训练电磁环境生成和逼真度评估方法*

李文鹏，徐忠富，高进涛，苑建伟

（中国洛阳电子装备试验中心，河南 洛阳 471003）

训练电磁环境生成和逼真度评估方法*

李文鹏，徐忠富，高进涛，苑建伟

（中国洛阳电子装备试验中心，河南 洛阳 471003）

构建与战场电磁环境尽可能相似的训练电磁环境、评估所构建的训练电磁环境与战场电磁环境的相似程度，是基地训练电磁环境构建必须解决的突出问题。基于相似理论基本原理和相似度计算基本方法，结合基地训练电磁环境构建实践，采用精确值相似度计算生成训练电磁环境，采用区间值相似度计算评估训练电磁环境的逼真度。

电磁环境，相似理论，相似度，逼真度

0 引言

训练电磁环境是对战场电磁环境的模拟，如何生成与战场电磁环境尽可能相似的训练电磁环境，如何评估所生成的训练电磁环境对战场电磁环境的相似程度，是开展实战化基地训练电磁环境构建必须解决的重要问题。

目前，在训练电磁环境构建理论和构建方法研究方面，文献［1-3］探讨了训练电磁环境构建的目的、意义、原则、要求、对象、要素、模型、方法以及电磁环境的内涵和效应等，文献［4-6］归纳了训练电磁环境构建的基本思路，提出“以小带大、收端等效、分级模拟”等基本构建方法；在训练电磁环境相似程度分析方面，《实兵演习网络电磁环境构设通用规范》中，提出以逼真度作为衡量训练电磁环境对战场电磁环境相似程度的指标，并给出逼真度定义（逼真度：演习中构设的电磁环境与想定战场电磁环境的相似程度）及其初步计算公式。总体来看，训练电磁环境相关问题中，概念研究较为充分，方法研究较多停留在定性分析层面，缺少基于定量计算的生成方法和基于成熟理论的逼真度评估方法。

本文在总结前人研究成果、分析相似理论基本原理和相似度计算基本方法的基础上，拟探讨基于相似系统理论的训练电磁环境生成和逼真度评估方法。

1 相似系统理论及应用

相似性科学是一门研究自然、社会、工程和思维中相似性规律及其应用的新兴综合性科学，在信息学、管理学、工程学、系统仿真等科学领域有广泛应用［7］。如：在系统仿真科学中，通常基于相似系统理论，研究仿真系统在总体结构和行为水平上能够复现原型系统的可信性程度，即开展仿真系统的置信度评估，相关成果见文献［8-12］。

在训练电磁环境生成和逼真度评估中，从基于相似性科学的系统仿真角度看，若视战场电磁环境为原型系统，训练电磁环境为仿真系统，则训练电磁环境生成可视为以战场电磁环境为原型的建模活动，评估训练电磁环境与战场电磁环境的相似程度，等同于评估训练电磁环境在总体结构和行为水平上能够复现战场电磁环境的可信性程度。因此，文献［8-12］的研究成果对开展训练电磁环境生成和逼真度评估具有一定指导意义。

1.1 相似理论原理及理解

相似理论基本原理包括序结构原理、信息原理、同源性原理、共适性原理和支配原理［7］等，这些原理共同反映了相似系统的形成和演变规律［8］。

其中：序结构原理认为任何系统都有一定的序结构，系统的特性取决于系统的序结构（包括时间、空间、功能和结构序），当两个系统存在相似性时，系统相似程度大小取决于系统序结构的共同性程度；信息原理认为系统序结构的形成和演化与系统内的信息作用有关，“信息促进各要素间相互联系、相互配合，使系统内要素活动相互协调、富有规律性”［7］。

因此，在训练电磁环境构建中，需以某种形式、最大程度地反映战场电磁环境的时间序、空间序、功能序和结构序，使训练电磁环境与战场电磁环境的信息作用内容、形式和场强度及其分布等尽可能接近，从而提高训练电磁环境对战场电磁环境的相似性。

但是，实际建模中，有时完全遵守相似系统原理反而可能难以获得理想结果。如：根据相似原理，只有保证模型和实物的几何相似，才能保证两者间的动力相似、热力相似，但在翼型风洞试验中，有时反要破坏几何相似才能达到动力相似和热力相似。彼时，动力相似和热力相似是目的，要千方百计去实现，几何相似是手段，为目的服务而可以被改变。

基地训练电磁环境构建中，实现与战场电磁环境功能相似是构建的目的，与战场电磁环境结构相似是实现构建目的而采用的手段。因此，即使考虑到战术背景及装备实际作战部署，但受场区地形条件、装备性能和保障条件等因素限制，有时仍需牺牲结构相似来确保实现功能相似，这也是前文提到“以小带大、收端等效”等构建方法可行的原因之一。

1.2 相似度计算方法及分析

按照相似系统理论，系统间具有共同属性而在数值上存在差异的组成要素构成相似元。设仿真系统为A，原型系统为B，A中有a1，a2，…，ak共k个组成要素，B中有b1，b2，…，bl共l个组成要素，若A中的要素ai和B中的要素bj特性相同，则ai和bj即为相似要素，若把和构成子集合uij={ai，bj}，则uij即为相似元。

假定系统A、B之间共有n（n≤min（k，l））个相似元，如果用qn表示系统间特性相同的要素数量对系统相似度的影响，qu表示由全部相似元确定的相似度，q表示系统相似度，则有［9］：

其中，q（ui）为第i个相似元的相似度，βi为基于相似元对系统相似度影响大小不同而取的权重系数。

由式（1）～式（3）可见，系统相似度的大小取决于各系统组成要素数量、相似元相似度和各相似元的权重系数。

确定权重系数有专家经验、试验确定或数理统计等方法，相关研究成果较多。因此，当前情况下，计算训练电磁环境对战场电磁环境的相似程度（即逼真度），难点在于统计系统组成要素的数量和计算各相似元的相似度。

2 基于相似系统理论的训练电磁环境生成和逼真度评估方法

“构建与战场电磁环境完全一致的训练电磁环境既不切合实际也无法操作”［4］。基于仿真建模经验，笔者认为，为提高环境构建针对性和效率，可首先选取战场电磁环境的若干关键特征作为训练电磁环境模拟的重点，然后再以选定的关键特征作为组成要素评估训练电磁环境对战场电磁环境的逼真度。基于此，本文将训练电磁环境生成和逼真度评估放在一起加以讨论。

2.1 基于精确值相似度计算的训练电磁环境生成方法

2.1.1 训练电磁环境构建的基本步骤

基地训练是和平年代对实战的模拟。受场区大小、地形、装备和保障条件等因素限制，实战化基地训练一般在特定的地域内开展，训练电磁环境通常需要在各种限制因素所确定的边界范围内，以实现功能相似为目的，使用替代、等效等手段，基于场区条件而构建。

受领训练任务后，实战化基地训练电磁环境构建的一般步骤为：

（1）分析参训部队基本情况、作战对手基本情况、参训部队训练需求和目标、基地组训能力和现有条件等；

（2）编制作战基本想定，确定战略战役背景、双方力量编成、基本对抗态势和作战行动构想等；

（3）在基本想定基础上，确定战场敌我用频装备的种类、数量、战技指标、工作体制、信号特征以及组网方式等；

（4）分析作战各阶段敌我用频装备的运用规律，包括战场分布规律、机动规律、用时规律和用频规律等；

（5）分析作战各阶段电磁环境的特点，包括敌方、我方和背景电磁环境，选定有代表性和扩展性的典型电磁环境作为训练中着力构建的重点；

（6）瞄准典型阶段典型电磁环境，确定总体电磁态势随时间的变化规律，以及各电磁辐射源的分布及辐射规律；

（7）选定与敌方装备工作波段、工作体制、信号样式以及辐射特性等基本相同的基地装备（或基地协调装备）作为配训装备，采用复合替代等手段模拟敌方装备，基于缩比等效等思想确定配训装备的配置位置；

（8）选取战场电磁环境若干关键特征，如从构成环境的电磁信号层面，选取辐射功率、信号带宽、调制样式、信号类型等，作为模拟的重点，逼真生成训练电磁环境；

（9）监测电磁环境并评估所生成的训练电磁环境对战场电磁环境的实际逼真度，当逼真度不满足需求时，变换装备部署位置或调整装备辐射方向，直至生成满足需求的训练电磁环境为止。

2.1.2 基于精确值相似度计算的训练电磁环境生成

训练电磁环境生成的关键步骤之一是确定配训装备的配置位置。当前，常见的配置位置确定方法如下：

（1）根据敌方装备和配训装备的发射脉冲功率及天线增益，依据“辐射功率等效”原则，确定配训装备距参训装备的配置距离；

（2）在满足通视等基本要求的区域内，依据训练场区地形情况，按确定的配置距离放置参训装备和配训装备。

受制于配训装备辐射功率及训练场区地形和保障条件，配训装备的实际部署位置通常要在所确定的理论配置距离上下一定范围内选择，此时，实际生成的训练电磁环境对战场电磁环境的逼真度是一个未知量，且常因实际配置距离偏近或偏远而降低对战场电磁环境的实际逼真度。

针对此问题，在此提出基于精确值相似度计算、满足一定逼真度的配训装备配置位置区间确定方法，以方便实际构建中配训装备配置位置的灵活选取，提高训练电磁环境对战场电磁环境的实际逼真度。

基本方法如下：

由精确值相似度计算基本公式［10］（4）可知，要使训练中到达参训装备位置处的信号辐射功率s2与想定战场环境中参训装备处的信号辐射功率s1具有90%以上相似度，则s1、s2应满足式（5）：

即有：

以雷达装备为例，假定敌方威胁装备距我作战装备的空间距离为R1公里，威胁装备的发射功率Pt1，天线增益为Gt1，模拟威胁装备的配训装备发射功率为Pt2，天线增益为Gt2，则由距辐射源R公里处的雷达信号功率计算式（7）可知：

采用距离压缩法构设训练电磁环境时，要使训练电磁环境与战场电磁环境在关键特征“辐射功率”上具有90%以上相似度，配训装备距参训装备的实际配置位置R2可由式（8）确定：

按照上述方式确定配训装备的配置区间并实际完成训练部署后，即可转入训练电磁环境构建的第（8）和第（9）步：选取并模拟战场电磁环境的关键特征生成环境，评估并提高生成环境的实际逼真度。

2.2 基于区间值相似度计算的训练电磁环境逼真度评估方法

一次生成并不意味着环境构建的结束，实际生成效果如何还需要在环境监测的基础上通过逼真度评估来检验，以适时调整、逐步提高训练电磁环境对战场电磁环境的逼真度，直至逼真度满足要求为止。

2.2.1 区间值相似度计算的基本原理

由式（4）的形式可知，当仿真输出为动态值时，式（4）将不再适用。针对仿真系统动态输出问题，可行思路是采用区间值相似度计算方法。

本文采用任凯、浦金云等学者提出的基于区间相似度的改进算法来解决仿真输出结果为动态变量时的相似度计算问题。该方法主要用于模糊值或区间值的相似度求解，特点是具有较高的区分度和灵敏度。方法如下［12］：

假定d2≥c2，则任意区间C［c1，c2］和D［d1，d2］的可能位置关系有3种：独立、包含、部分重叠，以sim（C，D）表示两区间之间的相似度，L（·）表示区间的长度，则有：

2.2.2 基于区间值相似度计算的训练电磁环境逼真度评估

实际监测发现，受场区条件限制和传播因素影响，电磁信号的若干辐射参数通常呈现动态变化特性，其度量适宜采用区间值。因此，在基于精确值相似度计算方法生成训练电磁环境后，应考虑采用区间值相似度计算方法评估训练电磁环境的实际逼真度。现结合环境生成，给出基于区间值相似度计算的训练电磁环境逼真度评估方法。

假设环境生成时选择辐射功率、信号样式、信号带宽等3项要素作为战场电磁环境的关键特征，现以选定的3项关键特征作为组成要素评估训练电磁环境的逼真度，则可认为训练电磁环境与战场电磁环境的组成要素数量相等，两者的要素相似度qn为1。此时，基于区间值相似度计算的训练电磁环境逼真度评估方法如下：

以相似元“辐射功率”的相似度计算为例，假定敌方威胁装备在距我侦测装备R1公里处，我方测得敌方威胁信号的功率变化范围为C'［s1，s2］，采用精确值相似度计算方法确定配训装备配置位置并生成训练电磁环境后，侦测装备测得模拟敌方威胁装备的配训装备信号功率变化范围为D'［s1，s2］，则训练电磁环境与战场电磁环境在相似要素“辐射功率”上的相似元相似度如式（12）所示。

假定，现已求得训练电磁环境与战场电磁环境在全部三项相似要素上的相似元相似度和权重系数，则基于区间值相似度计算得到的训练电磁环境逼真度如式（13）所示。

3 结束语

本文结合相似系统理论和方法，归纳了训练电磁环境构建的基本步骤，提出了基于精确值相似度计算的训练电磁环境生成方法和基于区间值相似度计算的训练电磁环境逼真度评估方法。本文研究是为解决训练电磁环境精确生成和逼真度评估这一难题所进行的尝试，可为实战化基地训练电磁环境构建与评估提供参考和借鉴。本文研究仍是尝试性的，下一步将结合电磁环境的描述方法，完善考虑战术运用时战场电磁环境关键特征的选取方法和训练电磁环境逼真度评估方法。

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Study on Method of Generation and Fidelity Evaluation of Training Electromagnetic Environment

LI Wen-peng，XU Zhong-fu，GAO Jin-tao，YUAN Jian-wei
（China Luoyang Electronic Equipment Test Center，Luoyang 471003，China）

Two problems must be resolved first in Base Training Electromagnetic Environment Construction，one is how to construct Training Electromagnetic Environment as similar as Battlefield Electromagnetic Environment，the other is how to evaluate the degree of fidelity between them.Based on the basic principle of Similarity Theory and counting method of similarity degree，combined with the practice of Base Training Electromagnetic Environment Construction，the paper attempts to use the exact value of similarity calculation to generate Training Electromagnetic Environment，use the interval value similarity calculation method to evaluate the fidelity of Training Electromagnetic Environment.

electromagnetic environment，similarity theory，similarity，fidelity

TP393

A

1002-0640（2015）03-0051-05

2014-01-18

2014-03-27

国防“十二五”装备预研基金资助项目（51333030103）

李文鹏（1987- ），男，河南洛阳人，硕士，工程师。研究方向：电子抵抗基地训练筹划。