CN109217911B - 一种基于技侦模式的空地通信系统仿真的装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于技侦模式的空地通信系统的仿真方法，目的是不仅能对中继平台技术方法、场景、目标功能、流程、支撑体系、交互关系、系统组成、应用指标等进行设计与验证，还能对基于技侦转发的空地通信中继系统中继通信结果进行融合的电磁态势可视化展示与通信质量分析与评估。其特征在于：它仿真的系统模块包括通信场景模块、地面通信装备模块、无人机模块、平台运动模块、电波传播模块、仿真引擎模块、评估模块和可视化模块。

Description

一种基于技侦模式的空地通信系统仿真的装置

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于技侦模式的空地通信系统仿真的装置。

背景技术

1.1应用背景

本专利提出了对一种基于技侦模式的空地通信系统仿真的装置。

信息化时代对于无线通信的信息传输速度、质量、范围等都有着较高的要求。然而目前的超短波通信设备在视距通信的情况下，存在通信距离较短，而且经常受到复杂地形地貌的影响，难以保证信息的传输质量。

目前，已有基于技侦转发的空地通信中继系统，通过设置中继平台对信号进行转发，扩大通信范围，提高通信质量，解决超短波无线通信存在的通信不畅等问题。该系统采用无人机搭载天线作为中继平台，在地面通信平台利用视距通信方法无法顺利进行通信时，对地面信号进行技侦接收、变频与透明转发，支持跨场区用户使用该空地通信系统进行通信，达到扩大通信距离的目的。技侦接收是采用技术侦察的手段对地面信号进行全频率采集，从而尽可能多地对所有频率范围内的信号进行转发。变频主要目的在于通过对接收信号的变频，使收发信号不在相同频率范围，从而实现收发隔离。转发采用无协议透明转发方式，可实现信号的快速处理，提高通信实时性。

本专利对于基于技侦转发的空地通信中继系统进行建模仿真，通过对系统通信对象、通信环境、通信流程的建模，设计了一种集通信平台设置、通信场景设置、平台运动模拟、电磁态势显示、通信质量评估等功能于一体的仿真装置，实现对系统应用场景设计、系统组成确定、应用指标设计、技术流程验证等方面的研究，验证系统的新型无人机中继技术在通信平台、通信环境和电磁态势显示可运动情况下进行正常通信，同时可支持跨场区用户使用该空地通信系统进行通信。

1.2现有技术及其优缺点

通信系统仿真是指利用计算机对通信系统的特征进行描述，模拟其运行过程，并对运行结果分析，评价通信系统性能。

对于通信系统的仿真按不同仿真对象层级划分为：器件的仿真、器件组成的部件仿真、无线电波传播仿真、通信链路仿真、通信网络仿真、通信系统仿真等。分层仿真可以简化仿真模型、减小运算量，利于对仿真中关心的问题深入研究。

然而现有通信系统仿真注重对各层级器件、链路等的静态精确模拟，对于无线电波传播的仿真常采用理想的自由空间传播模型计算，不能分析自然环境对电波传播带来的干扰、损耗等影响，从而不能用于分析实际通信中电磁态势运动和通信环境运动过程中的通信情况。

还有的通信仿真系统考虑到电波传播的环境影响，采用了不同传播条件下的经验模型作为计算电波传播的公式，用户可通过设置公式中各个参数的值实现对不同环境下电波传播的模拟。然而这种方法不能分析运动平台的通信情况。

因此本发明提出一种针对空地通信系统的仿真装置，综合考虑各种环境因素对电波传播的影响，实现对通信平台可运动、通信环境可运动和电磁态势显示可运动情况下的通信仿真，以二维和三维的形式可视化展示出融合的电磁态势，以及对不同运动平台的通信仿真。

发明内容

本发明提出了一种基于技侦模式的空地通信系统仿真的装置。使用该系统不仅能对中继平台技术方法、场景、目标功能、流程、支撑体系、交互关系、系统组成、应用指标等进行设计与验证，还能对基于技侦转发的空地通信中继系统中继通信结果进行融合的电磁态势可视化展示与通信质量分析与评估。

本系统主要由底层数据库、模型库、系统接口、系统调度、系统应用等组件构成。数据库存储所有计算及显示所需数据，按存储内容又分为地形模型数据库、气象水文模型数据库、地面通信装备模型数据库、电波传播模型数据库、噪声模型数据库；模型库存储不同仿真模型，分为中继平台模型、通信平台模型、路径规划模型、时空基准模型；系统接口包括与系统用户进行交互的通信用户接口组件；系统调度包括对系统各组件进行调度运行的综合计算组件；系统应用包括评估组件与可视化组件。

系统实现对基于V/L频段的空地通信系统的仿真与验证，但对采用其他频段通信的仿真系统的构建和应用同样适用。系统对无线电波在不同自然环境条件下的传播方式和电磁场强进行了模拟，综合考虑了不同地形地貌对电波传播的遮挡、不同气象水文条件对电波传播的吸收损耗、自然界中存在的噪声干扰等因素，使得计算出各点的传播场强值更加准确、更加符合实际通信结果。系统可通过用户对通信平台、通信环境设置的不同参数进行不同平台的动态通信仿真，因此随着时间的推移，通信平台运动使得电波传播方式可能有所改变，通信平台参数也可能有所修改，系统要对各种情况下的通信进行实时仿真，从而验证实际场景中无人机对运动中的地面平台的中继效果。同时，系统可实时对各平台电磁场强进行可视化显示，并且可融合展示整个通信场景所有电磁态势。

本发明是这样实现的：

一种基于技侦模式的空地通信系统仿真的装置，它仿真的系统模块包括通信场景模块、地面通信装备模块、无人机模块、平台运动模块、电波传播模块、仿真引擎模块、评估模块和可视化模块；

通信场景模块仿真整个通信场景中的自然环境，包括地形模型数据库、气象水文模型数据库组件；地形模型数据库存储地图和地图各点经纬度、高程、地形地貌特征；气象水文模型数据库存储用户对某地区气象水文参数设置，包括水汽密度、降雨率、温度、云量、压强；

地面通信装备模块完成对通信装备发射机、接收机、收发天线的数学建模，包括通信装备模型数据库、地面通信平台模型组件；通信装备模型数据库存储不同型号、不同规格的VHF频段发射机、接收机、天线以及通信装备平台的各种参数指标；地面通信平台模型利用Matlab软件对采用超短波通信的不同参数发射机接收机进行仿真；

无人机模块完成对侦收天线、发送天线、发射机、接收机建模，包括通信装备模型数据库、中继平台模型组件；通信装备模型数据库中也存储了所有仿真中可能用到的不同类型的无人机及L频段发射机、侦收机、天线；中继平台模型同样利用Matlab软件对侦收机、侦收天线等进行仿真；

平台运动模块模拟地面通信平台和无人机按照设置路径及行驶速度进行的运动，包括路径规划模型组件，对各地面通信平台运动路径曲线拟合，对运动速度具体计算；对无人机飞行路径模拟，对飞行速度具体计算；

电波传播模块分析不同通信条件下采用哪种电波传播模型，包括电磁波传播模型数据库、噪声模型数据库组件；电磁波传播模型数据库存储了VHF/L频段电波利用不同方式进行传播的电波传播经验公式；噪声模型数据库存储了不同传播方式和传播路径中可能存在、影响通信的噪声电波；该模块根据实时地形地貌、气象水文条件选取主要电波传播经验公式，综合计算组件根据经验公式，综合计算出考虑了路径损耗、气象条件损耗、地形遮挡、噪声环境等因素影响后某点的场强值，从而得出两地面通信平台或地面通信平台与无人机之间是否能够正常通信；

仿真引擎模块通过调度规则对其他组件按时间顺序调度安排，从而实现整个系统的顺利运行，包括综合计算组件和时空基准模型，按照时空基准提供的时间空间基准点，通过调度组件，最终使得系统实现以下仿真内容：不同自然环境条件对通信质量产生的影响、地面超短波通信装备发送与接受无线电信号的过程、无人机中继平台对地面用频装备的各频段信号的侦收和中继转发的过程、地面通信装备间视距通信的过程，和地面通信装备通过无人机中继转发信号实现通信的电波传播的过程、各地面通信平台电磁态势的实时显示、各平台之间是否连通的实时显示；

评估模块在动态通信仿真结束后对整个流程中信息传播质量做出评价，对不同通信方式下的通信质量、传输时间做出对比，包括评估组件，对评估结果列表、绘图展示，并有导出功能；

可视化模块对整个作战场景中的通信平台、中继平台、自然环境进行可视化建模，还要对各通信平台电磁态势可视化显示，包括可视化组件，实现通信平台、中继平台、自然环境、电磁态势的二维及三维建模。

如上所述的地形模型数据库用于存储不同地图及其各经纬度高程数据、地形地貌信息；所述的气象水文模型数据库用于存储地图各区域会对通信质量造成影响的气象水文信息；所述的通信装备模型数据库用于存储现有常用的各类型通信平台、通信载荷，以及各种常用无线通信系统的组成零件；所述的地面通信平台模型构建了各个固定/运动地面通信平台模型，向用户展示；所述的中继平台模型构建了无人机中继平台模型，向用户展示；所述的路径规划模型存储不同种类地面平台和无人机的路径规划计算公式，根据设置的运动规划参数计算出平台具体的运动规划方案；所述的电磁波传播模型数据库存储各种不同频率电磁波在不同自然环境影响下的电波传播经验公式噪声模型数据库存储对各种不同频率电磁波在不同传播条件下可能对其传播造成干扰的噪声类型，包括自然环境噪声和人为干扰噪声两大类；所述的综合计算组件按照时间顺序统筹规划其他各组件的调度顺序；所述的时空基准模型为综合计算组件提供时间基准和空间基准点，作为调度和计算的时间零点和地理位置零点；所述的评估组件包括评估无线通信的各种指标参数，对不同通信情况做出对比和评估；所述的可视化组件包括可视化显示的软件和硬件结构，对电磁态势、通信平台、通信场景、评估结果可视化显示。

如上所述的系统模块将使用用户分为两大类：通信用户和导调方用户；通信用户设置通信平台及其部属，导调方设置通信场景及通信中的自然环境干扰；系统可视化结果和评估结果同时向通信用户和导调方用户显示；对用户的分类实现对通信用户的训练，使通信用户在导调方所设置的通信场景和通信干扰条件下，通过设置不同的通信参数、中继路线方式完成无人机对地面平台的中继效果；

上述系统功能可归纳为五大类：

(1)设置自然环境；自然环境包括地形地貌、噪声环境与气象水文，通过选取地形模型数据库中某地区地图，即得到该区域的地形地貌特征，高程数据等信息，在仿真开始后地图不能随意更改；对于地面通信产生的各种噪声以及对某地区气象水文各个参数的设置可以在仿真前进行，也可在仿真开始后实时修改；

(2)设置通信装备；需要设置的通信装备主要包括需要进行通信的地面平台，和对信号进行转发的无人机中继平台；两类平台的设置包括对平台类型的选取，参数的设定，以及平台搭载通信载荷的选取与参数设定，仿真开始后平台的各个参数值也可以修改；

(3)部署平台；仿真中可能有运动平台和固定不动的平台；

对运动平台的部署主要包括其通信载荷与其他平台进行通信的规划，规划通信双方的平台编号、通信频段、通信时长等；还需部署平台运动路线、运动速度等，通过用户在地图选取运动起始点、终点及多个途经点，设置运动最高加速度、最高运动速度，系统自动生成平台轨迹规划；

对固定平台的部署首先也包括通信载荷规划，规划内容与运动平台相同；其次还要设置固定平台的机动方案，包括开关机时间、指向性强的一类装备通信方向等；

(4)可视化显示；用户可选择仿真过程中对各通信平台电波传播场强二维可视化显示，或对地图任意区域融合电磁态势的二维或三维可视化显示；

(5)仿真结果评估；评估结果有两类：一是任务效能指标，评估本次仿真中设置的无人机通信参数及路径规划等是否能完成所有地面通信平台的通信规划；二是技术性能指标，评估并对比通过无人机中继的通信方式和仅采用视距通信，两种通信方式的通信质量；指标参数包括信号延迟时间、信号连通率、信号连通个数、同时服务用户数；

其中导调方用户可实现第(1)、第(4)、第(5)项功能，即设置自然环境、进行可视化显示和仿真结果评估；通信用户可实现第(2)、第(3)、第(4)、第(5)项功能，即设置通信装备、部署平台，进行可视化显示和仿真结果评估。

本发明的有益效果是：

(1)运动仿真

本发明设计的通信仿真系统可实现动态的电波传播及平台间通信情况计算模拟。这里运动的仿真计算有三个涵义：

一是通信平台可运动。通信平台可运动即可用于模拟实际动态平台的通信情况。用户在仿真开始前可提前设定平台在通信场景地图上的运动轨迹及速度规划，仿真开始后在不暂停仿真的前提下即时修改平台运动规划。修改实现了人机交互，可训练通信系统用户对无人机中继系统的使用。系统通过调用时间基准模型和运动计算模型，以一个仿真步长为单位计算实时平台所在位置、速度、加速度等参数，将各时刻计算结果综合显示就实现了通信平台运动状态的模拟。

二是通信环境可运动。通信环境的运动主要体现在导调方用户对仿真环境中的气象水文和噪声环境的参数修改。不同的气象水文条件和噪声环境对不同频段的无线电波传播会造成不同程度的影响。以一个仿真步长为单位将各影响参数带入经验公式计算出气象水文条件和噪声环境的修改对电波传播的具体损耗，各点场强值减去修改环境参数带来的额外损耗，即可得到各点此刻的电磁场强值。

三是电磁态势显示可运动。系统是动态仿真运行的，电磁态势也随着仿真各参数的变化而变化。由于本系统设置人在回路，可选择打开或关闭对某个平台信号传播场强的显示，也可实时修改通信平台、通信场景参数，因此系统电磁态势的显示必须按照仿真显示的时间步长一步计算一次电磁态势，实现修改后各通信平台场强及通信环境中整体电磁态势的实时显示。

(2)系统综合调度计算

对于电波传播调度计算中，需要按照前述内容调用系统模块与组件。

对于两地面通信平台能否通过视距通信方法直接连通，计算分为三步：(1)调用时空基准模型、路径计算模型、通信平台模型、装备模型组件求得信号发送方A方实时位置与接收方B；(2)调用A发信机模型、地形地貌模型、气象模型、电磁波传输模型，求得考虑过自然环境影响后的信号传播至平台B的结果；(3)调用B收信机模型，求得此时A与B是否可进行正常通信。

对于两地面通信平台能否通过中继通信方法连通，计算过程分四大步：(1)调用时空基准模型、路径计算模型、装备模型求得信号发送方A与无人机中继C的实时位置；(2)调用地形地貌等模型计算无人机与平台A能否正常视距通信，同样考虑了自然环境对信号传播影响；(3)调用通信平台模型、装备模型、路径计算模型求得A的通信接收方B；(4)与步骤2计算方法相同，求得无人机是否能与平台B正常视距通信。

附图说明

图1是本发明的一种基于技侦模式的空地通信系统仿真的装置的系统组成模块图；

图2是本发明的一种基于技侦模式的空地通信系统仿真的装置的系统组件图；

图3是本发明的一种基于技侦模式的空地通信系统仿真的装置的系统用例图；

图4(a)是本发明的一种基于技侦模式的空地通信系统仿真的装置的系统运行组件调度图；

图4(b)是本发明的一种基于技侦模式的空地通信系统仿真的装置的视距通信电波传播计算组件调度图；

图4(c)是本发明的一种基于技侦模式的空地通信系统仿真的装置的中继通信电波传播计算组件调度图；

图5是本发明的一种基于技侦模式的空地通信系统仿真的装置的L频段电波的视距传播预测流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步描述。

1.系统总体设计

本发明主要针对超短波VHL频段通信装备采用新型无人机中继技术，进行超视距通信的流程建模仿真。系统对整个通信过程的描述分为三部分：首先对通信平台和中继平台建模，其次模拟平台在某设定的通信场景中无线电波的传播情况，最后评估采用中继系统平台进行通信的情况。

仿真对象为通信流程中的信号发射接收方：地面通信平台；信号中继转发方：无人机中继平台，因此需要地面通信模块、无人机模块对两类平台进行描述。对两类平台要进行通信和运动的计算，因此需要平台运动模块和电波传播模块对平台的通信方式、运动方式进行描述。通信场强的计算需要考虑到通信所在场景内的自然环境影响，因此需要通信场景模块描述各种自然环境。对各模块的使用需要按照一定的调度规则，因此需要仿真引擎模块对各模块的调度顺序进行描述。系统功能还包括对融合的电磁态势的展示，和系统通信结果的评估展示，因此还需要可视化模块和评估模块。因此本系统根据仿真内容分为八个模块，如图1所示。

各模块主要实现的功能及包含的系统组件如下：

(1)通信场景(自然环境)模块。该模块仿真整个通信场景中的自然环境。

该模块包括地形模型数据库、气象水文模型数据库组件。地形模型数据库存储地图和地图各点经纬度、高程、地形地貌特征；气象水文模型数据库存储用户对某地区气象水文参数设置，包括水汽密度、降雨率、温度、云量、压强等。

(2)地面通信装备模块。该模块主要完成对通信装备发射机、接收机、收发天线的数学建模。

该模块包括通信装备模型数据库、地面通信平台模型组件。通信装备模型数据库存储不同型号、不同规格的VHF频段发射机、接收机、天线以及通信装备平台的各种参数指标；地面通信平台模型利用Matlab软件对采用超短波通信的不同参数发射机接收机进行仿真(比如某型号超短波电台)。

(3)无人机模块。该模块主要完成对侦收天线、发送天线、发射机、接收机建模。

该模块包括通信装备模型数据库、中继平台模型组件。通信装备模型数据库中也存储了所有仿真中可能用到的不同类型的无人机及L频段发射机、侦收机、天线；中继平台模型同样利用Matlab软件对侦收机、侦收天线等进行仿真。

(4)平台运动模块。该模块模拟地面通信平台和无人机按照设置路径及行驶速度进行的运动。

该模块包括路径规划模型组件，对各地面通信平台运动路径曲线拟合，对运动速度具体计算；对无人机飞行路径模拟，对飞行速度具体计算。

(5)电波传播模块。该模块主要分析不同通信条件下采用哪种电波传播模型。

该模块包括电磁波传播模型数据库、噪声模型数据库组件。电磁波传播模型数据库存储了VHF/L频段电波利用不同方式进行传播的电波传播经验公式。噪声模型数据库存储了不同传播方式和传播路径中可能存在、影响通信的噪声电波。该模块根据实时地形地貌、气象水文条件选取主要电波传播经验公式，综合计算组件根据经验公式，综合计算出考虑了路径损耗、气象条件损耗、地形遮挡、噪声环境等因素影响后某点的场强值，从而得出两地面通信平台或地面通信平台与无人机之间是否能够正常通信。

(6)仿真引擎模块。该模块通过一定的调度规则对其他组件按一定时间顺序调度安排，从而实现整个系统的顺利运行。

该模块包括综合计算组件和时空基准模型，按照时空基准提供的时间空间基准点，通过一定的规则调度组件，最终使得系统实现以下仿真内容：不同自然环境条件对通信质量等产生的影响、地面超短波(VHF频段)通信装备发送与接受无线电信号的过程、无人机中继平台对地面用频装备的各频段信号的侦收和中继转发的过程、地面通信装备间视距通信的过程，和地面通信装备通过无人机中继转发信号实现通信的电波传播的过程、各地面通信平台电磁态势的实时显示、各平台之间是否连通的实时显示。

(7)评估模块。该模块在动态通信仿真结束后对整个流程中信息传播质量做出评价，对不同通信方式(地面平台直接通信还是通过中继通信)下的通信质量、传输时间等做出对比。

该模块包括评估组件，可以对评估结果列表、绘图展示，并有导出功能。

(8)可视化模块。该模块对整个作战场景中的通信平台、中继平台、自然环境进行可视化建模，还要对各通信平台电磁态势可视化显示。

该模块包括可视化组件，实现通信平台、中继平台、自然环境、电磁态势的二维及三维建模。

因此，系统各模块包括的组件有：地形模型数据库、气象水文模型数据库、通信装备模型数据库、地面通信平台模型、中继平台模型、路径规划模型、电磁波传播模型数据库、噪声模型数据库、综合计算组件、时空基准模型、评估组件、可视化组件。以上十二个组件功能和组件之间的输入输出关系可以用UML组件图表示，如图2所示。

下面根据图2对各组件的主要输入输出内容及功能做出详细说明：

(1)地形模型数据库：存储不同地图及其各经纬度高程数据、地形地貌信息。

输入：1)选择地图。即用户通过选择地图界面选取的地图。

输出：11)地形信息。即该地图上各点的地形地貌、高程数据。

(2)气象水文模型数据库：存储地图各区域会对通信质量造成影响的气象水文信息。输入：2)设置气象水文参数。即用户通过设置参数界面设置的气象水文参数，及地形模型数据库提供的各地理位置信息，若不设置则为默认值。

输出：18)气象水文信息。即不同时间段各地理位置点对应的气象水文信息，包括温度、湿度、气压、尘埃粒子数、云量、太阳活动情况等。

(3)通信装备模型数据库：存储现有常用的各类型通信平台、通信载荷，以及各种常用无线通信系统的组成零件(如天线、发射机、接收机等)。

输入：3)设置地面平台通信及载荷。即设置通信平台数量，通信范围，通信平台类型，载荷类型，设置载荷发射功率、方向、频率、天线极化方式方向角等参数。

4)设置中继平台及载荷。即设置无人机台数，选择无人机类型，添加载荷，设置天线发射接收功率、方向、频率、天线极化方式方向角等参数。

8)载荷通信规划。规划通信需求，即何时段何地哪些平台之间要进行通信。

9)设置地面变频器。即设置变频器天线接收功率、方向、频率、天线极化方式方向角等参数。

数据库输入均为用户在设置参数界面上设置过的内容。包括设置地面固定/运动通信平台及载荷参数、中继平台及载荷参数、地面变频器参数，并规划平台间载荷通信的时段。

输出：12)地面通信平台及载荷、地面变频器参数。

27)中继平台及载荷参数。

数据库组件的输出是根据输入的各类平台参数、类型从数据库中选取平台和零件组装成的通信平台及其通信载荷、地面变频器、无人机中继平台及其通信载荷。

(4)地面通信平台模型：构建了各个固定/运动地面通信平台模型，可向用户展示。

输入：5)部署运动通信平台。即设置运动通信平台通信时段，设置各通信平台运动包括行驶起点坐标、途经点坐标、终点坐标、每段路径行驶最高速度、最高加速度等。用户通过地图选多个关键点，设置点与点之间平台运动时间、运动速度、加速度等运动规划参数，部署地面运动通信平台的运动方案。

7)部署固定通信平台。即设置其位置、通信频段、信号发射方向、开关机时间段等参数。

12)地面通信平台及载荷、地面变频器参数。

20)地面通信平台实时信息。

30)修改平台参数及运动/机动方案。

模型输入为用户初始设置或修改后的地面固定/运动通信平台、载荷、地面变频器参数，运动通信平台部署方式和固定通信平台机动方案，以及通过综合计算组件计算得出的地面通信平台实时信息。

输出：16)地面平台通信参数。

19)运动通信平台部署方案。

(5)中继平台模型：构建了无人机中继平台模型，可向用户展示。

输入：6)部署中继平台。即设置无人机运动，包括行驶起点坐标，终点坐标、绕飞中心坐标、绕飞半径、绕飞高度、飞行速度、巡航时间等。用户通过地图选多个关键点，设置点与点之间平台飞行时间、飞行速度、加速度等运动规划参数，部署中继平台的运动方案。

21)中继平台实时信息。

27)中继平台及载荷参数。

31)修改中继平台参数及运动方案。

模型输入为用户初始设置或修改后的中继平台、载荷参数，无人机飞行的运动方案，以及通过综合计算组件计算得出的无人机实时信息。

输出：13)中继平台部署方案。

14)中继平台通信参数。

(6)路径规划模型：存储不同种类地面平台和无人机的路径规划计算公式，可根据设置的运动规划参数计算出平台具体的运动规划方案。

输入：13)中继平台部署方案。即中继平台运动规划参数。

19)运动通信平台部署方案。即运动通信平台运动规划参数。

模型组件输入为用户设置或修改后的各通信/中继平台运动部署方案中的运动规划参数。

输出：23)中继平台运动规划。

24)运动通信平台运动规划。

模型组件输出为组件计算后得出的平台具体运动规划，包括路径规划、速度规划。

(7)电磁波传播模型数据库：存储各种不同频率电磁波在不同自然环境影响下的电波传播经验公式。

输入：11)地形信息。

14)中继平台通信参数。

15)气象水文实时信息。

16)地面平台通信参数。

21)中继平台实时信息。

33)噪声环境信息。

输出：22)电磁波传播模型。即根据各信息计算得到的不同时刻、不同环境影响条件下各通信平台通信时的电磁波传播模型。

(8)噪声模型数据库：存储对各种不同频率电磁波在不同传播条件下可能对其传播造成干扰的噪声类型。包括自然环境噪声和人为干扰噪声两大类。

输入：32)设置噪声环境。

输出：33)噪声环境信息。

(9)综合计算组件：按照时间顺序统筹规划其他各组件的调度顺序。

输入：8)载荷通信规划。

10)时空基准。

11)地形信息。

18)气象水文参数。

22)电磁波传播模型。

23)中继平台运动规划。

24)运动通信平台运动规划。

输出：15)气象水文实时信息。

17)电磁波传输实时信息。

20)地面通信平台实时信息。

21)中继平台实时信息。

25)机动方案。即根据输入参数计算得出的整个仿真过程地面平台、无人机运动情况和电磁波传输情况。

26)不同条件下机动方案通信情况。有无无人机、默认气象和设置气象等不同条件下形成的不同机动方案。

组件输出为通过不同时间调用不同其他组件，综合得出整个仿真中各时刻的气象水文、通信/中继平台、电磁波传输实时信息，以及得出在改变输入条件后形成的不同平台机动方案和方案的整体通信情况。

(10)时空基准模型：为综合计算组件提供时间基准和空间基准点，作为调度和计算的时间零点和地理位置零点。

输出：10)时空基准。

(11)评估组件：包括评估无线通信的各种指标参数，对不同通信情况做出对比和评估。

输入：8)载荷通信规划。

26)不同条件下机动方案通信情况。

输出：28)评估结果。评估结果有两类：

①任务效能指标。根据仿真前设置的载荷通信规划内容，评估无人机参数及路径规划是否实现通信需求。

②技术性能指标。评估不同对比条件下的信号延迟时间、信号连通率、信号连通个数、信道质量、二次转换失真率、(二次转换后)信号叠加干扰度、同时服务用户数等。

(12)可视化组件：包括可视化显示的软件和硬件结构，对电磁态势、通信平台、通信场景、评估结果可视化显示。

输入：11)地形信息。

15)气象水文实时信息。

17)电磁波传输实时信息。

20)地面通信平台实时信息。

21)中继平台实时信息。

25)机动方案。

28)评估结果。

输出：29)信息可视化结果。对输入的内容都进行可视化展示。包括通信平台的辐射模型、平台二维模型、通信平台行驶路径显示、无人机中继平台飞行路径显示、自然场景(地形地貌和气象水文等)显示、无人机通信覆盖范围显示、进行通信的平台是否实时连通显示、评估结果的显示等内容。

2.系统功能模块

系统主要实现的功能可用UML用例图表示，如图3所示。

本仿真系统将使用用户分为两大类：通信用户和导调方用户。通信用户设置通信平台及其部属，导调方设置通信场景及通信中的自然环境干扰。系统可视化结果和评估结果可以同时向通信用户和导调方用户显示。对用户的分类可以实现对通信用户的训练，使通信用户在导调方所设置的通信场景和通信干扰条件下，通过设置不同的通信参数、中继路线等方式完成无人机对地面平台的中继效果。

上述系统功能可归纳为五大类：

(1)设置自然环境。自然环境包括地形地貌、噪声环境与气象水文，通过选取地形模型数据库中某地区地图，即得到该区域的地形地貌特征，高程数据等信息，在仿真开始后地图不能随意更改。对于地面通信产生的各种噪声以及对某地区气象水文各个参数的设置可以在仿真前进行，也可在仿真开始后实时修改。

(2)设置通信装备。需要设置的通信装备主要包括需要进行通信的地面平台，和对信号进行转发的无人机中继平台。两类平台的设置包括对平台类型的选取，参数的设定，以及平台搭载通信载荷的选取与参数设定，仿真开始后平台的各个参数值也可以修改。

(3)部署平台。仿真中可能有运动平台和固定不动的平台。

对运动平台的部署主要包括其通信载荷与其他平台进行通信的规划，规划通信双方的平台编号、通信频段、通信时长等。还需部署平台运动路线、运动速度等，通过用户在地图选取运动起始点、终点及多个途经点，设置运动最高加速度、最高运动速度，系统自动生成平台轨迹规划。

对固定平台的部署首先也包括通信载荷规划，规划内容与运动平台相同。其次还要设置固定平台的机动方案，包括开关机时间、指向性强的一类装备通信方向等。

(4)可视化显示。用户可选择仿真过程中对各通信平台电波传播场强二维可视化显示，或对地图任意区域融合电磁态势的二维或三维可视化显示。

(5)仿真结果评估。评估结果有两类：一是任务效能指标，评估本次仿真中设置的无人机通信参数及路径规划等是否能完成所有地面通信平台的通信规划；二是技术性能指标，评估并对比通过无人机中继的通信方式和仅采用视距通信，两种通信方式的通信质量。指标参数包括信号延迟时间、信号连通率、信号连通个数、同时服务用户数等。

其中导调方用户可实现第一、第四、第五项功能，即设置自然环境、进行可视化显示和仿真结果评估；通信用户可实现第二、第三、第四、第五项功能，即设置通信装备、部署平台，进行可视化显示和仿真结果评估。

对以上五项各项功能的实现需要按照一定的顺序进行。首先需要用户在仿真开始前对仿真对象和条件进行设置，之后系统对整个通信流程进行动态仿真，期间可进行某些参数的修改，系统内部自行进行判断平台间能否连通，并进行综合计算，对各平台及其运动情况和整个通信场景中融合的电磁态势可视化显示，对通信场景的环境可视化显示。最后仿真结束可对通信情况做出评估。系统运行流程可用UML活动图表示，且根据各功能实现的主体不同活动图又分为了通信用户、导调方用户、仿真系统三个泳道表示。

图中，整个系统的运行流程可按仿真划分为三个大部分：即系统开始仿真前，系统仿真时，和系统结束仿真后。

(1)仿真开始前：

通信用户首先通过软件，输入用户名密码登录系统，之后设置所有有通信需求的地面通信平台、设置对信号进行转发的中继平台，设置内容包括通信平台数量，通信范围，类型选择等参数。下一步，平台设置搭载的载荷，设置内容包括载荷类型选择、载荷发射功率、频率，天线类型选择、天线极化方式、方向角等参数。最后一步，用户对选定的平台进行部署，部署地面平台运动路线、行驶时间、行驶速度加速度等；并设定载荷通信规划，即设定仿真开始后哪些时间段内哪些平台之间需要进行通信。

导调方用户同样首先登录系统，下一步设置仿真中整个通信场景的自然环境、噪声环境。自然环境就包括选择地图和设置气象水文环境。地图的选择可让用户从已有地图中框选一部分作为仿真环境，也可直接选择并导入现有数据库中的地图；设置气象水文环境包括对环境的温度、湿度、气压、尘埃粒子数、云量、太阳活动情况等参数的设置，进一步可设置某小范围区域的降雨、大风等特殊现象。设置噪声环境内容包括噪声类型、持续时间段、频率等参数。

(2)仿真时：

系统通过对仿真开始前设置参数的分析，自动进行仿真综合计算。期间用户可能会与系统进行交互，比如通信用户需要修改平台参数和运动方式，或导调方需要修改气象水文环境和噪声环境。用户修改完成后系统将对所有信息综合分析，根据载荷通信规划判断平台之间能否通过视距或中继的方式进行通信，计算出整个系统运动过程中的所有电磁态势，并实时对平台通信是否连通、电磁态势、气象水文环境、各点地形地貌进行动态可视化显示。

(3)结束仿真后：

系统对整个动态仿真过程进行评估，一是评估本次仿真中设置的无人机通信参数及路径规划等是否能完成所有地面通信平台的通信规划；二是评估并对比通过无人机中继和仅采用视距通信的通信方式，各自通信质量如何。评估参数包括信号延迟时间、信号连通率、信号连通个数、同时服务用户数等。

其中，系统仿真时可自动完成对各类信息的计算及可视化，采用的办法主要是通过仿真引擎对各组件进行自动的综合调度实现。下面图4(a)是对系统最关键的综合调度流程与规则的展示。

图4(a)为系统运行组件调度图，表示整个系统的仿真计算步骤，通过对各组件的调用可以分析出各时刻通信平台间连通情况，实时地形、水文情况，并对仿真后的通信质量做出评估。系统运行的调度计算主要包括三个内容：1、重复调用图4(b)、图4(c)的规则计算系统中所有有通信对话的通信平台之间是否可通过视距通信方法或无人机中继实现无线通信。对于可正常通信连线可视化表示，对于各平台场强以及整个通信场景的电磁态势进行融合可视化展示。2、根据平台运动模型求得以一个仿真步长为单位的下一时刻个通信平台的位置，并求得该位置地形地貌和气象水文情况，利用可视化模块展示给用户。3、仿真结束后通过计算通信信号延迟时间、信号连通率、中继通信信号连通率、中继同时服务用户数等参数对通信及中继质量进行评估。

图4(b)为视距通信电波传播计算组件调度图，通过对系统各组件调用计算得出两地面平台之间是否可以通过视距通信的方法进行正常通信。计算过程主要分为四个步骤；1、分析信号发送方A的运动状态，得到A实时位置。2、分析A载荷通信规划，得信号接收方B及其位置。3、分析信号传播情况，考虑电波传播的各种信号损耗，得到A发射信号经路径、环境损耗后到达B时的功率。4、通过信号到达B的功率与B接收灵敏度对比分析信号能否被B收到、两平台能否正常通信。

图4(c)为中继通信电波传播计算组件调度图，通过对系统各组件调用计算出两地面平台之间是否可以通过无人机中继的方法进行通信。计算过程主要分为六个步骤：1、通过系统计算模型得到地面通信平台A和无人机C的当前时刻位置。2、计算A发射信号的电波传播场强，考虑各种自然环境影响其得到信号的损耗，最后得到A发射信号经路径损耗后到达C的功率。3、通过信号到达C的功率与C灵敏度对比，分析信号能否被C收到。4、根据A通信规划得到通信接收方通信平台B及其当前所在位置。5、计算C转发信号经自然环境产生的信号损耗，求得C发射信号实际到达B的信号场强。6、通过B的接收信号场强与B灵敏度对比，分析信号能否被B接收识别。以上步骤中若A与C正常通信，C与B正常通信，则可判断AB平台之间可通过无人机中继C实现正常通信；若有有一方或双方都无法完成通信，则AB无法利用无人机实现通信。

本发明中对于电波传播的计算考虑到实际传播过程中自然环境条件下，传播路径造成的损耗、气候等因素造成的信号衰落、噪声干扰等情况。其中自然环境对通信信号的影响可通过不同传播模型加环境影响因素组成的经验公式计算得到。表1为VHF/L频段主要传播模型：

表1VHF/L频段电波主要传播模型

因此，VHF频段电波传播场强预测计算公式为：

E_VHF＝E_S(d)+E_d(d)+E_t(d) (1-1)

式中E_S(d)为电波从信号发送方以空间波形式空间波经传播距离为d通过地(水、海)面传递至接收方时的电波场强；

E_d(d)为电波从信号发送方波通过单刃、双刃、多刃行障碍绕射传播至距离为d的接收方时的电波场强；

E_t(d)为电波从信号发送方通过对流层散射传播至距离为d的接收方时的电波场强。

L频段电波传播场强预测计算公式为：

E_VHF＝E_S(d)+E_d(d)+E_t(d)+E_v(d) (1-2)

式中E_S(d)、E_d(d)、E_t(d)含义同上；

E_v(d)为电波从信号发送方以视距传播方式传递至距离为d的接收方时的电波场强。

E_S(d)、E_d(d)、E_t(d)、E_v(d)可根据各自经验公式求得。以E_v(d)为例，考虑到自然环境影响及视距传播中的多径效应、聚焦效应、大气吸收效应等，视距传播预测流程如图5所示。

由该预测流程得出视距传播场强经验公式为：

E_v(d)＝74.7+P_t+G_t+G_r-20log d-E_s(p)-A_g(dBμV/m) (1-3)

其中

式中P_t——发射功率(dBW)；G_t——发射天线增益(dB)；

G_r——接受天线增益(dB)；d——传播距离长度(km)；

A_g——大气吸收衰减(dB)；γ_o——干空气衰减率；

γ_w(ρ)——水汽衰减率；ρ——水汽密度(g/m³)。

上面结合实施例对本发明的实施方法作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明说明书中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (3)

1.一种基于技侦模式的空地通信系统的仿真装置，其特征在于：它仿真的系统模块包括通信场景模块、地面通信装备模块、无人机模块、平台运动模块、电波传播模块、仿真引擎模块、评估模块和可视化模块；

通信场景模块仿真整个通信场景中的自然环境，包括地形模型数据库、气象水文模型数据库组件；地形模型数据库存储地图和地图各点经纬度、高程、地形地貌特征；气象水文模型数据库组件存储用户对某地区气象水文参数设置，包括水汽密度、降雨率、温度、云量、压强；

地面通信装备模块完成对通信装备发射机、接收机、收发天线的数学建模，包括地面通信平台模型组件，直接调用通信装备模型数据库；通信装备模型数据库存储不同型号、不同规格的VHF频段发射机、接收机、天线以及通信装备平台的各种参数指标；地面通信平台模型组件利用Matlab软件对采用超短波通信的不同参数发射机接收机进行仿真；

无人机模块完成对侦收天线、发送天线、发射机、接收机建模，包括中继平台模型组件，直接调用通信装备模型数据库；通信装备模型数据库中也存储了所有仿真中可能用到的不同类型的无人机及L频段发射机、侦收机、天线；中继平台模型组件同样利用Matlab软件对侦收机、及天线进行仿真；

平台运动模块模拟地面通信平台和无人机按照设置路径及行驶速度进行的运动，包括路径规划模型组件，对各地面通信平台运动路径曲线拟合，对运动速度具体计算；对无人机飞行路径模拟，对飞行速度具体计算；

电波传播模块分析不同通信条件下采用哪种电波传播模型，包括电磁波传播模型数据库、噪声模型数据库组件；电磁波传播模型数据库存储了VHF/L频段电波利用不同方式进行传播的电波传播经验公式；噪声模型数据库组件存储了不同传播方式和传播路径中可能存在、影响通信的噪声电波；该模块根据实时地形地貌、气象水文条件选取主要电波传播经验公式，综合计算组件根据经验公式，综合计算出考虑了路径损耗、气象条件损耗、地形遮挡、及噪声环境因素影响后某点的场强值，从而得出两地面通信平台或地面通信平台与无人机之间是否能够正常通信；

仿真引擎模块通过调度规则对其他组件按时间顺序调度安排，从而实现整个系统的顺利运行，包括综合计算组件和时空基准模型，按照时空基准提供的时间空间基准点，通过调度组件，最终使得系统实现以下仿真内容：不同自然环境条件对通信质量产生的影响、地面超短波通信装备发送与接收无线电信号的过程、所述中继平台模型组件对地面用频装备的各频段信号的侦收和中继转发的过程、地面通信装备间视距通信的过程，和地面通信装备通过无人机中继转发信号实现通信的电波传播的过程、各地面通信平台电磁态势的实时显示、各平台之间是否连通的实时显示；

评估模块在动态通信仿真结束后对整个流程中信息传播质量做出评价，对不同通信方式下的通信质量、传输时间做出对比，包括评估组件，对评估结果列表、绘图展示，并有导出功能；

可视化模块对整个作战场景中的通信平台、中继平台、自然环境进行可视化建模，还要对各通信平台电磁态势可视化显示，包括可视化组件，实现通信平台、中继平台、自然环境、电磁态势的二维及三维建模。

2.根据权利要求1所述的基于技侦模式的空地通信系统的仿真装置，其特征在于：所述的地形模型数据库用于存储不同地图及其各经纬度高程数据、地形地貌信息；所述的气象水文模型数据库用于存储地图各区域会对通信质量造成影响的气象水文信息；所述的通信装备模型数据库用于存储现有常用的各类型通信平台、通信载荷，以及各种常用无线通信系统的组成零件；所述的地面通信平台模型构建了各个固定/运动地面通信平台模型，向用户展示；所述的中继平台模型构建了无人机中继平台模型，向用户展示；所述的路径规划模型存储不同种类地面平台和无人机的路径规划计算公式，根据设置的运动规划参数计算出平台具体的运动规划方案；所述的电磁波传播模型数据库存储了各种不同频率电磁波在不同自然环境影响下的电波传播经验公式、噪声模型，数据库中也存储了对各种不同频率电磁波在不同传播条件下可能对其传播造成干扰的噪声类型，包括自然环境噪声和人为干扰噪声两大类；所述的综合计算组件按照时间顺序统筹规划其他各组件的调度顺序；所述的时空基准模型为综合计算组件提供时间基准和空间基准点，作为调度和计算的时间零点和地理位置零点；所述的评估组件包括评估无线通信的各种指标参数，对不同通信情况做出对比和评估；所述的可视化组件包括可视化显示的软件和硬件结构，对电磁态势、通信平台、通信场景、评估结果可视化显示。

3.根据权利要求2所述的基于技侦模式的空地通信系统的仿真装置，其特征在于：所述的系统模块将使用用户分为两大类：通信用户和导调方用户；通信用户设置通信平台及其部属，导调方设置通信场景及通信中的自然环境干扰；系统可视化结果和评估结果同时向通信用户和导调方用户显示；对用户的分类实现对通信用户的训练，使通信用户在导调方所设置的通信场景和通信干扰条件下，通过设置不同的通信参数、中继路线方式完成无人机对地面平台的中继效果；

上述系统功能可归纳为五大类：

(1)设置自然环境；自然环境包括地形地貌、噪声环境与气象水文，通过选取地形模型数据库中某地区地图，即得到该区域的地形地貌特征，及高程数据的信息，在仿真开始后地图不能随意更改；对于地面通信产生的各种噪声以及对某地区气象水文各个参数的设置可以在仿真前进行，也可在仿真开始后实时修改；

(2)设置通信装备；需要设置的通信装备主要包括需要进行通信的地面平台，和对信号进行转发的无人机中继平台；两类平台的设置包括对平台类型的选取，参数的设定，以及平台搭载通信载荷的选取与参数设定，仿真开始后平台的各个参数值也可以修改；

(3)部署平台；仿真中包括有运动平台或者固定不动的平台；

对运动平台的部署包括其通信载荷与其他平台进行通信的规划，规划通信双方的平台编号、通信频段、及通信时长；还需部署平台运动路线、及运动速度，通过用户在地图选取运动起始点、终点及多个途经点，设置运动最高加速度、最高运动速度，系统自动生成平台轨迹规划；

对固定平台的部署包括通信载荷规划和设置固定平台的机动方案，所述通信载荷规划，规划内容与运动平台相同；所述机动方案包括开关机时间、及指向性强的一类装备通信的方向；

(4)可视化显示；用户可选择仿真过程中对各通信平台电波传播场强二维可视化显示，或对地图任意区域融合电磁态势的二维或三维可视化显示；

(5)仿真结果评估；评估结果有两类：一是任务效能指标，评估本次仿真中设置的无人机通信参数及路径规划是否能完成所有地面通信平台的通信规划；二是技术性能指标，评估并对比通过无人机中继的通信方式和仅采用视距通信，两种通信方式的通信质量；指标参数包括信号延迟时间、信号连通率、信号连通个数、同时服务用户数；

其中导调方用户可实现第(1)、第(4)、第(5)项功能，即设置自然环境、进行可视化显示和仿真结果评估；通信用户可实现第(2)、第(3)、第(4)、第(5)项功能，即设置通信装备、部署平台，进行可视化显示和仿真结果评估。

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