CN109324244B - 一种用于无人机生存力评估的战场电磁环境生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无人机生存力评估的战场电磁环境生成方法，具体包括如下几个步骤：步骤一、设置电磁信号辐射源类型及组合；步骤二、建立雷达辐射源模型，采用线性调频作为脉冲雷达的脉内调制类型；步骤三、建立通信系统干扰辐射源模型；步骤四、建立导航系统干扰辐射源模型；步骤五、建立无人机机载端环境噪声模型；步骤六、建立无人机用多径地空信道模型；步骤七、将各辐射源组合输入步骤六建立的无人机用多径信道模型，合成无人机机载端综合电磁环境。本发明通过分类建立威胁辐射源模型，构建多径信道模型，生成的机载端电磁信号环境更接近真实情况，可供用户在信号层、数据层定量分析战场电磁环境对无人机机载用频设备的影响。

Description

一种用于无人机生存力评估的战场电磁环境生成方法

技术领域

本发明属于电磁环境仿真领域，具体涉及一种用于无人机生存力评估的战场电磁环境生成方法。

背景技术

无人机凭借零人员伤亡、高机动性的优势，在现代化战争中得到广泛应用，并由最初以侦察、情报为主的战场传感器平台逐步发展成为集情报获取、武器打击于一体的全新武器平台。然而，当无人机执行突防任务、陷入遭遇战等信息不完备的战场环境时，复杂多样的电磁信号会对无人机的生存构成严重威胁，这些信号主要来源于四方面：1)敌方雷达信号；2)对无人机数据链施加的通信干扰信号；3)对无人机导航系统施加的导航干扰或欺骗信号；4)其它对无人机机载设备产生电磁兼容影响的自然/人为电磁信号(参考文件[1])。当上述四方面电磁信号交叠在一起时，会产生互相不可预知的增强或抵消效应，形成了复杂的战场电磁环境(参考文件[2])。对无人机生存力产生影响的战场电磁环境可以定义为：在一定战场空间内对无人机机载电子系统产生影响的电磁活动和现象的总和。在实际战场环境中，除了电磁信号类型多样外，各类辐射源还会经常发生位置更新、频率切换、功率增减等变化，会导致战场电磁环境呈现出高度的动态性(参考文件[3])，这给无人机的生存力增加了新的困难。针对上述问题，可行的解决方案是在实验室环境下构建用于无人机生存力评估的战场电磁环境仿真系统(参考文件[4]和参考文件[5])，验证复杂电磁环境对无人机机载用频设备的影响，分析并改进相应电子系统的设计、级联和安装等以解决复杂电磁环境对无人机的影响问题。

现有的电磁环境仿真工作主要是从能量(功率)域上对电磁信号的传播特性进行仿真，其核心依赖于建立与实际电磁信号衰减特性相符的电磁波传播模型。虽然电磁场理论中的麦克斯韦方程组Maxwell's Equations能精确计算与描述各类电磁信号在空间中的传播特性，但由于方程组求解代价过高，在实际中很难将麦克斯韦方程组直接用于电磁环境的解析和构建。因此，研究人员转向利用数学模型对电磁波传播通道进行逼近，并开发了大量电磁波传播模型，以期通过较低的计算开销得到近似麦克斯韦方程组的计算结果，目前常用的传输损耗模型有Okumura模型、Okumura-Hata模型和Longley-Rice模型等(参考文件[6])。然而，上述模型都是在能量域计算电磁波的空间传输损耗，真实的电磁环境涉及电磁信号的诸多特征，如来波方向、频率和信号形式等，因此完备的战场电磁环境除了能够反映电磁波的能量特征，还需要包含电磁波在其他维度上的特征，如空域、频域和时域特性。对于无人机生存力评估而言，仿真系统生成的电磁波要可供用户定量分析各类电磁信号对机载电子设备性能的影响，如机载通信系统、导航系统和其他电子设备等。

另外，电磁环境仿真系统还应考虑电磁波通过无线信道后在信号层和数据层产生的变化。由于地理地形的影响，机载端除了接收到辐射源的直射信号，还会接收到信号途径传播空间障碍物时的折射和绕射信号。经过不同路径到达接收端的信号功率衰减和时间延迟不同，形成复杂的“多径效应”(参考文件[7])，这会增加机载端电磁环境的复杂性，给机载通信/导航接收机造成较大的码间干扰。因此，对于无人机生存力评估应用而言，仿真系统生成的电磁环境不但要支撑用户定量分析机载电子设备性能，还应反映电磁波通过无线多径信道后产生的变化。

参考文献：

[1]张薇玮，丁文锐，刘春辉.复杂环境中无人机数据链干扰效果预测方法系统工程与电子技术[J],2016,38(4):760-766.

[2]王汝群.战场电磁环境[M].北京：解放军出版社，2006.

[3]赵晶，刘义，来庆福，冯德军，王雪松.防空作战电磁环境建模与仿真[J].系统仿真学报,2012,24(2):258-262

[4]Endsley M R，Toward a Theory of Situation Awareness in DynamicSystems[J].Human Factors Journal,1995:37(1):32-64.

[5]Endsley M R，Garland D J.Situation Awareness Analysis andMeasurement[M].Lawrence Erlbaum Associates,Ma hawah,New Jersey,USA,2000.

[6]郭淑霞，周士军，高颖，葛飞.复杂战场电磁环境建模与电磁态势可视化技术[J].西北工业大学学报,2015(3):406-412.

[7]苏玉瑞，吴彦鸿，刘鹏军，王立冬，尹照武.复杂地形环境中电磁波多径传输建模与仿真[J].舰船电子工程,2009,29(1):168-172.

发明内容

本发明针对于战场机载端复杂的电磁环境对无人机机载通信接收机，导航接收机等造成的影响，提出了一种用于无人机生存力评估的战场电磁环境生成方法。

本发明提供的一种用于无人机生存力评估的战场电磁环境生成方法，包括以下几个步骤：

步骤一、设置电磁信号辐射源类型及组合，选取三类电磁辐射源，包括雷达辐射源组合、通信系统干扰辐射源和导航系统干扰辐射源；

步骤二、建立雷达辐射源模型，采用线性调频作为脉冲雷达的脉内调制类型；

步骤三、建立通信系统干扰辐射源模型，包括单音干扰、多音干扰、扫频干扰和随机二元码调制干扰；

步骤四、建立导航系统干扰辐射源模型，导航系统干扰方式分为压制式干扰和欺骗式干扰压制干扰；

步骤五、建立无人机机载端环境噪声模型，机载端环境噪声v(t)建模为对称α-stable模型噪声，对称α-stable模型噪声的分布函数

如下：

其中，α为特征指数，γ为散度，t为时间；

步骤六、建立无人机用多径地空信道模型；建立反映各类电磁信号辐射源与无人机之间电磁信号传输的多径信道模型如下：

其中，h(τ；t)为信道冲激响应；τ表示传输延迟；α_i(t)为t时刻第i条路径的衰减因子；n为正整数；j为虚数单位；f_c表示信号发射频率；δ为冲击响应函数，τ_i(t)表示第i条路径的传输延迟；

步骤七、将相应数量的雷达辐射源组合、通信系统干扰辐射源组合、导航系统干扰辐射源和机载端环境噪声输入步骤六建立的无人机用多径信道模型，合成无人机机载端综合电磁环境模型，表示如下：

其中，X_synthetise(t)为机载端综合电磁环境，h(t)为多径信道模型，S(t)为辐射源输入，v(t)为机载环境噪声。

本发明与现有技术相比，具有以下明显优势：

(1)分类建立威胁辐射源模型，使产生电磁辐射源有针对性的用于无人机生存力评估；

(2)构建多径信道模型，使生成的机载端电磁信号环境更接近真实情况；

(3)生成的综合电磁环境可供用户在信号层、数据层定量分析战场电磁环境对机载用频设备的影响。

附图说明

图1为本发明的无人机生存力评估的战场电磁环境生成方法流程图；

图2为本发明的雷达辐射源信号时域图；

图3为本发明的通信系统干扰辐射源信号时域图；

图4为本发明的导航系统干扰辐射源信号时域图；

图5为本发明的机载端环境噪声信号时域图；

图6为本发明的多径信道的抽头延迟线(TDL)模型示意图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

本发明针对现有无人机生存力评估，提供了一种用于无人机生存力评估的战场电磁环境生成方法。利用各类辐射源的数学模型生成影响无人机机载电子设备性能的电磁信号，通过建立与实际地空通信信道相符的多径信道模型，计算获得到达机载设备端的电磁信号的时域表达式，在加入机载端噪声后，合成无人机机载端综合电磁环境。生成的电磁信号可用于定量分析电磁环境对用户提供对机载通信接收机、导航接收机等电子设备功能和性能的影响。本发明方法的具体流程如图1所示，下面具体说明各个实现步骤。

步骤一：设置电磁信号辐射源类型及组合。

本发明方法是面向复杂战场电磁环境生成，首先应着重分析和建立对无人机机载用频设备构成威胁的不同类型电磁信号模型。本发明选取了对无人机机载电子用频设备影响最大的三类电磁辐射源，包括雷达辐射源组合、通信系统干扰辐射源和导航系统干扰辐射源。上述三类辐射源的数量、运动特性和工作参数等都可根据不同场景进行更改，以适应不同无人机任务类型的复杂电磁环境仿真系统需求。

步骤二：建立雷达辐射源模型。

雷达体制繁多，其发射信号的形式也复杂多样，本发明选用典型的脉冲雷达来建立雷达辐射源的信号模型，并采用应用最为广泛的线性调频作为脉冲雷达的脉内调制类型。脉冲雷达的信号时域s_radar(t)表达式如下：

其中，A表示信号幅度，rect(t)表示信号的矩形包络，f₀表示信号的中心频率，μ表示信号的线性调频系数，μ＝B/τ，B为信号带宽，τ表示传输延迟；j表示虚部单位，t表示时间。图2为本发明的雷达辐射源信号时域图，可见典型的脉冲雷达信号呈现出明显的脉冲特性。

步骤三：建立通信系统干扰辐射源模型。

本发明选取四类典型通信系统干扰辐射源，包括单音干扰和多音干扰、扫频干扰和随机二元码调制干扰，上述四种类型的干扰信号如下：

(1)单音干扰。单音干扰指在某一频点发射连续波的干扰信号，在时域中表现为正弦或余弦函数，表达式可写为

s_{single_tone}(t)＝Acos(2πf_it+θ) (2)

其中，A表示信号幅度，f_i为信号干扰频率，θ表示干扰的初始相位，s_{single_tone}(t)为单音干扰辐射源。

(2)多音干扰。多音干扰可以认为是多个频点单音干扰的集合，所干扰的频点可以是随机的也可以是固定的，在时域中可写为

其中，A_n和θ_n分别为第n个干扰信号的幅度和相位，f_in为第n个干扰信号的干扰频点，s_{multiple_tone}(t)为多音干扰辐射源。n为正整数。

(3)扫频干扰。扫频干扰在部分频段内表现为动态扫频，其时域表达式为：

其中，A(t)为t时刻的幅度，β是扫频速率，f表示初始频率，

是扫频干扰初始的相位，s_sweep(t)为扫频干扰辐射源。定义T为扫频持续的时间，A(t)表达式为

(4)随机二元码调制干扰。随机二元码调制干扰是通过扩频获得的干扰，调制方式为二进制相移键控BPSK，干扰信号和传输信号在接收端会同时进行解调和解扩，若干扰与传输信号具有相同的载频、扩频序列并且伪码同步时，接收端接收信号误码率将会十分严重。当随机二元码调制干扰带宽大于传输信号时，认为是宽带干扰，反之认为是窄带干扰。随机二元码调制干扰表达式与扩频信号相同，其时域表达式为：

其中，s_random(t)表示随机二元码调制干扰辐射源，A为干扰信号的幅度，n为二元码函数的个数，θ为干扰的初始相位，f_i为信号干扰频率，a_n表示第n个二元码函数的幅度，g()为随机二元码产生函数，T_b表示随机二元码产生周期。

图3为上述四类通信系统干扰辐射源的信号时域图。如图3所示：单音干扰信号呈现正弦特性；多音干扰信号尽管所包含的多个单音信号幅度和频率不同，但仍呈现周期特性；扫频干扰信号的频率是随时间变化的二次函数，因而其辐射信号具有“扫频”特性；随机二元码调制干扰信号与单音信号相似，只是相位呈现随机变化。

步骤四：建立导航系统干扰辐射源模型。

导航系统干扰方式可以分为压制式干扰和欺骗式干扰压制干扰。其中：压制式干扰常采用频率瞄准技术使干扰载频精确对准机载导航系统的信号载频，并采用相同的调制方式和伪码序列实施大功率压制干扰；欺骗式干扰需要知道伪码码型和当时的导航电文，以GPS信号为例，由于无法得到M码和Y码，因此无法直接产生用于导航欺骗的导航信号，较为有效的方法是转发欺骗式干扰，即利用转发真实的卫星导航信号，并附加一定的时延，使接收机得到错误的伪距，从而导致定位错误。因此，以GPS信号为例，压制式干扰和欺骗式干扰压制干扰均可通过如下时域表达式进行建模：

其中，s_navigation(t)表示导航系统干扰辐射源，s_f1(t)表示GPS在f₁＝1575.42MHz频点上的信号，s_f2(t)表示GPS在f₂＝1227.60MHz频点上的信号，A_p、A_c和B_p是相对幅度，p表示GPS信号P码、c表示GPS信号C/A码，D(t)表示编码脉冲，P(t)表示P码，CA(t)表示C/A码。图4为GPS干扰辐射源的信号时域图。如图4所示，GPS干扰信号呈现较强的伪随机高斯特性。

步骤五：建立无人机机载端环境噪声模型。

除了步骤二至步骤四所述电磁辐射源外，本发明还对无人机机载端的噪声环境进行建模。典型的机载端电磁噪声包含接近高斯分布的自然环境噪声、机载设备电气开关状态变化的低幅值脉冲噪声和空中雷电产生的高幅值脉冲噪声，因此机载端噪声呈现较强的非高斯特性。本发明将机载端环境噪声v(t)建模为描述非高斯脉冲噪声的有效模型—对称α-stable模型噪声，对称α-stable模型噪声的分布函数

如下：

其中，α为特征指数，γ为散度，t为时间。

图5为本发明的机载端环境噪声信号时域图。如图5所示，机载端环境噪声呈现较强的非高斯特性，并伴随着低概率的大功率脉冲信号。

步骤六：建立无人机用多径地空信道模型。

在建立雷达系统、通信干扰、导航干扰辐射源和机载端噪声环境模型之后，本发明第六步骤将建立能反映各类电磁信号辐射源与无人机之间电磁信号传输的多径衰落信道模型。信道模型建立方法常包括通过测量获得信道冲击响应参数模型、高频近似模型、统计模型、参数随机模型等，其中统计模型是最有效的模型实现方法，该方法假设信道为广义平稳随机信道，以抽头延迟线(tapped-delay line,TDL)的形式表达，本发明沿用这一思路。

图6为本发明多径信道的抽头延迟线(TDL)模型：在不考虑噪声情况下，可将信道冲激响应表示为h(τ；t)，信道冲激响应可视为一组加权脉冲的叠加，s(t)是信道的输入信号，τ₀,τ₁,τ₂,…,τ_n为不同路径的时延，在t时刻的信道响应取决于t-τ时刻的脉冲输入。

本发明中的多径信道模型的数学表达式可写为

其中，h(τ；t)为信道冲激响应，α_i(t)为t时刻第i条路径的衰减因子；n为正整数；j为虚数单位；f_c表示信号发射频率，τ表示传输延迟，δ为冲击响应函数，τ_i(t)表示第i条路径的传输延迟。如果将多条路径细分为视线、反射以及多条路径的散射路径，式(9)可改写为

其中，等号右边三部分，第一部分代表视距，第二部分代表地面反射，第三部分求和表示的是n-1条散射多径成分。α₀(t)为视距直达信号幅度、α_g(t),g＝1为地面反射信号幅度，α_i(t)为第i条路径传输信号幅度。τ₀为直射路径(即视距路径)的传输延迟，τ_g为地面反射路径的传输延迟。式中假设视距成分的相位是0，其它成分的相位均是相对于视距成分相位的差值。Δr为反射路径与直射路径的长度差；λ为波长；反射系数Γ(t)是一个复数

其中0≤ξ≤1，φ_g(t)是反射电磁信号的相位，地面反射系数与频率、极化方式有关，反射系数相位和直射反射路径差值是反射路径相位偏移的来源，φ_i(t)为散射路径的相位相对偏移量，经过信道传输后的信号x(t)可写为

其中，

s(t)为辐射源发出的信号，若路径数目无穷，各路径的时延差很小时，为简化仿真系统设计，h(t)可以选择ITU标准的11阶城市环境无线信道模型，其冲击响应系数为[0.6964 0.6207 0 0.2471 0.2202 0 0 0.1238 0 0 0.0696]。

步骤七：合成无人机机载端综合电磁环境。

本发明最后一步将实现无人机机载端综合电磁环境的合成，其具体做法为：将相应数量的雷达辐射源组合S_radar(t)＝{s_{radar_1}(t)s_{radar_2}(t)...s_{radar_m}(t)}、通信系统干扰辐射源组合S_datalink(t)＝{s_{single_tone_i}(t)s_{multiple_tone_i}(t)s_{sweep_i}(t)s_{random_i}(t)}、导航系统干扰辐射源s_navigation(t)和机载端环境噪声v(t)输入步骤六建立的无人机用多径地空信道模型，其运算过程如下：

其中，X_synthetise(t)为机载端综合电磁环境，h(t)为多径信道模型，S(t)为辐射源输入，v(t)为机载环境噪声。

Claims (3)

1.一种用于无人机生存力评估的战场电磁环境生成方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、设置电磁信号辐射源类型及组合，选取三类电磁辐射源，包括雷达辐射源组合、通信系统干扰辐射源和导航系统干扰辐射源；

步骤二、建立雷达辐射源模型，采用线性调频作为脉冲雷达的脉内调制类型；

步骤三、建立通信系统干扰辐射源模型，包括单音干扰、多音干扰、扫频干扰和随机二元码调制干扰；

步骤四、建立导航系统干扰辐射源模型，导航系统干扰方式分为压制式干扰和欺骗式干扰压制干扰；

步骤五、建立无人机机载端环境噪声模型，机载端环境噪声v(t)建模为对称α-stable模型噪声，对称α-stable模型噪声的分布函数

如下：

其中，α为特征指数，γ为散度，t为时间；

步骤六、建立无人机用多径地空信道模型；

建立反映各类电磁信号辐射源与无人机之间电磁信号传输的多径信道模型如下：

其中，h(τ；t)为信道冲激响应，τ表示传输延迟；α_i(t)为t时刻第i条路径的衰减因子；n为正整数；j为虚数单位；f_c表示信号发射频率，τ_i(t)表示第i条路径的传输延迟，δ为冲击响应函数；

步骤七、将相应数量的雷达辐射源组合、通信系统干扰辐射源组合、导航系统干扰辐射源和机载端环境噪声输入步骤六建立的无人机用多径信道模型，合成无人机机载端综合电磁环境模型，表示如下：

其中，X_synthetise(t)为机载端综合电磁环境，h(t)为多径信道模型，S(t)为辐射源输入，v(t)为机载环境噪声。

2.根据权利要求1所述的一种用于无人机生存力评估的战场电磁环境生成方法，其特征在于，所述的步骤三中，建立通信系统干扰辐射源模型有四种：

(1)单音干扰指在某一频点发射连续波的干扰信号，表达式为：

s_{single_tone}(t)＝Acos(2πf_it+θ)

其中，A表示信号幅度，f_i为信号干扰频率，θ表示干扰的初始相位，s_{single_tone}(t)为单音干扰辐射源；

(2)多音干扰是多个频点单音干扰的集合，表达式为：

其中，A_n和θ_n分别为第n个干扰信号的幅度和相位，f_in为第n个干扰信号的干扰频点，s_{multiple_tone}(t)为多音干扰辐射源，n为正整数；

(3)扫频干扰在部分频段内表现为动态扫频，表达式为：

其中，A(t)为t时刻的幅度，β是扫频速率，f表示初始频率，

是扫频干扰初始的相位，s_sweep(t)为扫频干扰辐射源；定义T为扫频持续的时间，A(t)表达式为

(4)随机二元码调制干扰是通过扩频获得的干扰，表达式为：

其中，s_random(t)表示随机二元码调制干扰辐射源，A为干扰信号的幅度，n为二元码函数的个数，θ为干扰的初始相位，f_i为信号干扰频率，a_n表示第n个二元码函数的幅度，g()为随机二元码产生函数，T_b表示随机二元码产生周期。

3.根据权利要求1所述的一种用于无人机生存力评估的战场电磁环境生成方法，其特征在于，所述的步骤六中，将多条路径细分为视线、反射以及多条路径的散射路径，则得到：

上式中，等号右边三部分，第一部分代表视距，第二部分代表地面反射，第三部分求和表示的是n-1条散射多径成分；α₀(t)为视距直达信号幅度，α_g(t),g＝1为地面反射信号幅度，α_i(t)为第i条路径传输信号幅度；τ₀为直射路径的传输延迟，τ_g为地面反射路径的传输延迟；λ为波长，Δr为反射路径与直射路径的长度差；Γ(t)为反射系数，

0≤ξ≤1，φ_g(t)是反射电磁信号的相位；φ_i(t)为散射路径的相位相对偏移量。

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