指挥控制系统设备实体模型构建

2022-05-17孟琳，古平

科技创新与应用 2022年13期

孟琳，古平

（陆军工程大学石家庄校区，河北石家庄 050003）

指挥控制系统是战场信息网络的重要组成部分，是连接作战单元、武器系统的神经网络，而设备实体是构成指挥控制系统的最小基本单元，是决定指挥控制系统功能与性能的基础。在仿真系统中，实体并不是真实的设备，是对真实设备的抽象描述，由数据模型来表征。从某种意义上讲，实体的数据模型就是仿真系统中的仿真实体，能够支撑系统仿真的运行。本文中，指挥控制系统设备实体指的是构建指挥控制网络的HF电台、VHF电台、卫星等无线通信设备以及有线传输设备，指挥控制系统设备实体主要从其静态数据和动态数据两方面着手，描述实体的属性和操作。实体属性，主要描述实体静态特征；实体操作，描述的是实体的动态特征。

1 指挥控制系统实体属性建模

实体的属性模型围绕实体的基本属性、过程属性、评估属性3个方面进行描述。基本属性是实体最本质的特征参数。指挥控制系统设备实体的基本属性主要描述的是实体的频率、通信距离、发射功率、接收机灵敏度等特征。过程属性是实体过程中的特征参数。指挥控制系统设备实体中主要描述信息在传输过程中的信号衰减，噪声等特征。评估属性是实体质量参数。指挥控制系统设备实体的评估属性是对设备信息传输质量的评估。

1.1 基本属性的模型构建

指挥控制系统设备实体根据实体的物理特征建立发射机、信道、以及接收机的基本属性。其中包括速率属性、频率属性、功率属性、介质属性、距离属性以及接收机的接收机灵敏度属性。建立指挥控制系统设备实体基本属性体系如图1所示。

图1 指挥控制系统实体基本属性

1.1.1 传输介质

传输介质是指两个通信设备之间实现的物理连接部分，它能将信号从一方传输到另一方。任何信息的传输都需要传输介质。传输介质包括有线传输介质和无线传输介质2大类，其中有线介质包括双绞线、同轴电缆、光纤等，无线介质包括短波、超短波、微波等。

1.1.2 频率属性

在传输介质中，信息是以电磁波的形式进行传播的，频率作为电磁波的固有属性对于信息的传输来讲是一种资源，设备实体的工作频率范围越宽，在波道间隔一定的情况下，划分的波道数也就越多，可建立的信道数越多，信道带宽也就越宽，在信噪比一定的情况下，传输速率越高。

设备的频率特性通过传输设备的工作频段或工作波长来表示，一般来说设备的工作频率为运用集合描述法来表述工作频率模型，f代表指挥控制设备实体的工作频率，单位为MHz；λ表示设备所工作的波段，单位为m。

1.1.3 传输距离属性

不同的设备实体传输路径不同，根据频率的不同，可进行天波传播、地波传输或是视距传播，不同的传播路径受环境影响程度不同，传输损耗也有所差别，因此传输距离会受到不同的影响。在模型中传输距离用字母d来表示，运用区间d=[dmin，dmax]的方式来描述传输距离，其中，dmin表示能够传播的最短距离，dmax表示能够传播的最远距离，单位为km。

1.1.4 传输速率属性

对于无线传输信道来说传输速率指的是发射机的发送速率，用Rb来表示，单位为bps。一般来说，无线设备的传输速率是可以设置的，根据香农定理，可以得出在存在噪声干扰信道上理论的最大传输速率。因此在传输速率的设定上应满足以下条件：

一般情况下，受接收机和发射码元概率分布的限制，很少能达到最大传输速率，对于传输速率的设定具有指导意义。信道容量公式为：

当SNR不变时，带宽B即使趋于无穷大，信道容量也不会无限制增大，而只是S/N的1.44倍。这是因为当带宽B增大时，噪声功率也随之增大。

对于有线介质的传输设备来讲，通常建立传输速率与距离之间的关系，在已知传输距离的情况下，以此为依据选定传输速率。传输距离与传输速率的相互关系可以用函数的形式展现出来，

式中，传输距离为变量，传输速率为因变量。

1.1.5 发射功率属性

发射机的发射功率的设定应该根据接收机能接收到的信号功率进行。随着距离的加大，传输损耗增加，接收机接收到的功率会减小，甚至由于接收机灵敏性的限制导致接收机无法接收到发射出的信号。所以应根据实体情况进行选择，当与接收机距离较近时，可选用小功率进行发射，当与接收机距离较远或信道质量较差时，可选用大功率发射功率进行发信。功率单位为W。

1.1.6 最大起伏高度

当电磁波视距传播时，受到地势起伏的影响较大，当地势起伏较为明显时，通信质量会下降，严重时，甚至会导致无法正常通信。Δh表示视距传输时能够容忍的地形最大起伏高度，当收发信机之间的地势起伏超过此高度，则无法正常通信。Δh单位为m，其计算公式如下：

式中，λ为电磁波长，单位为m；φ为擦地角，单位为°；擦地角的确定与发射天线高度ht和发信机与接收机之间的距离d有关。

1.1.7 接收机灵敏度模型

接收机灵敏度体现了接收机的接收能力。接收设备的接收灵敏度越高，其灵敏度值越小，捕捉微弱信号的能力越强，对信号越敏感，但对干扰的影响反应越大。接收机灵敏度指在数值上指的是能够接收到并正常工作的最低信号强度，当接收天线接收到的电磁波功率小于接收机灵敏度时，则不能正常接收信号。接收设备的灵敏度会受到3个因素的影响：噪声系数、热噪声以及系统能够提取信息的最小信噪比。

式中，NF为系统噪声系数，其实质为发射机的信噪比与接收机的信比的比值，即

NF的单位为dBm，一般情况下设为10 dBm；SNR为最小信噪比，单位为dB；K是玻尔兹曼常数，K=1.38×10-23w（/K·Hz），T=开氏绝对温度值，地球大气模型中常设定为290°K，B是接收机的有效带宽

式中，KTB的单位是dBm，带宽B的单位是MHz。

将接收信号电平S与电台灵敏度指标S0进行比较，当S≥S0时，能接收到信号；否则无法接收到信号。

1.2 过程属性模型

过程属性描述了信息传输的过程。无线电发射机输出的射频信号通过馈线输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后由天线接收下来，并通过馈线送到无线电接收机。在信息传送的过程中，产生一些规律和特性，这些规律和特性在模型中以过程属性的形式表现出来，如图2所示。

图2 信息传输的过程模型

1.2.1 发射机模型

天线增益是天线的要性能参数，用来衡量天线方向性，是对无线信号聚集在一个特定的方向能力的描述。发射天线的主要功能是将调制发来的电信号转换成电磁波发射出去，在空间传播。天线的方向性使得不同传播方向增益有所不同，以图形的方式表现出来，便得到天线的方向图。常见的天线增益图有全向图、扇形、sinx/x，cos2和cosec2等，由天线制造厂测量和公布。经过天线发射后的信号功率在数值上等于发送功率与天线增益的乘积。

1.2.2 信道损耗模型

电磁波在传播过程中，接收到的信号要比发射出的信号功率弱很多，这是由于信号功率遭受衰减，也就是传输损耗。损耗一般分为路径损耗、大尺度损耗和小尺度损耗。

人类总结出多种信道建出一系列传输损耗模型地波传输损耗模型为：

其中，A为通信地面对电波的衰减因子，d为收发电台之间的距离，以km为单位；he为接收天线有效高度，以m为单位。

视距通信，其常用的经验型电波传输损耗模型有ECAC模型、Rood模型、Murphy市效模型、Egli平地模型、Egli不规则地形模型、Palmer模型、奥村哈塔模型与中国国家标准场强预测模型。

以常用的模型Longley-Rice为例，其主要适用于频率范围为20~40 GHz，传输损耗分为两部分，如公式（10）所示。

信道的路径损耗因子可表示为

式中，Ωfree为自由空间传播模型计算得出的路径损耗；Ωref为Longley-Rice模型计算得出的路径损耗参考值。

Ωfree经过简化后，其模型为：

式中，d为收发电台之间的距离，单位为km；f为无线电波频率，单位为MHz。

Ωref模型如公式（12）所示。

式中，d为接收电台和发射电台之间的传输距离，单位为km；f为工作频率，单位为MHz；Lbe表示自由空间下视距传播损的耗值；k1、k2为传播损耗系数；dLs为视距传输的最大距离。

对于有线通信来说，线路上的损耗主要有辐射损耗、耦合到邻近线路的损耗、阻抗不匹配损耗、导线损耗和介质损耗5种。传导性越好的介质，在相同传输距离的前提下，其传输损耗越小，反之，则损耗越大。同一种传输介质，传输距离越远，其传输损耗越大，反之，则传输损耗越小。同一种传输介质，工作频率越高，其传输损耗越大。结合以上经验，可将有线传输介质的损耗简化为介质类型-工作频率-损耗-距离四者之间的关系，见表1。

表1 传输介质与传输频率及损耗之间的对应关系

式中，d代表传输距离，单位为km；L为传输损耗，单位为dB。

1.2.3 噪声干扰模型

噪声，通常指信道或电路内部产生的无用信号。噪声功率包括来自邻道干扰和干扰源干扰、电子器材的噪音以及天气情况的变化等。噪声功率为上述3种噪声功率之和，即

1.2.4 接收机模型

电磁信号在传输的过程中，经过信号的衰弱以及噪声的叠加、天线的增益等因素的影响，接收到的信号功率会发生一定的变化。

式中，Pr为接收功率；Pt为发射机发送功率；Gt为发射天线增益；Gr为接收天线增益；L为传输路径损耗；

1.3 评估属性模型

评估属性模型的构成如图3所示。

图3 指挥控制系统设备实体评估属性模型的构成

1.3.1 信噪比模型

信噪比指的是信号功率与噪声功率之比。一般来说信噪比越大，说明混入信号中的噪声功率越小，也就是信号质量越好。通过过程属性模型中可以计算出接收机接收的信号功率和噪声功率，计算出比值，最终得到信噪比。信噪比通常用dB表示。

式中，Pr为信号功率；Pb为噪声功率，其单位为W。

1.3.2 误码率模型

误码率是衡量数字信号在规定时间内数据传输准确性指标，是错误接收码元数与总码元数之比，也可理解为码元在传输过程中出现误码的概率。在传输速率不变的情况下，误码率与调制解调方式、传输信道的信噪比以及信道编码技术有关。调制方式相同时，误码率会随着信噪比的增大而减小；信噪比相同时，误码率也会受到调制方式的影响。信噪比-调制方式-误码率的关系如表2所示。