基于屏蔽室的武器系统超短波通信距离评估方法

王琨，孟祥欣，潘强，张博

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

无线通信距离试验用于检验武器系统信息传输的能力，它反映了武器系统之间信息无线传输的正确性、可靠性和最小传输范围，同时考核武器系统相关的战术性能和使用性能。无线通信距离试验作为武器系统的系统级试验，受试验场地的地形环境、电磁环境、装备状态等多种因素影响，是武器系统信息化试验中涉及装备多、规模大，组织困难的一项试验。在外场进行无线通信距离试验时，需要选择平坦、开阔、视野良好及周围没有强电磁信号的场地进行，试验程序较为复杂。该试验常常受到外界地理环境和电磁环境影响，试验涉及频率多，试验周期长，通常只在部分频点上对两个装备进行评估，无法全面评估武器系统在整个超短波频段内的通信距离[1-2]。

在屏蔽室进行无线通信距离试验，不仅可以避免自然环境中试验场地、天气、电磁场等因素影响，还可以快速地进行超短波通信距离评估，并全面检测武器系统在整个超短波频段内的通信范围，提高试验研究水平。鉴于此，笔者提出了基于屏蔽室的武器系统超短波通信距离评估方法，通过模型的建立，可快速获得单个装备的超短波通信距离，从而评估武器系统的超短波通信距离，大大减少了测试时间、降低了试验成本，为后续武器装备外场试验及性能指标研究提供数据支持[3]。

1 无线通信距离试验

1.1 无线通信距离试验原理

无线通信距离试验用于检验武器系统之间信息无线数据传输的正确性、可靠性和最小传输范围。实际作战时1台指挥装备对4台作战装备进行作战指挥，采用星形布阵方式，装备之间距离较远，相互干扰影响可忽略不计。因此，对通信网络进行简化分析，构建了点对点无线传输模型。其系统原理图如图1所示。

在开展无线通信距离试验时，武器系统自身干扰源是由武器装备所使用设备决定的，其固定、可控，外界的干扰源受地形、天气、环境噪音影响是未知的、不可预测的。因此，传统武器系统无线通信距离评估方法受地形、环境影响较大，具有测试时间长、试验成本高的缺陷，并且受所选频率和装备的限制，无法评估整个武器系统在超短波频率范围内的通信距离。

1.2 无线通信距离试验流程

无线通信距离试验是武器装备信息化性能指标考核的重点，是武器系统信息化试验的重要组成部分，试验流程如图2所示。

在开展无线通信距离试验时，在VHF电台的工作频点内选择30个定频点和10个跳频号，寻找平坦、开阔、视野良好且周围没有强电磁信号的场地进行测试，指挥装备与作战装备进行全系统工作，先将指挥装备与作战装备间隔5 km布阵，两台装备之间互发1 000帧数据，检查所选频率上装备接收数据成功率，若成功率满足要求则判定该距离合格；再将两台装备间的距离增大500 m，在所选频率上重复进行数据传输成功率检测，当被测装备接收数据成功率不满足要求时，结束试验，以两台装备间无线数据传输成功率均满足要求(所选的30个定频点和10个跳频号)的最大距离为超短波通信距离。

2 电磁传播模型与干扰源分析

2.1 电磁传播模型

武器系统野外作战时，由于受地形环境的影响，且电磁波具有反射、绕射、散射和波导传播等传播方式。目前常用的电磁波传播模型为Egli模型。Egli模型适用VHF和UHF低端工作频段，且地形起伏不大的场合，符合武器系统进行无线通信距离试验的情况。相比较其他电磁波传播模型来说，Egli模型在预测丘陵和乡村地形的场强方面最为精确[4]。Egli模型是基于实测数据得出的，Egli电波传播损耗公式为

LEgli=Lm=88+20lgf+40lgd-20lght-

20lghr+Kh+Kw，

(1)

式中：Lm为电波传播损耗(dB)；f为电波频率(MHz)；d为传播距离(km)；hr和ht分别为收、发天线的高度(m)；Kh为地形校正因子(dB)；Kw为气象校正因子(dB)。

地形校正因子与测试点周围地形平均起伏高度及使用频率有关。当地形起伏的高度不大于15 m时，Kh可以忽略不计[5]；气象校正因子与气象环境相关，通信链路的气象衰减随频率的降低而减小。当f≤400 MHz时，Kw≤0.35 dB[6]，因此，Kw可以忽略不计。

2.2 武器装备内部干扰源的测量

在屏蔽室内使武器装备进行全系统工作，利用屏蔽室的电磁隔离效果，使武器装备与自然环境中的电磁场隔离，省略了通信场地的选择[7]。在屏蔽室内测试时电台不发射，噪声主要来自于装备内部，且装备距离屏蔽室墙壁在2 m以上，因此同频反射、时域扩展等影响可以忽略。屏蔽室测量武器装备背景场强原理如图3所示。

武器装备放置到屏蔽室内，将超短波电台天线的馈线在电台射频口处断开，采用频谱仪连接电台的天线端口，使武器装备全系统工作，在超短波电台工作频率范围内(30～88 MHz)测试武器装备全系统工作时的车内电磁背景噪声。所用屏蔽室的屏蔽效能大于90 dB，所用频谱仪自身的本底噪声不大于-100 dBm。将频谱仪测试频率范围设置为30～90 MHz,测试分辨率带宽BW设为10 kHz，Y轴(AMPLITUDE)的单位为dBm，测量结果如图4所示。

从图4可以看出，武器装备全系统工作时，车内背景场强有所抬高，在低频段、高频段以及73 MHz附近影响较大。

3 屏蔽室无线通信距离试验评估方法

3.1 电台通信距离与环境噪声的关系

以某型武器装备为试验对象，超短波电台大量实测数据结果表明，电台相距5 km，环境噪声不大于-85 dBm时，接收数据成功率满足要求。记为d0=5 km，N0=-84 dBm。

3.2 装备超短波通信距离计算

综合考虑电台的馈线损耗、天线损耗，可得电台接收到的信号功率为[8]

Pr=Pt+Gt-Lt-Lm+Gr-Lr，

(2)

式中：Pr为接收机收到的有用信号功率(dBm)；Pt为基地台发射机输出功率(dBm)；Gt为基地台发射天线增益(dB)；Lt为基站发射端馈线损耗(dB)；Gr为接收天线增益(dB)；Lr为基站接收端馈线损耗(dB)。

超短波电台相互通信时，由于两个电台的发射功率、天线增益、馈线损耗等条件不变，电台通信的无线数据传输成功率主要取决于信噪比[1,7]。因此，为了保证无线数据传输成功率，电台的接收功率与环境噪声的比值应保持不变。

(3)

式中：P0为5 km距离时接收到的有用信号功率(mW)；Pi为di距离时接收到的有用信号功率(mW)；N0为5 km距离时环境噪声功率(mW)；Ni为di距离时背景噪声功率(mW)。

超短波通信的无线数据传输成功率主要取决于接收信号的信噪比。当距离越大时，电台接收到的信号功率越小，为保持信噪比不变，则环境噪声需要同时降低[9]。将式(3)取对数后简化换算可得

Ni-N0=Pi-P0,

(4)

将式(1)、(2)代入式(4)变换后可得

(5)

式中：di是武器装备在i点的超短波通信距离(km)；Ni是武器装备在i点的背景噪声功率(dBm)。当Ni为图4中测试结果中的最大Y值(背景噪声最大值)时，di为武器装备的最小通信距离。

3.3 武器装备超短波通信距离评估

由图4可知在30～90 MHz内，装备背景噪声的最大值约为-91 dBm，最小值约为-105 dBm，由式(5)可计算通信距离dmin、dmax分别为

所以，武器装备超短波通信的实际距离为7.063 km，最大距离为15.811 km。

4 通信距离的模型验证

4.1 Egli模型距离评估

以某系统为例，Egli模型所涉及的参数可具体量化。VHF电台的频率范围约为30～88 MHz,电台的最大发射功率为50 W(47 dBm)，电台灵敏度为-112 dBm。取f=35 MHz，d=8 km，2个通信节点采用3 m中馈天线，发射端天线底座距地面2 m，接收端天线底座距地面3 m，因而ht=3.5 m，hr=4.5 m，代入式(1)，可得

LEgli=88+20lg 35+40lg 8-20lg 3.5-

20lg 4.5=131。

天线增益为-6～1 dB，取均值-2.5 dB，故Gt=Gr=-2.5 dB；馈线、接插件、避雷器件损耗为0.5 dB，天线合路器插入损耗[10]不大于1 dB，故发射天馈系统损耗Lt为3 dB；接收天馈系统损耗Lr为1 dB，故Lm=LEgli=131 dB。

将上述取值代入式(2)，在35 MHz频率下，8 km到达接收端的信号强度Pr为-91 dBm。

根据计算，到达接收端的信号强度Pr为-91 dBm，信道设备接收要求为信号高于背景噪声3 dBm以上可正常检测解码，故信道设备某频点下的背景噪声应小于-94 dBm。因此，当超短波电台在某频点的背景噪声不大于-94 dBm时，通信距离应能够满足8 km。

4.2 Egli模型数据验证

根据4.1中Egli模型所涉及的参数在装备上量化后可得到，当超短波电台在某频点的背景噪声不大于-94 dBm时，通信距离应能够满足8 km的要求。

将上述所测数据带入式(5)可得：dmin=8.394 km，即评估模型算出的通信距离为8.394 km。

通过对比可知，根据Egli模型的实测数据与评估模型快速推算的结果相差不大，因此，屏蔽室内武器系统超短波通信距离的评估结果基本符合通信原理模型。

4.3 实装验证情况

选择开阔、视野良好、周围没有强电磁信号的场地，使用1台指挥装备、1台作战装备，进行通信距离试验。指挥装备与作战装备均全系统开机工作，随机选择了10个定频点和5个跳频表进行试验。分别记录指挥装备与作战装备的超短波电台的背景场强指示，在满足通信数据传输成功率要求时，记录各个频点(表)的通信距离。如表1所示。

表1 超短波电台背景场强与通信距离的实测关系

根据指挥装备与作战装备在同频点的最大背景场强，通过评估模型快速推算出指挥装备与作战装备的通信距离如表2所示。

表2 不同背景场强下评估超短波电台通信距离

通过表1、2对比可以看出，评估模型评估的通信距离略大于实测的通信距离，最大相差391 m。因此，屏蔽室内武器系统超短波通信距离的评估结果基本符合装备实际性能指标。

5 结束语

笔者通过屏蔽室测试装备全系统工作时的电磁背景强度，根据无线数据传输成功率主要取决于信噪比的特点，推导出通信距离与信噪比的关系，从而仅通过武器装备在某个频点(频表)的背景噪声，可快速评估武器装备在某个频点(频表)的最大通信距离，省略了通信场地的选择。通过实测数据验证，证明了该方法评估武器系统超短波通信距离的有效性。因此，基于屏蔽室内武器系统超短波通信距离的评估方法可快速评估武器系统的超短波通信距离，减少了测试时间、降低了试验成本，避免了环境中电磁场对装备通信的影响。