基于检测评估的仿真电磁海战场构建研究∗

闫泓杉 陈志航

（1.92232部队 北京 100161）（2.武汉数字工程研究所 武汉 430205）

基于检测评估的仿真电磁海战场构建研究∗

闫泓杉1陈志航2

（1.92232部队 北京 100161）（2.武汉数字工程研究所 武汉 430205）

基于检测评估的仿真电磁海战场构建，应符合实际交战状态中，对抗双方能使用的电磁手段所产生出的电磁场效应关系。其中，最能表现出的有电子波与脉冲作用力关系；电子频谱与兼容运用效能关系；电磁全向与定向辐射关系。实现对这些关系的解析，就能有检测评估作战体系在复杂电磁环境中能力发挥效果的解析描述。为此，对这些关系进行仿真，则能实现作战体系在无战争状态时，能力适应复杂电磁环境效果的检测评估。

电磁效应；电子波与脉冲；电子频谱与兼容；电磁全向与定向辐射

1 引言

现代海战场上，电磁对抗是作战双方制胜的第一重要手段。谁能掌握并控制好对抗复杂电磁干扰的作用能力，谁就有发挥自身体系作战能力最大化的作用效果，且能在第一时间内很好的获取战场上主动控制权能力。为此，以检测评估技术为重要手段，以仿真技术作为支撑点，构建出符合实际要求的海战场检测场景体系，则能在平时实现必要的虚拟复杂电磁海战场环境对作战体系作战能力的考核，并能以作战能力指标制定出对作战体系更新研制提供向上跨越的指导支撑，同时也能对作战体系指挥控制人员加快适应现代作战需求操控作战平台或作战各类系统的战技能力提高，给以必要的测试评估或提供必要的临战虚拟现实演练操控方法。

基于检测评估的仿真电磁海战场构建研究，就是以实现上述仿真检测评估为目标的，以仿真技术作为支撑基础的，通过对所报道介绍现代海战场资料分析为指导的，研究构建出具有符合实际检测评估要求能力的仿真体系，从而达到能很好地对作战体系作战能力进行整体检测评估或对各类作战系统的作战能力进行检测评估；同时也能对作战人员实行必要的战技能力检测评估。

2 构建基本要素分析

对于基于检测评估的仿真电磁海战场构建研究，注重基本要素点是针对海战场中的电磁效应场；电磁波与脉冲作用力；电磁频谱与兼容效能关系；电磁全向与定向辐射等的解析性描述。其中，每点环节都是互相关联的。

2.1 电磁效应场

电磁效应场，主要指的是区域环境场中的电磁效应。其定义是用一组数在给定的一个区域确定出一个量的特性时，该区域中的每一点都具备这种特性［1］。区域环境电磁效应场主要由静态场和时变场两部分组成。采用仿真技术描述区域环境电磁效应场的模型，注重点就是这两种效应场［2］。

对于静态场而言，基本仿真描述是区域自然环境电荷生成静电磁场杂波效应状态所确定，其描述语言是：

1）区域电荷面杂波电磁能分布；2）区域电荷体杂波电磁能分布；3）区域静态杂波电磁场强度。

对于时变场而言，它是复杂电磁互转换作用的过程，其基本仿真描述语言应由法拉第感应定律、安培定律、两个高斯定律所确定。其中，描述语言对参数的定义有E⇀为电场强度；J⇀为磁通密度；B⇀为电通密度；D⇀为电流密度；ρ为磁导；H⇀为体电荷密度；o为电导率。其描述定律语言是：

1）法拉第定律

2）安培定律

3）高斯定律1的数学描述语言

4）高斯定律2的数学描述语言

仿真静态场只是作为区域自然环境为背景所生成出的杂波电磁效应场，能呈现出的状态是物体在自然环境中电磁效应场，即自然电磁干扰噪声的辐射状态（也称为自然界中物质运动做功时生成的白噪声）。而仿真时变场则是区域战场对抗双方做运动时，扰动静态场所产生出相对的电磁效应和各自方以自身任务需求所产生的电磁效应合成的电磁效应场。

对于时变场而言，是生成区域复杂电磁环境的主发生源，它的主要表现形式是电磁波或电磁脉冲。时变场具有很强的干扰能力和渗透能力。而对于静态场而言，则是杂波噪声背景源。图1所示为仿真电磁效应静态场和时变场组成的区域复杂电磁环境图。

图1 仿真区域复杂电磁效应环境

在图1中的三角形面代表为运动平台物体，椭圆面和圆面则代表物体平台运动与自身作用产生的时变电磁效应场（即时变场），而整体方形面就代表着自然环境的静态电磁效应场（即静态场），其仿真模型算法的理论输出结果能与实际较为一致。

2.2 电磁波与脉冲作用力

电磁波与脉冲都是电磁能释放量的主要表现形式，而电磁脉冲是电磁波在T周期内以t时间棸放波形能量的过程。在自然环境中，具有固定频率的电磁波能很好地传输电子信息和电磁能量，其作用方式能将电子信息传输到所规定的范围中；也能以瞬间高能量波形作用干扰和烧穿正在使用中电子设备等。在自然界中，电磁波都存在于各自的频率范围内，而划定这些频率范围的定界标份可称为电磁频谱。仿真电磁波与脉冲作用力，应依照电磁波学定律与能量守恒定律做仿真模型指导。其仿真的描述语言大体是［3］：

1）高频率，偶极振子，大能量变化的磁场激发涡旋电场和变化的电场激发涡旋磁场。自然环境的电磁波特性；

2）以能量守恒定律为约束的发射平均能流密度 Sˉ∝f4，自 然 空 间 体 的 电 磁 辐 射 能 量Sˉ∝ p2sin2θ ；

3）电磁波能流密度，既电磁波能流密度正比于电场或磁场振幅的平方Sˉ∝或；

4）电磁波中的电磁脉冲能量关系式，即电磁频率 f与周期T的衡量是1时，即T=，其在T周期内极励过程的电磁脉冲能量就是t时刻的J=fT（J为焦耳）。

针对上述4点描述语言，可用图2的仿真单位电磁波与电磁脉冲作用力形象化展示图。

图2 仿真单位电磁波与电磁脉冲作用力

在图2中所标示的圆圈串代表单位电磁波；虚直线代表单位电磁脉冲，所仿真模型生成的理论结果基本符合实际要求。

2.3 电磁频谱与兼容效能关系

我们从上述对电磁波的基本描述中可知，传输电磁信号基本项是由频率所确定的。为此，电磁信号作用能力主要取决于可控范围内的电磁频谱应用。而多个电磁频谱生成的电磁信号应用，必须具有频谱互不相干扰的兼容性。对于电磁兼容，则是管控电磁频谱互不产生干扰影响的效能应用。因此，电磁频谱与电磁兼容的效能关系是：以保证各电磁频谱信号能力为要点的完善管控收发电磁信号的使用率，则能使电磁信号作用力得到充分发挥。这种区域内的各类电磁频谱信号应用，则都能使该区域电磁环境复杂化；若无完善的电磁兼容，所需的电磁信号作用时，其效能就会大大降低，甚至会使信号无法收发。仿真电磁频谱与兼容效能关系，主要指导描述语言是自发源干扰效能影响度模型的关系表达式所确定。该关系表达式有两部分：

1）电磁频谱也称为电磁波谱，按国际计量标准知，任何频率电磁波的传输速度是c=3×108m/s，其频率 f与波长λ成反比关系

由式（5）能对应划分出所对应的电磁频谱，电磁频谱电磁频谱的分配方式［4］：按国际规定的频谱划分基础上对具体的每一段频谱的细致划分。包括将频谱分成几大块，以共不同类型的业务之用，范围基本是9kHz～275GHz，共划分为297项（段）。

2）电磁兼容是使同一电磁环境中的各电磁信号都能发挥作用力，而又互不干扰［5］。即电磁兼容是一体化电磁应用抗自身干扰控制作用效能发挥的表达式。电磁兼容抗自身干扰形式主要有屏蔽、接地、抑制等。

对于电磁频谱与兼容效能关系的仿真，可用图3给以抽象化的表示。

图3 仿真抽象化电磁频谱与兼容效能关系

图3 的仿真模型方式在理论上是可行的，能输出与之较相等的结果。

2.4 电磁全向与定向辐射

电磁全向与定向辐射，是指电磁发生器前端的收发过程。如前端为球状体或环状体，其收发是以360°环全向电磁辐射为作用能力特征；而前端为凹透状体时，其收发则是以定向电磁辐射为作用能力特征。

1）全向电磁辐射常使用于广播通信任务，开辟电子干扰走廊任务等。随着电子技术的不断发展，最具全向电磁辐射还具有全波段的跳频和扩频作用能力，是区域内复杂电磁环境最强干扰源，也是数据链通信系统最常使用的信号源。还有大自然环境所构成的背景产生出的全向辐射状态。

2）定向电磁辐射主要应用于点点通信、雷达照射和指定方向干扰等任务。它在区域内所形成的复杂电磁环境是带状，即带状区域的电磁辐射最强，具有很好的压制能力或抗干扰能力。

对于电磁全向与定向辐射，不能只指电磁辐射而对光辐射不给以考虑，这会导致复杂电磁环境难成像原理的发生，使仿真的描述语言难以界定。所以，仿真出自然区域内电磁辐射的复杂电磁环境描述，应采用光电辐射复杂环境描述语言进行解析，这才能使仿真的复杂电磁环境较真实，但在构建模型时应有轻重之分，避免也造成仿真难度加大的现象发生［6］。图4是本文假定带有电磁辐射功能的区域复杂电磁环境图。

图4 仿真全向与定向电磁辐射复杂电磁环境

在图4中，图示出两种向性辐射，其中的虚直线状所代表为仿真全向辐射；串线状则是代表为仿真定向辐射。对于这两种辐射的仿真模型理论输出结果基本符合实际值。

3 仿真构建方式

仿真电磁海战场，是将海战场态势与战场电磁使用率进行相结合，仿真出具有复杂电磁环境海战场态势场景的过程模式。其整体的构建方式如图5所示。

图5 仿真电磁海战场构建方式图

从图5可知，一个基本仿真电磁海战场须有四大模型件进行构建，以下是这些模型件的基本描述。

3.1 区域海战场态势场景模型件

本仿真模型件是确定被测评估对象在虚拟区域内态势状况的部件，是模拟体系对抗作战的基础。该模型件的基本与现有仿真剧情生成运行演示系统相一致，其总体功能结构概括有［7］：对抗双方兵力部署编辑与显示，标注被检测评估对象运动轨迹及军标态势动画联动模式，实时仿真标注被测对象数据表和曲线进行过程中的关键事件显示状态，当前仿真时间和仿真持续时间RTI的统一效时，仿真态势结果的统计等。对于本仿真模型件运作时，第一时间段是制定好作战区域，再进行整体性区域态势作战的运行，生成出一般检测机制所需的对抗作战虚拟剧情。该模型件结构如图6所示。

图6 作战剧情态势系统结构

对于图6中的人机交互是指设定地理作战区域时的变更状态参数。

3.2 电磁能参数输入代理模型件

本仿真模型件是制定所设作战区域电磁效应场生成条件的部件。其仿真功能结构是：代理区域自然变更时电磁环境效应场状态参数输入，代理虚拟对抗方时段性生成电磁环境效应场状态参数输入，代理被测评估方模拟发生电信号生成的电磁环境效应场状态输入等。该模型件代理机制是多对多任务分配的模式，对它的基本描述是［8］：有m个任务需分配给n个代理完成，一个任务最多可以分配给u个代理并行求解，通过将不同代理所有结果进行冲突消解得到最终解；每个代理最多能接收v个任务。根据多对多任务分配的定义，首先给出任务分配的数学模型，设计了任务分配代价函数来求解任务分配代价；其次，根据任务分配的设计目标，引入性能影响因子与任务分配代价函数相结合，给出了任务分配进行组合优化时所遵循的目标函数。而该目标函数是生成复杂电磁环境的基本模型函数，为使该目标函数具有可连续复杂电磁效应场环境，本模型件中同时也设定一个数据池，满足虚拟变化的需要。因为数据池一方面能对应于不同应用服务任务所涉及的测试评估数据集，另一方面也能为仿真复杂电磁效应场回放提供脚本参量。数据池也可以在大数据量的情况下（潜在的包含数个虚拟代理测试用户执行上千条事务）自动提取测试数据给虚拟代理测试用户［9］。

3.3 区域电磁效应环境场视模型件

本模型件是将所处理形成的仿真复杂电磁环境数据，利用数据生成图形方式展现成区域场视觉图，使人们能更好地一目了然，以知晓检测评估中各时段及整体过程的电磁海战场态势。它们的数学基本描述表达式如下［10］。

1）描述战场区域自然环境噪声杂波信号数学模型表达式：

（1）反射面电磁杂波信号数学表达式

（2）反射体电磁杂波信号数学表达式

①金属雾云

其中，σ为平均单位射频截面积；λ为射频入射波长；σˉc为云等效面积；η为后向散射系数；θα为射频水平波束宽度；θe为射频垂直波束；R为射频端与反射金属云的距离；τ为射频脉冲宽度。

②水滴雾云

其中，z为杂波通用反射系数；m为水滴复折射系数。

2）描述战场区域对抗双方射频信号数学模型表达式：

（1）遮掩调频干扰噪声

其中，un(τ)为调制信号，使用噪声与函数（正弦、锯齿或角波等）叠加；为干扰功率传输衰减；γj为干扰信号对射频信号的极化损失；F(t，θj)为探测接收端对有源干扰的扫描调制。

（2）欺骗距离拖引干扰信号

①距离门拖距时间

其中，V0为射频扫描速率；B2d为波门宽度；t2为门滑扫止时刻。

②距离门拖引速率

3.4 海战场复杂电磁环境效果输出模型件

本模型件是仿真海战场复杂电磁环境对被测对象实行正确评估的关键接口部件。它由三个输出端组成，即一个被测对象单一性数字接口；一个协助性检测评估数字接口，还有一个虚拟对抗性自适应改变电磁环境状态的数字接口。这三个接口在该模型件实行并行交互处理计算，以达到对被测对象具有战场效应的检测评估作用［11］。

对于被测对象单一性数字接口，主要输出的数据是：能影响或严重影响被测对象正常工作的数据；能压制或威胁被测对象，使其作用能力减弱和丧失（功能和性能崩溃）的数据；通过计算被测对象自身射频工作时生成的电磁噪声干扰数据。

对于协助性检测评估数字接口，主要输出的数据有：能虚拟威胁被测对象，以达到能检测评估出其作用能力的健壮性参考数据；降级性参考数据；全失效后，应对的主要功能或是全部功能恢复时的延迟性参考数据；协助检测评估时对被测对象发生射频指令时，虚拟产生自身干扰性噪声参考数据；被测体系间的对象单元协同工作生成的干扰性参考数据。

对于虚拟对抗性自适应改变电磁环境状态的数字接口，主要输出的数据有：被测对象作用能力后虚拟改变了电磁环境状态所设定阈值参数范围数据，虚拟对抗方在该改变后，再采用所设定能力范围内以自适应计算重新划定虚拟对抗射频阈值参数范围，以重新增强虚拟电磁复杂环境。

4 结语

对于仿真电磁海战场的文献已有很多，其内容都有很好的对海战场电磁复杂性分析性，使这方面的研究能不断向前发展与推动，并为一些单面范围内对作战系统对象的检测评估提供有力的帮助。本文的内容是以被测对象为主题，研究内容为体系、平台、系统作为依据，开展较为全方位性的分析，使研究的检测评估成为一种体系机制，这种体系机制不仅具有单面的作用能力，同时也具有全面的作用能力，只要能确定被测对象，就能以自适应套接方式进行即插即用的检测评估，达到检测评估符合对象实际性的要求。

［1］Bhag Singh Gurn，Hüseyin R.Hiziroglu.电磁场与电磁波［M］.北京：机械工业出版社，2000，8.Bhag Singh Gurn，Hüseyin R.Hiziroglu.Electromagnetic Field Theory Fundamentals［M］.Beijing：China Machine Press，2000.8.

［2］杰姆斯克勒克麦克斯韦.电磁通论［M］.北京：北京大学出版社，1991.JAMES Knok Maxwell.Electromagnetic Discuss［M］.Bei⁃jing：Peking University Press，1991.

［3］赵凯华，陈熙谋.电磁学［M］.北京：人民教育出版社，1979，5.ZHAO Kaixi，CHEN Ximou.Eelectromagnetics［M］.Bei⁃jing：China Education Press，1979，5.

［4］何金良.电磁兼容概论［M］.北京：科学出版社，2010.HE Jinliang.Introduction to Electromagnetic Compatibility［M］.Beijing：Science Press，2010.

［5］沙斐.机电一体化系统的电磁兼容技术［M］.北京：中国电力出版社，1999.SHA Fei.The Machine&Electricity of Integrative Electro⁃magnetic Compatibility［M］.Beijing：China Electric Power Press，1999.

［6］李云霞，马丽华.光电对抗原理与应用［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2009.LI Yunxia，MA Lihua.Principle and Application of Photo⁃electric Countermeasure［M］.Xi'an：Xi'an University of Electronic Science and Technology Press，2009.

［7］徐享忠，吕鸣，王精业.面向对象的态势显示分系统［J］.系统仿真学报，2001，13（5）：611-615.XUI Xianzhong，LV Ming，WANG Jingye.Object Oriented of the Plan View Display subsystem［J］.Journal of System Simulation，2001，13（5）：611-615.

［8］严建峰，李伟华，刘明.基于混合蚁群算法的MAS任务分配［J］.计算机应用研究，2009，26（1）：68-70.YAN Jianfeng，LI Weihua，LIU Min.Task allocation for MAS based on hybrid ant colony algorithm［J］.Applica⁃tion Research of Computers，2009，26（1）：68-70.

［9］胡敏，杨伟民，林春晓.基于公共对象请求代理结构的负载测试技术研究［J］.上海理工大学学报，2007，29（2）：189-194.HU Min，YANG Weimin，LIN Chunxiao.Research on the load testing system based on CORBA and its implementa⁃tion［J］.University of Shanghai for Science and Technolo⁃gy，2007，29（2）：189-194.

［10］刘治国，孙连宝，王袆.海战场电磁环境仿真系统及数学 模 型 研 究［J］.舰 船 科 学 技 术 ，2010，32（4）：130-133.LIU Zhiguo，SUN Lianbao，WANG Yi.Research on the mathematical models and complex EM environment simu⁃lation system of the sea battlefield［J］.Ship Science and Technol0gy，2010，32（4）：130-133.

［11］王鹏，王莉，高斌.综合电子信息系统生成能力评估方法［J］.指挥控制与仿真，2014，36（5）：67-71.WANG Peng，WANG Li，GAO Bin.Survivability Evalua⁃tion Method of C4ISR［J］.Command Control&Simula⁃tion，2014，36（5）：67-71.

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

闫泓杉，女，硕士，工程师，研究方向：作战系统验证技术与质量可靠性管理技术。陈志航，男，高级工程师，研究方向：系统仿真检测与验证。