測評估作用［11］。

對于被測對象單一性數字接口，主要輸出的數據是：能影響或嚴重影響被測對象正常工作的數據；能壓制或威脅被測對象，使其作用能力減弱和喪失（功能和性能崩潰）的數據；通過計算被測對象自身射頻工作時生成的電磁噪聲干擾數據。

對于協助性檢測評估數字接口，主要輸出的數據有：能虛擬威脅被測對象，以達到能檢測評估出其作用能力的健壯性參考數據；降級性參考數據；全失效后，應對的主要功能或是全部功能恢復時的延遲性參考數據；協助檢測評估時對被測對象發生射頻指令時，虛擬產生自身干擾性噪聲參考數據；被測體系間的對象單元協同工作生成的干擾性參考數據。

對于虛擬對抗性自適應改變電磁環境狀態的數字接口，主要輸出的數據有：被測對象作用能力后虛擬改變了電磁環境狀態所設定閾值參數范圍數據，虛擬對抗方在該改變后，再采用所設定能力范圍內以自適應計算重新劃定虛擬對抗射頻閾值參數范圍，以重新增強虛擬電磁復雜環境。

4 結語

對于仿真電磁海戰場的文獻已有很多，其內容都有很好的對海戰場電磁復雜性分析性，使這方面的研究能不斷向前發展與推動，并為一些單面范圍內對作戰系統對象的檢測評估提供有力的幫助。本文的內容是以被測對象為主題，研究內容為體系、平臺、系統作為依據，開展較為全方位性的分析，使研究的檢測評估成為一種體系機制，這種體系機制不僅具有單面的作用能力，同時也具有全面的作用能力，只要能確定被測對象，就能以自適應套接方式進行即插即用的檢測評估，達到檢測評估符合對象實際性的要求。

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Research on the Electromagnetism Sea Battlefield of Simulation Building Based on Test Evaluating

YAN Hongshan1CHEN Zhihang2
（1.No.92232 Troops of PLA，Beijing 100161）（2.Wuhan Digital Engineering Institute，Wuhan 4302052）

The sea battlefield electromagnetism of simulation building based on test evaluating starts with electromagnetic field from practicality need.The relationships between electromagnetism wave and impulse，electromagnetism frequency and com?patibility，electromagnetism radiate full and directional are best to show.its hypotaxis can parse，test evaluating operation SoS in in?tricacy electromagnetism of campaign capacity is carried out.Therefor，the capacity can adapt the test evaluating of comples electro?magnetic environment effect by simulating the relationships.

electromagnetism affect，electron wave&impulse，electron channel&compatibility，electromagnetism radiate full&directional

Class Number TP391.9

TP391.9

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.12.021

2017年6月11日，

2017年7月23日

閆泓杉，女，碩士，工程師，研究方向：作戰系統驗證技術與質量可靠性管理技術。陳志航，男，高級工程師，研究方向：系統仿真檢測與驗證。