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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