实战化的战场电磁环境课程教学系统建设

吴瑾颖, 席建祥, 郭金库, 胡来红

(1. 火箭军工程大学 导弹工程学院, 陕西 西安 710025;2. 西北工业大学 无人系统技术研究院, 陕西 西安 710000)

战场复杂电磁环境下军事训练是推进我军向信息化转变的重要切入点[1]。军事院校战场电磁环境课程通过教授战场电磁环境基本理论及其对作战训练影响的相关内容,对培养学员对战场电磁环境的认知和运用能力、促进学员形成对信息化战争的立体认识方面具有重要的作用。战场电磁环境课程内容横跨多个学科,涉及雷达、通信、光电、卫星以及电子对抗等多个专业,内容广、主线多;然而本科学员专业知识积累不够,对内容的理解和消化难度大。另外,该课程涉及装备发展、部队训练以及环境构建等多方面,单纯的课堂理论教学与部队实际情况结合困难,使教学脱离和滞后部队作战训练[2-3]。为适应当前部队实战化军事训练的要求,建设战场电磁环境教学系统,进而采用案例式教学,使学员在学习过程中能够感同身受,对于切实提高实战化教学质量具有十分重要的意义。

1 建设战场电磁环境教学系统的目的

战场电磁环境教学系统的建设目的是有效推进战场电磁环境课程实战化教学保障条件建设,突出实战化教学，即：

(1) 构建战场复杂电磁环境，并实现态势可视化。战场复杂电磁环境本身具有不可见、难以掌握的特点,因此战场复杂电磁环境态势可视化应当能够直观、形象、逼真地反映出一定的战场空间内战场电磁环境空域、时域、频域、能域上的特点和分布,能够根据实战化战场敌我电磁辐射源分布,反映战场电磁态势的动态变化。战场复杂电磁环境态势的可视化能够辅助学员更加深刻的理解战场电磁环境的构成、特征和复杂性特点,对电磁环境有更为直接的感性认识[4]。

(2) 实现装备和军事行动战场电磁环境适应性评估。在实战化要求下,作战训练以及教学应当特别关注装备体系和军事行动的战场级电磁环境适应性以及由此引发的装备和行动效能评估优化问题。将装备和武器平台置于装备体系、敌我对抗和战场复杂电磁环境等作战条件下,进行综合指标论证和效能评估,从而优化装备作战运用边界条件等。

(3) 对基于案例推演的战法与方案进行验证与优化。将课堂教学与战场电磁环境的情境深度融合,结合作战背景、战地场景、武器装备等,通过案例推演的方式,实现战法、电磁环境仿真以及评估的结合,对不同战场背景条件下的战法进行研究和创新讨论。利用直观呈现的电磁态势,探讨战场电磁环境辅助决策指挥;在一定战场部署情况下,根据己方现有装备来制定、评估和优化通信方案、台站选址方案、电子攻防对抗方案等。

2 战场电磁环境教学系统建设方案

2.1 教学系统架构

战场电磁环境教学系统以GIS为基础,按模型层、计算层、应用层进行架构。上层架构以下层架构为依托,各层次之间通过标准接口进行调用,有较高的灵活性和适应性。系统体系架构如图1所示。

图1 战场电磁环境教学系统体系架构图

基础层主要是指基础地理信息系统(GIS系统),地理信息系统提供卫星影像数据、地形高程数据,进行战场电磁气象数据的管理和显示,并为计算层提供电磁计算所需要的地形高程数据支持。

模型层主要包括用频武器装备的电磁模型、武器平台的运行及作战模型、电波传播计算模型。

计算层主要包括电磁计算引擎、计算数据管理、作战想定制作、军事行动推演、检验评估等模块。

应用层包括战场电磁态势显示、装备和军事行动战场电磁环境适应性评估和典型教学案例模块。

2.2 教学系统功能组成

战场电磁环境教学系统具有5个主要功能模块[5]。

(1) 地理信息平台模块。主要功能是地形数据管理及显示、影像数据管理及显示、气象环境设置与显示、大气/海洋/雨雪等环境效果、地形分析与计算。

(2) 电磁模型管理模块。该模块用于推演仿真系统调用和加载的各种模型,功能包括：电磁模型库及管理、电磁装备组装编辑、辐射源模型库、自然地貌地物模型库等。

(3) 作战想定和教学案例模块。该功能模块将部队想定内容转化为计算机仿真想定,实现与区域、阶段、行动路线和任务相关的仿真想定设计;负责构建表征部队、武器平台和用频网系的相关仿真模型实体;实现教学案例制作和管理。具体功能包括：兵力编辑与部署、兵力编队及管理、编制关系管理、兵力行动规划与推演、教学案例制作与管理。

(4) 电磁计算模块。该模块的功能包括：装备在电磁环境下的适应性评估、雷达设备适应性评估、通信设备电磁环境适应性评估、电波传播模型及计算、电磁环境计算机可视化。

(5) 综合态势显示模块。基于视景可视化技术和统计图表,动态显示推演过程,直观展现推演过程中武器平台、通信与雷达网系的工作情况和电磁装备带电磁效能发挥情况,功能包括：电磁环境构成实体态势、电磁环境特征态势、电磁环境效应态势、态势显示与推演控制。

战场电磁环境教学系统功能组成如图2所示。

3 基于战场电磁环境教学系统的案例式教学

3.1 教学应用流程

战场电磁环境教学系统作为战场电磁环境课程案例教学的支撑平台,可以通过仿真案例演示,帮助学员深刻理解战场电磁环境的概念、特点,掌握频谱管控以及电磁环境应对方法,对武器装备和军事行动的战场电磁环境进行初步的适应性评估,为战场电磁环境控制手段融入作战指挥和军事训练提供思路和教学训练[6-7]。战场复杂电磁环境课程案例式教学流程如图3所示。教员首先根据课程内容讲解理论基础知识，选择或设计想定案例。新设计教学案例应当包括设定敌我对抗环境、战场武器平台部署及行动规划、战场辐射源参数设置并与武器平台进行关联等步骤;按照想定案例的设定运行想定推演,在推演的过程中根据电磁计算的结果进行案例讲解。在此过程中,可根据需要修改想定设定参数,进行推演优化和对比;最后,学员应结合理论教学和案例推演进行研讨,如有需要可组织学员设计案例并仿真,以验证研讨结论。

图2 战场电磁环境教学系统功能组成

图3 战场电磁环境课程案例式教学流程

3.2 典型案例及应用

3.2.1 频谱管控案例

在掌握战场电磁环境概念和电波传播基础知识的基础上,利用战场电磁环境教学系统制作频谱管控案例,在想定的敌我双方对抗战场态势下,计算并渲染战场电磁环境态势的分布情况。由教员按照时间、频率、空间、能量各个域,分别展示并讲解电磁环境的分布特点及管控策略;根据我方的兵力部署和敌方干扰分布,讲解如何制定频谱分配方案;根据仿真数据讲解如何利用频谱监测设备定位和监控敌方辐射源。图4为频谱管控案例运行的截图。

图4 频谱管控案例运行截图

3.2.2 台站选址优化案例

根据雷达、军用移动通信、无线电监测等无线电台站的电磁特性,综合复杂地理条件、电波传播因素和其他台站部署情况,根据辐射范围和监测范围、干扰/受干扰程度部署难易度等,进行台站选址的优化和评估。通过该案例,学员可以对各频段电磁波的传播特性、辐射影响因素有更直观的理解和感受,对于通信和雷达等台站的选址及作战运用有更深刻的理解。图5为台站选址优化案例运行的截图。

图5 台站优化选址案例截图

3.2.3 通信方案评估与优化案例

该案例根据地形、植被、气象气候条件以及敌我作战部署、电磁台站分布、通信要求、交通条件等各方面因素,优化选择机动通信车/台站的合适部署位置和方式;需要结合所处战场的电磁环境频谱使用状况,并根据上级或协同单位频谱分配情况和要求,制订所属单位的频谱作战规划和方案[8];根据部队电磁频谱监测情况,分析敌方干扰源对我方的干扰和倾向情况等。根据上述因素综合制订优化通信方案并进行合理评估。图6为通信方案评估与优化案例运行的截图。

3.2.4 电子攻防对抗案例

该案例利用战场电磁环境教学系统的信号仿真功能,通过构建武器平台雷达导引头与敌方雷达目标及干扰间的攻防对抗想定,通过想定推演,分析对抗各个阶段的具体情况。通过该案例,学员可以对理论教学中的雷达对抗、光学对抗、通信对抗有更为直观的感受和理解。图7为电子对抗攻防对抗案例运行的截图。

图6 通信方案评估与优化案例截图

图7 电子攻防对抗案例截图

3.2.5 卫星侦察与反侦察案例

该案例依托战场电磁环境教学系统,在GIS平台的基础上,利用集成的精确卫星轨道计算和外推算法,根据选择或者导入的卫星轨道和侦察参数,对卫星侦察过境区域、时间、侦察范围等进行预报,评估军事行动面临的各种卫星侦察威胁。学员利用该案例可以直观地看到卫星侦察与反侦察的手段和效果,并思考如何在作战和训练中综合考虑反卫星侦察的措施和如何实施。图8为卫星侦察与反侦察案例运行的截图。

图8 卫星侦察与反侦察案例截图

3.3 教学应用效果

(1) 理论教学与实战化的深度结合。战场电磁环境课程教学中的一个难点就是专业理论涉及面广,有限的课时内很难做到理论与实践、理论与实战的结合,理论知识缺少实践的机会,学员往往是机械地接受专业理论和片面地获得感性认识。运用战场电磁环境教学系统,通过实战化的案例,为学员在知识层面上理论和实践的结合提供了手段和工具,从而能够很好地引导学员利用理论知识解决实战化中的问题,促进其利用所学去思考和扩展课本知识的动力[4,9]。

(2) 利用案例式教学促进师生互动和教学相长。在利用战场电磁环境教学系统进行案例式教学过程中,在不断地修改参数、优化方案并深入讨论的循环过程中,教员和学员间的角色也在不停地转换。教员改变传统的灌输式教学方法,更注重倾听、分析和引导;而学员从被动的接受转变为探索、追问和主动的设计者。战场电磁环境课程教学由传统的教学方式真正转变为师生互动、教学相长[10-12]新型教学方式。

(3) 面向岗位需求和人才特点因材施教。战场电磁环境课程教学不仅面向生长干部学员,还包括大量的任职培训和岗位培训学员。学员的专业知识基础和岗位任职经历差别较大,对课程的期望和需求也有很大不同的。基于战场电磁环境教学系统,利用不同深度的案例,控制授课和讨论的深度,可以有效地提高授课效率和针对性,实现教学深度和广度的灵活调节,满足学员的不同求知需求。

4 结语

本文针对战场电磁环境课程实战化教学需要,探讨了战场电磁环境教学系统的建设问题,论述了战场电磁环境教学系统建设目的以及具体建设方案,结合课程案例式教学需求,介绍了基于该系统的案例式教学思路,并初步在本科教学中进行了应用。实践表明,该系统有利于学员掌握战场电磁环境课程的内容,能够有效提高学员灵活运用所学知识分析和解决实际问题的能力,课堂教学质量有明显的提升,为部队培养战场复杂电磁环境下作战指挥员发挥积极作用。