电磁环境仿真

战术训练通信电磁环境仿真研究

摘 要

战场电磁环境对信息化条件下作战的影响日益显著，对战场电磁环境进行模拟仿真，为部队平常训练提供一种有效手段已成为军事训练中迫切需要解决的一个课题。本课题旨在重点研究战术训练时如何定量地模拟通信电磁环境，建立电磁环境的计算模型。为此，本文提出一种定量模拟战术训练所需的通信电磁环境的方法，其基本应用模式是把通信电磁环境拆分成波源模型、传播模型、背景噪声模型、地理因素影响模型、天气因素影响模型分别研究，最后合成构成通信电磁环境模型。这种方法是在对战术训练通信电磁环境需求进行充分分析的基础上提出的一种量化式建模方法，具有适应性强、可扩展性强的特点，可用于指导部（分）队战术训练通信电磁环境构建。

本文应用MATLAB仿真工具对通信电磁环境进行仿真验证。本文有效地构造电磁环境仿真模型。经过验证，所构造的电磁环境符合电磁环境特性，并能基本满足战术训练需要。

关键词 战术训练 通信电磁环境 模拟 仿真

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ABSTRACT

The influence on war action which electromagnetic environment in Battlefield imposes is more notable under condition of information, so simulation for

electromagnetic environment in battlefield for which can provide an effective way for troops common training has become a project which need to solve urgently in military training. The project aims to the research how to simulate communication electromagnetic environment quantitatively how to build calculation model of electromagnetic environment, and how to evaluate the construction electromagnetic environment reasonably. Therefore, this paper presents a method which can simulate the communication electromagnetic environment of armor mechanization forces (stacks) for tactical training quantitatively. In the method the basic idea is that divides the communication electromagnetic environment into waves model, propagation model, background noise model, geographical model and weather model firstly, then to research all the models, finally to synthesize the communication electromagnetic environment model from these models. This method is a quantitative way which is put forward on basis of the full demand analysis of communication electromagnetic environment tactical training. It has characteristics of high adaptability and scalability. It can guide the construction of communication electromagnetic environment for forces (stacks) tactical train.

The constructive communication electromagnetic environment is verified in this paper by using MATLAB simulation tools. This paper construct simulation mode of electromagnetic environment effectively. After verification, the constructive

electromagnetic environment has the electromagnetic environment characteristics, and it can meet the needs of armor mechanization (points) team tactical train.

Keywords Tactical train; Communication electromagnetic environment; Simulation; Emulate

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第1章 绪 论

1.1 选题背景及意义

随着信息技术的飞速发展，信息战正日益引起各国军队的关注和重视，未来的战场必将是一个信息化的战场。在信息化战场中，电子对抗装备及技术广泛运用，战场电磁环境呈现出显著的对抗性和复杂性。复杂的战场电磁环境是信息化战场的特征，也是信息化战争的舞台，更是信息化战争的武器。进行战场复杂电磁环境下的对抗训练，已逐步成为军事训练的必要内容。

未来战争中，制胜的关键由夺取制空权变为夺取制信息权。制信息权的基础就是制电磁权[1]。加强对电磁环境的仿真研究，加强在复杂战场电磁环境下的模拟训练具有至关重要的意义。

目前，对战场电磁环境的仿真研究在方向上以研究雷达电磁环境为主，在方法上主要是应用计算机语言编程实现或是设计硬件电路模拟信号发生器实现。对通信电磁环境的仿真主要是在理论层面上，实现时主要是应用计算机语言编程。这些研究主要是定性的，推广价值不大。对电磁环境进行仿真研究，找到一种定量的模拟仿真方法用于指导部（分）队战术训练通信电磁环境建设具有重大的军事应用价值。

本文提出了一种定量构建通信电磁环境的方法。此方法分析并构建了构成电磁环境各要素的模型，建立了电磁环境模型公式，对部队进行电磁环境建设具有一定指导意义。该算法是将抛物方程应用于通信电磁环境计算的数学方法。此算法对抛物方程做了改进和限定，使其能计算通信信号电磁环境。如果对此算法进行研究改进，可以应用于其他领域，具有一定的学术价值和较大的应用价值。

1.2 国内外研究现状

国外对电磁环境仿真研究比较早，目前主要应用的多为数值方法，数值法有矩阵法、时域有限差分法和基于抛物方程法等。现在已经有很多成熟的商用软件来仿真电磁环境。基于矩阵法的电磁仿真软件有Ansys FEKO、ADS(Advanced Design system)、Microwave Office等，可以很好的解决天线和天线阵的辐射、散射问题、非均匀地球上的传播问题、微带宽和有损耗结构分析问题和人体中的电磁吸收问题等。基于时域有限差分法的电磁仿真软件有XFDTD、XGTD、Wireless InSite等，可以解决手机辐射问题、建筑物结构室内电磁干扰问题和天线问题等。基于射线跟踪法的电磁环境仿真软件有Wireless InSite,可以用来对复杂电磁环境进行仿真预测，可以计算城市建筑物之间既不规则地形上电磁远距离传播时的衰减特性。基于抛物方程方法的仿真软件有AREPS[7]，可以用来预测复杂大气条件下海面上的电波传播特性和不规则地形对电波传播产生的反射、折射和绕射效

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应。美国将此软件应用于海军基地自动化、雷达、电子战和军事通信等领域。这些用来仿真电磁环境的软件是通用的商用软件或外军军用软件，在解决某一领域问题方面具有突出的作用，在解决复杂的综合性电磁环境问题上还需要有所改进。

目前国内进行了相似研究。文献[6][13]给出了对雷达电磁环境仿真的方法，建立了雷达数据库，并在此基础上建立了雷达电磁环境的数学模型，属于电磁环境的功能仿真，实现了战场雷达电磁环境的可视化显示。被仿真的电磁环境定位于高空，建模简单，不考虑地形、大气等因素。文献[7]仿真了飞机机翼下的电磁环境。这些仿真的电磁环境是某一个特定条件下某一个特定物体的电磁环境。大空间战场复杂电磁环境仿真还没有。文献[8]介绍了基于计算机语言的电磁环境仿真软件的设计方法，文献[9]介绍了用分布式仿真技术实现电磁环境仿真的方法。此方法是软硬结合的方法，用软件仿真电磁波的特性参数，如频率、相位等，用硬件来生成电磁波，实质是一种半实物仿真，其结果是在现实空间内而不是在虚拟空间。用计算机仿真的方法实现虚拟空间的电磁环境仿真是个值得研究的课题。

目前对战场电磁环境的仿真多为对雷达电磁环境仿真研究，如国防科技大学的王国玉教授[16]等一些研究人员研究的电磁环境及电子战仿真，都是以雷达信号为主体的，或是以靶场试验为目标的。对通信电磁环境的研究还相对较少。对电磁环境仿真研究主要依据王汝群等编著的《战场电磁环境》一书中阐述的理论。这些研究多为定性的理论研究。如解放军电子工程学院的邵国培教授[13]等人对电磁环境模拟构建进行了定性的分析介绍。对电磁环境的定量分析构建还相对较少。所仿真研究的电磁环境多为某一特定的相对单一的传播环境中的电磁环境，这样的电磁环境建模比较简单，如姚景顺教授等人在文献[14]中提出了一种在海平面上构建电磁环境的方法。对用于陆上复杂地形条件下电磁环境研究较少。杨萃在文献[16]中对通信电磁环境仿真进行了理论研究，这是一种定性分析。刘光辉在文献[17]中对通信电磁环境应用计算机语言进行了仿真，这是一种半实物的仿真，不能满足指导通信电磁环境建设的需求。采用定量研究的方法对通信电磁环境仿真是需要研究的问题。

1.3 论文研究的主要内容及论文结构

本文根据战术通信训练需要，模拟构建了战术通信训练所需电磁环境，使战术训练有接近真实环境的电磁背景。本文对电磁环境仿真研究是定量的，是对通信电磁环境的仿真。采用计算机模拟的方法，模拟真实电磁环境。

本文共分为六部分，结构如下：

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第一章，阐述了课题研究背景、意义及国内外研究现状，对论文的主要工作、组织结构进行简要论述。

第二章，简述后续章节所需的基本理论和基本原理。包括复杂电磁环境特点及组成、应用数学方法对电磁环境建模的方法等内容。

第三章，装甲机械化部（分）队战术通信训练电磁环境分析构建。介绍了装甲机械化部分队战术通信训练的类型特点，所需的电磁环境功能和性能，通信战术训练时电磁环境的特点等。重点是提出电磁环境模型，给出了影响电磁环境的几种重要因素（地理因素、环境因素、波源模型和传播模型）的模型公式。

第四章，实例及验证。给出了一个战术训练的实例，在给定时间、地点、地理条件、天气条件、参战装备种类、数量、战术训练样式等条件下，计算并分析出当时战场电磁环境状况。应用MATLAB软件对战场电磁环境进行仿真。仿真结果与现场实测结果进行对比并进行分析。

第五章，对全文进行总结。阐述本文主要工作、创新点及下步研究工作的方向。

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第2章 战场复杂电磁环境建模与仿真基础

战场复杂电磁环境是对军事行动产生重大影响的典型电磁环境。研究战场复杂电磁环境要明确其定义，复杂度划分、组成特点及对军事行动的影响。对战场复杂电磁环境仿真建模要明确对电磁环境仿真的方法、对电磁环境建模的数学计算方法及对仿真电磁环境进行评估的方法。

2.1 战场复杂电磁环境

2.1.1 战场复杂电磁环境的定义

复杂电磁环境对电子设备的影响主要是表现在电磁环境效应上。在《电子战》一书中将电磁环境效应定义为对军队、设备、系统和平台作战能力所产生的影响。此影响主要表现为电磁干扰、电磁脉冲、电磁辐射以及闪电和沉积静电等自然现象对人员、军械和挥发性材料的危害。战场复杂电磁环境是在战场区域内对作战行动产生重大影响的电磁环境。战场复杂电磁环境主要由人为电磁辐射、自然电磁辐射和辐射传播因素[1]三个要素组成。这三种组成要素直接决定着战场电磁环境的存在及状态。其中人为电磁辐射和自然电磁辐射是战场电磁环境的形成条件，也是控制战场电磁环境状态的内因。人为电磁辐射是战场电磁环境的主体，包括各种电磁应用活动形成的电磁辐射、电子干扰辐射等有意电磁辐射和人类活动产生的无意电磁辐射。有意电磁辐射又是战场电磁环境的核心影响因素。自然电磁辐射源是次要影响因素，包括各种自然天气现象造成的电磁影响。辐射传播因素决定战场电磁环境的存在状态。

2.1.2 战场复杂电磁环境的特点

战场复杂电磁环境的特征可以通过空间状态、时间分布、频谱范围和能力密度四个方面描述。空间状态描述在一个特定空间内有多少种（类）的电磁波信号。时间分布描述在某一时刻各种（类）电磁信号的状态。频谱范围描述战场空间内包含了哪些频率成分的电磁波。能量密度描述战场空间内电磁波信号有多强。战场复杂电磁环境的特点可以概括为信号密集、样式复杂、冲突激烈和动态交迭。战场复杂电磁环境在一定的空域、时域、频域上纵横交叉、连续交错、密集重叠，功率分布参差不齐，对相应的作战活动产生重大影响。

2.2 战场复杂电磁环境仿真构建的常用方法

本文旨在提供一种构建战场复杂电磁环境仿真模型的方法，主要是能通过电

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磁场特性指标反映电磁场面貌。文中对战场复杂电磁环境的仿真是通过构建战场电磁环境的方式实现。由于实物仿真代价昂贵，且对电磁环境仿真不能可视，半实物仿真不能展示场内电磁环境的全部特性，所以本文采用全数字计算机环境仿真构建的方法。采用全数字计算机环境仿真构建的方法既降低成本又能对电磁环境进行有效的可视化的仿真。构建电磁环境时采用信号仿真方式，建立电磁信号的统计模型，描述电磁环境的功能和特性参数。

2.3 求解电磁环境问题常用的方法

求解电磁环境问题的经典方法是求解麦克斯韦方程组。麦克斯韦方程组是电磁学的核心理论，通过求解方程组可以得到电场能大小，磁场能大小以及电场与磁场之间的关系。

本文对电磁环境的模拟，采用计算机软件仿真的方法，主要是建立电磁环境模型，进行信号仿真。建立电磁环境模型的途径是数学运算求解麦克斯韦方程组。针对麦克斯韦方程组三种计算方法的特点，本文选择计算精度高、难度小的数值法作为计算方法。本文建立的战术训练通信电磁环境是一个大区域范围内有边界的电磁场，符合抛物方程的应用条件。在模拟构建通信电磁环境时，抛物方程法相对时域有限差分法计算复杂度更小，针对性更强。因此，本文在后面章节对电磁环境仿真建模就采用抛物线方程法。

2.4 本章小结

战场复杂电磁环境组成和特性是进行模拟仿真的基础。本章首先分析了战场复杂电磁环境的组成、特点和对作战行动的意义，介绍了求解电磁环境问题的计算方法，战场复杂电磁环境模拟仿真的方法，介绍了电磁环境仿真评估的方法。并根据本文所研究课题特点选择模拟仿真方法、计算方法。在后续的章节中，将进一步深入对建模仿真和评估的研究。

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第3章 装甲机械化部（分）队战术训练

通信电磁环境构建分析

战场复杂电磁环境是在某一战场空间内对作战有影响的电磁活动及其现象的总和。它是现代战场环境的重要构成要素之一，具有复杂多变的特点，对信息化条件下的作战训练有深刻的影响。装甲机械化部（分）队战术训练通信电磁环境是战场复杂电磁环境一种具有代表性的表现形式。根据训练、测试、试验及演习等的需要，模拟构建装甲机械化部（分）队战术训练通信电磁环境，使其在外在场景、内在特征及变化规律等方面均符合战场复杂电磁环境真实情况，既可为训练演习提供真实环境，又能为提高复杂电磁环境下的作战能力打好基础。本文提出一种定量研究电磁环境构建的方法。该方法核心内容是应用抛物方程构建电磁环境数学模型。

3.1战术训练通信电磁环境仿真需求分析

3.1.1战术训练通信训练电磁环境特点

战术训练通信电磁环境是战场电磁环境的组成部分，由短波单边带通信系统、超短波调频通信系统、扩频通信系统、微波传输系统、卫星通信系统等通信设备组合配置构成，具有复杂性、动态性、交织性、对抗性、不确定性等特点。

作为一种典型的战场电磁环境，战术训练通信电磁环境还有其特有性质，表现为：

（1）通信方式以无线电通信为主，频谱范围从2MHz~2GHz，但主要工作频段为短波、超短波，且作用距离和范围集中、有限，是战场电磁环境的一个单元或一种形式。

（2）构成信号的调制样式少，信号种类较少，但在有限地域内无线用频设备数量较多、信号密度较高。

3.1.2 功能需求

战术训练通信电磁环境构仿真是根据电磁环境对作战的影响，结合部队训练实际，建立合理仿真模型，建立一定条件下的复杂电磁环境的交互仿真环境，为部队与院校的平时训练提供模拟平台，对参与训练的人员与装备在复杂电磁环境下训练的效果进行科学评估。仿真环境能够对战场复杂电磁环境进行三维可视化显示或二维可视化显示，能够对作战武器装备以及作战指挥的行进状态进行模拟显示，能够根据想定作业系统的计划进行部署设置，分阶段地显示各个作战阶段

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的有关情况。

3.1.3 性能需求

战术训练通信电磁环境应包括通信信号在内的所有无线电信号，有短波信号、超短波信号、甚高频（Ultra High Frequency,简称UHF）信号、微波和卫星信号。包括各种调制方式，如调幅、调频、调相等。包括各种通信对抗方式，如侦察、干扰等。包括各种战术训练样式，如在进行战术通信侦察训练时进行通信信号侦听和通信信号测向定位等；在进行通信干扰训练时进行压制式干扰训练和欺骗式干扰训练等。

3.2战术通信训练电磁环境仿真研究

3.2.1 仿真模型的构建思路

战术训练通信电磁环境仿真模型的构建必然是由形成和影响电磁环境的各个要素的模型按照它们之间相互作用关系组合而成。电磁环境形成的主体是各类无线电用频设备及其电磁波相互间的影响，用波源模型和传播模型来代表，这是电磁环境仿真模型的中心部分。波源模型表示由无线电信号构成的各种电磁波源。传播模型中的计算公式是抛物型方程。在应用抛物方程时要考虑大气及气象因素、地理因素、背景噪声因素等的影响。因为实际电磁环境是实时变化的，所以构建的电磁环境模型只是一个带有统计性质的粗略的数学模型。图3-1为战术训练通信电磁环境仿真模型构建框图。

大气及气象因素模型 地理因素模型 波源模型 （无线电磁波） 传播模型 （抛物型方程） 战术训练通信 电磁环境 背景噪声模型

图3-1 战术训练通信电磁环境构建思路

3.2.2 波源模型分析

电磁波源一般具有非正弦和脉冲特性，非正弦振荡和脉冲信号都可以分解为大量或无穷多个正弦振荡之和。

若电磁波源以一定的角频率随时间呈正弦或余弦（时谐）变化，且产生的电磁场也以同样的角频率随时间呈时谐变化，则称该磁场为时谐电磁场或叫正弦电

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磁场。因为任意时变场在一定条件下都可展开为不同频率时变场的叠加，所以研究时谐电磁场具有重要意义，因此在工程上应用最多的也是时谐电磁场。

本文选取典型信号进行研究，假设模拟构造的电磁环境为时谐电磁场，电磁场的波源可以经过傅立叶变化分解为各种频率的时谐信号。

因为球面波具有球面对称性，所以研究这种电磁波时，只考虑观察点到球心的距离r和时间t。

球面波的波动方程为[46]：

1?2?E1??E1?2E2?(r)??(sin?)???kE?0 2222r?r?rrsin????rrsin???其中，?是俯仰角，?方位角。

因为E与?、?无关，所以波动方程可写为：

1?2?E?(r)?k2E?0 2r?r?r解该方程得特解：

E0j(?t?kr)E?e (3-1)

r其中，?为角频率，代表频率分量；k表示波源个数；r是距离分量。 综上所述，电磁波源可以表示为：kexp[j(?t?nxx?nyy?nzz)]。

?x?? y定义传播矢量n?(nx,ny,nz)，r??????z??则电磁波源可表示为：kexp[j(?t?n?r)] (3-2) 其中?为角频率，k为波源数。

战术训练时，构成通信电磁环境的波源是一个包含不同频段、不同调制样式的波源集合。其中的频率分量在对构造电磁环境公式的傅立叶求解时产生影响，波源个数体现在构造电磁环境公式中，对计算产生影响。

因为战术训练时波源是个集合，所以波源内部会产生干扰衰减情况。通常为同频干扰、邻道干扰、互调干扰和同址干扰[47]。

3.2.3 传播模型分析

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经典的电磁传播理论是惠更斯—菲涅尔原理。惠更斯—菲涅尔原理可应用于处理有反射、折射和绕射等问题的电磁波传播问题。

无线电波传播时可用二阶椭圆抛物方程近似。应用步进迭代算法对二阶椭圆抛物方程进行简化，可得传播方向的一阶导数抛物方程。应用抛物方程要考虑地理及天气的影响。

在直角坐标系中，x轴正向为电波传播方向，z轴为高度。则电磁波传播方程为：

?E2??t2u?k0(n2?1)E?0 (3-3) ?x?2?2??2?2为横向拉普拉斯算子。

?y?z2tk0??c???0?0为真空中的波数。

假设在小范围内，大气折射指数为均匀分布的常数，且n?1。经近似求解可得电磁波传播一阶抛物方程为：

?E?2?jn(1?2?1)E?jn(k?1)E (3-4) ?xn?z其中：E为场强分量；

n?2??为波数；

k??rEr为大气折射指数；

?r??为相对介电常数；

?0Er?EE0为相对电导常数。

解式(3-14)可得：

?2E(x??x,z)?exp[jn?x(1?22?1)]?exp[jn(k?1)?x]E(x,z)

n?z (3-5)

经傅立叶变换继续推导，可得电磁波空间传播模型。

3.2.4 地理因素分析

地理因素是客观存在，不能人为改变的。地形对电磁波产生反射、折射、绕

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射和散射等影响。地理模型为电磁环境构建提供计算参数，实质是解决抛物方程的地表边界的问题。

目前常用于部队的战术通信用波段是短波或超短波。部（分）队进行战术通信，大多属于近距离运动通信。考虑到车载平台的机动性，通信天线一般采用鞭状直立天线，通常就架设在车辆上，架设高度较低，所以通信时，电磁波传播主要是地波传播方式。

在地波传播时，假设传播媒质为自由空间，可得接收机接收功率与发射机发射功率之间的关系如式(3-6)所示。

hhPR?GTGR(T2R)2PT (3-6)

R其中，hT为发射天线高度；hR为接收天线高度；GT为发射机增益；GR接收机增益。

由式(3-6)可看出，天线的增益及天线的高度对接收机接收功率都产生影响，其中天线高度对接收机接收功率的影响大；天线增益与信号频率有关，因此接收

机接收功率与信号频率有关。

3.2.5 大气及气象因素模型分析

本文研究的战术训练通信电磁环境所包含的电磁波主要是地面波传播。地波传播时信号基本不受气象条件、昼夜及季节变化影响，主要取决于地面电参数（磁导率、介电系数和电导率）情况。天气因素（温度、湿度）使地面电参数发生变化，造成信号的吸收衰落。

地面是理想时，地波传播的场强与传播距离成反比；地面不是理想导体时，辐射场强为理想导电地面场强与衰减因子的乘积。衰减因子为地面电参数、信号工作频率和传播距离的函数。

电磁波在大气中损耗主要是吸收和散射。低大气空间对电磁环境的影响主要表现在温度、气压和湿度对地面电参数产生影响而使电磁信号产生吸收衰落上。

大气折射率Ｎ或大气折射指数n在低大气空间中是温度、气压和湿度的函数，根据国际无线电咨询委员会的建议建立的衰减因子模型为[47]：

A?30lgf?20lgd?F(?d)?H0?Aa (3-7)

其中，F(?d)为衰减函数；H0为频率增益因子；Aa为大气吸收衰减常数。

3.2.6 背景噪声模型分析

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本文把构造的电磁环境以外的电磁信号称为背景噪声，主要包括非通信信号的其它军用信号、民用无意电磁辐射和自然电磁辐射等。

民用无意电磁辐射和自然电磁环境与模拟场地所处的地理环境和自然环境有关，是个长期的稳定的状态。可以用平稳随机过程来近似描述。

自回归滑动平均模型(Autoregression and Moving Average，称为ARMA)可以用于建立统计模型，描述广义平稳随机过程。文中的民用无意电磁辐射和自然电磁环境部分的背景噪声是一个广义平稳随机过程，有功率谱密度函数f(t)。本文采用自回归滑动平均模型ARMA(p,q)近似表示此背景噪声。

设{xt,t?0,?1,?2,???}为时间序列，

{?t,t?0,?1,?2,???}为白噪声序列

当?s?t，Exs?t?0，称时间序列

xt??1xt?1??2xt?2??????pxt?p??t??1?t?1??????q?t?q (3-8) 为p阶自回归与q阶滑动平均混合模型，可写成?(B)xi??(B)?i。其中

?(B)?1??1B??2B2??????pBp，?(B)?1??1B??2B2??????qBq。

非通信信号的其他军用信号可归为背景噪声信号，这些信号包括军用有意干扰信号和无意干扰信号。进行战术训练时，常采用一个与训练同频信号作为干扰信号。干扰信号会造成对有用信号的同频干扰使信号产生能量衰落。

3.2.7 构造的通信电磁环境模型

根据实测可知，在战术训练场中通信电磁环境近似满足二次曲线方程。具有时谐特性或非时谐特性的无线电磁波源集在经过训练场内不同地形传播后，在天气、边界条件及背景噪声等因素的影响下在训练场内形成的电磁环境仍然满足二次曲线方程。在以上章节分别分析了电磁环境的波源、传播及传播损耗、地理对传播损耗的影响、大气对传播损耗的影响以及背景噪声模型。综合考虑上述因素，得出符合二次曲线的构造通信电磁环境模型，如式(3-9)所示：

?3ujn(D?B)?2u?2uC?u?u?uC?AB?[2?2]?n2[?(k2?1)][??]?jn3[()?(1?)(k2?1)]u?0 ?z?x?yD?z?y?z?xD?x?y?zDD(3-9)

其中，A、B、C、D来自于公式Q?A?BZ，是应用不同的近似方法对QC?DZ进行近似计算时所取参量，是反映地理因素影响的量。k为真空中的波数，与电磁波源有关；n为折射率，随距离和高度变化，受天气和气象影响。

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构造的电磁环境模型公式实质符合抛物方程，满足实际的边界条件和中间传播区域要求。此公式表示电磁环境中某点的电场强度与波源空间距离、高度等约束条件之间的函数关系。可对该方程采用傅立叶分步求解法求解。对方程求解时，首先要选用近似方式求解Q。对应用抛物方程求解电磁环境问题时通常采用宽角近似[49]的方式。根据通信电磁环境特点及战术训练时天线及信号特点，本文在对

Q进行近似时也采用宽角近似的方法。

3.3 本章小结

本章分析了装甲机械化部（分）队战术训练通信电磁环境的组成特点，功能和性能特点，提出了建立通信电磁环境的一种定量的方法。这种方法应用抛物方程描述电磁传播特性，同时还分析波源、地理、大气等因素对电磁环境模拟的影响。

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第4章 复杂战术训练通信电磁环境建模及仿真实例

本章将通过一个实例，给出战术训练时通信电磁环境的建模演算推导步骤。应用MATLAB中的SIMULINK工具库中的信号仿真工具对模型进行仿真，得到仿真结果，判断构造的电磁环境是否符合电磁环境特性并达到预设要求。

在战场环境中，对作战行动产生影响的电磁场主要是指在装备以外的空间里分布的部分。战术训练通信电磁环境主要是由各种通信装备发射的信号构成的，并且受各种因素影响。其组成示意图如图4-1所示。

军用有意、无意干扰 电磁环境 信号 民用有意、无意干扰 信源 信号变换 发射 自然辐射 信号 地理及天气影响 信宿 信号变换 接收

图4-1 电磁环境组成状态图

由图可看出，构成电磁环境的电磁场主要存在于装备收发天线之间。假设构成通信电磁环境的电磁波沿X轴传播，其能量散布图如图4-2所示。

Z 传播方向 0 X

图4-2 电磁波沿X轴传播时的能量分布图

仿真在训练区域内，设置电磁信号的信源发射电磁波，根据训练场中的地理特点、天气特点，应用公式计算得出训练场区域内的电磁场特性，即是所求电磁

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环境。对电磁环境的表现是通过某接收机在电磁场中的表现反映的。在电磁环境中的某点设置接收机，观察接收机收到信号情况，判断电磁环境的特性。

由波源发出无线电磁波信号，在某区域形成电磁场，计算电磁场大小可得电磁环境分布情况。应用抛物型方程计算得出电磁场传播方程。把各种二维战场电磁环境数据生成三维电磁数据，完成电磁环境构建。计算及构建示意图如图4-3所示。

图4-3生成三维电磁环境示意图

部队在从集结地域开进时开始启用无线电指挥通信。如果按照实装实地规模组织战术作业，所需训练场地将是一个面宽3000米，纵深达8000米的广阔地域，通常只有军区级的战术训练场可满足此标准。部队战术训练通常采用首长机关在缩小地形上的实车战术作业方式来进行，即首长机关按战时指挥的要求编组指挥机构，下带1－2级指挥机构（分队指挥员）在缩小场地或具有战术情况显示功能小型预习场上展开各要素，根据情况诱导，处置战术情况，实施指挥的战术训练。训练要求指挥要素要合理、齐全，指挥员要全部使用电台或作战指挥控制系统。

假定试验场地在东南沿海的某个地域，起始位置为(E117046',N25038')。试验区域大小设置为: 10km?10km?15km。地形为有轻度起伏的丘陵地。设定试验时温度为T?293.24K,电解质参数为??0.09Sm?1。

电磁场是三维的。根据战术训练时天线高度要求，选择高度为3米的平面作为计算平面，即此时Z?3。在战术训练通信电磁环境中假设的平面上的设置信号接收机，平面坐标为(4,3)，空间坐标为(4,3,3)。

电磁环境构造方程为：

?3ujn(D?B)?2u?2uC?u?u?uC?AB?[2?2]?n2[?(k2?1)][??]?jn3[()?(1?)(k2?1)]u?0?z?x?yD?z?y?z?xD?x?y?zDD 假设折射率n?1。因为信号是在轻度起伏的丘陵地带传播，对Q采用近似时

21可采用A?1,B?,C?1,D?的近似法进行近似。

34电磁环境构造方程经过一步简化为：

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?3u5?2u?2u5?u?u?u5?j[2?2]?[k2?][??]?j(k2?1)u?0 (4-1)

?z?x?y3?z?y?z?x4?x?y?z3在设置的装甲机械化部（分）队战术训练试验中，k?13，z?3，可对式(5-1)做出化简并近似得：

169(?u?u?)?j280u?0 (4-2) ?x?y用j?乘式(5-2)两端，可得：

j?169(?u?u?)?280?u?0 (4-3) ?x?y????j?yu(x,y)]??ux(y,e)dy?U(x,?)?F[???用傅立叶变换对?对式(4-3)进行??1?u(x,y)?F?1[U(x,y)]?Ux(?,e)j?yd???2????傅立叶变换。

?(F(u))??uF()???x??x则将?代入式(4-3)可得：

?u?F()?j?F(u)???y[280?169?]U(x,?)?j169?U(x,?)?0 (4-4) ?x式(5-4)为一个常微分方程，求解可得：

U(x,?)?e?j169x121U(0,?) (4-5)

由式(4-5)可以看出，平面电磁场中某点的场强与初始场强U(0,?)、信号角

1(?)2ln2?22?jz0k频率?和点的横坐标x有关。由公式(3-16)U(0,z0)?M?F?1[e]根据

12?f2??4?10747??2?f?2??4?10本例取z0?3，k?，，，则： M????2c03?108151?1?U(0,3)?F(e2ln2152()?j3232?108152)ln2??j31?(16?)， U(0,?)?e

2对于电磁环境中x?4千米的点，则：

16

U(4,?)?1e2?j169?4?103121e?(152)ln2??j316? (4-6)

将??2?f?2??4?107代入式(4-6)并化简得：

U(4,2??107)?15e?j

经过上述计算可看出，电磁波波源产生波动信号，经过傅立叶变换成为时谐信号。在构造的电磁环境中的某点的信号也为时谐信号。电场强度量为复数。相位为?900，说明电场是垂直极化的，与超短波地波传播特性相符。幅度为15伏，与测定值相符。由此证明通过计算所得电场向量是符合实际要求的电场向量。

用MATLAB仿真通过式(4-1)计算得出的实例所述的战术训练通信电磁环境中各点信号强度，如图4-4所示。其中，横坐标代表电磁场中某点距原点的距离，单位为千米；纵坐标代表该点场强，单位为伏。

图4-4 用MATLAB仿真计算得出的电场情况

由图4-4可以看出，仿真所得值与查表所得经验值相符，可证明公式所得值是符合要求的。

4.2 本章小结

本章针对部（分）队战术训练特点及通信电磁环境特点，设置实例进行计算验证，并通过仿真得到结果，对仿真结果进行了分析。通过试验仿真分析可得模拟电磁环境符合真实电磁环境特性，满足要求。

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第5章 总结与展望

装甲机械化部（分）队战术训练通信电磁环境是一种复杂的战场电磁环境，具有纷繁复杂、动态变化的特点。如何建立通信电磁环境仿真模型是构建部（分）队战术训练通信电磁环境，增强训练的对抗性和真实性的关键步骤。本文对战术训练通信电磁环境定量的模拟仿真研究是一次有益的尝试。通过对电磁环境模拟仿真的定量分析研究和建立仿真评估指标体系，可以为模拟构建通信电磁环境提供计算模型，为部（分）队战术训练构建电磁环境提供依据。

本文主要的创新性工作是首次将相对成熟的电磁环境理论应用于求解具有代表性的通信电磁环境。用二次曲线模型仿真模拟部（分）队战术训练通信电磁环境是一种定量模拟通信电磁环境的新尝试。模拟的电磁环境能符合实际电磁环境特性并能满足训练要求。

本文对通信电磁环境的定量模拟只是初步的，仍有很多不足之处。对电磁环境模拟仿真的算法研究也只限于一种方法，不够全面深入，需要进一步完善。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/g2va.html