基于战术通信系统运用效果的电磁仿真

黄一斌， 钟海波

(1. 装甲兵工程学院装备试用与培训大队， 北京 100072； 2. 装甲兵工程学院科研部， 北京 100072)

基于战术通信系统运用效果的电磁仿真

黄一斌1， 钟海波2

(1. 装甲兵工程学院装备试用与培训大队， 北京 100072； 2. 装甲兵工程学院科研部， 北京 100072)

摘要：针对战术通信系统仿真训练、演练等需求，提出了基于战术通信系统运用效果的电磁建模仿真方法，构建了经验影响效果电磁环境模型，并对模型算法进行了特征分析，解决了人在环实时仿真中复杂电磁环境建模仿真的难题。模型充分体现了实践经验且易于拓展修改、便于集成，专业要求低，运算消耗小，适合于大规模人在环仿真系统应用。

关键词：经验模型; 运用效果; 电磁环境仿真

战场电磁环境主要由人为电磁辐射、自然电磁辐射和辐射传播等因素组成[1]，由于其复杂多变、随机性强，因此难以准确地进行描述。而数字化部队大量配备了各种类型的电子设备、通信装备，加上各类电磁干扰，共同形成了复杂的电磁环境。其中，在战术通信装备的实际组网运用过程中，当电台组网规模较大，或一定区域内组网太多，抑或频谱规划不当时，整个指挥控制及通信效果明显下降，说明通信装备之间也存在明显干扰。然而，对于这种异常复杂的电磁环境，要构建科学合理的模型非常困难，因此需要对电磁环境模型进行简化处理。

为了便于开展电磁环境仿真集成，要求仿真模型易于拓展修改、便于集成，专业要求低，运算消耗小；同时，需要规避传统建模难题，如传统方法中的电磁波源、传播、干扰等模型不仅复杂，且各种假设难以反映实际使用时的电磁情况，计算复杂度大，专业要求高，难以满足人在环仿真训练的实时性要求。笔者通过综合分析战术通信实际运用效果，构建各类电磁影响因素的主观经验模型，提出基于战术通信系统运用效果的电磁环境建模仿真方法。

1电磁影响因素及效果分析

数字化部队战术通信系统在实际运用时，复杂电磁环境的影响主要表现为：1)电台通信链路无法建立，如在进行短波电台的线路质量分析时，无法得到稳定的频点分析结果，不能进入同步过程，更无法建链和通信；2)通信质量较差，导致语音听不清或数据收发不成功。

由于复杂电磁环境对战术通信系统的同步过程、建链过程、通信质量等效果有影响，因此，为了描述整个电磁环境对战术通信系统训练的影响，笔者定义信道综合质量(Channel Integrated Quality，CIQ)来决定通信过程和通信质量。

从实际运用效果来看：短波(High Frequency, HF)电台的通信质量虽然不佳，但在不考虑极端情况和操作得当的前提下，话音通信基本没有太大影响，与其他类型电台相比，在山区更有优势，距离远时，优势更明显；超短波(Very High Frequency, VHF)电台基本上是视距通信，话音和数据通信效果较好，抗干扰性能较强，但绕射性能较差，在山区使用效果不好；宽带数据甚高频(Ultra High Frequency, UHF)电台在近距离通信效果非常好，在静止或低速运行时，是指挥所常用的数据通信手段。

一般来说，电磁波传播时会遇到各种地形环境，如平原、高山、丘陵、水面、城市高楼大厦等，可进行半定量描述，形成衰减影响。同时，在受到对方人为电磁干扰的影响时，也要进行适当修正，强化训练的针对性和效果。

综上所述，将电台工作波段、通信距离、地形地貌、频谱分布占用状况、组网规模、对方干扰等因素的影响综合考虑为一个结果，即CIQ，其概念模型为

CIQ=F(WB, SP, HG, FD, WN, OD),

式中：WB、SP、HG、FD、WN、OD分别为工作波段、距离、地形、频谱占用度、组网规模、对方干扰的半定量描述。通过仿真计算，可对复杂电磁环境影响程度进行等级划分，通过计算调整参数和权重，实现对复杂电磁影响效果主观感觉的逼近，可分为2个阶段：1)构建概念模型；2)构建数学模型。

在发射稳定、不明显区分短波传播方式的差异、装备操作及天线选择合理等理想状态下，波段与距离对通信效果的经验统计如表1所示。

表1　波段与距离对通信效果的经验统计

采用分类法描述地形时，通常仅考虑平坦地、丘陵地、低山地和中山地4类地形。对于装甲机械化部队，由于主要运用于中等起伏地域，可以将数字化部队运用地域划分为平坦地、中等起伏地、山地(城市高楼)3类。在理想状态下，当只考虑地形地貌电磁传播空间对电磁影响时，地形地貌对通信效果的经验统计如表2所示。

表2　地形地貌对通信效果的经验统计

对于频谱分布状况的影响，结合战术电台的性能指标和实践经验，一般要求频谱占用度小于一定指标时，通信效果才能有保证。频谱占用度对通信效果的经验统计如表3所示。

表3　频谱占用度对通信效果的经验统计

从实践经验来看：组网规模越大，即子网用户(电台)数越多，通信能力越差，如超短波电台在组网规模偏大时，通话延迟严重，数据传输时间变长。组网规模对通信效果的经验统计如表4所示。

由于不同波段上抗干扰技术特性不同(如跳频体制、直接扩频体制等)，在同等干扰条件(干扰方式、样式等一致)与有效通信距离前提下，干扰对3个波段通信效果的经验统计如表5所示。

表4　组网规模对通信效果的经验统计

表5　干扰对通信效果的经验统计

2影响效果归一化

借助品质效用函数，可将各影响因素对主观效果的变化规律和具体参数进行归一化处理。

基础数据的获取是经验模型具体量化或验证的重要环节，一般有2条途径：1)通过大量试验测量出各影响因素的数据，进而计算出具体参数；2)通过采取专家经验问卷统计，然后采用相应算法处理，计算出具体参数。相比之下，途径1)的准确性和可靠性较好，途径2)在工作量、繁杂性、可操作性等方面优势明显，因此本文采用途径2)获取基础数据。

模型的归一化处理和主观经验逼近，是对经验模型的二次建模。为了便于在仿真训练中进行计算，需要将主观经验的概念模型转化成相应的数学解析表达式、数据表格等形式的计算模型。

当精度要求较高时，二次建模可借助数学工具软件(如MATLAB)，采用分段多项式或多项式样条函数进行拟合[2-3],当拟合区间较宽时，若先细分成若干小区间，再分别进行拟合，拟合效果将更好；当精度要求不高时，二次建模也可用普通函数分阶段近似处理，以便调整参数，降低函数的复杂性。

与经典电磁模拟方法相比，经验模型的二次建模方法灵活方便，精度能够达到仿真训练的要求，符合战术通信系统运用实际。

采取分段函数近似描述6个影响因素效果对应的主观经验。将距离、地形地貌、频谱占用度、组网规模、干扰的经验影响效果分别记为fd、 ft、 ff、 fs、 fh，分别对应表1-5，并进行近似拟合。

将3个波段与距离x之间的电台通信影响效果函数fd分别定义为fdHF、 fdVHF和fdUHF，则有

(1)

fdVHF=0.85-2x-15.5, 0

(2)

fdUHF=0.95-2x-10.3, 0

(3)

对于短波，若采用4次分段多项式进行拟合，则

(4)

若采用12次多项式样条函数进行整体拟合，则

fdHF=2.287 5x12/1018-1.168 7x11/1015+

2.620 2x10/1013-3.384x9/1011+2.777 7x8/109-

1.507 5x7/107+5.451 5x6/106-0.000 129 17x5+

0.001 922 5x4-0.016 684x3+0.073 969x2-

0.127 15x+0.731 68。

(5)

由式(1) 、(4) 、(5)可以看出：在精度要求不高时，采用普通函数进行拟合，计算方便且可显著降低计算复杂度、减小资源消耗。

图1　距离对通信的影响效果

式(1)-(5)所反映距离对通信的影响效果如图1所示。可以看出：对比式(1) 、(4) 、(5)所采用的分段近似处理、分段多项式拟合和整体多项式拟合3种方法，由于整体多项式需要12阶以上函数拟合才能达到前2种方法的近似程度，因此该拟合方法不可取。编程实现时，采用分段函数方式既便于计算和代码编程，又能减少计算时间。

为了讨论地形地貌对电磁传播的影响，可将地形地貌的起伏变化或地质影响折算成一个[0,1]区间的综合系数c，依次对应于表2中平坦地、中等起伏地、山地，即对电磁传播影响越小时，c越小；反之，则c越大。将ft分别定义为ftHF、ftVHF和ftUHF，则有

ftHF=

(6)

(7)

(8)

图2为式(6)-(8)所反映地形地貌对通信的影响效果，符合电磁波在不同地形地貌的传播效果。

图2　地形地貌对通信的影响效果

通信效果与频谱占用度有着密切的联系，特别是频点间隔z需要达到相应指标时，才能保证通信质量。将ff分别定义为ffHF、ffVHF和ffUHF，则有

(9)

(10)

(11)

式(9)-(11)所反映频点间隔对通信的影响效果如图3所示。

图3　频点间隔对通信的影响效果

通信效果与组网规模n直接相关，当超过一定组网规模时，通信效率明显下降。将fs分别定义为fsHF、 fsVHF和fsUHF,则有

(12)

(13)

(14)

式(12)-(14)所反映组网规模对通信的影响效果如图4所示。

图4　组网规模对通信的影响效果

对于干扰度通信的影响，引入综合干扰系数p，变化范围为(0,1]，干扰越大时p越大。将fh分别定义为fhHF、 fhVHF和fhUHF，则有

fhHF=0.98(1-p)5;

(15)

fhVHF=0.98(1-p)3;

(16)

fhUHF=0.98(1-p)2。

(17)

式(15)-(17)所反映干扰对通信的影响效果如图5所示。

图5　干扰对通信的影响效果

3经验效果综合模型

针对复杂电磁环境中各种影响因素构建的经验模型，可以看作是该影响因素下的一个边际函数，将复杂电磁环境经验模型看作是一个多维分布函数。通过分析单个边际函数的特征，可部分反映经验模型多维分布函数的特征。

对于模型的综合集成，一般多采用算术平均法(如加权求和法)，也可采用几何平均法(如指数求积法)，还可依据需求灵活运用其他方法。若采用加权求和法，则综合效果Fp=λdfd+λtft+λfff+λsfs+λhfh，其中0<λd,λt,λf,λs,λh<1，且λd+λt+λf+λs+λh=1。若采用指数求积法，则综合效果Fm=fdλd+ftλt+ffλf+fsλs+fhλh。

令λd=λt=λf=λs=λh=0.2,分别采用2种方法综合得到距离和地形对短波通信影响效果,分别如图6、7所示。可以看出：指数求积法更能明显反映因素变化快慢。

对于短波，各类干扰是致命影响因素，因此，需调大λh；地形对其影响不明显，可调小λt。而超短波和甚短波正好相反，需调小λh、调大λt。

图6　距离和地形对短波通信影响效果(加权求和法)

图7　距离和地形对短波通信影响效果(指数求积法)

4经验效果模型分析

复杂电磁环境是战术通信建模仿真不能回避的问题之一，传统方法是从电磁原理、环境组成、影响因素等角度对其进行假设，并对主要矛盾进行分析建模，致力于量化描述复杂电磁环境，达到仿真电磁环境的目的[4-9]。其主要着力点在于分析电磁波分布空间内电磁的变化，试图量化电磁场空间描述，用于分析电磁传播特性，或者通过研究复杂电磁环境来探索在理论技术和工程应用上的应对措施，因而，不适用于基层数字化部队战术通信训练仿真。

4.1模型依据与思路

传统研究主要从电磁波源、传播、干扰等方面入手，提出一些假设，便于构建各自的模型，然后利用各类工具进行仿真分析。一般来说，由于影响因素太多，加上随机现象(如电离层变化、太阳风暴等)，即使作了大量假设，各类模型也是非常繁杂，计算难度很大，因而难以应用于在线仿真，也不满足战术通信系统模拟训练对实时仿真的需要[10-12]。

传统研究中很少探讨因自身电磁频谱分布而产生的影响，但从实际情况来看，该因素在小区域战术通信成体系运用时会受到很大影响。因此，从影响效果的角度考虑这些因素，能更好地贴近战术通信系统运用时的实际情况和特征。

本文研究目标在于仿真训练、演练等特定背景，侧重于效果的实现，不苛求精准性，其与传统研究的差别在电磁环境仿真处理上得到了充分体现。

基于战术通信系统运用效果的电磁环境建模仿真流程与传统电磁环境建模仿真流程对比如图8所示。可以看出：基于战术通信系统运用效果的电磁环境建模仿真是在对比分析传统研究优劣的前提下，针对通信仿真训练的特殊要求，在建模方法上融合了定性和定量2种类型，在建模特征上融合了主观经验与客观参数2类信息。

图8　电磁环境建模仿真流程对比

4.2模型可信性分析

在经验效果综合模型的可信性方面，通过分别固定5个因素中的4个因素，单独分析各个边际函数。图9以短波影响效果为例进行了对比分析，可以看出：经验效果综合模型同样可以反映影响效果和原始经验，与表1-5结果一致。

图9　经验效果综合模型可信性对比

4.3运行效果与模型特征

对于基于运用效果的电磁仿真模型和算法，利用计算机分析(CPU主频为2.2 GHz，内存为4 GB)短波算法时，记录2种综合集成方式的原始数据，如表6所示，由于时间太短，故重复计算9次，每次计算105个循环，最后剔除最大值和最小值后进行统计。当采用指数求积法进行综合集成时，平均消耗时间为9.965 μs；当采用加权求和法时，同样处理后平均消耗时间为8.478 75 μs。可见：对于人在环实时仿真，该模型算法消耗时间可忽略不计。

表6　计算105个循环的消耗时间　s

将各影响因素经验效果模型综合集成到仿真应用中时，距离采用分段函数计算80个点，地形计算1 000个点，频谱分布计算200个点，组网规模计算10个点，干扰计算100个点后，再采用指数求积法计算距离和地形一起变化时，即80×1 000个点的影响效果，然后再描绘成图像(图7)。经过10次重复，可得到消耗CPU时间分别为0.180 3、0.140 2、0.130 2、0.140 2、0.150 2、0.140 2、0.130 2、0.140 2、0.140 2、0.130 2 s，剔除最大值和最小值后，则计算80 000个点消耗CPU时间的平均值为0.138 s。可以看出：每次计算的时间远远小于1.72 μs，基本可以忽略不计。而图6采用加权求和法，经过10次重复，可得到消耗CPU时间分别为0.050 1、0.01、0.01、0.01、0、0.01、0.01、0、0.01、0.01 s，每次计算时间更不用考虑。与专业软件相比，基于战术通信运用效果的电磁环境建模仿真运行效率高，易于修改拓展，方便编辑实现和集成到各类仿真应用中。

在集成嵌入方面，传统电磁环境建模仿真一般先分析复杂电磁环境中各种要素，然后选择需要重点研究的要素进行原理分析，并建立相应仿真模型，采用专业电磁仿真软件(如OPNET、NS2、G1oMoSim等)进行计算分析。由于该类专业软件一般不提供接口，采取离线计算方式进行仿真模拟和分析时，难以集成嵌入到实时仿真系统中。而基于战术通信运用效果的电磁环境建模仿真只需根据经验建立影响效果模型，即可集成到任何环境中。

在运行要求和计算效率方面，传统电磁环境建模仿真一般要求专业人员具备较深的专业知识，经过复杂的推导计算和建模过程才能完成，操作复杂，效率相对较低。而基于战术通信运用效果的电磁环境建模仿真对专业知识要求不高，基层人员可以灵活地依据经验调整相关参数，计算简单，速度快。

在使用拓展方面，传统电磁环境建模仿真针对某一应用领域建立电磁模型，针对性强，不利于拓展使用。而基于战术通信运用效果的电磁环境建模灵活，能任意扩展影响因素，便于其他应用领域使用。

综上所述，通过对比分析，基于战术通信系统运用效果的电磁环境模型及算法具有以下特征：1)能够反映电磁影响效果的主观经验，解决了复杂电磁环境建模的难题；2)主观经验效果模型紧紧围绕战术通信系统实际运用的经验和特征，重点考虑波段、距离、地形、频谱占用度、组网规模和综合干扰等因素的影响效果，抓住了关键因素，符合实际运用情况；3)主观经验模型扩展性、灵活性好，便于进行修正或改进；4)算法直观明了，易于操作和实现，相对于经典电磁环境模型算法而言，对计算能力要求低，消耗资源少；5)计算速度快，实时性好，适合于在线仿真应用，满足人在环对实时性的要求。

5结论

本文针对传统电磁环境建模仿真方法无法准确反映真实的电磁情况、计算复杂度大、难以满足人在环实时仿真要求等问题，提出了基于战术通信系统运用效果的电磁环境仿真方法，构建了影响效果经验模型，实现了对电磁环境的简化描述和计算分析。该方法从战术通信运用实际经验出发，实现了电磁环境快速仿真和集成嵌入，专业要求较低，便于开展大规模的仿真训练。

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(责任编辑: 尚彩娟)

Electromagnetic Simulation Based on the Application Effect of Tactical Communication System

HUANG Yi-bin1, ZHONG Hai-bo2

(1. Brigade of Equipment Trial and Training, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;2. Department of Science Research, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Abstract：According to the simulation training or exercise requirement of the tactical communication system, an electromagnetic simulation method based on the application effect of tactical communication system is presented, the electromagnetic environment model based on experience influence effect is constructed, the characteristics of the model algorithm are analyzed, solving the difficulty in modeling and simulation of traditional complicated electromagnetic environment. The model fully reflecting the practical experience is easy to expand, modify and integrate, as well as has low professional requirements and small operation consumption, which is suitable for online stimulated application requirement for teaching and training.

Key words:experience model; application effect; electromagnetism simulation

文章编号：1672-1497(2016)01-0074-07

收稿日期：2015-10-20

基金项目：军队科研计划项目

作者简介：黄一斌(1975-)，男，博士研究生。

中图分类号：TP391.9

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.01.015