OPNET仿真平台下典型作战环境对弹载通信干扰效果影响研究

钱立志，张杰，陈栋

（陆军炮兵防空兵学院 高过载弹药制导控制与信息感知实验室，合肥 230031）

弹载通信干扰机是指利用弹药作为承载平台，通过炮弹的空中飞行而“飞”至预定位置，主要对敌跳频通信电台进行干扰[1-5]。干扰机在干扰敌跳频电台的过程中，干扰信号的传播必将受到作战环境的影响，从而导致传播损耗也各不相同。本文通过OPNET仿真平台[6-7]构建典型作战环境影响下的弹载通信干扰信号传播模型，研究典型作战环境对弹载通信干扰机干扰效果的影响，为弹载通信干扰机的作战使用提供参考。

1 弹载通信干扰系统在OPNET仿真平台下的模型构建

为了突出重点，区分主次，便于模型建立，假定电台和干扰机采用的天线类型均为鞭形天线[8]，电台只考虑地波传输方式，即电台只考虑直射波传播方式[9-12]。在OPNET仿真平台下搭建的弹载通信干扰系统模型如图1所示，该模型包含一部弹载通信干扰机，一组短波跳频通信电台收发端，一组超短波跳频通信电台收发端[13-14]。

图1 弹载通信干扰系统模型Fig.1 Model of projectile-carried communication jamming system

1.1 干扰机第一层模型

干扰机第一层模型由信号源、短波信号发射端及天线、超短波信号发射端及天线组成，如图2所示。其中，信号源用于产生符合一定规律的短波波段和超短波波段的干扰信号；短波信号发射端及天线用于将短波波段的干扰信号发射出去，并依托天线模块对信号发射增益进行刻画；超短波信号发射端及天线用于将超短波波段的干扰信号发射出去，并依托天线模块对信号发射增益进行刻画。

图2 干扰机第一层模型Fig.2 First-layer model of jammer

1.2 干扰机第二层模型

干扰机第二层模型即为OPNET中的进程模型，是以有限状态机为基础进行构建的。如图3所示，有限状态机包括初始态、闲置态、工作态、停止态。其中，初始态主要用于仿真开始时对变量进行初始化，并读取干扰机性能参数；闲置态为各状态之间的过渡阶段，主要是等待不同的发生条件，从而跳转至其他状态；工作态为干扰机在一定干扰模式下的工作状态，即按照某规律生成并发送相应波段的干扰信号；停止态为干扰机的工作停止状态。

1.3 节点参数配置

干扰机主要参数配置：1）干扰机的下降速度；2）对短波电台进行干扰时的干扰带宽；3）短波波段干扰带宽的起始频率；4）短波波段的干扰功率；5）对超短波电台进行干扰时的干扰带宽；6）超短波波段干扰带宽的起始频率；7）超短波波段的干扰功率。具体如图4所示。

图4 干扰机主要参数Fig.4 Jammer’s main parameters

短波、超短波电台主要参数配置：1）电台发射端的工作带宽；2）电台发射端工作带宽的起始频率；3）电台的调制方式；4）电台的发射功率；5）电台接收端的工作带宽；6）电台接收端工作带宽的起始频率；7）电台的信号接收灵敏度；8）电台的物理层参数配置，包括电台进行通信时所用的频率表号、跳频间隔、跳速、跳频频率表。根据电台的实际属性，可确定电台的频率表数以及每个频率表中包含的频率数。通信双方电台只有所选用的频率表和频率跳变规律一致时方可通信。具体如图5所示。

2 弹载通信干扰机典型作战环境对信号传播的影响及其在OPNET仿真平台中的模拟

2.1 弹载通信干扰机的典型作战环境

弹载通信干扰机的典型作战环境分为东南沿海和西南边境两大类。其中东南沿海地区主要有海水、潮湿地、沿海沙地等三种地面类型；西南边境地区主要有淡水、干燥地、山区等三种地面类型[15]。

图5 超短波电台和短波电台参数配置Fig.5 Parameters configuration of VHF (a) and HF (b) radio

2.2 典型作战环境对信号传播的影响

自由空间传播条件下的路径损耗Lf（dB）[16]：

式中，λ为波长，m；r为电波传输距离，km；f为频率，MHz。

由于工作环境的不同，信号不可能永远在自由空间中传播，而是伴随着不同的能量损耗。由于不同类型地面的电参数是不相同的，因此，按照电台天线低架和天线高架两种情况进行区分[17]，而每种情况下又分别包含东南沿海和西南边境两种典型作战环境。

2.2.1 天线低架

当电台天线低架时，以东南沿海环境下的潮湿地为例，电波传播的路径损耗：

式中：|W|为衰减因子，λ为波长，m；r为电波传播距离，m。

西南边境环境下的山区环境时，电波传播的路径损耗：

2.2.2 天线高架

当电台天线高架时，路径损耗：

由式(8)可以看出，天线高架时的路径损耗不受具体地表参数的影响，也即此时不需要考虑当地的地表环境。

2.3 典型作战环境对信号传播的影响在OPNET仿真平台中的模拟

典型作战环境对信号传播的影响主要体现在接收功率上，因此这种影响体现在接收机模块中。该模块负责计算节点在接收到其他节点发射的无线信号后的一系列参数，对通信节点间进行无线信号接收时的通信端口特性进行模拟，包括收信机支持的信道数目、报文格式、发射速率、各信道的频段、调制编码方式（包括BPSK、DPSK、QPSK、16QAM、2FSK、MSK、GMSK等）、发射功率、扩频码等。如图6所示，按照计算顺序主要包括以下过程。

1）接收天线增益，计算接收机指向发射节点方向上的天线增益大小。

2）接收信号功率：计算信号经过无线信道的传输和衰减后到达接收机上的功率大小，该部分计算时需要考虑不同信道环境和不同通信模式下的信号衰落规律，结合对应的信道传播模型计算其衰落程度。针对当前设计的短波和超短波通信网，各节点间主要采用地波传输。因此，构建了短波和超短波的地波传输信号衰落模型，针对天线低架、天线高架以及节点所处的地形地貌特征，基于不同的传播模型进行信号路损的计算，从而为收信机模块提供接收信噪比的计算依据。目前，在通信电台接收机的接收功率管道阶段采用 wireless_power_mt()函数进行接收功率的计算，其中，对于短波和超短波的地波传输衰减大小通过 ultra_shortwave_power_loss_calculate()函数进行计算，如图7所示。

图6 电台接收机节点模型Fig.6 Node model of radio receiver

3 仿真场景设计及结果分析

3.1 syn_hop_high_ant_southeast场景

该场景包括一部匀速降落的弹载通信干扰机、短波通信电台收发端2、3和超短波通信电台收发端0、1，干扰机在地面的投影位置处于短波电台组和超短波电台组的中间。整个网络部署在东南沿海地形上，两对通信电台均开启了ToD同步和跳频功能，采用天线高架的方式。其中，电台0和电台2处于沿海沙地区域，电台1和电台3处于海水区域。具体如图8。

3.1.1 场景配置

该场景中，超短波电台0和短波电台2处于沿海沙地地形，超短波电台1和短波电台3处于海水区域，其他参数配置与1.3节保持一致。

3.1.2 统计结果

根据OPNET中自带的TIREM4地形模型，弹载通信干扰机到各电台节点的地形起伏情况如图9—12所示。由图9—12可知，干扰机逐步下降到地面高度后，与四部电台之间均有地形的遮挡，尤其是与电台0和1的衰减路损偏大，使得干扰机最后逐步下降到地面高度后，对电台0和1的干扰效果不明显。

由图13—20的结果可见，由于开启了同步模式且同步头的投递率在50%以上[18-20]，使得干扰机一直保持干扰状态，发送吞吐量为固定值。由于电台的同步头和数据包均受到了干扰，因此一部分数据信号未能同步，而无法传输，一部分数据信号被干扰机干扰而丢弃，导致全网的业务接收吞吐量明显低于发送吞吐量。当干扰机在匀速下降的过程中遇到障碍物的阻挡时，针对部分电台的干扰信号无法到达电台接收端，使得电台接收端的信噪比有所提高。

图7 接收功率和损耗在OPNET内核中的代码表示Fig.7 Code representation of received power and loss in OPNET kernel

图8 东南沿海场景模拟Fig.8 Southeastern coast scene simulation

图9 干扰机到节点0的地形起伏Fig.9 Topographic relief from jammer to node 0

3.2 syn_hop_high_ant_southwest场景

图10 干扰机到节点1的地形起伏Fig.10 Topographic relief from jammer to node 1

图11 干扰机到节点2的地形起伏Fig.11 Topographic relief from jammer to node 2

该场景包括一部匀速降落的弹载通信干扰机、短波通信电台收发端2、3和超短波通信电台收发端0、1，干扰机在地面的投影位置处于短波电台组和超短波电台组的中间。整个网络部署在西南山区地形上，两对通信电台均开启了 ToD同步和跳频功能，采用天线高架的方式。如图21所示。

图12 干扰机到节点3的地形起伏Fig.12 Topographic relief from jammer to node 3

图13 全网业务收发吞吐量Fig.13 Transmit and receive throughput of network-wide services

图14 全网业务端到端时延Fig.14 End-to-end delay of network-wide services

3.2.1 场景配置

该场景中，超短波电台和短波电台均处于山区地形，其他参数配置与1.3小节保持一致。

图15 全网无线信道接入时延Fig.15 Wireless channel access delay over the whole network

图16 全网ToD同步头报文的投递率Fig.16 Delivery rate of ToD synchronized header message in the whole network

图17 信噪比Fig.17 Signal-to-noise ratio

图18 误码率Fig.18 Bit error rate

图19 丢包率Fig.19 Packet loss rate

图20 干扰机的发送吞吐量Fig.20 Transmit throughput of jammer

图21 西南边境场景模拟Fig.21 Scene simulation of southwestern border

3.2.2 统计结果

根据OPNET中自带的TIREM4地形模型，弹载通信干扰机到各电台节点的地形起伏情况如图22—25所示。由干扰机到各电台的地形剖面图可见，干扰机逐步下降到地面高度后，在该地形影响下，干扰机到节点0和1的干扰信号衰减比上一地形情况衰减更大，因而对节点0和1的干扰效果更差，对节点2和3的干扰信号衰减与上一地形情况相差不太大，由于该地形下节点0和1几乎未受明显干扰，因此整体的接收吞吐量也大于上一地形情况。

图22 干扰机到节点0的地形起伏Fig.22 Topographic relief from jammer to node 0

图23 干扰机到节点1的地形起伏Fig.23 Topographic relief from jammer to node 1

图25 干扰机到节点3的地形起伏Fig.25 Topographic relief from jammer to node 3

图26 全网业务收发吞吐量Fig.26 Transmit and receive throughput of network-wide services

由图26—33的结果可见，干扰机在下降过程中由于山区地形的遮挡，使得干扰机对超短波电台的干扰信号阻挡较多，干扰效果不明显，而对短波电台的阻挡较少，被干扰的程度较大，使得短波电台出现了丢包，这部分时间段内全网的业务吞吐量损失主要由短波电台的丢包所致。随着干扰机的进一步下降，对短波电台的干扰信号也被阻挡，使得干扰程度降低，其丢包率和误码率均逐步降低。

图27 全网业务端到端时延Fig.27 End-to-end delay of network-wide services

图28 全网无线信道接入时延Fig.28 Wireless channel access delay over the whole network

图29 全网ToD同步头报文的投递率Fig.29 Delivery rate of ToD synchronized header message in the whole network

图30 信噪比Fig.30 Signal-to-noise ratio

图31 误码率Fig.31 Bit error rate

图32 丢包率Fig.32 Packet loss rate

图33 干扰机的发送吞吐量Fig.33 Transmit throughput of jammer

4 结论

弹载通信干扰机在实际作战使用过程中必须考虑作战环境的影响。

1）当被干扰电台采用天线低架模式时，不管是什么样的作战环境，都会导致信号传播损耗大于自由空间下的信号传播损耗，对于被干扰电台来说，即自由空间下的有效干扰功率大于非自由空间下的有效干扰功率；

2）当被干扰电台采用天线高架时，虽然不需要考虑具体的地表参数，但是涉及到具体的作战环境时，必须考虑弹载通信干扰机下降过程中有无受到地形遮挡的影响。通过上述两种场景的模拟和仿真结果可以知道弹载通信干扰机在下降到多少高度时会受到地形遮挡的影响以及不同波段的干扰效果，这将对指挥员在某一作战环境中合理使用弹载通信干扰机，最大限度地提高干扰机的作战效能提供有力的决策支持。