战场复杂电磁环境视景仿真研究

摘要：使用计算机仿真技术进行战场电磁环境仿真模拟是现代军事科学研究的一个技术热点。利用现有地理信息系统和数字三维虚拟技术，以电波传播模型为基础，从战场电磁环境出发，对存在多种辐射源的战场电磁环境视景仿真系统进行总体设计。给出了开发仿真系统的组织框架和流程要求，并就平台开发中电磁模型建立、电子兵力仿真和场景辐射计算等关键技术的解决方案进行论证。
关键词：战场电磁环境；视景仿真；电波传播；电磁辐射

0 引言
现代高科技战争是高技术条件下立体的、多维的战争，是现代化的武器装备、信息、技术、通信、侦察、网络、高级决策能力之间的较量。在此条件下，人们使用了种类繁多，参数多变的电子辐射武器，导致了战场空间的电磁环境空前复杂、密集、交迭。面对如此复杂的战场电磁环境，进行相关的数字建模和仿真，对分析战场电磁环境和加快电子战系统的研制进程，以及对电子战性能做出有效评估具有十分重要的意义。
目前战场仿真研究的热点是利用虚拟现实技术，适应多武器平台攻防对抗作战的仿真要求进行高逼真度的视景仿真，把未来数字化战场环境贴近真实地模拟再现。战场电磁环境视景仿真是指运用计算机仿真、可视化计算、多媒体、图形图像等技术，实现复杂电磁环境条件下战场的逼真呈现，并为作战模拟、分布交互仿真等提供虚拟的战场环境。战场电磁环境视景仿真就是以电磁辐射仿真为核心，为作战仿真系统提供环境支撑的应用系统。

1 系统总体设计
战场电磁环境视景仿真系统的主要功能是，通过战场电磁环境仿真系统，生成虚拟战场电磁环境，并在此基础上开展仿真实验，使其作为武器系统效能评估、电子战演练等军事仿真的参考依据。根据战场中射频电子武器装备的布局态势，综合分析和预测不同工作频率的各辐射源在战场空间某点的频率和场强，用于生成电子侦察和电子干扰仿真计算所需的作战想定和虚拟战场电磁环境。系统采用视景仿真形式，形象直观地显示辐射源的布局设置，获得虚拟战场复杂电磁环境的综合电子沙盘。战场电磁环境视景仿真具备电子战驱动能力，可以从电磁辐射角度对仿真结果进行分析和推演，提供一定方案的电子战驱动能力。同时，系统得出的相关数据，可提供策略方案判断，如：通信网络规划、雷达与干扰威力估算、测向估计、辐射源与测向台布置辅助、航路规划辅助等实际应用功能。
战场电磁环境视景仿真是多系统、多学科、多层次的交叉应用体系。仿真系统总体设计主要由4个模块组成，分别是虚拟场景仿真、电磁模型建立、电子兵力生成和综合计算与分析。战场电磁环境视景仿真系统的组成框架如图1所示。

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2 系统主要模块
2．1 虚拟场景仿真
虚拟场景仿真是战场电磁环境视景仿真系统的场景构成驱动和显示展现引擎，根据战场地理环境和辐射源的分布情况，以二维／三维的形式、生动形象地描述虚拟战场电磁环境，进行战场电磁环境的可视化。它是系统实现战场数字化虚拟的平台，是仿真系统的框架基础。虚拟场景仿真提供数字地图的加载、场景的渲染与显示、多维度虚拟空间的体系建立、电子兵力布置与电磁模型应用的空间容器等功能。
进行虚拟场景仿真，可以采用现有的视景仿真平台、场景渲染驱动、三维建模软件等成熟技术，并在此基础上进行系统开发。利用现有日趋完善的GIS(数字地理信息系统)技术，可以直接加载实际地图数据，使仿真更贴近实战条件。三维图形引擎可以完整解决虚拟战场的场景渲染和驱动，诸如PHIGS，OpenGl Performer，Java3D，OpenSG，Vege Prime和OSG等。电子兵力三维建模时，可以使用常用的软件，如3D Studio Max和MultiGen Creator等。上述技术应用广泛，解决方案众多，可以使开发的系统平台较轻松地接轨国际水平。
2．2 建立电磁模型
建立电磁模型是战场电磁环境视景仿真系统中计算与分析的解决方案。它提供给仿真软件与电磁传播相关的运算法则、计算方案和分析方法。建立电磁模型主要是建立电波传播模型和场景电磁属性模型。
在仿真中，要以电波传播物理特征属性为基础，建立电波传播模型，这是战场电磁环境仿真的重点。同时，如何使建立的电磁数字模型在虚拟的环境中合理高效的运行是仿真的难点。既要考虑电波传播的方式不同，如直射、绕射、多径反射；又要对电磁波的传播途径、自由空间损耗、多径反射计算、降雨衰减和天线极化衰减等问题进行分析建模；还需结合仿真中其他因素的物理电磁属性，如考虑数字地图中地形地貌的电波反射系数、气象影响因素等。
2．3 生成电子兵力
生成电子兵力是战场电磁环境视景仿真系统的虚拟成员生成驱动和数字描述方案，主要是对电子兵力的三维模型建立和进行属性描述与数字装订，其提供辐射源对象的电磁属性数字描述和三维显示模型。
如何在虚拟的数字地图中定义各种辐射源，是建立逼近真实的电子战仿真的重要工作之一。电子兵力是战场电磁环境仿真中的参与成员，如何在虚拟战场中定义这些角色，是电子兵力生成的主要任务。电子兵力的生成要根据实际战场中的电子辐射武器来进行分析考虑，除了对主要电磁属性，如发射功率、天线增益、工作频率、信号体制、天线方向图、天线极化方式等进行说明外，还需要对辐射源工作时间、天线俯仰角、电子设备的损耗等相关电波辐射参数进行考查。然后，对这些属性描述进行电子兵力数字装订。
2．4 综合计算分析
综合计算分析是战场电磁环境分析与综合视景仿真软件的人机交互管理和各个模块调用的融合与联接，其提供给仿真软件整体运行的驱动力，是仿真系统运行的“导演”。综合计算分析主要是进行项目的运行与管理、关联调用其他模块、电磁传播的计算与分析、结果报告的生成与显示。

3 仿真关键技术
3．1 电磁模型建立
电磁波在空间传播，由于不同的传播空间环境、不同的电波特性，具有不同的传播模式。战场中最简单的电磁环境模型是一个辐射源发射电波，在空间中某一场点接收辐射，考查此场点的场强，可以用来描述辐射源在此场点的辐射情况。所有纷乱复杂的战场电磁环境都是基于该简单模型叠加而成的。较为准确地计算辐射情况需要的参量很多，比如需要辐射源和接收源的地理位置信息，即要知道它们的空间关系，还要求得在空间中是否有多径反射点、雨雾干扰等因素，如果需要求得接收端的接收功率，还需要接收设备的电参量等与电波辐射相关的信息。计算方案公式如下所述。计算辐射场强E：

式中：E为辐射场强(单位为dBμV／m)；P为发射功率(单位为dBm)；d为距离(单位为km)。电波的反射系数R为反射波场强与入射波场强的比值(是一个复数)，表示为：

对于水平极化和垂直极化的反射系数Rh和Rv分别由如下公式计算：
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式中：εc是反射媒介的等效复介电常数，它与反射媒介的相对介电常数ετ、电导率σ和工作波长λ有关：

在空间考查场点反射波与直射波干涉叠加，场强为：

综合考虑电波传播中的影响因素后，接收端的接收功率为：

由已知辐射源的辐射参数，计算空间中某一场点的电波辐射方法，如表1所示。

3．2 电子兵力仿真
仿真的核心是建立战场中种类繁多的电子武器模型。电子武器的仿真，就是要把这些电子装备以虚拟的、数字的形式描述出来。电子兵力的建模主要分为两部分：一是从电磁辐射角度对这些电子兵力建模，即建立和辐射参量相关的数字描述模型；二是从虚拟视景角度对电子兵力建模，即建立电子兵力的三维模型。[p]
电子兵力属性数字描述，就是从电磁辐射角度对这些电子兵力进行建模。即在仿真中，可以建立某一辐射源并设置其属性。建模时需要从战场主要辐射源的信号形式、工作方式、时域、空域和参数域等方面综合考虑。为了进行仿真，需要对虚拟战场中各类电子兵力进行属性的描述。以战场中的雷达设备为例，进行数字描述的主要参数如表2所示。其属性设置设计样图如图2所示。

3．3 场景辐射计算
在战场电磁环境分析中，计算某一空间位置的辐射情况是十分必要的。
要计算辐射的综合情况，最重要的是计算波束与数字地形相交时的遮挡和多径反射等问题。那么在仿真软件中，结合辐射源空间分布和虚拟场景的布置，进行相关电波传播中的碰撞分析来计算多路径射路径，是建立系统的关键。为了计算空间某一考查场点的辐射情况，在仿真时要加载实际地形数据，设计时使用的计算方案如图3所示。

4 结语
以服务未来高科技战争为研究目的，从电磁领域角度，考虑未来战争的战场环境，研究了利用现有成熟技术如何去开发战场复杂电磁环境视景仿真系统。对当前军事仿真中，为提高模拟仿真逼真度而增加“复杂战场电磁环境”条件，提出了一套可行的实施规划。仿真系统可以针对重点地区可能存在的各种辐射源目标，根据典型作战想定，模拟射频电子武器装备将会面临的战场电磁环境，并提供综合分析支持。