通信侦察电磁环境建模与模拟软件设计

沈振惠,张建华

(1.天津天狮学院,天津　301700;2.中国船舶工业系统工程研究院,北京　100094)

通信侦察电磁环境建模与模拟软件设计

沈振惠1,张建华2

(1.天津天狮学院,天津301700;2.中国船舶工业系统工程研究院,北京100094)

摘要:针对通信侦察设备面临的信号环境的构建问题,提出来了一种战场通信侦察电磁环境模拟软件设计思路,并阐述了该软件的架构设计、主要功能、数学模型与运行流程等。该电磁环境模拟软件已初步应用于相关领域试验、训练中,可以作为探讨通信侦察的有效手段,希望能为综合电子对抗复杂信号环境的构建提供支撑。

关键词:通信侦察;电磁环境;建模与仿真

随着通信及通信侦察技术的快速发展,越来越多的通信侦察装备、训练装备不断投入部队使用,对通信侦察战场信号环境的构建提出了越来越高的要求[1]。由于模拟训练具有花费少、可重复、无风险等特点,在通信侦察装备训练中受到了广泛的关注,并在一定程度上得到了应用。对于通信侦察装备模拟训练,能否设计并构建准战场条件下的不同信号平台、信号类型、信号密度、信号强度和信号分布下的通信侦察电磁环境是通信对抗系统设计的重点和难点[2]。

本文所提出的通信侦察电磁环境模拟软件,可模拟多种类、复杂、动态、密集的通信对抗信号环境,不仅能够支撑研究分析现有的通信系统的通信能力,而且能够支撑通信侦察设备的信号侦察分析能力,以训练通信对抗军官和通信侦察操作员信号截获、目标分析与识别、侦察告警的能力。

1通信侦察电磁环境模拟的需求及应用环境

通信侦察设备由通信侦察天线、射频单元、宽带侦测单元、网络侦察单元、特种信号控守单元、重点信号监听单元以及设备主控单元组成,如图1所示。

图1　通信侦察设备组成示意图

通过对工作频段及空域覆盖范围内的敌方通信信号进行搜索、截获、测量、分析、识别、监视以及对通信设备测向、定位,从而获取其技术参数、功能、类型、位置、用途等情报,实现对战场区域内的常规通信、战术通信、数据链等目标的实时侦测。因此,通信侦察是战场指挥员获取军事情报的重要手段,也是其实施通信干扰或摧毁的依据[3]。

对于缺乏实际信号环境的日常训练,利用建模与仿真技术构建相应的电磁环境是国内外普遍采用的方法与手段。通信侦察电磁环境模拟主要是为操作通信侦察设备的人员提供真实的、动态的、贴近于实战的电磁辐射环境,用于操作人员的日常训练和设备性能的检验,主要应具备战场想定生成、仿真过程控制、通信辐射工作参数生成、可视化显示及对外接口通信等功能,完成通信侦察设备的电磁辐射环境建模、仿真与信号激励等任务,其应用环境如图2所示[4]。

图2　通信侦察电磁环境模拟软件应用图

2软件总体设计

2.1软件结构设计

通信侦察电磁环境模拟软件的软件体系结构如图3所示。根据不同的用途和目的,该软件分为三大类:系统软件、支撑软件和应用软件。

图3　通信侦察电磁环境模拟软件体系结构图

1)系统软件

系统软件是指管理并运行计算机系统资源的软件,主要包括Windows XP、中标麒麟等操作系统。

2)支撑软件

支撑软件是指所有用于帮助和支持通信侦察电磁环境模拟软件开发的软件,主要包括Visual C++、Qt、Vega Prime等。

3)应用软件

应用软件是指经过开发的、专门用于实现通信侦察电磁环境模拟软件并起主导作用的软件,如导演调度、战场想定编辑、数据库管理、电磁环境生成、可视化显示等模块。

2.2软件功能设计

通信侦察电磁环境模拟应用软件主要由导演调度、战场想定编辑、数据库管理、通信天线调制模块、电磁环境生成、数据记录模块、可视化显示以及数据库服务器等模块组成,如图4所示[5]。

图4　通信侦察电磁环境模拟应用软件组成

各模块的主要功能如下:

1)导演调度模块。主要完成仿真运行控制参数如仿真时间、仿真步长、过程控制、数据记录及显示等参数的设计。

2)战术想定编辑模块。基于电子地图背景完成战场想定的设置、或从数据库服务器导入想定设置数据,包括舰载、机载、岸基、潜载等多种平台的运动参数如平台编号、平台类型、平台名称、敌我属性、威胁等级、平台经度、平台纬度、平台高度、平台地速、平台真航向,定频、跳频通信辐射源参数如辐射源数、辐射源信号编号、通信网编号、辐射源平台编号、辐射源工作频率、信号带宽、信号类型、信号调制样式、发射功率、信号幅度、工作标志(工作/停止)、时段关联标志(相关/无关)、信号源辐射开始时间、信号源辐射结束时间等,产生通信侦察设备所需的复杂战场电磁态势。

3)数据库服务器。为通信侦察电磁环境模拟软件提供各种参数,主要包括战情想定数据库、通信设备性能数据库、通信侦察规则数据库、地理信息数据库,以及包括发射模型、路径传输损耗模型和通信信道模型的通信设备模型库。

4)电磁环境生成模块。通过调用通信设备的发射机模型、天线模型,结合电波传输模块提供的传播衰减模型、装备性能参数,按照典型通信设备如短波/超短波电台、数据链的工作原理运行生成不同位置、不同时刻的通信辐射源参数并输出到显示模块进行显示。

5)数据记录模块。主要按照操作员的设置,完成战场想定、仿真过程控制、通信辐射参数生成等数据或命令的记录与存储。

6)综合显示模块。主要以电子地图、表格、图形等方式,采用离散化数据,以2D/3D进行通信侦察电磁环境的可视化显示。

7)对外通信模块。主要按照与通信侦察设备的接口控制文件规定的速率和数据项完成通信辐射电磁环境模拟结果的输出。

2.3通信信号模型

通信侦察电磁环境模拟的基础是其数学模型的建立。通信信号环境按技术体制可分为模拟信号、数字信号等,常见的通信模拟信号有AM(幅度调制)信号、FM(频率调制)信号,数字通信有ASK(数字幅度键控)、PSK(相移键控)信号、FSK(频移键控)等。本文介绍了几种常见的通信信号的数学模型。

1)AM信号

该模型的输入是具有信息的模拟信号和基带信号。这两个信号通过该模型合成一个信号,即AM信号。它的主要算法是基带信号的幅度受调幅信号控制。

SAM(t)=[A+m(t)]cos(ωct+φs)

其中:m(t)=Bcos(wst)为基带信号,A为信号载波幅度,wc为载波频率,φs为信号的初始相位。

2)FM信号

FM信号是载波频率按照调制信号改变的一种通信信号。其数学表达式为:

3)BPSK信号

BPSK信号是受到键控的载波相位按基带脉冲而改变的一种数字调制信号。其数学表达式为:

式中,wc为载波频率,φ0为初始相位,g(t)是脉宽为Ts的单个矩形脉冲,而an的统计特性为

4)2FSK信号

数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息,即用所传送的数字消息控制载波的频率。2FSK信号便是符号“1”对应载频ω1,符号“0”对应另一个载频ω2的已调波形。其数学表达式为

其他的通信调制信号如4FSK、MSK(最小频移键控)、QPSK(四相绝对移相调制)、QAM(正交幅度调制)等的数学模型就不在文中列举了,可查阅其它文献得到。

2.4工作流程设计

通信侦察电磁环境模拟软件的工作过程由蓝方虚拟兵力触发,按仿真协调步长同步,分为仿真准备阶段、仿真运行阶段和分析评估阶段三个阶段进行,运行流程具体如图5所示[6]。

图5　模拟软件工作运行流程图

1)仿真准备阶段

该阶段主要完成仿真环境的准备,即战情想定人工设置,或者自动调用数据库服务器存储好的包括作战区域、作战兵力、大气环境等内容的战术想定。

仿真操作员通过新建战术想定,添加通信辐射源目标平台参数(如初始经纬度、航向、速度、运行轨迹等)及搭载的通信辐射源类型及参数(如发射机参数、天线参数等),添加电波传播环境等,完成战术想定设置,并以存入战情设置数据库。

2)仿真运行阶段

该阶段主要完成通信侦察电磁环境的模拟运行。

仿真操作员通过调用战情想定,读取通信辐射源目标平台参数、辐射源发射机和天线参数、电波传播环境参数,根据操作员命令,考虑电波传播环境,开始辐射源目标平台运动、辐射源工作参数计算,完成通信电磁环境的生成、记录与显示,并将电磁环境通过接口通信模块动态输出。

3)分析评估阶段

该阶段主要完成通信侦察电磁环境仿真记录重演和离线分析评估两个过程。其中,仿真记录重演是仿真操作员通过调用数据记录,可对全部或关注的通信侦察电磁环境仿真过程、数据进行显示。离线分析评估是指仿真操作员采取定量与定性相结合的分析方法,根据模糊综合评判模型获取通信侦察电磁环境复杂度评估指标的加权系数,对照经过专家确认的评估标准对复杂度进行评估从而给出复杂度等级,从而实现对所构建的实时或历史的通信侦察电磁环境复杂度评估。

3结束语

通信侦察电磁环境模拟训练软件是根据某通信侦察设备研制和部队训练需求而设计的,可模拟舰载、机载、弹载、潜载、岸基等多种平台、多种信号类型、调制样式的通信辐射电磁环境,其更强的灵活性、针对性、可复现等技术特点,弥补了实装训练的不足。该模拟软件已经在相关领域开展了应用,初步解决了通信侦察装备研制、训练或试验缺乏通信信号环境的问题,取得了较好的效果,具有较强的实用价值,为后续系统的开发奠定了基础。

参考文献:

[1]Filippo Neri.电子防御系统概论[M].第2版.北京：电子工业出版社,2014.

[2]王汝群.战场电磁环境[M].北京:解放军出版社,2006.

[3]蔡晓霞,陈红,徐云.通信对抗原理[M].北京:解放军出版社,2011.

[4]郭齐胜,董志明，等.战场环境仿真[M].北京:国防工业出版社,2005.

[5]史军军,焦念君，等.雷达对抗动态信号环境模拟构建研究[J].中国电子科学研究院学报,2012,7(3):260-264.

[6]常伟,张冉，等.电子战训练仿真系统分析与设计[J].现代防御技术,2007,35(5):140-146.

Model and Design of Communication Reconnaissance Electromagnetic Environment Simulation Software

SHEN Zhen-hui1,ZHANG Jian-hua2

(1. Tianjin Tianshi College, Tianjin 301700; 2. Systems Engineering Research Institute, Beijing 10094, China)

Abstract:In allusion to absence of signal environment in communication reconnaissance equipment development or training, a kind of battlefield communication reconnaissance electromagnetic environment simulation software is proposed, and then software functions, architecture design, composition and function, operation process, and emitter signal mathematical model are described in this paper. The electromagnetic environment simulation software has been applied to field test, a preliminary training, can be a effective way to explore communication reconnaissance. The paper can be used to provide help on the construction of a complex signal environment of EW system.

Key words:communication reconnaissance; electromagnetic environment; model and simulation

文章编号：1673-3819(2016)03-0113-03

收稿日期：2016-04-10

作者简介：沈振惠(1977-),女,江苏南通人,博士,讲师，研究方向为信号处理与检测、电子对抗等。 张建华(1977-),男,硕士,研究员。

中图分类号:TN971；E917

文献标志码:A

DOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.03.022

修回日期： 2016-04-25