一种基于地理信息系统的用频台站电磁态势仿真分析方法

田 伟，周新力，宋斌斌，刘晓娣

（海军航空工程学院a.训练部；b.电子信息工程系，山东烟台264001）

随着信息化条件下武器装备的大量推广使用和国家工业化进程的快速推进，日常军事训练和军事斗争所面临的电磁环境越来越恶劣。大量的智能化武器装备的推广使用，在快速提升军队信息化条件作战能力的同时，自身也面临着日益严峻的复杂电磁环境影响。1967年美国“福莱斯特”号航空母舰机载火箭由于受舰面雷达扫描波束照射而突然被引爆发生爆炸事故，造成134人丧生、27架飞机被毁、10层航母舰体中有6 层被破坏就是惨痛的历史教训。因此，充分认识并了解掌握训练场区内电磁态势分布，及时预测并防范对本场区域内装备及人员安全可能造成的电磁影响，在当今日益严峻的复杂电磁环境下，显得非常迫切和必要。本文以军事训练环境下的用频台站（训练场区内单一射频辐射源）或阵地（训练场区内多个射频辐射源）为研究对象，基于三维地理信息系统（Geographical Information System，GIS）对训练场区进行建模，借助电波传播模型和电波在三维空间传播的计算方法，结合国军标对不同对象所能承受的电磁辐射极限值，分析训练场区内电磁态势及可能造成的电磁辐射危害，以指导部队采取积极主动的电磁防护措施。

1 训练场区三维空间建模

从理论上讲，电磁波可根据天线理论计算出辐射场分布，再根据传输路径上的损耗等因素加以修正，最终得出待分析区域的场强。但由于传播路径上存在着各种各样的影响，如高空电离层影响，高山、湖泊、海洋、地面建筑、植被以及地球曲面的影响等，电磁波具有反射、绕射、散射和波导传播等比自由空间复杂得多的传播方式。因此，建立高精度的三维地理信息模型，是分析电波传播途径、计算场强分布的基础。GIS 以数字地图信息为载体，通过强有力三维显示技术和虚拟现实技术等，可以非常直观、准确地查出测试地点与台站（阵地）之间的传播路径和地形起伏情况，为电波传播提供可靠的地理信息数据[1]。GIS的数据主要包括空间数据和属性数据，要完成这些数据由现实世界到计算机世界的转化需要进行数据模型的设计。地理信息系统的数据模型主要有栅格数据模型，矢量数据模型和数字高程模型等。常用的空间数据模型主要有栅格数据模型（在GIS 中也被称为网格、栅格地图、表面覆盖或影像），矢量数据模型和数字高程模型3种。

地图配准主要用于在数字化地图前对地图进行坐标和投影的校正。地图配准分为影像配准和空间配准。影像配准的对象是栅格数据，配准时要先确定空间坐标系统，再根据坐标系统寻找控制点信息。空间配准的是矢量数据，其参照物可以是栅格数据或矢量数据，也可以是现实世界里的绝对坐标值；空间配准可以传递属性，即可以把比例尺较大的对象属性信息传递给比例尺较小的对象[2]。

GIS 建模时，首先需要确定台站的地理信息数据（经纬度范围等）。采用基于网格的数字高程模型，在原始数字地图基础上，根据场区实际地形地貌信息，对场区高程信息进行修改、重建和经纬度配准（控制点应该选择地形或者建筑的边缘）。必要时候可借助google地球二维数字地图数据，采用图层覆盖技术，设计出场区内精度更高的二维或三维数字地图。实际应用中，常用的是美国航空航天局（NASA）2006年版精度为30″世界数字地图GTOPO30，经过配准和修正后，精度可提高到3″。采用该方法，借助专业地理数据建模软件，对某台站进行三维GIS 建模模型如图1所示。

图1 某台站三维数字地图（精度3″）

2 用频设备行为级建模

在台站三维空间模型基础上，进行场区用频设备行为级仿真建模，模拟其天线特性和接收机、发射机基本特征，建立设备数据库。由于不同台站（阵地）涉及到的用频设备类型种类多、结构功能复杂，对设备逐一进行详细功能仿真分析是不现实的。可采用行为级仿真的方法对训练场典型收/发设备仿真建模。收/发设备行为级仿真是在不考虑收/发设备内部功能结构细节情况下，只对收/发设备的输入输出特性进行仿真建模，模拟设备的基本行为特征，并依据天线、接收机和发射机等的基本参数，建立收/发设备的行为级仿真模型的设备数据库。经过梳理分析总结，军事应用领域中，常见用频设备建模进行行为级仿真建模时，所需的设备及位置参数如表1所示。

表1 收/发设备行为级仿真模型建模参数

结合设备地理位置信息，将场区收发设备行为级仿真模型与实际地理坐标匹配，嵌入到训练场GIS 三维空间模型，建立场区电磁波发射、接收台站数据库。下一步将借助专业的电磁仿真软件，对设备进行行为级仿真建模。

3 电波在三维空间传播计算及其场强分布

3.1 电波传播模型选取的分析

根据传播预测模型的性质大致可分为3 种模型：经验模型、确定性模型、半经验或半确定性模型。在工程实践中，常按照特定的应用环境对其进行分类，如表2所示[3-6]。

表2 常用电波传播模型

不同地理特征对电波传播模型选取有着较大的影响，选择传播模型时需要考虑以下因素。

频率：传播模型的频率范围限制。

地形地貌特征：是否可以得到地貌特征，是针对一般应用还是特定台站的运算。

天线高度：部分传播模型忽略地面因素影响；如天线距离地面很近，选择考虑地面影响的传播模型。

不同电波模型所考虑的频率、地貌和天线高度等因素影响如表3所示。

作者根据从事该领域的工程实践经验，梳理总结出在目前军事应用环境下，不同的应用环境和地形地貌情况下，电波传播模型的选择可参照表4。

表3 选择模型的主要考虑因素

表4 不同应用环境下的传播模型选择

3.2 仿真分析典型剖面的选取

由于测试地点电磁环境的复杂性，不同时间、不同地点、不同高度的电磁环境有较大的差异，需要针对具体场区三维空间及其应用环境选取合适的电磁仿真任务剖面。以机场为例，应该针对机场区域地面设备3个典型地面高度和飞机着陆过程的4个典型技术高度开展7个技术应用剖面的场区三维空间电磁环境仿真分析，具体仿真剖面选择如表5 所示。其他目标区域应该依据本文提供的方法，按照实际敏感源的高度，合理划分仿真剖面。

表5 仿真剖面选择

仿真过程中应充分考虑到测试区域的环境背景噪声，可通过实地测试累计平均的方式进行初步估算。计算区域的计算精度也应纳入统一考虑，目的地的地理模型的水平精度为50 m（3 s），垂直精度为1 m。

3.3 电磁环境仿真分析与验证方法说明

在选取号电波传播模型和任务剖面后，基于训练场区内三维地理模型，可利用瑞谱（WRAP）电波传播软件计算辐射源经过三维空间传播后到达任务剖面的场强。调用场区发射接收台站数据库信息，依据相应的电磁波传播模型，对场区电磁波场强覆盖情况进行仿真，预测关注位置的场强分布。场强是否对区域内人员、军械、燃油等造成安全隐患，可参照相关的国军标[7-11]关于对军械、人员、航油和场区设备的辐射极限值要求，分析辐射源对场区内人员和设备等可能造成的危害。

下面以某型雷达为例进行仿真说明。雷达天线海拔高度310 m，仿真频率设为2.41 GHz，根据GJB 5313和GJB 1389A-2005规定的电磁环境极限值，2 m高度仿真结果如图2所示。

图2 XX雷达2 m高度场强覆盖三维分布图

参照国军标极限值，在频率2.41 GHz 情况时，对应极限值如下。

设备/燃油：184 V/m=165 dBμV/m；

工作区人员：25 W/m2=97 V/m=159 dBμV/m；

生活区人员：0.15 W/m2=7.5 V/m=137 dBμV/m。

其中，大于184 V/m 的区域，电磁辐射对设备/燃油超标；大于97 V/m 的区域，电磁辐射对工作区人员超标；大于7.5 V/m的区域，电磁辐射对生活区人员超标；小于7.5 V/m的区域，电磁辐射未超标。

根据GJB 5313《电磁辐射暴露极限值和测量方法》给出的人员间断暴露日照射剂量极限值，可以计算出，频率2.41 GHz情况下，在大于97 V/m的区域：

工作区人员日最大暴露剂量为2.4 W·h/m2；

工作区人员日最大暴露时间为t=2.4/25=0.096 h。

采用该方法，可对场区内电磁环境分布进行详细的实验验证。实验验证过程中，根据关注的测试地点，先行仿真具体测试点的场强值；再选用专用的仪器设备，对仿真观测点场强值进行实地测量，比对仿真分析值与实际测量值之间的误差。基于该方法，通过不同地点的比对，仿真分析场强值普遍比实测值小，最大偏差值不超过6 dB（国军标要求为10 dB），较准确地反映出各观测点场强变化的趋势。仿真分析值比实测值小，主要是没有能够背景噪声的影响纳入到考察范围内。

4 结论

本文所提出的研究方法，可适用于用频台站（如军用雷达台站、移动通信基站等）电磁态势分布情况的分析，为台站有效电磁强度覆盖范围、可能对周边电磁环境造成的干扰、可能受到周边大功率用频设备的干扰等情况进行全面有效分析，进而有效分析场区内电磁强度可能对人员、设备、燃油等造成的影响，并辅助新建用频台站的选址，防止用频台站的二次建设。仿真结果已经过工程试验测量，具有较高的置信度（由于仿真分析时无法涵盖周边其他单位等的大功率设备，因而仿真分析值相对实际测试值要偏小，具体与台站周边环境有关；但能在国军标范围内反映出观测区域场强变化趋势）和推广实用价值。

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[9] 国防科学技术工业委员会.GJB 1446.42-1993 舰船系统界面要求：电磁环境电磁辐射对军械的危害[S].1993.

Commission of Science，Technology and Industry for National Defense.GJB 1446.42-1993 Interface requirements for shipboard systems electromagnetic environments Hazard electvomagnetic radiation to ordnance[S]. 1993.（in Chinese）

[10]国防科学技术工业委员会.GJB 1446.40-1992 舰船系统界面要求：电磁环境电磁辐射对人员和燃油的危害[S].1992

Commission of Science，Technology and Industry for National Defense.GJB 1446.40-1992 Interface requirements for shipboard systems electromagnetic environment electromagnetic radiation hazards to personnel and fuels[S].1992.（in Chinese）

[11]中国人民解放军总装备部.GJB 5313 电磁辐射暴露极限值和测量方法[S].2004.

The General Equipment Department of PLA. GJB 5313 The exposure limits and measurement methods of electromagnetic radiation[S].2004.（in Chinese）