天波干擾態(tài)勢預(yù)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬 輝，韓 慧，任婧媛，李 密

(1.電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471003；2.河南省電力公司洛陽供電公司，河南 洛陽 471000)

·工程應(yīng)用·

天波干擾態(tài)勢預(yù)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬 輝1，韓 慧1，任婧媛2，李 密2

(1.電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471003；2.河南省電力公司洛陽供電公司，河南 洛陽 471000)

對短波干擾的電磁態(tài)勢進(jìn)行實(shí)時(shí)的預(yù)測，可以更好地配置干擾資源，掌控干擾效果。分析了天波干擾態(tài)勢預(yù)測的現(xiàn)實(shí)需求，給出了天波態(tài)勢預(yù)測方法步驟，并提出預(yù)測軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)。

天波；干擾態(tài)勢；預(yù)測

0 引言

天波干擾以遠(yuǎn)距離的方式依靠電離層反射對前方戰(zhàn)場進(jìn)行電磁支援，電波的入射角和電離層的高度決定了干擾信號的落區(qū)和場強(qiáng)分布，但由于電離層是不均勻、時(shí)變的媒介，導(dǎo)致同一參數(shù)的信號在不同時(shí)間、地域條件下的反射路徑是不同的，屬于隨機(jī)變參信道[1-2]，給干擾資源配置和干擾效果評估帶來了很多未知因素，對天波干擾的電磁態(tài)勢進(jìn)行實(shí)時(shí)的預(yù)測與評估，可以更好地掌控對抗態(tài)勢。

本文針對天波對抗態(tài)勢設(shè)計(jì)和干擾效果評估的現(xiàn)實(shí)需求，開展天波干擾態(tài)勢預(yù)測系統(tǒng)需求分析與設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可以根據(jù)電離層測量數(shù)據(jù)反演電離層特征參數(shù)，重構(gòu)電離層環(huán)境，結(jié)合裝備屬性預(yù)測指定鏈路上的天波信號落區(qū)與功率，為對抗態(tài)勢籌劃設(shè)計(jì)和干擾效果評估提供支撐。

1 應(yīng)用需求

天波對抗態(tài)勢籌劃設(shè)計(jì)中，在確定對抗裝備部署位置后，需要依據(jù)電離層參考模型(大尺度、數(shù)據(jù)積累統(tǒng)計(jì)結(jié)果)推算出每個(gè)時(shí)段、各個(gè)頻率的干擾落區(qū)，確定對抗目標(biāo)布設(shè)區(qū)域。例如某日10時(shí)裝備附近地區(qū)電子密度隨高度變化情況大致如圖1所示。

圖1 電離層電子密度隨高度變化情況

如圖2所示,可以通過電子密度對應(yīng)的電離層高度關(guān)系查找獲得各個(gè)頻率的反射高度，通過簡單三角函數(shù)計(jì)算得到干擾落區(qū)，如表1所示。

圖2 各頻點(diǎn)反射高度圖

頻率/MHz電子密度(105個(gè)/cm3)反射高度/km干擾落區(qū)距離/km74.5520223385.9421524897.52227262109.282552941111.22633031213.42873311315.7312360

由此，在對抗態(tài)勢設(shè)計(jì)中可將對抗目標(biāo)設(shè)置在距離干擾機(jī)200～300km處，工作頻段7～10MHz，上午10時(shí)左右干擾效果會比較好。在實(shí)施過程中，需要根據(jù)電離層短期預(yù)報(bào)或?qū)崟r(shí)測量數(shù)據(jù)，針對性調(diào)整用頻方案，規(guī)避影響，并根據(jù)場強(qiáng)預(yù)測結(jié)果評估干擾效能。

結(jié)合應(yīng)用需求分析，天波態(tài)勢預(yù)測輔助分析工具應(yīng)具備以下3種計(jì)算模式：

1)天波通信優(yōu)質(zhì)頻段預(yù)測模式。

根據(jù)發(fā)射臺和接收臺位置，給出通信專向最佳可用頻段。

2)干擾機(jī)位置確定情況下干擾態(tài)勢預(yù)測模式。

根據(jù)已知干擾機(jī)位置，確定電波落區(qū)，預(yù)測場強(qiáng)。

3)干擾壓制區(qū)域和方位確定情況下干擾態(tài)勢預(yù)測模式。

根據(jù)已知對抗目標(biāo)位置，確定干擾機(jī)最佳布設(shè)點(diǎn)位。

干擾態(tài)勢預(yù)測模式，輸入?yún)?shù)項(xiàng)應(yīng)包括干擾機(jī)參數(shù)、天線類型、干擾時(shí)間、干擾機(jī)位置、目標(biāo)點(diǎn)位置、干擾機(jī)與目標(biāo)點(diǎn)距離、干擾機(jī)與目標(biāo)點(diǎn)方位。

態(tài)勢預(yù)測結(jié)果可包括：目標(biāo)點(diǎn)干擾場強(qiáng)、干擾場強(qiáng)隨距離分布、干擾落區(qū)覆蓋。

2 傳播預(yù)測方法

進(jìn)行頻率預(yù)測和場強(qiáng)覆蓋計(jì)算時(shí)，首先需要確定電波傳播路徑的大圓距離、方位角、輻射仰角、電離層反射區(qū)的位置、反射區(qū)的太陽天頂角等幾何參數(shù)[3-4]，計(jì)算步驟如下:

1)求路徑參數(shù)。

確定發(fā)信點(diǎn)A和收信點(diǎn)B的經(jīng)度和緯度，計(jì)算距AB相等距離的中點(diǎn)C(反射點(diǎn))。

2)求MUF。

①求F層MUF。

根據(jù)所需月份，反射點(diǎn)C的緯度，預(yù)測太陽黑子數(shù)，計(jì)算相應(yīng)的最高可用頻率。

②求E層MUF。

根據(jù)C點(diǎn)對應(yīng)的太陽天頂角與預(yù)測太陽黑子數(shù)，求出E層該跳距上的MUF。

③工作頻率的選擇。

就一個(gè)月的平均值來說，上面求出的MUF就是工作頻率的上限。對一個(gè)月的任一天中某小時(shí)來說的可靠概率為50%，也就是說在該月該時(shí)如以MUF作為工作頻率，則有一半的天數(shù)到達(dá)不了收信點(diǎn)。因此為了不致使電波穿透電離層，需要用低于MUF的頻率作為工作頻率。

④判斷F2層模式是否被E層截止。

計(jì)算損耗或接收場強(qiáng)時(shí)，首先要考慮電波由發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)可能經(jīng)過的路徑，即所謂傳播摸式，這里規(guī)定F2層和E層最大一跳的距離分別為4000km及2000km。

⑤求自由空間衰減。

根據(jù)跳距和仰角，求出兩跳模式或多于兩跳的模式總電路長度，求出自由空間衰減。

⑥求電離層吸收損耗。

若為多跳模式，則根據(jù)每跳各自有關(guān)的參量按上述步驟分別求各跳的吸收損耗，然后相加。

⑦求地面反射損耗。

兩跳以上的傳播模式求地面反射損耗時(shí)，根據(jù)前面求得的仰角和工作頻率,計(jì)算地面反射損耗。若電波落地兩次，則將兩次求得的分貝數(shù)相加，計(jì)算更多跳數(shù)時(shí)類推。

⑧求接收場強(qiáng)。

3 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 軟件功能體系

軟件覆蓋預(yù)測和頻率預(yù)測功能體系設(shè)計(jì)如圖3、圖4所示。

實(shí)施短波通信干擾時(shí)，干擾機(jī)干擾陣位選擇重點(diǎn)考慮的戰(zhàn)術(shù)參數(shù)，軟件功能描述見表2、表3。

圖3 覆蓋預(yù)測功能體系

圖4 頻率預(yù)測功能體系

功能項(xiàng)功能描述預(yù)測場景人工輸入發(fā)射端:發(fā)射源位置、發(fā)射功率、發(fā)射頻率、天線類型、天線指向,發(fā)射仰角目標(biāo)端:目標(biāo)位置、天線類型、天線指向、天線仰角,接收靈敏度預(yù)測參數(shù):日期時(shí)間、太陽黑子數(shù)歷史預(yù)測場景導(dǎo)入可將已生成的預(yù)測場景再次導(dǎo)入軟件預(yù)測場景編輯對人工輸入或者導(dǎo)入的歷史預(yù)測場景中的發(fā)射端、目標(biāo)端和預(yù)測參數(shù)進(jìn)行修改預(yù)測場景導(dǎo)出將預(yù)測場景數(shù)據(jù)、預(yù)測計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)導(dǎo)出覆蓋預(yù)測計(jì)算根據(jù)輸入的場景信息進(jìn)行預(yù)測計(jì)算,產(chǎn)生計(jì)算結(jié)果功率預(yù)測數(shù)據(jù)預(yù)測結(jié)果標(biāo)繪將預(yù)測數(shù)據(jù)以圖形化的方式標(biāo)繪在地理信息系統(tǒng)的底圖上,標(biāo)繪采用彩色等值面標(biāo)繪的形式,在軟件同屏界面下顯示標(biāo)繪圖例

表3 頻率預(yù)測功能描述

3.2 軟件體系結(jié)構(gòu)

態(tài)勢預(yù)測系統(tǒng)總體上分為平臺層、計(jì)算層、業(yè)務(wù)層和界面層，其軟件體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 軟件體系結(jié)構(gòu)

軟件平臺層是軟件運(yùn)行的基礎(chǔ)支撐環(huán)境，包括操作系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)和軍標(biāo)庫三個(gè)部分。操作系統(tǒng)為軟件提供運(yùn)行環(huán)境，地理信息系統(tǒng)提供地圖底圖和相關(guān)訪問接口，軍標(biāo)庫提供符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的軍標(biāo)標(biāo)繪圖形和接口。

計(jì)算層是軟件功能實(shí)現(xiàn)的底層核心層，含算法和數(shù)據(jù)兩類內(nèi)容。算法包括短波鏈路衰減預(yù)測、短波鏈路頻率預(yù)測和地學(xué)計(jì)算，其中短波鏈路衰減預(yù)測和短波鏈路頻率預(yù)測采用ITU-RP.533和亞大方法混合模型進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，地學(xué)計(jì)算包括大圓距離計(jì)算、方位角計(jì)算等功能。

業(yè)務(wù)層是軟件的功能核心層，含算法和數(shù)據(jù)兩類內(nèi)容。數(shù)據(jù)為覆蓋預(yù)測、頻率預(yù)測、布站預(yù)測三個(gè)業(yè)務(wù)場景數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)內(nèi)容包含計(jì)算輸入?yún)?shù)和計(jì)算結(jié)果參數(shù)兩部分內(nèi)容，其中計(jì)算輸入?yún)?shù)由界面層中的場景管理部分產(chǎn)生，計(jì)算結(jié)果參數(shù)通過調(diào)用相應(yīng)的預(yù)測算法產(chǎn)生。

4 結(jié)束語

天波對抗中干擾陣位選擇是必須重點(diǎn)考慮的戰(zhàn)術(shù)參數(shù)，以往有效壓制距離的確定常?？拷?jīng)驗(yàn)估算、查圖表或通過經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出大致的范圍，未能在理論上深入探討，從而影響干擾效能的發(fā)揮。本文在分析天波干擾態(tài)勢預(yù)測應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了天波干擾態(tài)勢預(yù)測系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，給出了預(yù)測實(shí)現(xiàn)方法，系統(tǒng)能夠根據(jù)電離層測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反演電離層特征參數(shù)，重構(gòu)電離層環(huán)境，對指定接收區(qū)域的干擾信號落區(qū)和功率進(jìn)行快速預(yù)測，為確定布站態(tài)勢、合理配置干擾資源和分析評估干擾效果提供有力支撐?！?/p>

[1] 胡中豫.現(xiàn)代短波通信[M].1版.北京:國防工業(yè)出版社，2004.

[2] 沈琪琪,朱德生.短波通信[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1989.

[3] 羅佳,張文明,王雪松.通信對抗中短波天波傳輸損耗的仿真建模[J].計(jì)算機(jī)仿真，2007，24(8)：28-31.

[4] 熊皓，等.無線電波傳播[M]. 1版.北京:電子工業(yè)出版社，2000.

Design and implementation of sky wave jamming situation prediction system

Ma Hui1, Han Hui1, Ren Jingyuan2, Li Mi2

(1.State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environment Effects on Electronics and Information System, Luoyang 471003, Henan, China;2.Luoyang Power Supply Company of Henan Electric Power Company, Luoyang 471000, Henan, China)

The real-time prediction of the electromagnetic situation of short wave interference can configure interference resources better and control interference effects. The actual demand of the sky wave jamming situation is analyzed, the methods and steps of the sky wave situation prediction are given, and the design of the prediction software architecture is proposed.

sky wave; jamming situation; prediction

2017-06-18；2017-07-26修回。

馬輝(1977-)，男，高工，主要從事電子對抗試驗(yàn)工作。

E271.903

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