工程师职称论文战场复杂电磁环境分析研究

　　随着现代军事的不断发展，经济、政治、文化、安全等各个方面对电磁频谱资源的依赖也越来越高，有限的频谱资源与无限的频谱需求之间的矛盾日趋激烈。同时，应用种类和数量的增加使得电磁环境的复杂性呈指数上升。因此，对复杂电磁环境进行分析，寻找其变化规律，从而构建虚拟电磁环境，并在其上进行推演应用，准确把握战场电磁态势，其重要性不言而喻。

　　2 战场复杂电磁环境分析

　　战场电磁环境是指一定的战场空间内对作战有影响的电磁活动和现象的总和，即在一定的战场空间内，由空域、时域、频域、能量上分布的数量繁多、样式复杂、密集重叠的电磁信号构成的电磁环境[1]。

　　从广义上讲，凡是存在电磁属性和时变电磁场传播所涉及的一切物质、空间均属电磁环境范畴。而狭义的电磁环境是指时变电磁场传播的特定空间，在此空间里存在着电磁应用产生的各种电磁信号。战场电磁环境则是由作战地理空间内的各类电磁场和电磁波组成的物理空间。

　　大量信息化武器设备和系统的装备和对抗应用，使得电磁环境已经成为第五维战场空间，不仅敌对双方围绕电磁优势和制电磁权进行激烈争夺，更有可能对整个战争的胜负都产生重大影响。

　　3 电磁环境虚拟推演技术

　　频谱管理的一个重要的输入是电磁环境地图，在系统仿真中需要利用不同复杂程度的电磁背景环境进行对比，才能对系统在不同环境下的运行效能给出定量的分析，这就需要根据作战想定建立虚拟的战场电磁环境[2]。

　　一方面，虚拟战场电磁空间为频谱感知提供原始数据，仿真系统根据频谱感知系统的参数可以得到电磁环境地图的测量值，根据这个测量值，利用频率指配算法生成用频方案，在虚拟战场电磁空间中的频谱使用效能仿真结果可以反映频谱感知系统的效能。

　　另一方面，频率指配、干扰协调、策略服务等业务均需要最大限度保证设备间的频率兼容。对不同算法给出的频谱方案在战场电磁空间中的干扰验证，可以验证频率指配方案的频率兼容性，从而验证不同指配算法和频谱策略的效能。

　　采用细粒度模拟表征方法描述电磁环境，结合电磁空间传播建模应用技术，建立电磁频谱环境中的作用参数体系，搭建电磁环境虚拟推演应用平台。

　　3.1 总体设计

　　战场电磁环境虚拟推演的主要功能：通过战场电磁环境虚拟推演应用平台，建立相关的电磁模型、背景噪声模型、干扰分析模型、多维频谱数据模型共四种模型共同完成战场电磁环境模拟，使其作为频谱管理系统频谱感知、频率指配、干扰协调、策略服务和效能评估等仿真的参考依据。战场电磁环境虚拟推演应用平台可以从电磁辐射角度对仿真结果进行分析和推演[3]。同时，系统得出的相关数据，可为策略方案提供判断。电磁模型和背景噪声模型可以依托ITU的现有标准进行建模，干扰分析模型则需要根据具体装备的特点进行专题研究。战场电磁环境虚拟推演应用平台的组成框架如图1所示：

　　3.2 主要组成

　　(1)电波传播模型

　　传播模型表征的是在某种特定环境或传播路径下电波的传播损耗情况，其主要研究对象是传播路径上障碍物阴影效应带来的慢衰落影响。在战场电磁环境虚拟推演应用平台中，通过建立相应的电波传播模型，从而提供计算与分析的解决方案。它提供与电磁传播相关的分析方法、计算方案和运算法则，以地物的电磁属性为基础，并能根据不同的特征地貌轮廓做出适当的调整，对模型进行校正。既要考虑电波传播方式的不同，如直射、绕射、多径;又要对电磁波的传播途径、自由空间损耗、多径反射计算、降雨衰减和天线极化衰减等问题进行分析建模[4]。

　　电磁波在空间传播，由于不同的传播空间环境和电波特性，具有不同的传播模式，如山区电波传播模型、海平面电波传播模型、陆海移动电波传播模型等。由于篇幅所限，本文关于传播模型不做赘述。

　　(2)背景噪声模型

　　在大量的监测数据中，包含有频谱资源使用情况和电磁环境变化规律等信息。对海量的监测数据进行分析，找出背景噪声在时间、频率维的一些规律，构造一个粗略的通用噪声模型，便于评估整个电磁环境的背景噪声。其核心是建立战场中背景噪声模型，以虚拟的、数字的形式描述出来，建立和辐射参量相关的数字描述模型。建模时，主要从时域、空域、频率域、信号域、波形参数、设备工作参数等方面综合考虑。

　　以广州2013年6月的某5天监测历史数据为例，频率范围30―88MHz，频率间隔25kHz。将每5分钟扫描1次的数据统计成每小时1条记录，然后计算5天每小时的均值与方差，最后得出 24×2321个μ与σ。再用这些μ与σ进行噪声N的预测，可按照以下方法取得：

　　即均值加上方差，在方差前乘以一个系数，这个系数是在-1到1之间随机取得，以此保证不同天同小时同频点的值围绕均值上下波动。

　　取第2天的真实数据，下面分别计算关于时间和频点的误差，得知关于频率的Rmse：

　　由此可知，用连续几天历史数据的统计值(均值/方差)代入公式(1)，计算出来的值在误差允许的范围内可以替代这些天每5分钟扫描的值，这样可以预测未来1天或者1小时的背景噪声。当然，具体取间隔几天要根据需求和允许的误差来定。不过由于噪声的随机性，不能保证每次误差都很小，通过多次蒙特卡罗试验发现误差很大的概率可以控制在很小的范围内。

　　(3)干扰分析模型

　　干扰分析模型的基本思路是：无线电设备间干扰分析可归结为成对无线电设备间的干扰分析和互调干扰分析两大类。成对设备干扰类型包括发射机基频对接收机基频、发射机基频对接收机中频、发射机基频对接收机镜频、发射机基频对接收机本振、发射机基频对接收机本振镜频、发射机谐波对接收机基频等干扰类型。互调干扰中的被干扰的频率相同，干扰源由多部发射机互调产生。干扰分析可在发射机、接收机、天线、传播等基本模型基础上，采用分级筛选、快速分析等手段完成电磁兼容条件检查。　　其中，针对当前移动通信网络高速发展的特点，重点研究具有移动特点系统的干扰模型。对于移动场景可将仿真场景按时间线细分，同时支持对移动路线或区域的设置，仿真时模拟设备的移动并给出对应不同时刻装备部署情况的干扰分析。

　　以分级筛选法为例，分快筛选、粗筛选、带宽修正与频率间隔修正、细筛选、性能预测五个阶段来进行分析。如果在前面的阶段中被筛除，则不再进行后续阶段的分析。其中，快筛选只基于收发工作频率来确定可能产生的干扰类型;粗筛选只考虑发射、响应幅度，基本不考虑频率、带宽等的影响;第三阶段带宽修正与频率间隔修正是在第二阶段分析的基础上，增加带宽与频率间隔的修正;细筛选在带宽修正与频率间隔修正的基础上详细考虑了距离、方向和时间变量;第五阶段性能预测则将细筛选得出的干扰余量转化为系统的性能指标，使干扰分析结果成为对用户更有意义的形式。分级筛选法流程如图4所示：

　　(4)多维频谱数据模型

　　无线电频谱资源天然具有多维特性，用三维或更多的维数来描述频谱资源，可有效提高频谱资源的使用效率。多维频谱数据模型就是对无线电频谱资源的一种较正式的描述，它涉及时间维、频率维、空间维、功率维、信号维等[5]。最典型的多维频谱空间应当是各维正交，即各维值只能唯一确定空间内的一点，从而形成多维立方体。从理论上讲，可以在这个多维立方体上进行切片、切块、下钻、上翻和旋转等操作，从而实现多维空间内的数据共用。多维频谱空间如表1所示：

　　本文建立的多维数据模型主要采用星型模式。由一个不含冗余数据的大规模的中心表(事实表)和一组小的附属表(维表)构成，数据在事实表中维护，维度数据在维度表中维护，从而建立各个维度表之间的关联关系。频率资源事实表如图5所示：

　　4 结语

　　本文通过对战场电磁环境的概念及组成等进行阐述，探讨了战场电磁环境虚拟推演技术的总体设计思路，并详细分析了战场电磁环境虚拟推演技术的组成，对相关系统研制及技术研究具有一定的参考意义。

　　参考文献：

　　[1] 王汝群，胡以华，谈何易，等. 战场电磁环境[M]. 北京：解放军出版社， 2006.

　　[2] 丁锴. 战场电磁环境分析与综合视景仿真[D]. 西安：西北工业大学， 2010.

　　[3] 闵涛. 虚拟战场电磁环境建模与仿真技术研究[D]. 长沙：国防科技大学， 2006.

　　[4] 丁锴，张麟兮. 战场复杂电磁环境视景仿真研究[J]. 现代电子技术， 2011(14)： 117-120.