战场复杂电磁环境仿真平台的设计方案研究*

姜博文，姜勤波，齐世举，郭金库

(火箭军工程大学， 陕西 西安 710025)

0 引言

战场复杂电磁环境[1-2]模拟即是对战场复杂电磁环境的“再现”。利用实际电磁设备构建战场电磁环境来进行装备抗电磁干扰评估方法，其优点是准确、直观、形象，但其试验周期长，花费巨大，并且难以实现各种情况下的全面评估。采用战场电磁环境的仿真或半实物仿真的抗电磁干扰性能评估方法则具有经济、安全可靠、实验周期短、灵活可重复性等优点[3]，在武器装备此类仿真中得到了广泛的应用。实际上，电磁环境仿真模拟技术，可以克服传统实物仿真中复杂电磁环境不容易实现，某些环境参数难以评估测量等问题，从而满足特定要求的具有逼真度较高的复杂电磁信号环境[4]。

国外方面，美国比较著名的电子战试验场[5]，如在亚利桑那州的“瓦丘卡堡电子靶场”，“Nellis”试验场，“达尔格伦分部(NSWCDD)”试验场，“帕图克森特河”试验场，“Eglin”基地等，在各阶段战场无线电管理和战场管理研发过程中，均采用仿真技术构建战场电磁环境量化分析基础平台。美国、欧洲、台湾等战略、战术级作战仿真工具中，均将战场电磁环境仿真作为重要组成部分[6]，能够实现在作战仿真中考虑电磁环境影响结果。比如文献[7-11]中有介绍到美国诺思罗普·格鲁曼公司开发的CEESIM系统，德国IZT公司的S5000系统及IZT的S5000 COMINT模拟系统都具有强大的战场复杂电磁环境构建能力，能够较高真实的模拟战场电磁环境，服务于测试和评估各类电子战系统。多个并行的发射机，可以产生用户定义区域内的高逼真度的复杂电磁环境[12]。

国内方面，在电磁环境仿真领域的研究也较多，一些专业人士提出了工程性、实用性较强的电磁环境仿真方法。这些研究中，关于电磁兼容、电磁传播、电磁干扰、电磁防护等相关基础性研究和涉及电子信息设备建模、仿真、评估较多，但在复杂电磁环境系统研究方面及战场复杂电磁环境建模的偏少。当然，也有一些实际的战场电磁环境仿真系统投入应用，例如某电磁频管中心针对战场无线电管理开发的战场复杂电磁环境仿真工具，效果就很不错，但其关注点在于频谱管理业务，无法生成用于装备抗干扰评估的复杂电磁环境信号。“十二五”期间，某单位牵头的复杂电磁环境预测项目，也实现了战场复杂电磁环境的仿真，并将其应用于飞机、舰船、导弹等武器平台的早期设计和指标论证中。近年来，随着部队实战化要求的提高，战场复杂电磁环境受到越来越多的重视，对装备研发单位实际上提出了更高的要求，即在装备论证、设计、研发等各个过程都应该考虑未来战场具体应用环境。基于此，战场电磁环境仿真平台设计的目的在于实现海战、空战、陆战以及联合作战等各种战场场景的设计、完成接近实战战场电磁环境的仿真构建以及复杂电磁环境的综合电磁信号输出[13]，更大限度地为装备在复杂战场电磁化境下的指标论证和抗干扰效能评估提供条件和基础。

1 平台的总体设计

1.1 平台的功能结构

战场复杂电磁环境仿真平台是利用数字地球、电磁计算和态势仿真技术，利用作战想定生成和推演实现作战场景构建，融合辐射源和电波传播模型完成战场复杂电磁环境计算和生成，结合装备电磁参数和模型进行电磁环境适应性评估，基于功能等效方法和辐射源信号形式完成虚拟战场中某战场点位中的综合电磁信号的输出。

主要功能包括：

(1) 基于三维数字地球的战场场景定义和作战想定生成。

(2) 敌我双方用频装备(电磁辐射源)的建模与仿真。

(3) 复杂电磁环境信号的综合和重构。

(4) 战场复杂电磁环境仿真计算及可视化显示[14]。

(5) 实现对电磁环境复杂度、威胁度等的预测。

(6) 可以与信号生成及发射设备进行集成用作装备电磁环境评估。

在具体的功能设计上，系统划分为地理计算及管理、想定编辑及行动推演、用频装备及辐射源、电磁计算4个分系统。如图1所示。

1.2 平台的层次结构

为更好地实现平台的功能结构，在计算机仿真过程中，平台的软件层次结构按照分层实现的方式进行组织架构。考虑到作战想定、兵力部署、辐射源及环境参数的设定需先调用真实地理数据信息，故采用地理信息系统(geographic information system, GIS)作为软件层次结构的基础层，依次按照模型层、计算层、应用层进行架构，上层架构以下层架构为依托，各层次之间以标准接口的形式进行调用，有较高的灵活性和适应性，如图2所示。

平台的各软件层次之间均具有相应的工具软件和仿真模块。体系内各模块关系如图3所示，在调用各模块进行电磁环境预测时，首先利用GIS系统和装备实体模型提供三维想定编辑环境，通过模拟部队作战或行动方案，包括作战意图、力量编成、兵力部署、行动规划、通信指挥关系、气象环境设置等，布设战场环境，形成用频装备受电磁影响的复杂电磁环境[15]。

电磁环境计算引擎根据辐射源模型、电波传播模型以及地形、气象条件实现作战区域的电磁计算和客观电磁环境描述。电磁敏感装备模型可用作武器装备在战场复杂电磁环境中的任一性能指标的评估，还可在虚拟场景中，对装备应用范围和边界条件进行评估和优化。

最后通过战场电磁态势可视化引擎实现战场电磁环境态势、装备电磁适应性态势的可视化和综合信息显示[16]。

1.3 应用流程设计

基于平台的体系结构便可完成各种具体应用，由于使用手段和实现途径不同，大致可将平台分为全数字仿真应用和半实物仿真应用。

(1) 全数字仿真应用

在电磁环境预测方面，首先按照作战流程及行动方案进行部署规划，按照战场上电磁辐射装备进行定义，通过想定对作战环境进行设置，选取合适的电波传播模型进行电磁仿真计算，可实现对战场复杂电磁环境进行静态仿真及电磁态势的可视化。依据想定中各参数设定及指定区域电磁环境静态复杂度输出指标(包括：时间占有度、频率占有度、空间占有度)，便可综合反映该区域战场环境的复杂程度和个体受战场电磁环境的影响程度。

(2) 半实物仿真应用

在装备电磁环境评估方面，应从整体的角度出发，明确干扰信号样式，分析电磁环境时域、频域、空域，通过定量描述的方式将战场复杂电磁环境进行量化分级，从而在计算机中对辐射源、干扰源进行参数定义，仿真形成典型战场复杂电磁环境信号。将仿真信号与电磁信号发射设备搭建成半实物仿真平台，用任意波形信号发生器产生出射频信号，采取直联或天线发射的方式馈送给真实武器用频装备，并对装备的电磁信号强度、电磁信号密度以及电磁信号参数等一系列性能指标，应用定性评估与定量评估相结合的方法进行效能分析，便可完成对武器用频装备在战场复杂电磁环境下的适应性、稳定性及可靠性的评估工作。

战场复杂电磁环境仿真平台的应用流程如图4所示。

2 平台的开发及应用

2.1 平台的开发方案

(1) 基于三维地理信息系统，采用真实地形数据和卫星影像数据，构建能够完成各种作战场景定义和描述的可视化编辑系统，该系统应支持敌我兵力和用频装备部署、行动描述和推演，为战场动态电磁环境构建提供装备体系、兵力平台、行动位置等信息。

(2) 战场中敌我双方辐射源装备种类繁多，而且新式装备不断出现，针对性一对一装备建模难度大且无法穷举。有必要针对各种电磁类设备构建一种统一的描述模型，利用天线、接收机、发射机、滤波器、电缆等标准组件，构建不同的用频装备，不同的装备体现在结构不同和参数不同2个方面。

(3) 要实现战场级的电磁环境仿真，必须实现和优化覆盖全频段和各种应用场景的电波传播模型库。根据ITU等不同组织发布的经验模型，结合地理信息系统和战场雷雨、植被、温湿度、大气和海浪等各种影响因素，合理的选择模型、设置使用参数，从而尽可能真实的实现战场尺度上的电磁环境仿真。

(4) 针对战场级电磁环境仿真并结合实装信号级评估的半实物仿真系统的要求，定义和描述各种辐射源信号形式，结合战场电磁环境仿真结果，采用功能等效的方法，实现关心区域或战场点的复杂电磁环境信号综合[17]。

2.2 平台的基本应用

集成专业快捷的通用可视化三维军事战场场景、作战想定制作和行动推演工具，允许快速完成战场复杂电磁环境仿真中的作战区域描述。包括战场场景、仿真、实体编辑管理、作战力量编成管理、武器平台部署、行动路径规划、战场推演等模块。

(1) 战场场景描述

实现雨、雪、雾等多种自然效果仿真，支持用户为想定设置特定的作战环境描述。

(2) 作战力量编成管理

设置武器平台实例的编制归属，为其选择兵力红蓝白阵营。可以设置、保存和加载军事编制模板，按军事编制实现批量武器平台部署。

(3) 武器平台部署

作为想定制作的核心功能，可将实体资源部署到三维场景中，在可视化战场环境中通过拖拽等所见即所得的方式快速部署武器平台实体，并设置实体的初始化信息。

(4) 行动路径规划

支持海、陆、空、天各种环境中的舰船、车辆、飞机、导弹、卫星等各类机动武器平台的行动路径规划，通过参数设置、鼠标地图选点、外部数据导入等各种方式实现用户路径自定义，并完成武器平台与路径绑定。

(5) 专业军标标绘

提供丰富的军用专业军标库，包括所有的陆、海、空、火箭军各军种各类军标，支持专业军标标绘。在想定制作和推演中均可利用静态和动态军标实现作战意图表示和兵力/设施部署。

(6) 战场推演

根据作战构想快速构建动态推演方案，将作战想定、武器平台布置、态势显示有机结合在一起，进行可视化的军事作战想定制作和动态推演。各仿真对象按预设的作战流程规划按时间推进(也可按约定的规则实现事件驱动仿真)。支持开始、暂停、结束等仿真过程控制。可为动态战场电磁环境生成提供基础和条件。

2.3 综合态势显示

系统态势是军事行动态势、战场电磁环境态势和装备电磁适应性态势的综合显示。以三维模型、快速、逼真显示，并提供给指战员友好的军事行动动态信息；对辐射源场强分布、地形遮蔽、通信链路质量及电磁环境统计信息进行显示；对武器装备性能、效能度、可用度等进行表示。

图5为辐射源在某地域形成的部分仿真场景电磁环境效果。

3 结束语

从用途上讲，一方面，本平台为武器装备在复杂战场电磁环境下的论证和效能评估提供了条件和基础；另一方面，平台可对多兵种联合作战中战场资源调度提供分析工具，用于战前和平时的训练、推演，具有一定的研究价值及应用前景。

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