復雜電磁環境數字仿真系統研究

王東

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復雜電磁環境數字仿真系統研究

王東

（中國西南電子技術研究所，成都 610036）

為奪取未來戰場的制電磁權，縮小同國外先進水平的差距，需要構建一套標準化具可行性的復雜電磁環境數字仿真系統。從控制顯示、武器模型、戰場監測以及效能評估等角度出發，提出復雜電磁環境數字仿真系統的基本結構。論述控制系統、武器系統、監測系統、評估系統以及顯示系統等各分系統的具體設計方法。綜合考慮系統的重構性、擴展性、復用性以及操控性，搭建復雜電磁環境數字仿真系統的技術實現架構。為復雜電磁環境數字仿真系統的標準化與可行性的發展提供思路。

復雜電磁環境；仿真技術；系統架構；環境監測；系統評估

當前戰場對抗由海、陸、空、天、電等五個維度展開，而奪取空間電磁頻譜的控制權，將決定戰爭的最終走向[1]。海灣戰爭、阿富汗戰爭以及科索沃戰爭，是制電磁權的典型應用，并且在此后的伊拉克戰爭中，美軍可以精確地對對方目標實施壓制和摧毀。空間電磁控制權的取得，不僅依賴于裝備性能的優越，而且取決于對戰場電磁態勢的準確判斷以及對戰力的合理部署[2]。復雜電磁環境數字仿真能實時實地地對模擬戰場環境下的電磁頻譜進行分析，指導兵力戰力的部署以及武器裝備的優化，對奪取未來戰場的制電磁權具有重要意義。

以美國為首的西方國家針對復雜電磁環境數字仿真系統的建模、仿真和評估，已經相當成熟。例如，以色列ELISRA公司的NS-90002E系統美國ASDI公司的AMESII系統以及美國的星船系統等[3]。國內經過多年發展，也取得了一系列成果。例如，國防科學技術大學的靜態背景信號模擬器，山東大學的戰場復雜電磁環境模擬系統，洛陽電子裝備試驗中心也初步具備了模擬多波段、多類型和多樣式電磁信號環境的能力[4]。

由于國內對復雜電磁環境的仿真研究起步較晚，在武器裝備仿真、電磁特征數據庫、頻譜管理以及測試評估等方面，與國外先進水平存在巨大差距。因此，有必要構建一套標準化并具可行性的復雜電磁環境數字仿真系統，以滿足復雜電磁環境下武器裝備的適應性實驗和作戰能力評估，逐步縮小同國外先進水平的差距。

1 系統結構

復雜電磁環境數字仿真是利用計算機技術模擬現代戰爭中的戰場背景、武器性能、兵力部署以及戰斗推演等[5]，相比于實裝構建、半實物仿真，數字仿真的成本低、試驗周期短、試驗過程可控，并且不受時間、空間的制約。同時，隨著計算機技術的快速發展，仿真的虛擬場景越來越接近真實的戰場環境。

為模擬接近真實的數字復雜電磁環境，在結合現有體系的基礎上[6-8]，從控制顯示、武器模型、戰場監測以及效能評估等多個角度出發，提出復雜電磁環境數字仿真系統的基本結構，如圖1所示。

圖1 復雜電磁環境數字仿真系統結構

2 系統設計

復雜電磁環境數字仿真系統分為控制系統、武器系統、監測系統、評估系統以及顯示系統等五個方面，涵蓋了從前端輻射源信號產生到后端數據處理及分析評估的整個仿真流程。

2.1 武器系統

武器系統從波形傳播、功能單元以及載體平臺等三個層級進行數學建模，并提供了模型層級間的多種選擇：針對不同的應用需求，同一載體平臺可負載不同的功能單元；針對不同的仿真場景，同一功能單元可選擇不同的信號傳播模型，如圖2所示。

波形傳播模型[9-11]分為參數級仿真模型和信號級仿真模型，參數級仿真一般采用脈沖描述字（Pulse Description Words， PDW）的方法，對輻射源的各個參數進行簡單建模，以此反映出波形在傳播過程中的直觀變化；信號級仿真能逼真復現信號發射、傳播、接收以及處理的全過程，一般分為經驗模型和物理模型，每種模型的適用范圍和仿真精度各不相同。

功能單元是收發電磁波的輻射源，是完成搜索、跟蹤、干擾以及通信等不同功能的電子器件，按功能分為雷達、光電、電子戰、通信、導航以及識別等，每種功能單元有不同的硬件架構和軟件處理模式。例如，雷達按工作體制主要分為連續波雷達、單脈沖雷達、脈沖壓縮雷達、脈沖多普勒雷達、相控陣雷達、數字相控陣雷達以及合成孔徑雷達等，不同工作體制的雷達，其原理、用途、結構、性能參數以及信號處理方式等均不相同。

載體平臺可安置不同的功能單元，按海、陸、空分為機載、艦載、車載以及彈載。每類載體平臺按用途可分為多個種類，如機載平臺包括空中優勢飛機、地面攻擊飛機、戰略轟炸機、海上巡邏飛機、戰場監視飛機以及空中預警飛機等；艦載平臺包括戰列艦、巡洋艦、驅逐艦、護衛艦以及潛艦等；車載平臺包括裝甲車、坦克等；彈載平臺包括空面導彈、空空導彈、地空導彈以及潛地導彈等。每種載體平臺的功能用途以及性能參數各不相同，可參照現有的模型進行仿真，主要考慮平臺姿態、作戰半徑、運動速度以及武器懸掛等因素。

武器系統采用分層設計和模塊設計的思路，為復雜電磁環境數字仿真構建武器戰力體系，通過調用和加載各個作戰單元，以滿足不同的仿真場景。

2.2 控制系統

控制系統[12-13]是根據不同的任務需求和目的，按照給定的規則，通過對設備和參數的控制，完成對仿真過程的調整和推演。主要功能包括方案生成、任務規劃、環境控制和過程推演，如圖3所示。

圖3 控制系統

1）方案生成是在需求分析的基礎上，分別從地圖數據庫和武器數據庫中調用任務所需的地圖和武器，并初始化場景視景、傳感器模型以及工作狀態參數等。

2）任務規劃主要包括路徑規劃、時序規劃以及節點規劃。路徑規劃是描述各個載體平臺在空間范圍內的運行軌跡；時序規劃是描述功能單元在時間序列中的工作順序，如開機關機的時間點、工作時長等；節點規劃是描述完成階段性任務節點時所要求的狀態。

3）環境控制主要是針對設備和參數的控制。設備包括模擬器設備、采集設備、處理設備以及顯示設備，如頻譜選擇、采樣率、顯示方式等。參數分為載體平臺參數和功能單元參數兩類，如運動速度、姿態角、信號類型、工作帶寬、天線掃描方向等。

4）過程推演通過記錄與回放存儲信息，來完成運動推演和事件推演，并以此動態調整環境控制參數。信息存儲分為基礎數據和動態數據兩類，其中基礎數據是指仿真系統配置的固定不變的數據，動態數據是指仿真過程中產生的可變的數據。過程推演和環境控制通過人機交互進行調整。

控制系統是復雜電磁環境數字仿真系統的控制中心，用于發出控制指令，實現對整個仿真系統的控制。為反映真實的戰場動態環境，控制系統應具備高性能的實時計算能力和高精度的時間同步技術。

2.3 監測系統

監測系統[14-15]是將特定頻域、時域和空域的各類電磁輻射信號進行采集和處理，并分析處理后的數據，以此作為系統評估的依據。監測系統主要包括監測計劃、采集處理以及監測分析，如圖4所示。

圖4 監測系統

1）監測計劃是對復雜電磁環境的特定頻域區間、時域時長、空間位置以及區域大小等進行相應設置，并將計劃指令下達至數據采集和處理模塊。

2）采集處理是將監測數據進行采樣與存儲，并進行信號提取、信息分析、信源推算以及數據融合等處理。信號提取是將真實信號從噪聲、雜波和干擾中提取出來，包括濾波處理、雜波處理以及抗干擾處理等；信息分析是從信號中得到目標距離、速度、方位等有用的信息，包括匹配濾波、多普勒處理以及成像算法等；信源推算是通過目標信息推算出信號真實的輻射源；數據融合則是對真實信源的信息進行采集、傳輸、綜合、過濾、合成等。

3）監測分析是基于監測結果對頻譜、態勢、威力影響、干擾范圍以及動態決策等內容進行分析，分析結果作為系統評估的依據。

監測系統可根據不同的任務需求，實現對復雜電磁環境數字仿真系統的數據采集、分析、統計、融合、記錄等功能，并向外部系統提供有效的監測數據，實時性和數據處理性能要求較高。

2.4 評估系統

評估系統[16-17]是依據仿真任務的需求和空域、時域、頻域以及能量域的特征，選擇適當的評估指標和評估方法，對復雜電磁環境下的武器裝備進行適應性評估和作戰能力評估。評估系統主要包括評估指標、評估方法以及評估結果，如圖5所示。

圖5 評估系統

1）評估指標應結合仿真平臺的實際能力，選擇能反映武器裝備客觀情況的參數。信號密集度能反映監測設備在單位時間內可能接收到的信號數量；信號動態范圍能反映信號功率密度的變化范圍；信號樣式數量能反映同一信號樣式的輻射源個數；頻率重合度能反映輻射源的頻域擁擠程度；頻帶占用度能反映可供使用的備用頻率資源情況；時間占用度能反映電子設備的正常工作時間；空域覆蓋率能反映電磁信號環境與電子設備在空域上的沖突。

2）評估方法主要包括四域法、層次分析法、D-S證據理論以及BP神經網絡方法等。四域法的評估指標沒有引入權值，直接將復雜電磁環境按4個評估指標和10個定性的復雜度等級分為104類進行評估；層次分析法通過咨詢專家意見建立標度準則，并構造模糊互補判斷矩陣求解權重，是一種定性和定量相結合的決策方法；D-S證據理論綜合多個傳感器的基本信息分配，通過專家設定模糊控制規則，以此得到一個新的信息分配；BP神經網絡方法具有聯想與記憶能力，通過學習與訓練得到指標權值，能夠反映多元素之間的高度非線性關系。

3）評估結果分為適應性評估結果和作戰能力評估結果。其中，復雜度等級和復雜度綜合值分別對電磁環境復雜程度作定性和定量評估，反映了武器裝備對環境的適應能力；武器效能、系統損耗以及作戰效果反映了武器裝備在復雜電磁環境下的作戰能力。

評估系統是對復雜電磁環境下的武器裝備是否符合應用需求而進行的整體評價與估計，指標選擇應基于實際情況且范圍全面，評估結果對武器裝備的選擇和設計具有指導意義。

2.5 顯示系統

顯示系統是對復雜電磁環境數字仿真系統的可視化，依據需求顯示場景視景、仿真模型、電磁頻譜以及電磁態勢等。顯示系統包括靜態顯示、動態顯示、二維數據顯示以及三維數據顯示，本節主要分析等值面提取繪制和直接體繪制兩種常用的三維數據場繪制方法[18]。

等值面提取繪制方法是利用三維數據場相同特征值的位置點，構建多邊形網格，從而表現數據場的等值特征信息。常用的等值面構建方法有Marching Cubes（MC）方法和Marching Tetrahedra（MT）方法等。等值面提取繪制方法不能反映原始數據場的全貌和細節，但是繪制等值面網格有圖形硬件支持，且能反映原始數據場的表面輪廓信息。

直接體繪制方法根據數據映射關系，將三維數據場映射成二維圖像。直接體繪制方法需要在功能性、交互性和高質量之間進行權衡，常用的方法有：以圖像為序、以物體為序和基于硬件加速等。直接體繪制方法能反映三維數據場的整體信息，繪制圖像質量高，但是計算量大，繪制效率低。

3 系統實現

在模型構建、理論應用和技術研究的基礎上，綜合考慮系統的重構性、擴展性、復用性以及操控性，搭建復雜電磁環境數字仿真系統的技術實現架構，如圖6所示。

仿真系統技術實現的流程為：從地圖數據庫和武器數據庫中調用能滿足仿真需求的地圖和武器；通過對信號模型、功能單元和載體平臺的參數控制，實現任務規劃；由路徑、時序和節點的規劃，完成仿真過程的運動推演和事件推演，并且通過人機交互反饋參數控制；根據監測計劃的指令，完成數據采集并存儲；對采集到的數據作指標選擇和數據處理，完成系統評估和檢測分析；仿真過程中，由設備控制完成對硬件設備的控制。

圖6 系統技術實現架構

4 結語

文中綜合當前相關技術背景下的諸多研究成果，提出復雜電磁環境數字仿真系統的基本結構，論述了武器系統、控制系統、檢測系統、評估系統以及顯示系統等各分系統的設計方法，搭建復雜電磁環境數字仿真系統的技術實現架構，為復雜電磁環境數字仿真系統的標準化與可行性的發展提供思路。

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Digital Simulation System of Complex Electromagnetic Environment

WANG Dong

(Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)

To seize the electromagnetic dominance on the battlefield, and narrow the gap with foreign advanced level, it is necessary to build a standard and feasible digital simulation system for complex electromagnetic environment.Based on control and display, weapon model, battlefield surveillance, performance evaluation, etc, the basic structure of complex electromagnetic environment digital simulation system was proposed. The specific design methods of control system, weapon system, monitoring system, evaluating system and display system were discussed.The technical implementation architecture of the complex electromagnetic environment digital simulation system was set up based on considering configurability, extensibility, reusability and controllability.It provides thought for standard and feasible development of the complex electromagnetic environment digital simulation system.

complex electromagnetic environment; simulation technology; system architecture;, environment monitoring; system evaluation

10.7643/ issn.1672-9242.2018.01.020

TJ01；TP391.9

A

1672-9242(2018)01-0100-05

2017-08-28；

2017-09-14

王東（1990—），男，重慶人，碩士，工程師，主要研究方向為復雜電磁環境。