0 引言
現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭是高技術(shù)條件下立體的、多維的戰(zhàn)爭，是現(xiàn)代化的武器裝備、信息、技術(shù)、通信、偵察、網(wǎng)絡(luò)、高級決策能力之間的較量。在此條件下，人們使用了種類繁多，參數(shù)多變的電子輻射武器，導(dǎo)致了戰(zhàn)場空間的電磁環(huán)境空前復(fù)雜、密集、交迭。面對如此復(fù)雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境，進(jìn)行相關(guān)的數(shù)字建模和仿真，對分析戰(zhàn)場電磁環(huán)境和加快電子戰(zhàn)系統(tǒng)的研制進(jìn)程，以及對電子戰(zhàn)性能做出有效評估具有十分重要的意義。
目前戰(zhàn)場仿真研究的熱點是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，適應(yīng)多武器平臺攻防對抗作戰(zhàn)的仿真要求進(jìn)行高逼真度的視景仿真，把未來數(shù)字化戰(zhàn)場環(huán)境貼近真實地模擬再現(xiàn)。戰(zhàn)場電磁環(huán)境視景仿真是指運(yùn)用計算機(jī)仿真、可視化計算、多媒體、圖形圖像等技術(shù)，實現(xiàn)復(fù)雜電磁環(huán)境條件下戰(zhàn)場的逼真呈現(xiàn)，并為作戰(zhàn)模擬、分布交互仿真等提供虛擬的戰(zhàn)場環(huán)境。戰(zhàn)場電磁環(huán)境視景仿真就是以電磁輻射仿真為核心，為作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)提供環(huán)境支撐的應(yīng)用系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
戰(zhàn)場電磁環(huán)境視景仿真系統(tǒng)的主要功能是，通過戰(zhàn)場電磁環(huán)境仿真系統(tǒng)，生成虛擬戰(zhàn)場電磁環(huán)境，并在此基礎(chǔ)上開展仿真實驗，使其作為武器系統(tǒng)效能評估、電子戰(zhàn)演練等軍事仿真的參考依據(jù)。根據(jù)戰(zhàn)場中射頻電子武器裝備的布局態(tài)勢，綜合分析和預(yù)測不同工作頻率的各輻射源在戰(zhàn)場空間某點的頻率和場強(qiáng)，用于生成電子偵察和電子干擾仿真計算所需的作戰(zhàn)想定和虛擬戰(zhàn)場電磁環(huán)境。系統(tǒng)采用視景仿真形式，形象直觀地顯示輻射源的布局設(shè)置，獲得虛擬戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境的綜合電子沙盤。戰(zhàn)場電磁環(huán)境視景仿真具備電子戰(zhàn)驅(qū)動能力，可以從電磁輻射角度對仿真結(jié)果進(jìn)行分析和推演，提供一定方案的電子戰(zhàn)驅(qū)動能力。同時，系統(tǒng)得出的相關(guān)數(shù)據(jù)，可提供策略方案判斷，如：通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、雷達(dá)與干擾威力估算、測向估計、輻射源與測向臺布置輔助、航路規(guī)劃輔助等實際應(yīng)用功能。
戰(zhàn)場電磁環(huán)境視景仿真是多系統(tǒng)、多學(xué)科、多層次的交叉應(yīng)用體系。仿真系統(tǒng)總體設(shè)計主要由4個模塊組成，分別是虛擬場景仿真、電磁模型建立、電子兵力生成和綜合計算與分析。戰(zhàn)場電磁環(huán)境視景仿真系統(tǒng)的組成框架如圖1所示。
2 系統(tǒng)主要模塊
2．1 虛擬場景仿真
虛擬場景仿真是戰(zhàn)場電磁環(huán)境視景仿真系統(tǒng)的場景構(gòu)成驅(qū)動和顯示展現(xiàn)引擎，根據(jù)戰(zhàn)場地理環(huán)境和輻射源的分布情況，以二維／三維的形式、生動形象地描述虛擬戰(zhàn)場電磁環(huán)境，進(jìn)行戰(zhàn)場電磁環(huán)境的可視化。它是系統(tǒng)實現(xiàn)戰(zhàn)場數(shù)字化虛擬的平臺，是仿真系統(tǒng)的框架基礎(chǔ)。虛擬場景仿真提供數(shù)字地圖的加載、場景的渲染與顯示、多維度虛擬空間的體系建立、電子兵力布置與電磁模型應(yīng)用的空間容器等功能。
進(jìn)行虛擬場景仿真，可以采用現(xiàn)有的視景仿真平臺、場景渲染驅(qū)動、三維建模軟件等成熟技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。利用現(xiàn)有日趨完善的GIS(數(shù)字地理信息系統(tǒng))技術(shù)，可以直接加載實際地圖數(shù)據(jù)，使仿真更貼近實戰(zhàn)條件。三維圖形引擎可以完整解決虛擬戰(zhàn)場的場景渲染和驅(qū)動，諸如PHIGS，OpenGl Performer，Java3D，OpenSG，Vege Prime和OSG等。電子兵力三維建模時，可以使用常用的軟件，如3D Studio Max和MultiGen Creator等。上述技術(shù)應(yīng)用廣泛，解決方案眾多，可以使開發(fā)的系統(tǒng)平臺較輕松地接軌國際水平。
2．2 建立電磁模型
建立電磁模型是戰(zhàn)場電磁環(huán)境視景仿真系統(tǒng)中計算與分析的解決方案。它提供給仿真軟件與電磁傳播相關(guān)的運(yùn)算法則、計算方案和分析方法。建立電磁模型主要是建立電波傳播模型和場景電磁屬性模型。
在仿真中，要以電波傳播物理特征屬性為基礎(chǔ)，建立電波傳播模型，這是戰(zhàn)場電磁環(huán)境仿真的重點。同時，如何使建立的電磁數(shù)字模型在虛擬的環(huán)境中合理高效的運(yùn)行是仿真的難點。既要考慮電波傳播的方式不同，如直射、繞射、多徑反射；又要對電磁波的傳播途徑、自由空間損耗、多徑反射計算、降雨衰減和天線極化衰減等問題進(jìn)行分析建模；還需結(jié)合仿真中其他因素的物理電磁屬性，如考慮數(shù)字地圖中地形地貌的電波反射系數(shù)、氣象影響因素等。
2．3 生成電子兵力
生成電子兵力是戰(zhàn)場電磁環(huán)境視景仿真系統(tǒng)的虛擬成員生成驅(qū)動和數(shù)字描述方案，主要是對電子兵力的三維模型建立和進(jìn)行屬性描述與數(shù)字裝訂，其提供輻射源對象的電磁屬性數(shù)字描述和三維顯示模型。
如何在虛擬的數(shù)字地圖中定義各種輻射源，是建立逼近真實的電子戰(zhàn)仿真的重要工作之一。電子兵力是戰(zhàn)場電磁環(huán)境仿真中的參與成員，如何在虛擬戰(zhàn)場中定義這些角色，是電子兵力生成的主要任務(wù)。電子兵力的生成要根據(jù)實際戰(zhàn)場中的電子輻射武器來進(jìn)行分析考慮，除了對主要電磁屬性，如發(fā)射功率、天線增益、工作頻率、信號體制、天線方向圖、天線極化方式等進(jìn)行說明外，還需要對輻射源工作時間、天線俯仰角、電子設(shè)備的損耗等相關(guān)電波輻射參數(shù)進(jìn)行考查。然后，對這些屬性描述進(jìn)行電子兵力數(shù)字裝訂。
2．4 綜合計算分析
綜合計算分析是戰(zhàn)場電磁環(huán)境分析與綜合視景仿真軟件的人機(jī)交互管理和各個模塊調(diào)用的融合與聯(lián)接，其提供給仿真軟件整體運(yùn)行的驅(qū)動力，是仿真系統(tǒng)運(yùn)行的“導(dǎo)演”。綜合計算分析主要是進(jìn)行項目的運(yùn)行與管理、關(guān)聯(lián)調(diào)用其他模塊、電磁傳播的計算與分析、結(jié)果報告的生成與顯示。
3 仿真關(guān)鍵技術(shù)
3．1 電磁模型建立
電磁波在空間傳播，由于不同的傳播空間環(huán)境、不同的電波特性，具有不同的傳播模式。戰(zhàn)場中最簡單的電磁環(huán)境模型是一個輻射源發(fā)射電波，在空間中某一場點接收輻射，考查此場點的場強(qiáng)，可以用來描述輻射源在此場點的輻射情況。所有紛亂復(fù)雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境都是基于該簡單模型疊加而成的。較為準(zhǔn)確地計算輻射情況需要的參量很多，比如需要輻射源和接收源的地理位置信息，即要知道它們的空間關(guān)系，還要求得在空間中是否有多徑反射點、雨霧干擾等因素，如果需要求得接收端的接收功率，還需要接收設(shè)備的電參量等與電波輻射相關(guān)的信息。計算方案公式如下所述。計算輻射場強(qiáng)E：
式中：E為輻射場強(qiáng)(單位為dBμV／m)；P為發(fā)射功率(單位為dBm)；d為距離(單位為km)。電波的反射系數(shù)R為反射波場強(qiáng)與入射波場強(qiáng)的比值(是一個復(fù)數(shù))，表示為：
對于水平極化和垂直極化的反射系數(shù)Rh和Rv分別由如下公式計算：
式中：εc是反射媒介的等效復(fù)介電常數(shù)，它與反射媒介的相對介電常數(shù)ετ、電導(dǎo)率σ和工作波長λ有關(guān)：
在空間考查場點反射波與直射波干涉疊加，場強(qiáng)為：
綜合考慮電波傳播中的影響因素后，接收端的接收功率為：
由已知輻射源的輻射參數(shù)，計算空間中某一場點的電波輻射方法，如表1所示。
3．2 電子兵力仿真
仿真的核心是建立戰(zhàn)場中種類繁多的電子武器模型。電子武器的仿真，就是要把這些電子裝備以虛擬的、數(shù)字的形式描述出來。電子兵力的建模主要分為兩部分：一是從電磁輻射角度對這些電子兵力建模，即建立和輻射參量相關(guān)的數(shù)字描述模型；二是從虛擬視景角度對電子兵力建模，即建立電子兵力的三維模型。
電子兵力屬性數(shù)字描述，就是從電磁輻射角度對這些電子兵力進(jìn)行建模。即在仿真中，可以建立某一輻射源并設(shè)置其屬性。建模時需要從戰(zhàn)場主要輻射源的信號形式、工作方式、時域、空域和參數(shù)域等方面綜合考慮。為了進(jìn)行仿真，需要對虛擬戰(zhàn)場中各類電子兵力進(jìn)行屬性的描述。以戰(zhàn)場中的雷達(dá)設(shè)備為例，進(jìn)行數(shù)字描述的主要參數(shù)如表2所示。其屬性設(shè)置設(shè)計樣圖如圖2所示。
3．3 場景輻射計算
在戰(zhàn)場電磁環(huán)境分析中，計算某一空間位置的輻射情況是十分必要的。
要計算輻射的綜合情況，最重要的是計算波束與數(shù)字地形相交時的遮擋和多徑反射等問題。那么在仿真軟件中，結(jié)合輻射源空間分布和虛擬場景的布置，進(jìn)行相關(guān)電波傳播中的碰撞分析來計算多路徑射路徑，是建立系統(tǒng)的關(guān)鍵。為了計算空間某一考查場點的輻射情況，在仿真時要加載實際地形數(shù)據(jù)，設(shè)計時使用的計算方案如圖3所示。
4 結(jié)語
以服務(wù)未來高科技戰(zhàn)爭為研究目的，從電磁領(lǐng)域角度，考慮未來戰(zhàn)爭的戰(zhàn)場環(huán)境，研究了利用現(xiàn)有成熟技術(shù)如何去開發(fā)戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境視景仿真系統(tǒng)。對當(dāng)前軍事仿真中，為提高模擬仿真逼真度而增加“復(fù)雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境”條件，提出了一套可行的實施規(guī)劃。仿真系統(tǒng)可以針對重點地區(qū)可能存在的各種輻射源目標(biāo)，根據(jù)典型作戰(zhàn)想定，模擬射頻電子武器裝備將會面臨的戰(zhàn)場電磁環(huán)境，并提供綜合分析支持。