基于装备用频效能分析的对抗态势可视化设计

2022-12-30 04:01
无线电工程 2022年12期
关键词:威力态势接收机

闫 超

(北京华悦迈普科技有限公司,北京100107)

0 引言

伴随信息化技术的不断发展,战争形态逐步由物理域向信息域演化,在传统陆、海、空三维空间的基础上,电磁空间的重要性更加凸显,电磁域对抗态势可视化成为战场态势可视化中不可或缺的部分。战场空间中各种雷达信号、通信信号、电子战以及其他背景辐射信号的相互作用,构成了战场空间内复杂的电磁环境,大幅增加了对战场态势研判的难度,影响了指挥员的决策。电磁态势已成为信息化战场态势的重要组成部分,对电磁态势的把握和研判直接影响到未来作战主动权的争夺,是现代战场不可或缺的作战维度[1-3],结合当下人工智能[4],展望未来电磁态势的发展[5-7]。在针对电磁域进行战术战法研究的过程中,对电磁域对抗态势从不同维度进行动态可视化的展示就成为辅助指挥人员和技术人员掌控战场态势的重要手段[8-10]。申良强等[11]对复杂阵地态势可视化关键技术进行了研究,采用三维态势可视化技术与二维态势可视化及二者的实时联动,为固定核心阵地作战指挥员提供了更丰富的物理空间环境,从而更好地部署武器,把握战场形势全局,提升空间环境感知能力。研发人员提出了一种通用战场态势可视化系统的显示元素、框架及接口的设计,并实现了基于数字地球的战场态势可视化[12-15]。系统归纳了联合作战电磁态势可视化的5项需求,并梳理列举了联合作战电磁态势可视化的图形、图表展示[16-17],在分析复杂战场电磁环境可视化构建内容的基础上,提出基于粒子系统的电磁态势可视化方法,实现地理环境和电磁环境的一体化显示[18]。对雷达探测范围可视化进行了探讨,采用抛物方程方法给出了实现雷达最大探测范围三维可视化的方法[19-20]。当前条件下,各类信息系统中复杂电磁环境[21]多以二三维图形、作战实体图标等方式对作战兵力的行动过程进行展示,缺少有针对性的对电磁域博弈对抗过程、对抗效果的展示,更不能体现出电磁频谱战中电磁装备运用的快速变化及发展规律。

基于装备用频效能分析的对抗态势可视化系统针对电磁域博弈对抗态势展示需求进行设计和研究,将无形的、快速变化的复杂电磁对抗态势进行多维度直观形象地展现。以电磁对抗为主要研究背景,重点突破电磁装备能力包络、电子侦察/告警、电子干扰和雷达探测等的显控技术,重点关注雷达、通信和电子战等各种相关展示视角的多维度显示,覆盖雷达、雷达告警接收机、通信系统等各类电磁装备,构建完善的电磁域对抗态势多维度可视化显控系统,实时、直观、准确地展示电磁域对抗态势,为电磁对抗的战术战法编制、演练、应用和评判提供可视化方法及手段,满足专业研究需求。

1 装备用频效能分析

电磁域对抗态势显控的实现依赖于电磁域对抗仿真模型解算和模型数据驱动。装备用频效能分析以电磁传播模型、接收信号分析模型和信干比分析模型为基础,对用频装备的效能进行分析,从而确定用频装备的探测范围、侦察范围和干扰范围等作战效能。由于雷达信号存在从雷达到目标再返回雷达的双程过程,雷达装备的用频效能分析模型相对来说较为复杂,所以本文以雷达为例构建雷达装备用频效能分析模型,分析雷达模型的探测范围。

1.1 电磁传播模型

电磁传播模型主要用于计算复杂地形、复杂气象条件下电磁波空间传播损耗,是所有电磁环境计算分析的基础。传播模型的准确与否关系到整个电磁环境仿真的科学性和有效性,同样,传播模型也是电磁环境计算分析软件中最复杂的模型之一。电磁传播模型是各类电磁装备仿真、电磁分析计算的基础,直接决定了各类仿真计算的逼真度、时效性和易用性。通常,对于电磁波不能传播的两点之间(例如由于地球曲率、或者地形遮挡等原因),电磁传播模型解算的传播损耗可认为是无穷大。

电磁传播模型依据对无线传播模型算法的研究和对国际电联标准的使用,建立基于复杂地理环境、复杂气象环境以及适用于不同频段不同业务的空间传播损耗,包括ITU-R P.1546,Longley-Rice,ITU-R P.833和 ITU R P.840等传播模型等。其中ITU-R P.1546传播模型提供了地面业务点对面预测的方法,适用于开阔和低起伏的陆地和海洋,其中市区、郊区均可。ITU-R P.1546传播模型计算电磁波传播过程中衰减的参数如图1所示。

图1 传播模型参数设置实例Fig.1 Parameter setting example of propagation model

ITU-R P.1546传播模型的处理流程如图2所示。

图2 传播模型的处理流程Fig.2 Process flow diagram of propagation model

1.2 接收信号功率分析模型

接收信号功率分析模型描述电磁波从发射机到接收机之间单程传输的信号功率分析,利用装备性能参数以及电波传播模型计算从发射机到接收机位置天线口面处的信号功率。电磁信号接收信号功率分析模型为:

S=Ps+Gs-Ls+Gr,

式中,S为接收机接收到的信号功率(dB);Ps为发射机的发射功率(dB);Gs为发射天线增益(dB);Ls为单程电磁传播模型计算的空间衰减;Gr为接收天线增益(dB)。

1.3 干扰信号功率分析模型

在测定干信比时,需要计算进入接收机工作频带内的干扰信号功率。在上述条件下,到达接收机输入端的干扰信号功率为:

J=PJ+GJ-LJ+GrJ,

式中,J为接收机接收到的干扰功率(dB);PJ为在接收机频带内干扰机的发射功率(dBm);GJ为干扰机天线增益(dB);LJ为干扰机在传播过程中的衰减(dB);GrJ为干扰机方向接收天线增益(dB)。

干扰情况下接收机端的干扰信号远大于噪声信息,此时的接收机噪声可以忽略不计。在没有干扰的情况下,需要考虑接收机有效噪声功率,主要与接收机噪声温度和接收机带宽相关。

1.4 信干比分析模型

在接收机频带内,信干比是有效信号强度与干扰信号强度之比(dB)。根据上式,可以直接推导出信干比公式,由于S和J均以“dB”来表示,它们的功率比与其分贝比是大体相同的。对于单程信号传输情况来说,信干比公式可用分贝计算为S-J,得:

信干比=Pr-PJ+GT-GJ-Ls+Lj+Gr-GrJ+D,

式中,D为接收机对有效信号与干扰信号的压制系数。

对于双程信号传输情况来说,信干比公式可用分贝计算为S-J,得:

信干比=Pr-PJ+GT-GJ-Ls-Lo+lg (RCS)+

Lj+Gr-GrJ+D,

式中,Lo为目标反射回波到接收机的衰减;RCS为雷达频率和角度上目标的雷达反射面积。如果接收机接收到的信干比大于接收机的阈值,则接收机可以正常接收到信号;否则,接收机无法正常接收到有效信号,信干比成为描述装备用频效能的基础。

1.5 雷达探测范围分析

雷达探测范围分析的基础为上述双程信号信干比公式为基础的雷达探测距离计算模型。模型根据雷达参数、目标参数、地理环境、气象环境和外部电磁干扰等参数计算雷达在指定区域内对特定目标的探测范围。计算中考虑雷达性能、地形遮蔽、接收机底噪和外部干扰等因素。分析雷达及雷达网在复杂地形、复杂气象及干扰条件下的探测范围变化情况,为电磁态势生成、台站部署位置确定等提供支持。雷达探测范围计算模型的典型流程如图3所示。

图3 雷达探测范围计算流程Fig.3 Calculation flow of radar detection range

2 电磁态势显控总体设计

电磁域对抗态势显控的实现依赖于电磁域对抗仿真模型解算和模型数据驱动,涉及的仿真模型包括雷达仿真模型、雷达干扰模型、雷达侦察模型、通信侦察模型和通信干扰模型等。针对电磁态势显示的以上各方面特点,对电磁态势显示提出如下方案:

一是电磁态势显控主要用于显示雷达、通信和电子战装备在训练任务进程中动态变化情况。例如雷达的开机、关机、搜索、跟踪和遭到干扰;电子战系统的开机、关机、告警和有源干扰等信息,主要提供雷达对抗、通信对抗及电子对抗总体运用效果显示,包括雷达装备、通信装备的威力范围。

二是加入面向注意力的自动消隐机制,只对关键过程的参与实体进行电磁效果显示,自动隐藏其他作战实体,其中注意力由预先设定的特征事件和实时导调信息确定。此类方法将有效屏蔽不同频段、不同范围的电子战装备显示效果叠加问题,减少信息饱和的风险。

三是引入人工和自动辅助的导调控制手段,可以根据指挥所情报、预设行为脚本对电磁态势进行辅助导调和显示。虽然实际装备引接过程中可能缺失部分关键工作参数信息,但是根据作战系统和主要的目标分配关系,技术人员可以利用可视化系统为指挥员生成辅助态势信息,将雷达威力范围、干扰设备及对抗关系等关键信息显示到统一的电磁态势场景中。

电磁域对抗态势多维度显示系统的设计如图4所示。

图4 电磁域对抗态势多维度显示系统Fig.4 Multi-dimension display system of electromagnetic countermeasure situation

3 电磁态势显控设计

电磁装备能力包络显示主要指电子对抗装备运用效果展示,具体包括雷达装备在有无干扰条件下的威力范围显示、雷达装备其他属性显示以及通信装备属性显示等,展示效果区分为二维显控效果和三维显控效果。

3.1 雷达探测范围显示

雷达探测范围显示主要指雷达运用效果展示,具体包括雷达装备受地形影响、在有无干扰情况下的威力范围等,展示效果区分为二维显控效果和三维显控效果。

(1) 雷达受地形影响的威力范围

使用设置填充色的多边形表示雷达威力范围二三维展示效果,如图5所示,该图的雷达威力范围主要受地形的影响。图5(a)、(b)中的雷达位于海平面没有受地形遮挡,二维展示为标准的圆形,三维展示为标准的波束环绕形状。相对来说,图5(c)、(d)由于雷达位于山区,受地形影响,在图5(a)、(b)的基础上出现了遮挡产生的缺口。

(a) 无遮挡威力范围二维显示

(b) 无遮挡威力范围三维显示

(c) 有遮挡威力范围二维显示

(d) 有遮挡威力范围三维显示图5 雷达受地形影响的威力范围Fig.5 Range of radar power affected by terrain

(2) 雷达受干扰影响的威力范围

在敌我双方的对抗过程中,雷达经常受到来自对方干扰机影响。图 6展示了某型对空警戒雷达在没有受到干扰情况下的正常威力范围。

图6 雷达威力区显示Fig.6 Display of radar power area

雷达受干扰后威力范围如图 7所示。与图6相比,雷达在右上角方向上受到干扰,因此雷达覆盖范围在此方向上出现缺口,敌方可以在此缺口中执行其期望的战术动作。

图7 雷达被干扰后探测威力Fig.7 Detection power of jammed radar

3.2 雷达其他属性范围显示

除了雷达威力范围显示,还可以提供雷达其他属性的显示,例如:可探测最小截面积显示、雷达探测概率显示等。

(1) 雷达可探测最小截面积显示

在指定目标高度和侦测概率下,分析指定区域内雷达可探测的目标RCS分布情况。

图8给出了雷达可探测到目标的RCS,从雷达位置向外逐渐变大。

图8 雷达可探测最小截面积显示Fig.8 Display of minimum radar-detectable cross-sectional area

(2) 雷达探测概率显示

在假定雷达参数和目标RCS保持不变情况下,给出每个位置同一个目标被发现概率的功能。

图9给出了雷达对目标的发现概率,从雷达位置向外逐渐降低。

图9 雷达发现概率显示Fig.9 Display of radar detection probability

3.3 通信链路和范围显示

使用样本点连线和线与三角面结合的方式绘制通信链路和范围展示效果,通过设置alpha渲染通道值实现不同威力包络颜色和半透明效果,根据场强值大小自动设置不同颜色代表雷达威力强弱变化,形象立体、层次分明地展示通信威力的效果。通信威力范围展示的同时,展示通信受干扰的状态,如图10和图11所示。图10展示了无干扰条件下的通信链路的连通情况(所有通信链路全部联通)和数传电台-2的接收范围,绿色表示某型接收机可以接收数传电台-2的信号,红色表示该型接收机不能接收数传电台-2的信号。图11显示了干扰条件下的通信链路(SU27和数传电台-2处于干扰区域内其上行链路全部受到干扰,数传电台和数传电台-1处于干扰区域外还能够接收来自SU27的通信信号)和数传电台-2的接收范围(受干扰影响绿色区域明显减少,尤其干扰机有效干扰方向上)。

图10 通信链路和威力范围示例Fig.10 Example of communication link and power range

图11 干扰条件下通信链路和威力范围示例Fig.11 Example of jammed communication link and power range

4 结束语

基于装备用频效能分析的对抗态势可视化设计支持全局态势的多维度展示效果,针对性的展示局部战场电磁态势,提升对复杂电磁环境的掌控能力。可为战场态势和电磁态势可视化相关技术研究和系统的研制提供一定的参考。在后续研究过程中,进一步结合复杂电磁环境仿真技术、人机界面友好等技术,使态势显控效果逐步逼近真实战场空间,操控更简洁方便。

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