海战场电磁态势感知

海战场电磁态势感知

存在的问题与关键技术雷达、通信、导航、数据链、精制、电子战争设备及其他辐射背景相互作用，成为信号密集、变化剧烈、属性复杂的磁极。这对海洋战场的战场感知、指挥和准备、精确打击和作战安全等作战环节产生了重大影响，最终影响战争的过程和结局。因此,准确认识海战场电磁环境、生成全面的区域电磁态势,是夺取海上制电磁权的关键因素,也是进行有效频谱管控的重要基础。在电磁环境日益复杂的网络中心战中,传统的以空间位置融合、运动参数估计为主的目标态势分析已经不能满足海战场信息化作战中电子对抗、通信传输、技术侦察、雷达探测等指挥控制功能对全面电磁态势的急迫需要。目前国内外对于电磁态势的研究主要集中在辐射源识别、雷达覆盖范围展现、电磁环境可视化、电磁环境复杂度评估等几个方面。这些技术手段大多立足于电磁态势生成中的某些关键技术的研究,如雷达覆盖范围只针对雷达用频效能进行分析,电磁环境可视化也大多以频域或覆盖范围的方式进行展示,不能充分体现电磁态势各种域上的要素与关联特征。总之,目前缺乏较为成熟的技术手段生成系统的战场电磁态势,因此,本文在传统海战场态势的基础上,定义了电磁态势的相关概念,提出一种海战场电磁感知模型,并详细阐述了模型中的重要组成部分。1态势生成机制对于战场电磁环境,王汝群在其著作中进行了详细的阐述,并将其定义为“在一定的战场空间内对用频装备产生影响的电磁活动和现象的总和”。结合美军和前苏联军方对电磁环境的定义,以及态势感知和态势评估中的相关概念,本文给出了战场电磁环境、战场电磁态势和电磁态势生成的定义。定义1战场电磁环境:在特定的作战时空内,一切可能影响作战实体的电磁活动和现象的总和。定义2战场电磁态势:通过电磁环境要素的获取、理解、预测而形成的一种易于指挥员理解并能辅助其决策的电磁环境的表达方式。定义3电磁态势生成:由战场电磁环境数据形成电磁态势并将其结果展现出来的过程。可见,仅仅将辐射源及其场强分布情况或区域频谱图称为电磁态势的观点是不全面的。电磁态势生成的目的正是要挖掘出蕴含在这些数据中的有利于指挥员分析决策的信息。对于态势的研究,国外很早就提出了态势感知(SituationAwareness,SAW)和态势评估(SituationAssessment,SA)的概念。Endsley将态势感知定义为“在一定时空范围内,对环境中元素的获取和理解,对其状态在未来一段时间内进行预测”,从而形成了态势要素获取、态势理解、态势预测的3层模型。美国国防部提出的JDL模型将态势评估引入军事领域,该模型将态势评估看作数据融合的一个层次,并定义为“将战场中被观测的实体分布与活动情况和战场环境、知识库关联起来的过程”,其最终目的是形成便于理解的包括态势分析和估计的战场态势图。受JDL模型的启发,本文结合海战场特点,基于认知过程提出电磁态势感知的基本模型,包括电磁态势要素获取域、态势理解域和态势展现域,如图1所示。2电磁态势生成过程将图1所示的电磁态势感知模型进行细化,电磁态势的生成过程可划分为4个域:环境感知、环境构建、态势理解和态势展现。下文将逐一分析各部分的组成和关键技术。2.1以射频采样获取全局电磁环境数据的方法现代海战场中电磁信号量巨大,通过接收战场各点的射频信号来实现电磁环境获取的方式是不可取的,其难点在于:战场区域较大,射频接收机无法形成区域全覆盖;接收机的接收带宽有限,无法形成频域全覆盖;存储空间有限,难以长时间存储海量电磁信号数据。因此,以射频采样的方式获取完整电磁环境数据的方法是难以实现的。然而,战场电磁辐射主要来自于各种用频设备,即辐射源,只要能正确获取辐射源的位置、状态、工作参数、信号特征等属性,就能近似计算出该辐射源对战场区域的电磁效应。因此,以辐射源识别为基础构建环境数据是电磁环境感知的有效途径。目前国内外已有大量对辐射源识别领域的研究成果,该技术不是电磁态势生成研究的重点,本文的电磁态势感知模型将基于这样一个假设:区域内所有辐射源都被识别并能准确获取辐射源的相关属性。2.2提高参数化建模的准确度基于辐射源感知的电磁环境构建主要需要解决3个方面的问题:(1)用频装备建模;(2)复杂地形环境中的电磁效应计算;(3)电磁环境的描述方法。2.2.1辐射源频率特征和频域模型对于电磁态势生成来说,更关注宏观上的时、空、频、能4个域上的特性,基本的用频装备模型如下:时域模型描述了辐射源是否处于辐射状态,包括辐射源开关和工作时间2个方面。将辐射源开关状态看作是在空间Ω={0,1}上的离散随机变量ξ,对其开关状态的估计是一个计算条件概率p(ξ=1|X1,X2,…,Xn)的过程,其中X1到Xn描述了战场中可能影响该辐射源的的事件状态。辐射源的工作时长为一个分布在正实数空间上的连续型随机变量φ,由于海战场中的高度不确定性,求解φ的概率分布函数非常困难,只能通过大量实测数据分析不同类型辐射源工作时间的统计特征,以得到近似的概率分布。在仿真研究中,往往认为所有辐射源的工作时长变量{φ1,φ2,…,φN}相互独立,且都服从均值为λ的负指数分布。关于频域模型,可以参考脉冲描述字(PDW)对雷达载频的描述,考虑辐射源的单载频模型RFs、跳频模型RFj、动态频率模型RFd:其中RF0为基础频率,δRF为频率的随机抖动,{F(1),F(2),…,F(n)}为辐射源的跳频集合,△RFd为频率捷变量,∏(-1,1)为区间[-1,1]上的随机数。在能量域上,辐射源输出的载频往往不在单一的频率上,而是以一定带宽分布在基波两侧的频段内,且中心频率之外的功率会有所下降。其能量分布模型可以表示为:其中P(△f)为距中心频点△f处的功率,P(△fi)为中心频点方向最靠近△f的关键频点的功率,gi为△fi处的调制包络斜率,由辐射源的频率特征决定。辐射源的空域模型是指对其天线辐射方向的描述,考虑三维的战场空间,用起始水平角度αs、终止水平角度αe、起始俯仰角度βs、终止俯仰角度βe来描述天线发射区域。2.2.2apm传播模型理论上说,战场中每一点的电磁环境效应都能根据电磁波方程和电磁波传播损耗模型近似计算出来。最理想化的情况是电磁波在自由空间中的传播模型,其传播损耗为:其中f为工作频率,单位是MHz,d为传播距离,单位是km,LS为传播损耗,单位为dB。更加精确的结果需要结合真实环境建立电磁波的传播模型,如时域有限差分法、抛物方程法等。文献提出的APM模型采用差异化计算的方法,将电磁波传播区域分为4部分,分别应用4种模型对区域中的电磁波传播进行计算。APM模型由美国空间和海战系统司令部开发,可以采用这种差异化模型作为海战场环境的电磁波传播模型。2.2.3辐射源建模和效应矩阵描述完整的电磁环境描述包括两部分:对辐射源的描述和对电磁效应的描述。基于空间网格化划分的思路,用辐射源状态矩阵Aemitter和辐射源效应矩阵Aeffect描述海战场电磁环境。其中,n代表海上作战区域被划分为n×n个网格,(i,j)为区域坐标,i,j为小于n的正整数,MEM(x)代表辐射源x的用频装备模型(见2.2.1节),为了实现三维环境的描述,可以在MEM中加入辐射源高度信息h。定义电磁环境描述字(ElectromagneticEnvironmentDescriptionWord,EMEW),用以表征辐射源在指定区域的电磁效应,见表1。那么,辐射源效应矩阵可以表示为:其中,矩阵元素是一个电磁环境描述字向量,其下标(i,j)代表该区域坐标。其中,k代表对(i,j)区域产生影响的辐射源数量。2.3辐射源状态的影响在Endsley的态势感知模型中,态势预测是态势理解的后续阶段,而在战场复杂电磁环境中,电磁态势预测是很困难的。影响辐射源状态的因素众多,我方作战计划和用频方案的改变、与电磁环境的冲突会导致辐射源状态的变化,辐射源工作状态还会根据敌方作战意图进行调整,甚至还受频谱指挥员的主观因素影响。目前尚没有有效方法能对辐射源状态及行为建立预测模型,那么整个电磁环境的预测也就更加困难了。因此,本文在态势理解域中暂时未考虑状态预测,重点研究电磁冲突分析、用频效能分析和电磁态势评估。2.3.1用频设备与电磁环境冲突的性质用频设备与电磁环境的冲突分析是电磁态势理解的重要内容,也是战场频谱管控的重要依据,本文将电磁冲突定义如下:定义4电磁冲突:当用频设备(或用频系统)所处环境的电磁效应可能对其产生不良影响(包括干扰、压制、欺骗等不利于接收机发挥其频谱效能的情况)时,称该用频设备(或用频系统)与电磁环境相冲突。冲突程度与用频设备被干扰的概率以及干扰严重性有关。冲突可能由自然电磁环境造成,但在现代海战场中,可以认为电磁冲突绝大部分由己方和敌方的有意或无意的电磁辐射造成。也就是说,用频设备是否与其所在的电磁环境冲突,取决于战场中其他辐射源对该区域产生的电磁效应。对于用频系统来说也是如此。因此,电磁冲突分析可以转化为用频设备之间关系的分析,从而采取电磁兼容、干扰预测、认知图等理论作为冲突分析的研究手段。2.3.2施能量的选取用频效能衡量了用频设备或用频系统在复杂电磁环境中的工作效能,频谱管控的目的就是为了提高系统的用频效能,因此,用频效能分析是战场电磁态势理解中的重要环节。针对不同的用频系统,需采用不同的指标衡量其用频效能,如雷达的探测范围、探测精度、探测分辨力、抗干扰能力等,无线通信的信干比、误码率、带宽、服务延迟等,计算方法本文不详细介绍,可以参考文献。用频效能总是相对于特定电磁环境而言,对用频效能的评估结果可以作为电磁态势评估的一个重要指标,用以衡量电磁环境对用频系统性能的影响程度。2.3.3海作战态势评估指标体系在电磁环境评估领域,现有文献主要针对电磁环境的分类和复杂性进行分析,评估指标多集中在电磁环境的物理属性上,如电磁环境的频谱占用、时空占用、脉冲数量、信号功率强度等,通过对这些属性的定量计算及权重分配进行复杂性评估。然而战场电磁环境具有动态性、模糊性、对抗性等特征,单单从物理属性进行复杂性评估对于战场电磁态势评估是不全面的,本文试图针对海战场电磁环境,提出较为全面的电磁态势评估指标体系。针对电磁环境的复杂性、动态性、不确定性、相对性,将电磁态势划分为一般态势和相对态势两部分。一般态势从战场电磁环境的客观性出发,通过辐射源密度、频率占用、时空占用、辐射源变化程度、电磁效应变化程度、辐射源与电磁环境的冲突程度等指标的定义和计算对其复杂性、变化性和冲突性进行评估;相对态势从用频设备在特定电磁环境中的用频效能出发,结合海战场特点,以层次化的方法依次从装备级、平台级、编队级和作战级对用频效能进行评估,该指标体现了电磁环境相对于不同的用频设备和用频系统产生的不同影响,被称为相对态势。这套指标体系不失一般性和相对性,全面考虑了电磁环境中可能给作战带来影响的因素,能为用频优化和指挥员决策提供依据。2.4多维度电磁环境展现态势展现的目的是将电磁环境及电磁态势可视化,伴随着电磁环境构建、态势分析、态势评估等各个环节,态势展现的优劣直接影响信息获取时的直观性和准确性。由于描述电磁环境的特征域众多,难以集中展现在以三维地形为背景的可视化框架中,可以引入多维信息可视化技术,在少量图表中定量展现电磁态势的多维信息。图2和图3是利用平行坐标进行电磁态势可视化的仿真实例,选取了敌我属性(E/O)、空间位置(Space)、频率(Frequency)、信号的功率强度(Energy)这4个维度进行电磁环境展现。图2为某时刻全区域电磁环境数据的仿真结果,较好地展现了位置、频率、信号强度、敌我属性的总体分布情况;图3则针对某特定区域展现其电磁环境,各维度上的值及维度间的关联关系都非常清晰。电磁环境态势中的信息量巨大,单一的可视化手段难以全面展现电磁态势的各个方面,如何综合利用多种可视化手段是电磁态势展现下一步的研究重点。3电磁态势感知模型传统的海战场态势以目标识别、空间位置融合、运动参数估计为主,对目标的电磁频谱特性