战术通信训练电磁环境模拟与仿真研究

2011-12-26赵红宙于赛发赵颖坤

河北科技大学学报 2011年1期

关键词：抛物电磁辐射战场

赵红宙，于赛发，赵颖坤

（1.装甲兵工程学院信息工程系，北京 100072；2.中国人民解放军72253部队，山东济南 250022）

战术通信训练电磁环境模拟与仿真研究

赵红宙1，于赛发2，赵颖坤1

（1.装甲兵工程学院信息工程系，北京 100072；2.中国人民解放军72253部队，山东济南 250022）

针对战术通信训练电磁环境特点，提出了应用抛物型方程和神经网络对电磁环境模拟仿真的方法。经实验证明，该方法模拟的电磁环境真实有效。

战术通信训练；电磁环境；神经网络；抛物型方程；仿真

战场电磁环境是在某一战场空间内对作战有影响的电磁活动及其现象的总和，具有复杂多变的特点，对信息化条件下的作战训练有深刻的影响。战术通信训练电磁环境是战场电磁环境的一种形式。根据训练、测试、试验及演习等的需要，模拟构建战术通信训练电磁环境，使其外在场景、内在特征及变化规律等方面均符合战场电磁环境真实情况，既可为训练演习提供真实环境，又能为提高复杂电磁环境下的作战能力打好基础。

目前，针对战场电磁环境模拟仿真有3种方法：第1种是以理论研究为主的，如文献［1］是以王汝群的战场电磁环境理论为基础进行的理论研究，没有生成模型和进行仿真；第2种是以建立计算机模型为主，没有进行仿真；第3种是研究雷达武器为主体构成的电磁环境，如文献［2］对以雷达为主体构成的电磁环境进行了建模和仿真。笔者主要研究以通信设备为主体构成的战术通信训练电磁环境，文中提出一种定量研究电磁环境构建的方法。该方法应用抛物方程、神经网络等。

1 战术通信训练电磁环境

战术通信训练电磁环境是战场电磁环境的组成部分，由短波单边带通信系统、超短波战术通信系统、扩频通信系统、无线电中继、卫星通信系统等通信设备组合配置构成，具有复杂性、动态性、交织性、对抗性、不确定性等特点。

作为一种典型的战场电磁环境，战术通信训练电磁环境还有其特有性质，表现为1）战术通信训练电磁环境构成以无线通信方式为主，频段主要为短波、超短波，作用距离和范围有限，是战场电磁环境的一个单元或一种形式。2）战术通信训练电磁环境构成信号的调制样式少，信号种类少，比以雷达装备为主体构成的电磁环境简单。

战场电磁环境由人为电磁辐射、自然电磁辐射和辐射传播因素等3部分组成［1］。在构建战术通信训练电磁环境时，主要关心人为电磁辐射。军事行动的电磁辐射是人为电磁辐射中重要组成部分。战术通信训练电磁环境中的军事行动电磁辐射主要由通信信号组成的。其他信号如雷达信号、光电制导信号等的电磁辐射可做为背景电磁辐射。因此，对用于战术通信训练战场电磁环境构成可作进一步分解，如图1所示。

2 战术通信训练电磁环境模型

图2为战术通信训练电磁环境模型构建框图。中心部分为波源模型、传播模型和神经网络。背景噪声、气象条件和地理条件是电磁环境生成有重要影响的因素。由无线电波构成波源模型。抛物型方程常用来计算无线电波传播，笔者应用抛物型方程作为传播模型中的核心计算部件。神经网络可以把二维战场电磁环境数据叠加成三维电磁数据，完成电磁环境构建［3］。

2.1 波源模型

无线电波源可以表示为

图1 战术通信训练电磁环境构成

式中ω为角频率。当波源传播足够远时，无线电波可认为是平面波。对于理想电解质（σ＝0，¯J＝σ¯E），引入相位常数，根据麦克斯韦方程可得β¯E＝0。

图2 战术通信训练电磁环境模型构建思路

2.2 传播模型

应用麦克斯韦方程可得，无线电波传播时可用二阶椭圆波动方程近似。对二阶椭圆波动方程进行简化，可得传播方向的一阶导数抛物方程。

在直角坐标系中，x轴正向为电波传播方向，z轴为高度。经近似得无线电波传播一阶抛物方程为

经傅立叶变换继续推导，可得电磁波空间传播模型。

2.3 背景噪声模型

背景噪声包括军用有意电磁辐射、民用电磁辐射和自然电磁辐射等。这些辐射可用一个连续或离散的平稳随机过程近似。笔者用近似平稳随机过程模型描述。

2.4 地理模型

地理因素是客观存在，不能人为改变的。地形对电磁波产生反射、折射、绕射和散射等影响。地理模型为电磁环境构建提供计算参数，实质是解决抛物方程的地表边界的问题。

2.5 气象模型

无线电波在大气中损耗主要是吸收和散射。设电波传播等效路径为0等温线高度，h0为天线高度，令D＝Le cosθ，等效路径因子，可得空气对电波的影响因素为AR＝γRLe∂D。

3 应用神经网络仿真生成电磁环境

20世纪40年代神经网络开始在数值和逻辑函数计算中应用以来，神经网络的应用范围日益广泛。目前，神经网络在军事领域的应用也越来越被重视。神经网络可用来目标跟踪、目标辨识和图像信号处理。

笔者应用 Winrow-Hoff学习规则训练自适应线形神经网络，使自适应线形神经网络能跟据战场电磁环境二维抛物面数据生成三维的电磁环境，如图3所示［4－5］。

自适应线形神经网络框图如图4所示。其网络输出为

这种网络的特点是对噪声敏感。最小均方算法LMS（Least Mean Square）广泛应用于信号处理，可用来消除长链路噪声。LMS算法：

图3 神经网络生成电磁环境演示

4 仿真实现及结果分析

图4 自适应神经网络图

应用Matlab／Simulink中的神经网络工具箱进行模拟仿真。设定位置为（E 103°33′，N 25°10′），空间距离x＝25 km，Δx＝500 m，z＝20 km，z＝25 m，温度T＝292.1 K，εr＝7.5，地形为有轻度起伏的丘陵地。应用笔者所用的计算公式和神经网络仿真可得电磁环境如图5所示。

由图5可以看出，由于地面起伏造成电波的反射和绕射，250～500 m范围内电波衰减较大；500～1 000 m范围内，电波相当于在自由空间内传播，衰减较小。这与实际环境的电磁环境状况相吻合。