电磁环境模拟逼真度评估顶层研究

金朝,徐忠富,高进涛,李广东

(中国洛阳电子装备试验中心,河南洛阳471003)

电磁环境模拟逼真度评估顶层研究

金朝,徐忠富,高进涛,李广东

(中国洛阳电子装备试验中心,河南洛阳471003)

目的研究装备试验中电磁环境模拟构建的逼真度评估问题。方法在电磁环境逼真度评估相关概念及特性分析的基础上,从指导层、理论层、方法层及应用层等4个层面建立总体研究框架,阐明评估基本思想,运用IDEF0建模方法对评估活动及过程进行描述和建模,并提出基于相似系统理论的电磁环境逼真度评估方法。结果给出了电磁环境逼真度评估的相关概念,从总体上明确了电磁环境逼真度评估的理论框架、研究内容及方法思路。结论从顶层设计并形成了电磁环境模拟逼真度评估的基础理论和方法体系。

电磁环境;逼真度;评估

构建逼真的战场电磁环境,是开展复杂电磁环境下装备试验的重要基础。随着对复杂电磁环境效应研究和认识的不断深入,装备试验中对电磁环境模拟构建的实战性、逼真性要求也越来越高[1—4]。只有在贴近实战背景的试验环境下检验和评估武器装备的战技性能及作战效能,才能客观地摸清武器装备的实战能力,试验评估结果才能具有可信性,对未来作战才具有实用价值和指导作用。

电磁环境逼真度评估作为电磁环境构建与评估中的关键技术与难点之一,其核心作用是优化电磁环境构建方案,增强电磁环境构建的实战性、针对性和逼真性,为有效检验实战条件下武器装备的战技性能及作战效能提供依据。加强电磁环境逼真度评估研究工作,发挥电磁环境逼真度评估在复杂电磁环境建设与应用中的先导作用,对于提高装备试验电磁环境构建水平,提升我军电子信息装备试验能力,以及对武器装备的发展与应用都具有重要的现实意义。

1 相关概念及特性分析

1.1 电磁环境逼真度定义

在电磁环境构建与评估领域,对电磁环境逼真度的研究尚处在探索阶段,还未形成成熟的规范描述。“逼真度”最早是建模与仿真领域中提出的概念,美国国防部对逼真度的定义是:模型或仿真与真实世界相比表示的正确程度[5]。逼真度实现研究组(Fidelity Implementation Study Grope,FISG)的定义是:模型或仿真以一种可测量或可感知的方式再现真实世界对象的状态和行为,或真实世界对象、特征、环境和选择标准的感知程度[6]。文献[7]中的定义:模型对构建对象某个侧面或整体的外部状态和行为的复现程度。文献[8]中的定义:仿真数据与真实世界测量数据相符合的程度。结合装备试验的实践探索经验和建模与仿真领域的逼真度评估定义,认为在装备试验电磁环境构建中,电磁环境逼真度的基本定义是:装备试验中模拟构建的电磁环境与想定的目标战场电磁环境的相似程度。

1.2 电磁环境逼真度评估定义

装备试验电磁环境构建是以检验被试装备在复杂电磁环境下的实战能力这一根本需求为出发点,构建能有效反映实际战场的电磁态势[9—10]。在这个过程中,通过将模拟电磁环境的构成要素、信号特性和能效数据与目标电磁环境的实际情况进行比较分析,以评估电磁环境的逼真性,这就是电磁环境逼真度评估。根据上述剖析,认为电磁环境逼真度评估的基本定义是:面向武器装备试验中的特定应用需求,主体综合判定模拟电磁环境与真实目标电磁环境近似程度。

1.3 电磁环境逼真度评估特性

通过对电磁环境逼真度评估相关概念定义及内涵的分析,电磁环境逼真度评估具有以下特性。

1)针对性。电磁环境逼真度评估与装备试验的需求和目标紧密相关,并突出了面向构建应用的目的,体现了构建活动的针对性。在评估时要有针对性地建立评估指标体系,选择合理的评估模型和评估方法。

2)客观性。构建是对战场电磁环境的模拟,评估时需要将模拟环境与目标环境的情况相比较,评估结果主要受方法、数据的影响,不受环境使用用户的意志影响。

3)系统性。电磁环境逼真度评估需要考虑模拟环境和目标环境的结构、要素组成及特点规律等多方面因素的影响,在此基础上对电磁信号特性和能效数据进行相似性分析,确保逼真度评估的系统性、完整性。

2 框架设计

为系统地从全局上把握电磁环境逼真度评估理论,应该建立它的理论框架结构,从顶层和总体上明确主要研究内容及其关系。遵循从理论方法到应用实践的原则,将理论研究框架分成指导层、理论层、方法层及应用层等4个层面,如图1所示。

为更好地描述和分析该理论框架,可以用FEFV=＜G,T,M,A,R＞五元组来表示。

1)G(Guidance)为指导层,是基于已有的成熟理论,在宏观上为电磁环境逼真度评估提供指导和支撑,包括综合集成方法、相似性科学理论等。

2)T(Theory)为理论层,主要对电磁环境逼真度评估的基础理论进行研究,包括概念、框架结构、对象、原则、特点、程序和内容等。

图1 电磁环境逼真度评估的理论研究框架结构Fig.1 The theory study framework for fidelity evaluation of electromagnetic environment

3)M(Method)为方法层,主要研究电磁环境逼真度评估方法与技术。其中,电磁环境解析技术是指辐射电磁波在时域、空域、频域、能域上的分析与计算,用于电磁环境特征描述及参量计算,能够进行电磁环境的分析,包括复杂电磁环境分级方法和威胁电磁环境分级方法[11—14]。相似度评估方法是指基于相似性科学理论的评估方法[15—16]。多指标综合评价方法[17—18]是指综合使用层次分析法、模糊综合评判法、模糊层次分析法以及灰色综合评价法等来定性和定量地对模拟电磁环境的逼真度加以评估。

4)A(Application)为应用层,主要是辅助软件工具、电磁环境逼真度评估模型与应用的研究与开发,为评估提供相应的支持与辅助。

5)R(Relation)表示各层之间的关系。指导层在总体和宏观上为其他各层提供方法论指导;理论层在基础理论方面为方法层和应用层提供理论依据和支撑;方法层是理论层研究成果向应用转化的纽带;应用层是其它各层研究的最终实现目的。

在该框架结构中,随着电磁环境逼真度评估研究层次的提高,研究工作的技术性、具体性逐渐增强,而理论性和抽象性逐渐减弱。研究过程符合事物的一般发展规律,即从定性研究走向定量研究,从理论研究走向应用研究。当应用研究遇到困难,无法解决现实问题时,就需要方法研究来满足要求,而方法研究又需要理论上的突破。因此,电磁环境逼真度评估的研究发展方向可以描述为:(G)i→(T)i→(M)i→(A)i→(G)i+1→(T)i+1→(M)i+1→(A)i+1→…。

3 电磁环境逼真度评估基本思想

根据电磁环境逼真度评估的概念分析可知,评估与构建息息相关。总体来说,电磁环境的构建与评估包括4个方面:装备、构建、评估和应用。四者环环相扣,形成有机整体。其中,“装备”指装备实体或模型;“构建”是以战场电磁环境为参照,由构建装备或模型生成综合试验环境,构建运行过程应与实际作战运用过程相对应;“评估”是将模拟电磁环境的构成要素、信号特性和能效数据与目标电磁环境进行对比分析,以确定相对于目标电磁环境的电磁环境逼真度。最后将电磁环境构建与评估研究中所获得的数据与结论,服务于装备研制、试验训练和作战应用。电磁环境构建与逼真度评估之间的关系如图2所示。

图2 电磁环境构建与逼真度评估的关系Fig.2 The relation between construction and fidelity evaluation of electromagnetic environment

可以看出,电磁环境逼真度评估是建立在装备与构建的基础上,并直接服务于应用目的的。根据评估需求和应用目的不同,电磁环境逼真度评估可以分为2个层次。

1)基于信号特性的电磁环境逼真度评估。从电磁环境信号特性分析入手,将模拟电磁环境与目标电磁环境刻画为各种信号状态特征,通过提取电磁环境信号相似特征为相似元素,构建相似系统模型,从分析“受体”所感受到的模拟电磁环境与目标电磁环境的信号特性是否相关来判断电磁环境的逼真性。

2)基于影响效果的电磁环境逼真度评估。在分析复杂电磁环境对电子信息装备影响机理和电子对抗作战机理的基础上,以电磁环境对电子信息装备所产生的实际影响效果为依据,分析模拟电磁环境产生的影响效果与目标电磁环境产生的影响效果是否一致。

相比于基于电磁环境信号特性的逼真度评估,第2种方法考虑的要素更加客观全面,评估结果更有说服力,对于电子信息装备的作战效能评估也更有参考价值。

4 活动建模

运用功能建模语言IDEF0进行过程建模的目的是全面描述电磁环境逼真度评估的功能组成、层次结构以及信息流动,从而对电磁环境逼真度评估进行系统的设计和分析。IDEF0在过程建模中具有宏观性、综合性和可表达性的特点,它采用自顶向下分解的方法,支持电磁环境逼真度评估过程的分析与改进,实现对评估过程全生命周期的支持[19]。

4.1 ICOM描述

基于IDEF0建模规则分解电磁环境逼真度评估过程中的活动,并分析各活动之间的关系,评估活动包括输入(Input)、输出(Output)、控制(Control)和机制(Mechanism),用一个四元组形式化的表示,即:MEFV=＜I,C,O,M＞[20]。电磁环境逼真度评估的ICOM描述如图3所示。

“I”指评估所需的资源、数据、需求和规则等,包括对目标电磁环境和模拟电磁环境的要素构成、辐射源特征、环境及信号特性和能效数据等源数据,规范完整的构建与评估规则,详细全面的试验需求、评估需求、目标等电磁环境逼真度评估基本配置信息。

图3 电磁环境逼真度评估的ICOM描述Fig.3 The ICOM model for fidelity evaluation of electromagnetic environment

“C”指评估实施所受到的控制和约束,包括指导和控制构建过程的构建方案、评估指标体系、评估计划和算法、评估要求、评估辅助软件与工具、源数据规范以及评估活动所需数据。

“M”指参与电磁环境逼真度评估活动的预期用户、构建小组、评估小组和领域专家。

“O”指评估结论、评估报告、评估过程和一些重要的中间数据以及有关意见和改进建议等评估生成的结果。

该ICOM模型明确描述了电磁环境逼真度评估活动的外部需求,是应用IDEF0方法进行宏观过程描述的前提和评估活动进一步细化的基础。

4.2 IDEF0模型

电磁环境逼真度评估活动可继续分解为更低层次的细化模型,即将电磁环境逼真度评估过程分解为4个主要的且相互作用的阶段:评估需求分析,构建评估指标体系;构建装备或模型展开,获取评估数据;选择评估方法和评估工具,实施评估;处理分析评估结果,形成评估报告。如果将电磁环境逼真度评估看成是一个运行的系统,那么它的每个阶段都包含着执行相关功能所涉及的流程、信息、系统和人员。将评估各阶段与ICOM描述关联起来,可得到电磁环境逼真度评估过程的IDEF0形式模型,如图4所示。

图4 电磁环境逼真度评估过程的IDEF0模型Fig.4 The IDEF0 model for fidelity evaluation process of electromagnetic environment

在具体实施评估的过程中,环境构建小组与评估小组须加强协同,并充分发挥领域专家的作用,从总体上对电磁环境逼真度评估进行规划和设计,制定合理详尽的评估计划和科学完备的评估指标。它们的制定必须参考电磁环境构建方案、相关的数据规范以及合适的评估算法,以指导和控制评估活动的实施。

5 基于相似系统理论的电磁环境逼真度评估方法

根据相似系统理论,如果两个系统组成要素之间存在相同或相近的特征,那么这两个系统之间存在相似性。对应要素互为相似要素,每一对相似要素构成一个相似元。系统间的相似性大小与系统组成要素多少及其特征有关,与系统间相似要素数量和相似要素的相似程度大小有关[21]。

文中将目标电磁环境和模拟电磁环境与特定的受体(被试装备或系统)相关联,并把电磁环境抽象为以不同类型电磁信号作为要素组成的系统。该系统中所包含的电磁信号类型与所针对的受体密切相关,进而运用相似系统理论,通过分析比较特定受体在目标电磁环境和模拟电磁环境中所能感知到电磁信号特征的相似程度,评估两个电磁环境的相似度(即:模拟电磁环境相对于目标电磁环境的逼真度)。

1)根据受体的电磁信号感知能力,对目标电磁环境和模拟电磁环境中的电磁信号进行筛选,选择那些在波束空间上与受体交叉、在工作时间上与受体重合、在工作频段上与受体重叠、在信号能量上能被受体灵敏接收、在极化方式上与受体非正交、在调制样式上与受体相同或相近的电磁辐射源。

2)分别着眼于目标电磁环境和模拟电磁环境,对筛选过程中所选择的电磁辐射源所产生的信号进行分类。例如:划分为雷达信号、雷达干扰信号、通信信号、通信干扰信号、光电信号、光电干扰信号、导航信号、导航干扰信号、敌我识别信号、敌我识别干扰信号等。将目标电磁环境和模拟电磁环境抽象为由上述电磁信号类型中的1种或多种所组成的系统,并以信号类型作为相似要素建立两个系统之间的1个或多个相似元。

3)确定相似要素(即:每个信号类型)的相似特征取值,计算每对相似要素所对应相似元的各个特征相似度。对于一种类型的电磁信号来自于2个或多个辐射源的情况,确定相似特征取值时要考虑叠加后的综合效应,例如脉冲流复合、能量叠加等。

4)计算每个相似元的数值。针对每个相似元,对其所有的特征相似度进行加权求和,每个特征相似度的权重根据该特征在刻画信号特性方面的重要性确定。例如,对雷达干扰信号,干扰功率和干扰样式这两项信号特征的重要性要高于其他信号特征。

5)计算目标电磁环境和模拟电磁环境之间的相似度。对所有的相似元数值进行加权求和,每个相似元的权重应综合考虑受体信号特性等因素来确定。例如,如果雷达装备作为受体,雷达干扰信号类型所对应的相似元权重要高于其他信号类型。

6 结语

电磁环境构建的逼真度直接影响装备试验的最终评价结果,但由于电磁环境的复杂性,逼真度评估一直是电磁环境构建与评估领域的一个难题。文中深入剖析了电磁环境逼真度评估的定义、特性、研究框架、基本思想及评估过程,从总体上明确了电磁环境逼真度评估的理论框架、研究内容和方法思路,这些理论是研究电磁环境逼真度评估的基础。研究成果能够有效指导装备试验电磁环境构建逼真度评估的研究与应用,但鉴于文中主要是针对总体理论框架研究,没有过多深入逼真度计算的具体细节技术,所以未来在电磁环境逼真度评估指标、定量计算模型、评估工具开发等方面还有待进一步研究。

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Research on Fidelity Evaluation of Electromagnetic Environment Simulation Construction in Equipment Test

JIN Zhao,XU Zhong-fu,GAO Jin-tao,LI Guang-dong
(EETC,Luoyang 471003,China)

Objective To study the fidelity evaluation of electromagnetic environment simulation construction in equipment test.Methods Based on the analysis of the conception and characteristics of fidelity evaluation of electromagnetic environment,this paper established four hierarchies of the general study framework for fidelity evaluation from methodology, theory,technique and application,and clarified the basic idea for fidelity evaluation,and established the function and process model of evaluation with IDEF0 method,and presented a fidelity evaluation method based on the similarity system theory.Results This paper presented the concept of electromagnetic environment's fidelity,identified the overall theory framework,concrete contents and research methods of electromagnetic environment fidelity evaluation.Conclusion These ideas formed the basic theory and method system about fidelity evaluation of electromagnetic environment from the top-level.

electromagnetic environment;fidelity;evaluation

10.7643/issn.1672-9242.2014.05.007

TJ06

:A

1672-9242(2014)05-0032-06

2014-04-14;

2014-05-27

Received:2014-04-14;Revised:2014-05-27

“十二五”装备预先研究项目(51333030103)

Fund:Supported by the"Twelfth Five-Year"Equipment Pre-research Program(51333030103)

金朝(1979—),男,河南人,硕士,工程师,主要研究方向为电子对抗试验训练,电磁环境的构建与评估。

Biography:JIN Zhao(1979—),Male,from Henan,Master,Engineer,Research focus:electronic warfare test and training,electromagnetic environment construction and evaluation.