基于场景定义的电磁环境模拟系统设计

韩 慧，吴若无，陈 翔

(电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，河南 洛阳 471003)



基于场景定义的电磁环境模拟系统设计

韩 慧，吴若无，陈 翔

(电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，河南 洛阳 471003)

电磁环境的模拟是开展电磁环境效应研究的基础。针对电磁环境逼真构建的问题，基于面向受体实时生成与场景定义相一致的电磁环境的设计思想，提出了一种电磁环境模拟系统设计方法。给出了系统结构框架、场景定义设计和电磁信号生成设计，并对系统实现的关键技术进行了分析。场景定义单元通过对实体、信号环境、行为的编辑实现电磁环境场景自定义，并驱动信号生成单元；信号生成单元采用软件无线电思想，基于预定义场景进行信号模拟，产生真实信号环境。

场景定义；电磁环境；信号生成；模拟

0 引言

随着人类社会活动的发展、军事电子信息技术的进步以及军事对抗强度的增加，战场电磁环境呈现出日趋复杂的发展态势，会对现在电磁环境敏感度越来越高、具有电磁脆弱性的电子信息系统的工作性能和应用效能，甚至生存能力产生深刻影响。开展电磁环境综合效应研究及复杂电磁环境下试验，构建逼真且动态可控的电磁环境问题受到广泛关注。电磁环境的模拟是开展电磁环境效应研究的基础，它不但能为电子信息系统各研发阶段提供相应的实验测试电磁环境，以便对其技术指标进行测试验证，也可为其实际应用提供与真实工作场景一致的电磁环境，以用于开展系统效能及适应性试验与评估。

国内外对电磁环境构建方法开展了大量的研究，设计并实现了多种电磁环境模拟系统，这些模拟试验系统经过不断补充和更新，模拟技术日益完善，具备频率范围宽、生成的辐射源数量多、信号密度高、信号波形复杂等特点。但也存在单方面追求电磁环境构成上的逼真性，而忽视了电磁环境与电子信息系统之间的效应相关性和动态过程的问题，使得实践中难以构建真正逼真、有效的电磁环境。电磁环境构建中，要尽可能真实地反映预期电磁环境，表现设备与环境的关系，就需要把设备效应和设备所处的电磁环境结合起来，以受体设备感受的真实电磁环境为目标，针对可能存在的辐射源目标、所面临的作战想定、所处地域的地理信息及传播因素等设定电磁环境，并解决信号环境生成的实时性、动态可控性、可重复性等问题，才能为实验和训练提供近实战化的电磁环境。

本文正是基于面向受体实时生成与场景定义相一致的可控电磁环境的设计思想，将电磁环境场景设计、信号生成与装备感受结合起来，设计了基于场景定义的电磁环境模拟系统，为电磁环境效应实验及电子信息系统电磁环境适应性试验所需的实时可控可重复的电磁环境构建提供支持。

1 系统组成

1)设计思想

基于场景定义的电磁环境模拟系统的设计思想是：以构建电磁环境效应实验或复杂电磁环境条件下，受体设备所面临的真实电磁环境为目标，基于软件平台定义可编程脚本化的电磁环境场景，充分反映与受体设备相关的辐射源特征、地域特征、传播条件、多径等的影响，以及辐射源和受体设备在场景中的位置信息，依据作战想定编辑任务命令驱动实体行为，实现电磁环境建模与可视化仿真，并将场景命令转换为参数模型，驱动信号发生器生成与场景定义相一致的真实信号环境，以支持开展电子信息系统电磁环境效应实验及射频推演。

2)系统结构

系统主要由电磁环境场景定义单元和电磁信号环境生成单元两部分组成，如图1所示。

图1 系统组成图

系统设计基于软件平台完成基本场景编辑、电磁环境建模与可视化，驱动硬件平台实现与定义的电磁环境相一致的电磁信号环境的生成。基于场景定义的电磁环境模拟系统结构设计如图2所示。

图2 基于场景定义的电磁环境模拟系统结构图

在电磁环境的基本场景输入中，主要设计从频率和调制模式、设备地理信息、设备间距离、设备传输状态、环境效应、地形地貌六个方面的信息来反映所需电磁环境的特征；结合要素模型将基本场景信息转换为数学模型参数，通过加载信号和传播模型模拟信号从辐射源到装备天线端口的传播过程，实现对装备面临的电磁环境的自定义生成，一方面支持电磁环境的可视化仿真，另一方面使用参数模型驱动信号发生器；信号发生器主要完成多通道时变载波的生成，实现对信号的固定时延多路径模拟、信道衰落模拟等，模拟生成受体设备天线口面面临的电磁环境；生成的信号环境可通过电缆注入式或辐射式两种方式提供给受体设备，用于满足不同条件下的电磁环境模拟需求。

2 电磁环境场景定义单元设计

电磁环境场景定义单元的主要功能是自定义电磁环境场景模式，依据模拟需求和作战想定，在构建实体数据库和要素模型库的基础上，通过场景编辑、任务编辑和数据库编辑，实现受体设备面临的电磁环境的自定义，并通过可视化仿真的方法直观显示模拟的电磁环境信息。场景定义单元的组成如图3所示。

图3 电磁环境场景定义单元组成图

构建实体数据库和要素模型库是电磁环境场景定义的基础，主要包括辐射源信息、地形地貌、地理信息、传播条件、天线模型、传播模型等信息，在具体的场景定义中，调用基本数据库完成场景所需数据的定义；数据库编辑是根据模拟需求和作战想定调用基本数据库生成场景实体数据文件，实现对模拟所需实体要素的编辑，并可在类似场景中重复使用；任务编辑主要实现任务的构建、执行和控制，一个任务就是一个脚本，通过预设一系列的任务，设置一个实体的行为，并通过时序控制进行触发，完成信号的动态生成过程控制；场景编辑主要实现依据模拟需求定义电磁环境模拟的地域，添加各实体要素并定义实体位置，完成电磁环境模拟的实体布局，为满足可控可重复的模拟需求，场景设置还需具备在电磁信号环境生成过程中添加实体要素、以及生成可重复调用的场景设置文件、形成场景数据库的能力；模拟引擎是在命令驱动下完成电磁环境的模拟生成，数据接口实现对外部数据的导入及系统数据的导出，波形生成接口与信号发生器连接，驱动生成信号环境。

场景的自定义采用基本场景模块为单元进行设计，软件结构如图4所示。

图4 场景自定义软件结构图

场景自定义软件由控制软件界面、生成的场景要素集以及采集或生成的信号和噪声数据三部分组成。其中软件界面分成了全局参数、信号参数、多径参数以及噪声参数四个设置模块。考虑信号场景生成中的实际情况，这里把每个模块又分成参数设置和集成参数设置两个小模块，参数设置模块中的信号参数是在信号生成过程中经常变化，需要对其进行设置的参数。以信号参数设置模块为例，信号参数设置模块了包含了信号的输出端口、信号路数、输出延时、多径开关等控制参数，这些参数都是需要根据不同环境场景来做具体设置的；与信号参数设置模块相对应，集成信号参数模块中涉及到的信号参数是诸如信号的增益、传输损耗、信号格式、读取信号的采样率等参数，可以结合具体场景，对上述参数做相应设置，打包成一个集成场景要素命令包，需要的时候通过集成信号选择模块进行选择加载。场景要素命令集是对想定或典型通信信号场景命令的集中存储，它分成了全局、信号、多径、噪声场景要素集四个部分，场景要素分模块存储一方面是考虑到不同场景在某些参数的设置上可能存在交集，按照分模块的存储方式可以减少在提取要素命令集构建场景时的工作量；另外一方面，模块化的组合方式也使得场景的生成过程更加灵活多变。信号和噪声数据来自于采集到的真实数据或者是按照一定数据格式人为生成的基本数据样式。

3 电磁信号环境生成单元设计

电磁信号环境生成单元的主要功能是基于预定义电磁环境场景模式生成真实信号环境，完成多通道时变载波生成、任意载波功率、频率、时延外貌时变模拟、信道衰落模拟、跳频网络模拟、发射机端相位噪声模拟、发射机端非线性特性模拟、固定时延的多路径信号模拟等。

电磁环境生成单元采用软件无线电的思想，以系统总线架构为核心，主要由多部通用软件无线电平台USRP、存储单元、时钟同步模块、天线组成，使用计算机软件对整个系统进行控制，系统组成框图如图5所示。

图5 电磁信号环境生成单元组成图

计算机负责下达指令，将准备发射的信号在基带进行处理后搬移到中频，传送到相应的USRP；总线控制系统管理着各个模块，负责给USRP提供行动指令和传送数据；存储单元用于存放信号记录设备采集的各种信号样本；USRP用来执行计算机传输的各种指令，进行上变频、信道模拟，将信号由中频搬移到射频。最终生成的信号通过射频端口输出，信号可通过合路器传送给被测设备，也可通过天线辐射出去。

软件功能主要包括信号生成与信号损害两大部分，如图6所示。

图6 信号生成软件功能结构图

4 关键技术分析

上文给出了基于场景定义的电磁环境模拟系统的各组成单元设计，在系统的实现中还需要解决以下关键技术问题：

1)基于场景的电磁环境设计

基于场景的电磁环境设计是将电磁环境转换为可编程脚本化的场景集，首先要在对预期电磁环境特性认知的基础上，将电磁环境要素分解为可编程的场景要素，如在辐射源信息、地形地貌、地理信息、传播条件、天线模型、传播模型等方面创建实体要素，通过预设的实体任务控制实体的行为，从而依据需求创建复杂的可控可重复的电磁环境场景。

2)基于虚拟仪器的实时控制与仿真技术

自定义的电磁环境场景需要实现对信号发生器的控制，模拟生成与场景定义相一致的电磁信号环境。基于虚拟仪器的实时控制与仿真技术，是通过利用虚拟仪器软件本身所具有的向下对硬件良好的虚拟控制功能，设计场景要素集，实现基本场景模块化，控制信号发生器完成自定义的电磁信号环境生成。

3)任意体制信号模拟技术

实现任意体制信号的逼真模拟，需要对各种体制的信号建立样本库，以真实设备射频端口的输出为目标，在获得失真链路传递函数的基础上，对信号发生器输出信号进行动态补偿，并使用模拟控制器进行统一管理，对每一种信号都建立起对应的动态补偿模型，输出经过补偿后的任意体制的信号。

4)电磁环境信息动态可视化仿真技术

电磁环境的复杂多变性造成电磁环境仿真和信号环境构建的困难，基于场景定义的电磁环境信息动态可视化仿真，是在分解电磁环境场景要素的基础上，利用可视化技术，通过丰富的图形、图像处理技术和各种信息建立特殊的映射关系，并给以动态的显示，把各类信息的操作、访问用图给予实现，在生成真实信号环境前实现对构建电磁环境的直观显示，并支持完成射频推演。

5 结束语

本文从受体设备角度感受的真实电磁环境模拟需求出发，提出了一种基于场景定义的电磁环境模拟方法，并重点对模拟系统结构和组成单元结构进行了框架设计。电磁环境效应研究与电子信息系统适应性试验对电磁环境模拟逼真性、动态性、针对性等需求，使得该系统的实现更具有实用性，系统的设计应用可支持室内注入式电磁环境效应实验的研究，也可扩展应用于野外试验电磁环境生成。后续将进一步完善系统结构，细化软件设计，解决关键技术问题，完成系统的实现，并开展系统应用方法研究。■

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Design of electromagnetic environment simulation system based on scene definition

Han Hui，Wu Ruowu，Chen Xiang
(State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environment Effects on Electronics and Information System, Luoyang 471003, Henan，China)

The simulation of electromagnetic environment is the basis of the research on electromagnetic environment effect. Aiming at the problem of the realistic construction of electromagnetic environment, a design method of electromagnetic environment simulation system is brought based on the design idea of the electromagnetic environment consistent with the receptor real time generation and scene definition. The framework of the system, the definition of the scene and the design of the electromagnetic signal generation are given, and the key technologies of system implementation are analyzed. The custom of electromagnetic environment scene is achieved by the edit of entity, signal environment and behavior using the scene definition unit, and the signal generating unit is drove; the idea of software radio is adopted by the signal generating unit, and the real signal environment is produced based on the signal simulation of predefined scene.

scene definition; electromagnetic environment; signal generation; simulation

2016-05-06；2016-07-15修回。

韩慧(1980-)，女，助理研究员，硕士，研究方向为复杂电磁环境特性与模拟、通信对抗试验技术。

TN97

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