超短波电台传播特性仿真系统﹡

李建儒，张 蕊，王洪明，赵振维

(中国电波传播研究所电波环境特性及模化技术国防科技重点实验室，山东 青岛 266107)

0 引言

无线通信是现代军事通信中广泛使用的信息传输手段，在战略、战术方面都具有相当重要的地位。超短波通信（频率:30～300 MHz）作为无线通信系统的重要组成部分，具有通信质量高、通信容量大、抗干扰能力强、受季节变化影响小和通信稳定等特点[1]。超短波电台由于其系列化、小型化的特点，架设使用方便并且具有一定的抗干扰性，能够提供中低速数传功能和话音通话功能，可满足多种情况下执行任务的需要，已成为执行各类任务的重要通信手段[2]。

目前分布交互仿真（DIS, Distributed Interactive Simulation）技术已经广泛应用于军事领域、国民经济和社会生活的多个方面，在实现了大规模复杂系统仿真的同时降低了费用，但是随着仿真技术的发展，DIS在技术和体系结构方面也表现出了一定的局限性。为了加强与各类系统之间的互操作性，美国国防部于1995年发布的建模与仿真计划中提出了高层体系架构（HLA，High Level Architecture）。HLA是继DIS之后提出的新一代分布式交互仿真体系结构，是一个通用的计算机仿真技术框架，可以很好地解决不同类型仿真系统之间的互操作性和重用性[3]。通过运行支撑环境(RTI，Run - Time Infrastructure) ,提供通用的、相对独立的支撑服务程序，将仿真应用同底层的支撑环境分开，实现了HLA结构规范中的六大服务功能。随着HLA标准的不断完善，RTI软件也不断得到发展，常用的有美国MAK公司的MAK RTI，中国的国防科大军用仿真研究室自主开发的KD-RTI[4]，航天机电集团第二研究院开发的SSS-RTI[5]，北航的BH-RTI[6]。本文采用的仿真开发工具为KD-RTI。

本文基于HLA仿真框架，在地理信息系统的基础上，采用确定性传播算法模型实现了对某型超短波电台的传播特性的仿真，可初步用于我军对超短波电台性能的评估以及战术通信网的规划。

1 仿真系统的设计与实现

1.1 系统功能

系统主要实现以下功能:

1）典型场景中固定发射电台，接收电台沿规划路径运动时的传播特性评估仿真。

2）典型场景中沿规划路径运动的各移动站之间的传播特性评估仿真。

3）典型场景中布设多部超短波电台时的系统覆盖传播特性评估仿真。

同时具备地理信息系统操作的各项功能，如地图的放大、缩小，漫游、打印输出等基本操作，并具备各种模型的导入以及路径规划的功能。

1.2 系统组成结构

系统的主要功能模块主要包括仿真主控、电波传播算法、发射/接收电台，二维态势显示、三维态势显示、地理信息系统（GIS，Geographic Information System）数据库等，组成结构如图1所示。

图1 仿真系统组成结构

仿真主控主要通过人机界面，设定仿真的开始时间、结束时间，仿真的时间步长等参数，也可对实际仿真过程进行加快、减慢、开始、停止等操作。

发射/接收电台作为超短波通信的发射电台和接收电台，进行各类基本参数包括工作频率、天线高度、发射功率、接收机灵敏度、发射天线增益、接收天线增益、环境类型等的设定。

地理信息数据库主要提供通信车的三维模型、地理高程数据、高分辨率影像数据。

电波传播模型通过获取收/发电台的系统参数、位置信息等，仿真计算收发站之间的通信能力。

二维态势实时显示整个场景中的二维态势信息，同时可在二维地图上进行超短波通信车移动轨迹的路径规划、运行速度的设定。

三维态势实时显示整个场景中的三维态势信息，可显示各超短波通信车的位置信息、状态信息以及各电台之间的通信能力以及传播损耗分布信息。

1.3 算法模型

超短波传播效应预测中常用的算法模型有统计模型和确定性模型，如ITU-R P.1546模型、ITM模型、抛物方程模型、点对面确定性传播预测方法（ITU-R P.1812）等。文献[7]利用Matlab环境对甚高频/超高频的几种传播模型进行了仿真计算，文献[8]利用三种传播算法模型实现了对舰载超短波通信侦察系统的侦查效能进行了评估。为了提高预测精度，本文采用点对面确定性传播预测方法该方法综合考虑了地理信息和电波环境信息，通过对传播路径的地形剖面分析、大气折射率剖面分析等，综合考虑传播路径上的不同传播机理，如散射、折射、绕射、多径等传播效应，然后对系统性能进行预测评估。

1.4 联邦对象模型/成员对象模型设计

根据系统的主要功能模块设计了本系统的联邦成员。其中，发射电台联邦成员属性主要包括发射站的位置信息，天线高度、发射功率、调制方式等参数类型；作为接收电台的其它联邦成员主要包括接收位置信息、天线高度、接收机灵敏度等参数；系统的交互参数包括电台的位置信息、地理高程数据、时间同步数据等。二维、三维态势需要订购超短波电台的名称、位置、损耗值等。

2 仿真结果

仿真场景选择为中国某区域的30 km×30 km范围，发射电台与接收电台的通信频率均为40 MHz，天线高度均为15 m，模拟灵敏度为-116 dBm，数据传输速率为19.2 kb/s。仿真系统启动后，各联邦成员依次加入系统，仿真开始运行。

图2仿真了发射电台固定，接收电台沿着规划路线移动，二者之间语音通信的功能。图中通信车A作为发射电台位置固定，通信车B作为接收电台沿着黄线规划的路径移动，通信车B周围的伪彩色图表示传播损耗分布，连线表示二者可实现通信。计算时首先提取当前路径上的地理高程数据，然后通过确定性传播算法计算得到路径传播损耗，最后计算得到接收机的接收功率，通过与接收机灵敏度比较得到收发站之间是否可通。

图2 语音传输质量仿真

图3给出了该条路径上的接收功率随距离的变化。可以看出，在接收电台移动的过程中，由于地形的起伏变化，在低于接收机灵敏度的点上将无法实现话音通信。

图3 接收功率随距离变化曲线

图4仿真了在场景中布设三部超短波电台，各自沿着事先规划的路线移动时数据的传输质量。其中，箭头起始端表示为发射电台，末端表示接收电台，实线表示可通，虚线表示中断。从图4中可以看出，通信车A和通信车B，通信车A和通信车C之间均可以实现双向互通，通信车B和通信车C之间由于地形遮蔽的原因，未能实现通信。

图4 数据传输质量仿真

图5仿真了在场景中不同位置布设超短波电台后的传播损耗分布。

对比图5 (a)和图5(b)可以看出，处于不同布设位置的A、B、C三部电台由于地理位置的不同，可以很明显的看出传播损耗分布的不同。利用该功能，对比不同站址布设的系统覆盖情况，可用来进行网络优化。同时利用该功能，也可仿真天线高度在不同高度时的传播损耗分布情况。

图5 不同站点布设情况下的传播损耗分布

3 结语

本文开发了一种基于HLA的超短波电台传播特性仿真评估系统，与传统的仿真系统相比在交互性和重用性等方面都具有一定的优势，具有经济、可靠、可复用性强等特点。利用本系统为研究和提高超短波电台通信性能提供了有效的方法和途径，同时利用多个电台的组网功能，可以应用于网络规划、网络优化等方面，为系统设计等提供技术支撑。

[1]张尔扬,王莹,路军,等.短波通信技术[M].北京:国防工业出版社,2002.

[2]杨健新.超短波通信在C<’3>I 系统中的应用研究[D].南京:南京理工大学,2010:4-6.

[3]周彦,戴剑伟.HLA 仿真程序设计[M].北京:电子工业出版社,2002.

[4]黄健,郝建国,黄柯棣.基于HLA 的分布仿真环境KD-HLA的研究与应用[J].系统仿真学报,2004,16(02):214-221.

[5]刘钟书,周忠,吴威.BH RTI中容错机制的设计与实现[J].系统仿真学报,2006,18(08):2133-2136.

[6]卿杜政,李伯虎.HLA运行支撑框架(SSS-RTI)的研究和开发[J].系统仿真学报,2000,12(05):490-493.

[7]平怡.V/UHF传播计算模型仿真研究[J].通信技术,2008,41(06):68-70.

[8]郭晋宏,李建涛.舰船超短波通信侦察系统侦察效能评估[J].通信技术,2009,42(09):117-120.

[9]王宇.BCH编码在GPS探空仪中的应用[J].信息安全与通信保密,2010(07):45-46.