基于Wireless InSite的广义电磁环境复杂度计算

杨宗文，赵和鹏

(1.中国人民解放军92941部队，辽宁 葫芦岛 125000； 2.海军装备部信息系统局，北京 100841)

0 引言

现代战争战场电磁环境越来越呈现出其复杂多变的重要特性[1]，近些年来，国内外对武器装备在复杂电磁环境下生存能力越来越重视[2]，目前电磁环境复杂度评估方法主要有两类：一类是广义上的电磁环境复杂度评估方法[2-7]，这类评估方法认为电磁环境是环境的一种，其复杂度是电磁环境固有属性，不针对单独装备而言，而是针对环境中所有用频设备而定义的一种复杂特性的定量分级；还有一类是狭义的电磁环境复杂度评估方法[8-16]，这类评估方法更多关注的是电磁环境对特定装备或某类装备的的具体影响。广义的电磁环境复杂度评估方法从能域、空域、频域及时域较为全面地评估了复杂电磁环境固有的复杂特性，但在计算过程中均涉及到各用频设备间电磁信号的传播预测分析，传统的自由空间电波传输模型较为简单，计算精度无法满足工程要求，也无法合理考虑实际环境中地形及建筑物的影响，针对该问题，本文通过将基本的四域电磁环境评估法与Wireless InSite电波传播模型有效结合，解决了广义电磁环境复杂度的高精度评估问题。

1 广义电磁环境复杂度定量分析方法

目前广义电磁环境复杂度定量分析主要采用环境电平门限S0、频谱占用度FO、时间占用度TO、空间覆盖率SO及平均功率密度谱进行四个维度的综合定量评估。由于这种分类能综合考虑复杂电磁环境的总体复杂态势，故适用于对复杂电磁环境复杂态势量化评估并形成相关标准[4]。环境电平门限S0、频谱占用度FO、时间占用度TO、空间覆盖率SO及平均功率密度谱的具体计算公式可参考文献[3-4]。

在实际分析计算过程中，环境电平门限S0、频谱占用度FO、时间占用度TO、空间覆盖率SO及平均功率密度谱计算公式中积分计算由于阶跃函数最终离散为对各用频设备的求和计算，总体而言，电磁环境复杂度定量计算核心在于计算一定空域、频域及时域内各个用频设备的空间传播功率。准确计算各用频设备的空间传播功率需要建立电波传播分析模型，而Wireless InSite软件已集成较为完备的电波传播模型，本文选择该软件完成这部分的计算，以免重复研究。

2 Wireless InSite电波传播分析模型介绍

电波传播模型是电磁环境分析软件的核心，Wireless InSite传播分析模型主要功能是根据不同的应用环境，采用相应的传播分析模型来计算和分析无线电波的传播特性。Wireless InSite的传播分析模型主要包括基于射线追踪算法(SBR)和一致性绕射理论(UTD)、基于时域有限差分法(FDTD)、基于经验公式、实时模块4类算法和城市峡谷、全三维、快速三维城市、垂直平面、城市峡谷时域有限差分、移动窗口时域有限差分、自由空间、HATA、COST-HATA以及RT 模块十种传播模型。

Wireless InSite软件内嵌了多种传播分析模型，通过采用相关高级的电磁场分析处理方法，使其几乎可以在任意频段内完成电波传播的精确计算。目前，该软件可用于对城市、郊区、室内等规则区域，山脉、植被区等非规则地形，机场、大型舰船等复杂平台的电磁环境预测分析。采用的电磁分析算法主要包括2D、3D以及快速3D的算法，根据散射的特性以及跟物体相关的反射、透射系数评估电场、磁场，通过将电场与具体的天线模式相结合来计算路径损耗，到达时间以及到达角度等[5-6]。

3 基于Wireless InSite四域评估算法

Wireless InSite分析建模环境能够让用户可视化创建用频装备及辐射(干扰)装备并设置其相关位置、波形、频率等参数，进而可以分析计算指定接收机收到的信号强度，但Wireless InSite并不具备电磁环境评估的功能；上文中给出的四域评估法为广义电磁环境复杂度定量评估提供了四域的计算公式，但需要准确快速计算用频装备对用频装备间的功率、辐射源对用频装备间的功率、用频装备对用频装备频域及时域平均功率、辐射源对用频装备频域及时域平均功率的计算，为解决该问题，采用开发MATLAB与Wireless InSite的接口程序的办法，通过MATLAB调用Wireless InSite的电波传播计算内核，完成各类功率计算，最后再代入四域法电磁环境复杂度计算公式完成各用频装备复杂度的计算，最终实现区域电磁环境复杂度的定量评估，具体结合流程如图1所示。

图1 Wireless InSite与四域评估法的结合流程

在分析电磁环境过程中，需要根据用频装备及辐射装备的参数进行传播功率计算，主要实现方法是通过Matlab软件编程实现，用Matlab软件调用Wireless InSite计算内核Calcprop.exe文件，这个执行程序可以通过cmd命令行实现，MATLAB是可以通过dos命令执行cmd命令的，Calcprop.exe具体的命令行调用格式如下：

Calcprop.exe --命令1=<属性值1> --命令2=<属性值2> …

例如：

Calcprop.exe--calc-mode=New -project= “D:ProgramFilesRemcomInSite2.5 examp.Setup”实现D:Program FilesRemcomInSite 2.5目录下examp.setup文件的分析计算，而*.setup文件正是Wireless InSite的工程文件。

WirelessInSite分析模型在分析计算时涉及的工程文件还包括*.tx文件和*.rx文件。由于篇幅关系，这里不再一一列举，具体可参考Wireless InSite软件说明，电磁环境复杂度的评价标准依据为最新的国军标[4]。

主要包含两部分，一部分用于参数设置，一部分用于计算结果展示。参数设置方面可以直接加载已经完成建模的Wireless Insite工程文件，同时也可打开Wireless Insite对工程文件进行修改。计算时，程序将自动调用Wireless Insite完成工程文件中包含的所有用频设备间电磁信号传输功率计算和计算结果读取，并最终代入复杂度计算公式得出电磁环境复杂度。

4 典型复杂电磁环境定量分析

为验证该评估方法的有效性，结合靶场具体试验装备组织专门的验证试验。试验场景包含有2部干扰机和2部收发一体用频设备(被干扰设备)，具体4个装备参数如下所示：

① 干扰设备参数

设备A：干扰频段：14.5～15.5 GHz；发射天线增益：20 dB；发射功率100 W；

设备B：干扰频段：9～11 GHz；天线增益：0 dB；发射功率 50 W。

② 被干扰设备参数

设备P：工作频段：9.25～9.45 GHz；天线增益：0 dB；

设备Q：工作频段：14.75～15.25 GHz；天线增益：0 dB。

4.1 试验1

构建典型电磁环境，设备A干扰带宽为1 GHz，中心频率为15 GHz；设备B采用噪声压制干扰，带宽2 GHz；被干扰设备记录工作过程。各装备工作参数记录如表1和表2所示。

表1 干扰设备参数

设备时间位置功率/WA13:58-14:16121.09624,40.59768100B14:00-14:30121.1567,40.493850

表2 被干扰设备参数

设备时间位置功率/WP14:27-14:32121.10736,40.554720Q14:02-14:18121.1116,40.552420

根据记录的工作时间、位置、功率及设备工作频率、功率参数通过Wireless InSite创建4个用频装备，其中设备A和B定义为发射设备，设备P和Q定义为收发一体设备，将各参数代入开发的计算程序，通过Wireless InSite 完成电磁信号空间传播计算后自动代入四域法进行3个维度的占用度及平均功率密度谱计算，计算结果如表3所示。

表3 试验1电磁环境复杂度计算结果

设备名称频率占用度/%时间占用度/%空间占用度/%平均功率谱密度P10060100-73.3Q10087.5100-46.2电磁环境复杂度:90.1722%(IV级)

综合3个指标可以得出结论：计算结果参照国军标标准件该条件下电磁环境总体态势为IV级。

4.2 试验2

改变试验1部分参数，构建典型电磁环境并进行比较。

设备A干扰带宽改为200 MHz，中心频率为15 GHz；

设备B采用噪声压制干扰，干扰带宽改为1 GHz，中心频点改为9.75 GHz；

被干扰设备记录工作过程，各装备工作参数记录如表4和表5所示。

表4 干扰设备参数

设备时间位置功率/WA13:58-14:16121.09624,40.59768100B14:28-14:31121.1567,40.493850

表5 被干扰设备参数

设备时间位置功率/WP14:27-14:32121.10736,40.554720Q14:02-14:18121.1116,40.552420

同样，根据记录的工作时间、位置、功率及设备工作频率、功率参数通过Wireless Insite创建4个用频装备，其中设备A他B定义为发射设备，设备P和Q定义为收发一体设备，将各参数代入开发的计算程序，计算结果如表6所示。

表6 试验2电磁环境复杂度计算结果

名称频率占用度 /%时间占用度/%空间占用度/%平均功率谱密度设备P10060100-73.5设备Q4087.5100-49.2电磁环境复杂度:77.7182%(IV级)

结论：计算结果参照国军标标准件该条件下电磁环境总体态势为IV级。

由于复杂度的计算没有真值可以参考，试验过程中主要通过比对设备间接收的干扰信号功率和一些直观的经验来间接验证计算方法的正确性，从试验记录数据来看，功率测量值与本文计算值之间存在一定误差，约1～3 dBm，但总体变化趋势与计算结果一致，同时从2个构建的电磁环境来看，试验1构建的干扰设备工作带宽明显宽于试验2，时间占用上重叠与试验2基本一致，故试验1构建的电磁环境直观上应比试验2复杂，这也是与计算结果相吻合的。

由以上2个典型试验分析可知，通过部分参数的改变，基于本文的电磁环境复杂度计算结果与理论改变情况一致，特别是通过设备间由于电波传播到达被干扰装备的功率计算符合实际测量值。另外，从宏观角度看，电磁环境复杂度计算能够便捷地反映出特定区域、特定时段、特定频段内总的电磁环境复杂程度。

5 结束语

本文针对广义电磁环境复杂度精确计算这一问题，提出了一种基于Wireless InSite和MATLAB相结合的计算方法，开发了相关接口程序和计算软件，将Wireless InSite电波传播模型有效地嵌入于传统的四域评估法，初步实现了电磁环境复杂度精确定量评估。由于受技术水平和计算能力的限制，各干扰及被干扰装备均为静止状态，运动状态下动态电磁环境的复杂度计算将是进一步的研究方向。