基于势场模型及传播预测技术的通信态势显示与威胁分析系统*

张　江　廖　葵

(77302部队　昆明　650051)



基于势场模型及传播预测技术的通信态势显示与威胁分析系统*

张江廖葵

(77302部队昆明650051)

摘要我军当前的通信态势显示方式还停留在使用军标标绘战场要素和根据经验绘制信号范围的阶段。如何形象直观地显示通信态势、如何对作战双方通信能力进行量化对比,是通信态势显示研究领域亟待解决的问题。为此,论文采用势场理论和传播预测技术,设计了一套直观、有效的通信态势综合显示系统,系统具备通信态势显示、威胁分析和电波覆盖分析等功能,为指挥员分析判断战场的通信情况提供了形象直观的态势参考。

关键词通信态势; 威胁分析; 传播预测; 缓冲区分析; 三维显示

Communication Situation Display and Threat Analysis System Based on Potential Field Model and Propagation Prediction Technology

ZHANG JiangLIAO Kui

(No. 77302 Troops of PLA, Kunming650051)

AbstractThe current communication situation display method of our army is still based on plotting battlefield elements with military symbol and drawing signal range by experience. How to visually display the communication situation and contrast the mutual communication capability to quantify are the urgent issues to be solved in communication situation display field. To this end, with the usage of potential field theory and propagation prediction technology, a set of intuitive, efficient communication integrated situation display system is proposed in this paper. This system includes communication situation display function, threat analysis function, and radio coverage analysis function, which provides the battlefield commanders a visual image of the situation reference to analyze and judge the battlefield communication situation.

Key Wordscommunication situation, threat analysis, propagation prediction, buffer analysis, dimensional display

Class NumberTP393.18

1引言

传统的通信态势显示方式[1~2]主要依靠常规军标标绘、信号覆盖范围的标注、重点区域的注解等方式来实现,这样的方式一方面无法直观显示整个作战区域的通信态势;另一方面对于不同区域的通信能力无法用量化的手段进行对比。为此,本文结合军队的应用需要,针对常规标绘通信态势方法的不足,设计并实现了一个能够形象直观反映通信态势的综合分析显示系统,该系统主要解决了如何直观显示并量化对比通信态势等问题,对求解山岳地带的电波覆盖范围等问题也做了研究和探索。

2势场模型理论

在通信态势显示模型中,信号源对不同地域提供通信保障能力的大小是一个很难衡量的参数。在信号强度能保证正常通信的前提下,不同地域的通信能力对比并不等价于信号强度对比。然而可以确定的是:对较远的位置进行通信保障的难度一定大于较近的节点,对于有线通信更是如此,所以我们可以根据距离来衡量不同位置的通信能力。然而每种信号的覆盖强度求解都有其仿真模型,在计算能力有限的情况下,使用所有的模型进行仿真是不切实际的。为此,我们采取了一种较为简单的方案:使用战场分析模型的“人工势场”[3]理论用作模拟信号覆盖情况的通用仿真模型。“人工势场”概念是指借鉴电场模型的基本原理,根据战场态势分析的基本要求,把战场中的作战要素虚拟成电场中的电荷,把电荷的电势作为该要素的影响度,并用于分析战场态势的虚拟势场模型。本文通过调节参数将势场模型应用于信号的模拟仿真,得到了一个计算和表示大为简化的综合仿真方案。

2.1电势的原理及计算

在物理学中真空中的一个点电荷的周围会形成一个电场。电场是一种物质,电荷之间的相互作用是通过电场来实现的。对于点电荷产生的电势场中某一点的电势U,其计算公式为

(1)

其中,Q是产生电场的点电荷的带电量,r是真空某点到该点电荷的距离,其他为常数。由式(1)可以看出,电场中某点的电势与产生电场的电荷的带电量成正比,与该点到电荷的距离成反比。

如果很多电荷在空间产生的电势场,则它们将形成一个复合电势场,真空中某点的复合电势为

(2)

2.2人工势场模型的原理及计算

本文采用的人工势场模型中,将信号源虚拟成电场中的电荷,其带电量代表通信要素的权值。在多种信号共存的情况下,根据式(2)可得人工势场模型的计算公式。

(3)

式(3)的问题在于,值域的映射空间为(0~+∞),在计算机上无法表示,所以我们通过变换的方式将值域映射到(0~1),系统最终用作计算通信势场的计算公式为

(4)

其中k为显示修正常数,当通信势场三维态势图在Z轴上的显示比例效果不理想时,由用户自定义k值对显示效果进行调整。

3方案设计

3.1总体设计

系统的方案设计基于以下的基本假设:衡量某一地域通信情况的优劣,取决于该地域具备通信手段的数量、相关信号的强度、信号的重要程度以及受到电磁干扰的强度。根据这一假设,系统采用三维统计分析的方式在态势图上将上述三个要素按照指定的权值进行计算、统计及叠加,以形成直观的三维态势显示图,最终得到了一个既简化又灵活的通信态势显示方案。

3.2基于势场模型技术的通信态势显示

为每一种无线信号建立覆盖和传播模型即便是在光滑地球球面模型上进行分析也过于复杂,为了提高系统的实用性和运行速度,我们采用式(4)所提出的势场模型来求解态势图中无线信号的覆盖区域和强度,信号的强度由信号源向四周递减,递减到该信号的设定阈值后视为信号失效。当态势图某一区域有多个信号时,总体信号强度由多个信号按照叠加的方式计算,计算结果显示在二维或三维态势图上。

3.2.1有线信号源的通信势场分析

在态势图上,有线信号的终端一般都被表示为没有面积的点状符号而不是覆盖一定范围的区域。为能有效地表示有线信号的覆盖范围,本文将在一定时间内能够正常接入有线网络的区域可以看作是有线信号的覆盖范围。系统使用GIS线状要素生成缓冲区的方法求解覆盖范围,如图1所示。

图1　有线网络覆盖区域[6]

3.2.2无线信号源的通信势场分析

一般来讲,无线信号的覆盖范围就是以信号源为中心的圆形或是环形(长波信号)区域。本文采用GIS点状要素缓冲区生成方法来求解及表示有线信号的覆盖范围,如图2所示。

3.3基于二维空间分析技术的通信态势叠加与显示

根据3.2节的基本假设,某一地域通信情况的优劣,取决于该地域具备通信手段的数量、强度、重要性权值以及受到电磁干扰的强度。根据这一理念,系统采用缓冲区叠加的方式对战区的通信态势进行宏观表示:某一信号(包括电磁干扰信号)的覆盖区域作为一个缓冲区,战区内某一点的通信能力根据覆盖该点的缓冲区数量、每一缓冲区的权值计算得出,最后根据GIS空间分析功能,将通信能力不同的区域以不同的颜色和色深区分表示,一种基本的二维表示方式如图3所示。

图2　无线信号覆盖范围求解示意[6]

图3　通信态势叠加二维显示[6]

3.4通信态势三维量化显示功能

3.4.1通信态势三维直观显示

二维叠加显示定位精确、层次鲜明,但是画面略显凌乱,而三维显示更为直观、形象。系统以3.3节的平面数据为基础,将二维图层叠加理念拓展到三维空间,采用克里格插值平滑边缘,实现了直观的三维叠加显示,如图4所示。

图4　通信态势叠加三维插值显示

三维插值显示带来直观性的同时,也牺牲了位置和信号的精确度。系统结合二维和三维显示的优点,将三维数据重新投影到二维形成等高线并加以着色,得到了一种既形象直观又定位精确的显示方案,更好地满足了用户指挥决策的需要。如图5所示:在所有信号源权值均设为1的情况下,等高线的数值可以看作是区域所具备有效通信手段的相对数量。

图5　三维插值数据投影到等高线

3.4.2加入电磁干扰的通信态势三维显示

传统的电磁干扰显示方式主要采取区域标绘的方式对平面图进行标绘。这样的方式一是无法有效显示多重的干扰态势;二是无法精确显示干扰强度;三是无法量化显示我方采取反制措施的具体效果。上述问题均可采用三维叠加原理加以解决。对于加入电磁干扰后的通信态势,系统将信号、干扰信号和反制措施做求差运算后再叠加显示,求解流程如图6所示。

图6　加入电磁干扰的通信态势求解及显示

3.4.3作战双方通信力量三维对比显示

二维态势图可以采取在同一底图上叠加多个图层的方式来对比作战双方的通信力量,但是这样的方式只适用于较为简单的态势。对于相对复杂的情况,我们续用上一小节的方法,对两者的三维态势进行求差计算以反映双方的通信力量对比,求差后三维图中的正值区域可以看作优势区域,负值区域可以看作劣势区域。

3.5山岳地带电波覆盖范围的求解及显示

3.2节~3.4节所做的研究都是基于信号沿光滑大地球面传播模型考虑的,实际的传播环境要比这复杂得多。在真实情况下,我们需要对无线电波的覆盖范围进行修正。本文用了用于求解山岳地带传播的ITU.RP.1546-3[5]传播模型(30MHz~3000MHz)和GIS空间分析技术相结合,实现了一定频谱范围内短波覆盖区域的求解,最终的实现效果如图7所示。

图7　山岳地带电波覆盖范围的求解及显示

4结语

采用传统态势标绘方法对通信态势进行综合显示一直是一个难以解决的问题,因为在二维层面上始终无法同时展现大量通信手段同时覆盖的显示效果,而且作战双方在某一地域通信能力的量化对比也无法在二维态势图上展现。为此,本文综合分析二维多图层叠加和三维直观显示两种方案的优缺点,提出并实现了基于信号源强度叠加的二维/三维通信态势显示系统。该系统采用势场模型仿真信号在三维空间的强度数值,并将图层叠加的理念拓展到三维层次,使得通信综合态势能够直观地显示在三维空间。此外,系统将无线电波传播模型与三维GIS技术相结合,能够对一定频谱范围内的无线电波在城市地域和山岳地带的覆盖范围进行仿真求解,为指挥员做出正确决策提供了更为精确的通信态势信息。

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中图分类号TP393.18

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.02.014

作者简介:张江,男,硕士,工程师,研究方向:数据库与信息系统,GIS。廖葵,女,硕士,高级工程师,研究方向:软件工程,GIS。

*收稿日期:2015年8月13日,修回日期:2015年9月28日