OPNET軟件平臺下懸浮式彈載通信干擾機的仿真實現(xiàn)

張 杰

(陸軍炮兵防空兵學(xué)院高過載彈藥制導(dǎo)控制與信息感知實驗室 安徽 合肥 230031)

0 引 言

有源干擾彈是用常規(guī)火炮、火箭炮發(fā)射，以彈藥作為運載工具，將干擾機快速運載到敵目標區(qū)域，完成通信干擾任務(wù)的特種炮彈。其中懸浮式干擾彈的簡要工作流程圖如圖1所示[1]。

圖1 懸浮式干擾彈簡要工作過程

本文通過OPNET軟件平臺[2-3]，研究懸浮式彈載通信干擾機的模型設(shè)計與實現(xiàn)問題，為后續(xù)懸浮式彈載通信干擾機的干擾性能仿真和樣機研制、生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 彈載通信干擾的基本理論

通信發(fā)射機、接收機、干擾機位置關(guān)系示意圖如圖2所示。

圖2 通信發(fā)射機、接收機、干擾機位置關(guān)系示意圖

通常用干擾平均功率與信號平均功率之比來衡量干擾對信號的壓制，稱之為信干比[4]，即：

(1)

假設(shè)不存在濾波損耗和極化損耗，這里Psi和Pji分別是通信接收機輸入的信號功率和干擾功率，其計算公式分別為[5]：

Psi=PtGtqrt·φt(Rt)

(2)

Pji=PjGjqrj(θ)·γjφj(Rj)Brj

(3)

式中:Pt和Gt表示通信發(fā)射機發(fā)射功率和增益;qrt表示通信接收機天線在通信發(fā)射機方向上的增益;Rt表示通信收發(fā)距離;φt(Rt)表示通信線路傳播衰耗，其與Rt和電波傳播條件有關(guān);Pj、Gj分別表示干擾機輸出功率和發(fā)射增益;qrj(θ)表示通信接收機天線在干擾機方向上的增益,一般由于接收機把天線主瓣對準通信發(fā)射機，故在干擾機方向上的天線增益與接收機對通信發(fā)射機和干擾機的張角θ有關(guān);γj表示干擾的極化損失，圓極化時取γj=0.5;Rj表示干擾機到通信接收機的距離;φj(Rj)表示干擾線路傳播衰耗，它與Rj和電波傳播條件有關(guān);Brj表示由干擾信號和通信接收機的頻率對準程度決定的干擾功率進入通信接收機的百分比，與干擾信號的頻率特性、通信接收機的頻率特性等有關(guān)。

當(dāng)通信信號與干擾信號都按自由空間波傳播時，則：

(4)

(5)

(6)

式中：λ為信號波長。

根據(jù)接收機具體的調(diào)制解調(diào)方式，將式 (6)代入誤碼率計算公式，則得到某種干擾條件下的接收機誤碼率。

2 彈載通信干擾機的工作頻段

彈載通信干擾機以干擾敵跳頻電臺為主[6-8]。其低VHF頻段，即30～88 MHz，是地面移動軍事部隊通信使用最頻繁的頻段，而且大多數(shù)戰(zhàn)術(shù)無線電臺都工作在該頻段，如美軍SINCGARS-V、MP-83VHF/FM、CARACAL(PRM4740A)等超短波跳頻電臺[9-11]。因此本文將討論的彈載通信干擾機的工作頻段設(shè)定為3～120 MHz。

3 彈載通信干擾機的干擾種類

懸浮式彈載通信干擾機采用壓制式掃頻干擾[12-13]。彈載通信干擾機主要由噪聲源、鋸齒波產(chǎn)生器、壓控振蕩器和寬帶功率放大器等組成，如圖3所示。

圖3 壓制式掃頻彈載通信干擾機原理框圖

其基本工作原理：鋸齒波產(chǎn)生器輸出一個掃描電壓加到壓控振蕩器上，產(chǎn)生射頻信號使輸出頻率在設(shè)定的攔阻帶寬內(nèi)掃描，形成一個較為均勻的帶寬干擾信號。電壓平均值決定壓控振蕩器的輸出攔阻中心頻率；改變鋸齒波電壓的振幅，可以控制攔阻干擾的頻帶寬度；鋸齒波電壓的掃描速度決定了輸出頻譜的譜線間隔。

噪聲源由一個m序列發(fā)生器構(gòu)成，產(chǎn)生一個白噪聲信號。添加噪聲源的目的是填補鋸齒波輸出頻譜的譜線間隔，兩路干擾信號在壓控振蕩器中合成后，形成一個組合式的具有連續(xù)頻譜的干擾信號。經(jīng)寬帶功率放大器放大后，使干擾信號具有一定的功率后，由天線輻射出去，對敵方通信實施有效的干擾。

4 仿真實現(xiàn)

4.1 OPNET平臺簡介

OPNET是目前應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)仿真開發(fā)和應(yīng)用平臺，它提供了一個比較完整的基本模型庫[14-15]，其主要特點如下：

(1) 提供三層建模機制。如圖4所示，節(jié)點層由各類協(xié)議棧模塊組合構(gòu)成，各模塊間根據(jù)通信報文的處理流程形成上下層的邏輯關(guān)系，并逐層銜接起來；而網(wǎng)絡(luò)層則是由各通信節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)拓撲及通信環(huán)境，如圖5所示。三層模型和實際的通信協(xié)議算法、通信設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相對應(yīng)，能夠反映出某網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性。

圖4 最底層進程模型

圖5 最上層網(wǎng)絡(luò)模型

(2) 模型庫完備齊全，例如路由器、交換機、服務(wù)器、各種通信節(jié)點設(shè)備等。

(3) 基于離散事件驅(qū)動的仿真模擬機制大大提高了仿真效率。

(4) 采用基于包的分析方法和基于統(tǒng)計的數(shù)學(xué)建模方法的混合建模機制，確保仿真結(jié)果的精度和粒度得到有效保證。

(5) 可以對數(shù)據(jù)流量包的到達時間分布、報文長度分布，節(jié)點設(shè)備類型和鏈路類型等進行詳細設(shè)置，用戶可根據(jù)實際情況自行設(shè)計仿真場景，如圖6所示。

圖6 定制不同仿真場景

(6) 具有豐富的仿真結(jié)果收集和分析功能，包括常用的各個網(wǎng)絡(luò)層次的統(tǒng)計結(jié)果，同時能夠?qū)⒔Y(jié)果以圖、表、報告等形式展現(xiàn)出來，如圖7和圖8所示。

圖7 結(jié)果的不同處理方式

圖8 結(jié)果的不同顯示方式

4.2 彈載通信干擾機模型設(shè)計

在OPNET平臺下設(shè)計的懸浮式彈載通信干擾機模型如圖9所示。

圖9 OPNET平臺下的懸浮式彈載通信干擾機模型

圖9中的白色箭頭代表為干擾機模型添加的向量軌跡模型，在其中設(shè)定了干擾機的運動方向、升降速度等參數(shù)。該干擾機工作模式為升空干擾，即邊降落邊干擾。根據(jù)干擾機按特定規(guī)律生成干擾信號以及發(fā)送干擾信號的工作機制，結(jié)合節(jié)點模型-進程模型的分層建模機制，將干擾機模型劃分為兩個子模型進行設(shè)計建模，分別是干擾機節(jié)點模型和干擾機進程模型。

1) 干擾機節(jié)點模型。如圖10所示，該模型將3～120 MHz波段分成兩部分，即3～30 MHz短波波段和30～120 MHz超短波波段，干擾機節(jié)點模型由干擾源模塊source、短波無線發(fā)射機模塊tx_1、短波天線模塊antenna_1、超短波無線發(fā)射機模塊tx_2和超短波天線模塊antenna_2構(gòu)成。

圖10 干擾機節(jié)點模型

干擾源模塊source：用于產(chǎn)生干擾信號，并按一定規(guī)律同時在短波和超短波頻段內(nèi)進行發(fā)送。

短波無線發(fā)射機模塊tx_1：用于在短波電臺的工作頻段發(fā)射干擾信號。

短波天線模塊antenna_1：用于對短波干擾信號添加天線增益。

超短波無線發(fā)射機模塊tx_2：用于在超短波電臺的工作頻段發(fā)射干擾信號。

超短波天線模塊antenna_2：用于對超短波干擾信號添加天線增益。

2) 干擾機進程模型。雙擊干擾源模塊source，即可進入進程模型界面，如圖11所示。

圖11 干擾機進程模型

該進程模型的有限狀態(tài)機包括init狀態(tài)、idle狀態(tài)、sweep_tx_on狀態(tài)、sweep_tx_off狀態(tài)等。其中：init狀態(tài)負責(zé)讀取配置的干擾機模型屬性參數(shù)，包括干擾的頻段范圍、干擾模式、干擾時間及功率大小等，并對相關(guān)變量進行初始化；idle狀態(tài)為該進程的空閑等待狀態(tài)，在不同的事件觸發(fā)下跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)的狀態(tài)執(zhí)行對應(yīng)的操作；sweep_tx_on狀態(tài)為干擾機在掃頻干擾模式下的工作狀態(tài)，當(dāng)觸發(fā)生成干擾信號的條件滿足時，即在該狀態(tài)下生成干擾信號后，同時在短波和超短波的頻段范圍內(nèi)按鋸齒波掃頻的方式向無線發(fā)信機模塊發(fā)送干擾信號；sweep_tx_off狀態(tài)為干擾機在掃頻干擾模式下的休眠狀態(tài)，即當(dāng)達到一定的干擾效果后干擾機則暫停干擾。圖12和圖13分別顯示了支撐掃頻式彈載通信干擾機分兩個波段進行干擾的部分內(nèi)核代碼。

圖12 超短波波段掃頻干擾

圖13 短波波段掃頻干擾

其中，部分代碼的含義如下：

battery_capacity-=sw_tx_power* (dwell_time / 3600.0)/voltage;

//計算干擾機當(dāng)前的剩余電量

op_stat_write(battery_lhdl, battery_capacity);

//寫入剩余電量的統(tǒng)計結(jié)果

op_stat_write(survival_lhdl, op_sim_time());

//在電量為零的情況下寫入干擾機的生存時長統(tǒng)計結(jié)果

op_pk_destroy(cp_pkptr);

//銷毀備份的準備發(fā)送的短波干擾信號報文

freq_tx=usw_freq_base+freq_slot*usw_freq_interval;

//計算當(dāng)前超短波所要跳變到的發(fā)射頻點

op_ima_obj_attr_set(usw_txch_objid, ″min frequency″, freq_tx);

//根據(jù)計算結(jié)果設(shè)置當(dāng)前超短波發(fā)射機的工作頻點

op_pk_send(cp_pkptr, 1);

//將超短波干擾信號報文發(fā)送至發(fā)射機

寫入超短波干擾信號的全局發(fā)送吞吐量統(tǒng)計結(jié)果如下：

op_stat_write(traffic_bit_sec_ghdl, pk_size);

op_stat_write(traffic_bit_sec_ghdl, 0.0);

op_stat_write(traffic_pkt_sec_ghdl, 1.0);

op_stat_write(traffic_pkt_sec_ghdl, 0.0);

寫入超短波干擾信號的本地發(fā)送吞吐量統(tǒng)計結(jié)果如下：

op_stat_write(traffic_bit_sec_lhdl, pk_size);

op_stat_write(traffic_bit_sec_lhdl, 0.0);

op_stat_write(traffic_pkt_sec_lhdl, 1.0);

op_stat_write(traffic_pkt_sec_lhdl, 0.0);

掃頻式彈載通信干擾機在短波和超短波波段的掃頻圖案如圖14-圖15所示。

圖14 掃頻干擾機短波頻段的掃頻圖案

圖15 掃頻干擾機超短波頻段的掃頻圖案

添加了噪聲源信號后，最終的干擾信號功率譜如圖16所示。

圖16 基于掃頻鋸齒波和噪聲源的組合式彈載通信干擾信號頻譜圖

4.3 干擾機參數(shù)設(shè)置

配置干擾機節(jié)點的相關(guān)屬性，如圖17所示。

圖17 干擾機參數(shù)設(shè)置

主要涉及以下內(nèi)容：

(1) ascent rate：節(jié)點的升降速度(單位:m/s)。

(2) Altitude：節(jié)點的初始離地高度(單位:km)。

(3) Batter Capacity：節(jié)點的電池容量(單位:Ah)。由于設(shè)定跳頻電臺的電池容量為10 Ah[16-17]，為確保干擾機在電臺因電量耗盡而停止工作前能一直工作，因此掃頻式干擾機的電量也設(shè)定為10 Ah。干擾機發(fā)送的干擾信號越密集、干擾功率越大，則電量消耗越快，當(dāng)電池電量耗盡后則停止工作。

(4) Cycle Time：掃頻周期長度(單位:s)。

(5) Jammer Mode：干擾模式，即掃頻干擾。

(6) Start Time：干擾機開始工作的仿真時間(單位:s)。

(7) Stop Time：干擾機結(jié)束工作的仿真時間(單位:s)，具體結(jié)束時間還要結(jié)合干擾機電量是否耗盡，或仿真場景的運行時間是否到時來確定，哪個條件先滿足即結(jié)束干擾。

(8) SW Bandwidth：針對短波電臺進行干擾的頻帶寬度(單位:kHz)。

(9) SW Base Frequency：針對短波電臺進行干擾的基頻，即起始頻率(單位:MHz)；

(10) SW Distance Threshold：針對短波電臺進行干擾的信號最遠輻射區(qū)域(單位:m)，具體輻射場強的大小時由干擾節(jié)點的發(fā)射功率來決定。

(11) SW Power：針對短波電臺進行干擾的干擾信號發(fā)射功率(單位:w)。

(12) Sweep Interval：干擾機的掃頻間隔，即將干擾頻帶劃分為多少份。

(13) Transmission Rate：干擾機信號的發(fā)射速率(單位:bit/s)。

(14) USW Bandwidth：針對超短波電臺進行干擾的頻帶寬度(單位:kHz)。

(15) USW Base Frequency：針對超短波電臺進行干擾的基頻，即起始頻率(單位:MHz)。

(16) USW Power：針對超短波電臺進行干擾的干擾信號發(fā)射功率(單位:W)。

(17) Voltage：干擾機的工作電壓(單位:V)。由于設(shè)定跳頻電臺的工作電壓為14.4 V[16-17]，為確保干擾機在電臺因電量耗盡而停止工作前能一直工作，因此掃頻式干擾機的工作電壓也設(shè)定為14.4 V。

4.4 其他參數(shù)設(shè)置

被干擾的敵跳頻電臺模型為OPNET平臺中自帶的仿真模型，如圖18所示。其主要參數(shù)配置見表1。

圖18 跳頻電臺模型

表1 跳頻電臺主要參數(shù)設(shè)置

各屬性的含義分別為：

(1) Tx Min Frequency：發(fā)射機的基頻，即起始頻率；(2) Tx Bandwidth：發(fā)射機的工作頻帶寬度；(3) Tx Power：發(fā)射機的發(fā)送功率；(4) Frequency Number：跳頻頻率數(shù)；(5) Frequency-Hopping Rate：跳速。

4.5 仿真結(jié)果分析

具體仿真場景如圖19所示。該仿真場景中，短波跳頻電臺相距5 km，超短波跳頻電臺相距3 km；彈載通信干擾機在3 km高度開始邊降落、邊干擾，下降速度為6 m/s，干擾機與其中的一部收方短波電臺和一部收方超短波電臺均保持相同的距離，干擾機針對這兩部通信電臺同時實施掃頻干擾。

圖19 仿真場景

圖20和圖21分別顯示了程序開始時和結(jié)束時的后臺運行狀況。

圖20 程序開始

圖21 程序結(jié)束

電臺的誤比特率如圖22所示。

圖22 電臺的誤比特率

電臺的丟包率如圖23所示。

圖23 電臺的丟包率

由上述結(jié)果可見，由于干擾機節(jié)點的逐步下降和靠近，使得電臺的跳頻圖案與干擾機周期性掃頻的重合次數(shù)相對較高，誤碼率也隨之逐步增大至2%以上。

5 結(jié) 語

本文利用OPNET軟件平臺設(shè)計的懸浮式彈載通信干擾機仿真模型是可行的，為后續(xù)進一步研究不同仿真場景下彈載通信干擾機的干擾效果與干擾信號參數(shù)間的關(guān)系奠定了基礎(chǔ)，也為彈載通信干擾裝備的具體研制和生產(chǎn)提供了參考。