汤 军

(海军司令部通信部科研办,北京100841)

0 引言

战场复杂电磁环境是指时域上突发多变、空域上纵横交错、频域上密集重叠、功率分布参差不齐,对有益电磁活动产生重大干扰,严重影响武器装备效能、作战指挥和部队作战行动的无形战场环境。

频谱管理仿真系统用于模拟生成接近实际的电磁应用背景、评估用频系统的电磁性能、对网络的抗干扰能力进行验证以及对用频系统配置结构进行优化仿真等。

1 战场复杂电磁环境模型

在理论研究的基础上,结合实际应用,建立战场复杂电磁环境仿真模型。建立接近实战的复杂电磁环境是进行频谱管理仿真计算、实验分析及验证的基础。战场复杂电磁环境模型主要包括:基础计算环境、台站模型和传播模型等内容。

1.1 基础计算环境

1.1.1 设计方法

基础计算环境的主要任务是对战场复杂电磁环境的构成要素、要素间相互关系和联系,以及系统的全部功能和各要素的基本功能进行设计,按照特定作战场景构建系统级仿真环境。基础计算环境模型设计方法如下:

①明确系统需求及使用背景,掌握作战计划、作战样式、作战任务、战场环境、双方态势、参战兵力编成和武器装备、战斗进程、首长对频谱管理的指示和要求。背景应考虑作战想定、态势变化、时间阶段和技术保证条件;其环境状态应考虑地理位置、战场界限和资源调度等,明确敌情、我情、天气和地理信息;

②掌握战场频谱资源、战场电磁态势、频谱管理网系及保障力量情况,收集汇总频谱资源征用、无线电管理动员需求;

③明确系统功能。系统的功能是战场频管系统的基本特征,也是系统本质的体现,不妨按以下内容分类:指挥 、控制 、通信、计算机 、情报、侦察、监视,或作战指挥、情报、通信、防空指挥、电子战等;

④明确系统组成。明确不同功能系统的物理部署、组织结构和功能组成;

⑤明确系统之间的交互关系,包括物理连接关系和信息交互要求等;

⑥明确系统的作战要素。明确系统各作战要素的技术特征和重要参数。

1.1.2 主要功能

基础计算环境是战场频谱管理仿真系统的主体框架,是台站模型、设备模型和传播模型等其他模型的集成环境,是所有频管仿真功能计算、呈现和输出的基础平台。

①电子地图:基础计算环境提供由3种基本类型地图构成的地图浏览窗口,即利用地理数据提供剖面视窗、普通的二维地图或全景三维地图。地理数据包括栅格数据、矢量数据和扫描图像等;

②频谱资源管理:主要频谱资源包括干扰源禁用保护频率数据;台站和装备数据;天线、发射机、接收机、滤波器、移动台和电缆等天馈线数据;国际、国内频谱划分数据;

③电磁拓扑管理:建立与应用相符的电磁拓扑结构,主要内容包括战场用频装备、台站部署和相互关系;民用频谱资源使用、台站设置和干扰态势;敌方干扰源、其他有害干扰源部署、特性;频谱管理网系、频谱监测、频谱探测装(设)备的组织与保障;

④频率协调:收集汇总战场频谱管理综合情况,协调处置各种频谱管理情况;拟制频谱管理协同方案、报告建议、计划、指示和通报;

⑤电磁态势显示:生成战场电磁环境态势图、电子对抗态势图和综合态势图。

1.2 台站模型

将所有的用频设备抽象为一个台站模型。台站类别有5种:地面台站、空间站、地球站、中继站和其他。每一个台站都是由发射天线、接收天线、发射机、接收机、滤波器和电缆组成(如果仅仅是发射台站则可以忽略接收部分,反之亦然)。可见台站模型是由天线模型、发射机模型、接收机模型、滤波器模型、移动台模型和电缆模型等各种基本模型组成的综合模型。在创建台站过程中,可以基于某种基本模板模型,也可以自己进行定制。

台站模型基本属性:①发射设备:发射机类型、天线类型、天线特性、滤波器类型、电缆特性、电缆长度、经纬度、海拔高度、相对高度、方向角、天线俯仰角、等效全向辐射功率和占空比;②接收设备:接收机类型、天线类型、天线特性、滤波器类型、电缆特性、电缆长度、馈线损耗、附加损耗、经纬度、海拔高度、相对高度、方向角、天线俯仰角和最大容忍干扰率;③天线特性:频率、口面天线直径、极化方式、交叉极化隔离、天线最大增益和波瓣宽度等;④电缆特性:频率和衰减等。

1.3 传播模型

1.3.1 基本传播模型

战场频谱管理仿真系统中包括一系列的传播模型,这些模型涵盖了主要的传播模式,频率范围从10 kHz～350GHz。对于频率范围在2～30 MHz之间的高频系统,采用电离层传播模型并集成了美国通信科学研究院的软件代码进行规划。

常用传播模型包括4类:①基于在详细地形信息基础上的模型:如CRC传播模型、ITU-R P.526、ITU-R P.452、DETVAG 90/FOA;②基于在粗糙地形和地面覆盖信息的模型:ITU-R P.370以及DETVAG 90/FOA针对地波传播的低频率计算;③统计模型 :如 Longley-Rice、COST-231-Hata、COST-231-Walfish-Ikegami、ITU-R P.619;④自由空间模型。

1.3.2 传播模型的选择

对于特定的计算,必须选择合适的传播模型以保证计算结果正确。选择传播模型需要考虑的基本条件有:①频率:一些传播模型有频率范围的限制;②地形地貌特征:能否得到地貌数据;③地面以上的天线高度:如果天线距离地面很近,需要选择一个考虑地面影响的传播模型;④计算速度:因为考虑了陆地覆盖的详细的地形和高度信息,含有地貌信息的传播模型一般比较慢。

选择合适的传播模型主要考虑具体的应用,传播模型的选择建议如表1所示。

表1 对于不同应用的传播模型选择的建议

频谱管理仿真软件可以自动给出一种最合适的传播模型建议,如果没有最合适的评估结果,则可以通过牺牲计算速度,以得到适当的传播模型。

2 频谱管理仿真

基于战场复杂电磁环境仿真模型,对系统的抗干扰技术和电磁兼容性等进行仿真。主要内容包括覆盖范围计算与比较、干扰计算(包括同址干扰计算)、无线链路性能计算、频率指配、无线电计算、无线电网络规划、高频规划管理、卫星网络协调、地球站协调管理和频谱浏览等。这里重点介绍覆盖计算、干扰分析及频率指配。

2.1 覆盖计算

2.1.1 覆盖范围计算

覆盖范围计算的运算目标包括场强(U/D)、功率通量密度(U/D)、信号强度(U/D)、接收功率(U/D)、传输损耗(D)、余隙(D)和信干比(D)等(U:上行链路,D:下行链路)。覆盖计算模型如表2所示。

表2 覆盖计算模型

覆盖计算时可选上行链路或下行链路计算,用户可自定义移动模型、计算范围、传播模型和分辨率。

2.1.2 雷达覆盖计算

雷达覆盖计算工具可帮助操作员根据目标高度及雷达截面计算远程覆盖。可运算的结果有:①无线电-视线可见度。根据用户定义的目标高度及可见的等效地球半径系数计算,过程与覆盖范围计算中的余隙计算基本一致。计算结果的范围是所选的第一菲陧尔区余隙;②自由空间覆盖。按用户选择的雷达截面,根据自由空间模型记算并显示最大雷达覆盖范围,也可以计算出为满足自由空间模型条件所要求的目标高度;③障碍或无障碍发射衰减。

每一时间内计算一个雷达站,可以改变不同的雷达参数(功率、天线高度和地面高度等)以达到最高雷达覆盖范围。

2.2 干扰分析

2.2.1 普通干扰计算方法

在频谱电磁兼容性分析中,需要考虑的干扰主要有同频干扰、邻频干扰、互调干扰、谐波和杂散干扰。在具体分析时,首先要确定共存条件即允许的干扰标准,然后根据设备参数、站址数据和电波传播条件,选择适当的模型进行计算。

干扰计算时每次选择一个站址,可将该台站作为受干扰站或干扰站来分别进行研究。当考虑某站为受干扰站时,计算工具可以给出受干扰站在各频点的接收频率,总干扰(干扰功率)和总信干比S/I;以及造成干扰的发射源信息,如干扰源频率、信干比和调频概率等。当把某站作为干扰站考虑时,计算工具可以给出所有受干扰站的信息,如受干扰站频率、干扰及信干比。

复杂电磁环境中包含大量台站,用户可定义门限,将很弱的不太可能形成威胁的干扰排除在外。

2.2.2 同址干扰分析

同址干扰计算工具针对带有许多发射机和接收机的台站进行干扰状况的计算,而与之相反,普通干扰计算方法仅计算远区的干扰。同址干扰计算为频率指配和区位天线布局的调整提供了有效的指导。

同址干扰计算输出包括一个可能对节点的接收状况带来干扰的重叠频率的列表。这个列表包括有关每个频率重叠是怎样发生的信息,与哪些发射机有关和用dB表示的余量,该余量表示干扰强度与定义的接收门限的差距。这个列表对如何解决潜在的干扰问题提供了有价值的指导意见,例如可以通过把提供最多干扰的发射机排除在外,或改变频率、加入其它的外部的滤波器和进行新的分析等办法来解决干扰问题。

同址干扰主要考虑的干扰源如下:①交调。多达13阶的奇数阶交调和多达6个同时存在的信号;②镜像频率。根据一个指定的衰减值,接收机镜频得以考虑;③谐波。多达13阶的发射机谐波,每一个谐波衰减拥有一个指定的值;④接收机阻塞。需要详细说明并且考虑最大的接收机输入级别,这样的级别下接收机饱和,接收灵敏度迅速变差;⑤天线覆盖区。很高方向性的天线可能造成很高的干扰信号;⑥邻道干扰。可根据发射机的频谱覆盖范围和接收机的灵敏度来计算相邻频道的干扰。

2.3 频率指配

频率指配从系统角度考虑无线电系统的电磁兼容问题,解决有限地域内的有限频带和频点的最大复用问题。频谱管理仿真系统支持单一频率分配,也可以分配一主多备多组频点。

频谱管理仿真系统使用遗传算法完成频率的自动分配。主要考虑以下几种潜在的冲突判断标准:①最小带宽。用来减小所分配的最高频率和最低频率之间的频率隔离度;②频率资源少。使得所分配的频率总数量尽可能少;③干扰度。减少所分配频率之间的相互干扰;④干扰的优先次序。用来对有优先权的站址分配频率以使得低干扰得以实现;⑤同址干扰。为使得在进行阵列间干扰的分析计算时,能够针对所选择的干扰方式进行频率指配。

结束的标准由遗传所经历的代的最大数量和所允许的干扰分配百分比给出。以上2个标准中,任何一个达到给定值则结束频率指配过程。

以下列方式中的一种来对台站进行分类:①最小最后。拥有最小限值的发射机被放在最后。这个限制计算了阻塞被分析的发射机的频率使用的发射机的数量;②普遍最后最小。限值是根据因发射机的影响而被阻塞的频段的总数来计算的。

分配按下列优先次序来完成:①ST,顺序技术。台站是按照优先权列表中的次序进行分配的;②AF,适用的频段。那些拥有最少的适用频段的台站首先被分配。

频率可能以下面的次序来分配:①最小容忍度,SA。从频带任一边沿指定第一个可接受的频率;②最小的严重侵占,SMHO。将已经分配过的第一个可接受频率指配给大多数的基站。

3 结束语

频谱管理仿真系统通过建立模拟战场复杂电磁环境,构造系统级仿真环境,对系统的抗干扰技术和电磁兼容性等进行仿真,检验其抗干扰能力和电磁兼容能力。通过战场复杂电磁环境频谱管理仿真技术的研究,重点解决战场复杂电磁环境模型的构建方法,在此基础上进行覆盖分析、干扰分析和频谱指配等仿真计算,为检验战场复杂电磁环境下系统的抗干扰能力和电磁兼容能力,科学合理地规划和使用有限的频谱资源,确保电子信息系统具有良好的频率兼容性,充分发挥系统的综合作战效能提供了一个验证平台。

[1]王 景,张海山.频谱管理中的多维数据模型[J].无线电通信技术,2005,31(3):1-2.

[2]杨 洁,杨 育.无线电频谱资源管理研究现状分析[J].无线电工程,2008,38(9):51-54.