王東

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復雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)研究

王東

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036）

為奪取未來戰(zhàn)場的制電磁權(quán)，縮小同國外先進水平的差距，需要構(gòu)建一套標準化具可行性的復雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)。從控制顯示、武器模型、戰(zhàn)場監(jiān)測以及效能評估等角度出發(fā)，提出復雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。論述控制系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、評估系統(tǒng)以及顯示系統(tǒng)等各分系統(tǒng)的具體設(shè)計方法。綜合考慮系統(tǒng)的重構(gòu)性、擴展性、復用性以及操控性，搭建復雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)架構(gòu)。為復雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)的標準化與可行性的發(fā)展提供思路。

復雜電磁環(huán)境；仿真技術(shù)；系統(tǒng)架構(gòu)；環(huán)境監(jiān)測；系統(tǒng)評估

當前戰(zhàn)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(quán)，將決定戰(zhàn)爭的最終走向[1]。海灣戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭以及科索沃戰(zhàn)爭，是制電磁權(quán)的典型應(yīng)用，并且在此后的伊拉克戰(zhàn)爭中，美軍可以精確地對對方目標實施壓制和摧毀?？臻g電磁控制權(quán)的取得，不僅依賴于裝備性能的優(yōu)越，而且取決于對戰(zhàn)場電磁態(tài)勢的準確判斷以及對戰(zhàn)力的合理部署[2]。復雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真能實時實地地對模擬戰(zhàn)場環(huán)境下的電磁頻譜進行分析，指導兵力戰(zhàn)力的部署以及武器裝備的優(yōu)化，對奪取未來戰(zhàn)場的制電磁權(quán)具有重要意義。

以美國為首的西方國家針對復雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)的建模、仿真和評估，已經(jīng)相當成熟。例如，以色列ELISRA公司的NS-90002E系統(tǒng)美國ASDI公司的AMESII系統(tǒng)以及美國的星船系統(tǒng)等[3]。國內(nèi)經(jīng)過多年發(fā)展，也取得了一系列成果。例如，國防科學技術(shù)大學的靜態(tài)背景信號模擬器，山東大學的戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)，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(huán)境的能力[4]。

由于國內(nèi)對復雜電磁環(huán)境的仿真研究起步較晚，在武器裝備仿真、電磁特征數(shù)據(jù)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(gòu)建一套標準化并具可行性的復雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)，以滿足復雜電磁環(huán)境下武器裝備的適應(yīng)性實驗和作戰(zhàn)能力評估，逐步縮小同國外先進水平的差距。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

復雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真是利用計算機技術(shù)模擬現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的戰(zhàn)場背景、武器性能、兵力部署以及戰(zhàn)斗推演等[5]，相比于實裝構(gòu)建、半實物仿真，數(shù)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(shù)的快速發(fā)展，仿真的虛擬場景越來越接近真實的戰(zhàn)場環(huán)境。

為模擬接近真實的數(shù)字復雜電磁環(huán)境，在結(jié)合現(xiàn)有體系的基礎(chǔ)上[6-8]，從控制顯示、武器模型、戰(zhàn)場監(jiān)測以及效能評估等多個角度出發(fā)，提出復雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 復雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)設(shè)計

復雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)分為控制系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、評估系統(tǒng)以及顯示系統(tǒng)等五個方面，涵蓋了從前端輻射源信號產(chǎn)生到后端數(shù)據(jù)處理及分析評估的整個仿真流程。

2.1 武器系統(tǒng)

武器系統(tǒng)從波形傳播、功能單元以及載體平臺等三個層級進行數(shù)學建模，并提供了模型層級間的多種選擇：針對不同的應(yīng)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(shù)級仿真模型和信號級仿真模型，參數(shù)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(shù)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(xiàn)信號發(fā)射、傳播、接收以及處理的全過程，一般分為經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃臀锢砟Ｐ?，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(fā)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(zhàn)、通信、導航以及識別等，每種功能單元有不同的硬件架構(gòu)和軟件處理模式。例如，雷達按工作體制主要分為連續(xù)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(shù)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(jié)構(gòu)、性能參數(shù)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(yōu)勢飛機、地面攻擊飛機、戰(zhàn)略轟炸機、海上巡邏飛機、戰(zhàn)場監(jiān)視飛機以及空中預警飛機等；艦載平臺包括戰(zhàn)列艦、巡洋艦、驅(qū)逐艦、護衛(wèi)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(shù)各不相同，可參照現(xiàn)有的模型進行仿真，主要考慮平臺姿態(tài)、作戰(zhàn)半徑、運動速度以及武器懸掛等因素。

武器系統(tǒng)采用分層設(shè)計和模塊設(shè)計的思路，為復雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真構(gòu)建武器戰(zhàn)力體系，通過調(diào)用和加載各個作戰(zhàn)單元，以滿足不同的仿真場景。

2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)[12-13]是根據(jù)不同的任務(wù)需求和目的，按照給定的規(guī)則，通過對設(shè)備和參數(shù)的控制，完成對仿真過程的調(diào)整和推演。主要功能包括方案生成、任務(wù)規(guī)劃、環(huán)境控制和過程推演，如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)

1）方案生成是在需求分析的基礎(chǔ)上，分別從地圖數(shù)據(jù)庫和武器數(shù)據(jù)庫中調(diào)用任務(wù)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(tài)參數(shù)等。

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

3）環(huán)境控制主要是針對設(shè)備和參數(shù)的控制。設(shè)備包括模擬器設(shè)備、采集設(shè)備、處理設(shè)備以及顯示設(shè)備，如頻譜選擇、采樣率、顯示方式等。參數(shù)分為載體平臺參數(shù)和功能單元參數(shù)兩類，如運動速度、姿態(tài)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(tài)調(diào)整環(huán)境控制參數(shù)。信息存儲分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)兩類，其中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是指仿真系統(tǒng)配置的固定不變的數(shù)據(jù)，動態(tài)數(shù)據(jù)是指仿真過程中產(chǎn)生的可變的數(shù)據(jù)。過程推演和環(huán)境控制通過人機交互進行調(diào)整。

控制系統(tǒng)是復雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)的控制中心，用于發(fā)出控制指令，實現(xiàn)對整個仿真系統(tǒng)的控制。為反映真實的戰(zhàn)場動態(tài)環(huán)境，控制系統(tǒng)應(yīng)具備高性能的實時計算能力和高精度的時間同步技術(shù)。

2.3 監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測系統(tǒng)[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(shù)據(jù)，以此作為系統(tǒng)評估的依據(jù)。監(jiān)測系統(tǒng)主要包括監(jiān)測計劃、采集處理以及監(jiān)測分析，如圖4所示。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)

1）監(jiān)測計劃是對復雜電磁環(huán)境的特定頻域區(qū)間、時域時長、空間位置以及區(qū)域大小等進行相應(yīng)設(shè)置，并將計劃指令下達至數(shù)據(jù)采集和處理模塊。

2）采集處理是將監(jiān)測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jiān)測分析是基于監(jiān)測結(jié)果對頻譜、態(tài)勢、威力影響、干擾范圍以及動態(tài)決策等內(nèi)容進行分析，分析結(jié)果作為系統(tǒng)評估的依據(jù)。

監(jiān)測系統(tǒng)可根據(jù)不同的任務(wù)需求，實現(xiàn)對復雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、分析、統(tǒng)計、融合、記錄等功能，并向外部系統(tǒng)提供有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)，實時性和數(shù)據(jù)處理性能要求較高。

2.4 評估系統(tǒng)

評估系統(tǒng)[16-17]是依據(jù)仿真任務(wù)的需求和空域、時域、頻域以及能量域的特征，選擇適當?shù)脑u估指標和評估方法，對復雜電磁環(huán)境下的武器裝備進行適應(yīng)性評估和作戰(zhàn)能力評估。評估系統(tǒng)主要包括評估指標、評估方法以及評估結(jié)果，如圖5所示。

圖5 評估系統(tǒng)

1）評估指標應(yīng)結(jié)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(shù)。信號密集度能反映監(jiān)測設(shè)備在單位時間內(nèi)可能接收到的信號數(shù)量；信號動態(tài)范圍能反映信號功率密度的變化范圍；信號樣式數(shù)量能反映同一信號樣式的輻射源個數(shù)；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(shè)備的正常工作時間；空域覆蓋率能反映電磁信號環(huán)境與電子設(shè)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(jù)理論以及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等。四域法的評估指標沒有引入權(quán)值，直接將復雜電磁環(huán)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(gòu)造模糊互補判斷矩陣求解權(quán)重，是一種定性和定量相結(jié)合的決策方法；D-S證據(jù)理論綜合多個傳感器的基本信息分配，通過專家設(shè)定模糊控制規(guī)則，以此得到一個新的信息分配；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法具有聯(lián)想與記憶能力，通過學習與訓練得到指標權(quán)值，能夠反映多元素之間的高度非線性關(guān)系。

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

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

2.5 顯示系統(tǒng)

顯示系統(tǒng)是對復雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)的可視化，依據(jù)需求顯示場景視景、仿真模型、電磁頻譜以及電磁態(tài)勢等。顯示系統(tǒng)包括靜態(tài)顯示、動態(tài)顯示、二維數(shù)據(jù)顯示以及三維數(shù)據(jù)顯示，本節(jié)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(shù)據(jù)場繪制方法[18]。

等值面提取繪制方法是利用三維數(shù)據(jù)場相同特征值的位置點，構(gòu)建多邊形網(wǎng)格，從而表現(xiàn)數(shù)據(jù)場的等值特征信息。常用的等值面構(gòu)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(shù)據(jù)場的全貌和細節(jié)，但是繪制等值面網(wǎng)格有圖形硬件支持，且能反映原始數(shù)據(jù)場的表面輪廓信息。

直接體繪制方法根據(jù)數(shù)據(jù)映射關(guān)系，將三維數(shù)據(jù)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(zhì)量之間進行權(quán)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(shù)據(jù)場的整體信息，繪制圖像質(zhì)量高，但是計算量大，繪制效率低。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

在模型構(gòu)建、理論應(yīng)用和技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮系統(tǒng)的重構(gòu)性、擴展性、復用性以及操控性，搭建復雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)架構(gòu)，如圖6所示。

仿真系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)的流程為：從地圖數(shù)據(jù)庫和武器數(shù)據(jù)庫中調(diào)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(shù)控制，實現(xiàn)任務(wù)規(guī)劃；由路徑、時序和節(jié)點的規(guī)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(shù)控制；根據(jù)監(jiān)測計劃的指令，完成數(shù)據(jù)采集并存儲；對采集到的數(shù)據(jù)作指標選擇和數(shù)據(jù)處理，完成系統(tǒng)評估和檢測分析；仿真過程中，由設(shè)備控制完成對硬件設(shè)備的控制。

圖6 系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)架構(gòu)

4 結(jié)語

文中綜合當前相關(guān)技術(shù)背景下的諸多研究成果，提出復雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，論述了武器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、評估系統(tǒng)以及顯示系統(tǒng)等各分系統(tǒng)的設(shè)計方法，搭建復雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)架構(gòu)，為復雜電磁環(huán)境數(shù)字仿真系統(tǒng)的標準化與可行性的發(fā)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(huán)境。