分布式仿真环境下空空通信畅通区三维空间数据生成方法^*

赵 元，齐 锋，何 俊，张 坤

(国防科技大学电子对抗学院， 合肥 230037)

摘 要: 针对在分布式仿真环境中，通信畅通区数据交互量大、实时性差的难题，文中深入剖析了通信畅通区的计算机理，对通信干扰方程进行了分解，提出了模型成员只负责计算水平面上的数据，三维态势显示成员基于垂直面方向图进行全三维空间数据生成的采样方法，大大降低了仿真成员之间的网络开销。结合空中作战仿真案例，采用上述方法进行可视化仿真，可实时快速生成通信畅通区三维效果图，能够满足指挥员进行实时态势分析和作战决策的需求。

关键词: 分布式仿真；空空通信；通信畅通区；三维态势

0 引言

信息化条件下的现代空战中，空空通信是空中平台之间指挥引导和作战协同的重要途径。预警机对作战编队进行态势通报、指挥控制以及作战编队内部之间的作战协同都离不开空空通信。通信畅通区^[1]是衡量通信效能的主要战术指标，它是在通信发射机位置已知的条件下，能够与其保持通信畅通的接收机位置形成的区域。在态势上对通信畅通区进行可视化，可直观形象的展示通信装备的作战能力，对通信一方决策编队内部队形以及预警机与编队之间的位置关系具有支撑作用，同时对于通信干扰一方，也能够有效支持其干扰力量的配置、数量需求以及干扰时机等作战决策。

在和平时期，通过模拟的手段，构建一个贴近实战的虚拟战场环境，能给指挥员直观、形象的战场描述，为快速抢占电子战先机，把握战场态势，做出准确判断、科学决策意义重大^[2]。当前模拟训练系统大多采用基于HLA仿真架构^[3]的分布式仿真环境，在这个环境中，一般由进行作战行动模拟的多个模型成员和二三维态势成员组成。模型成员负责解算通信畅通区的数据，由态势成员完成通信畅通区的可视化，两个成员之间通过RTI(run-time infrastructure)^[4]进行数据交换。传统方法中，当数据交互采用全三维空间数据时，每部电台的数据量超过100 Kbit^[5]，在大规模作战仿真中(仿真实体成百上千)，对网络带宽要求高，很难满足实时性要求。

1 空空通信畅通区计算模型

1.1 无干扰下通信畅通区计算模型

自然通信畅通区是指以通信发射机为中心，最大通信距离为半径的圆^[6]。根据空空通信的特点及通信方程，计算最大通信距离时，考虑发射机和接收机使用鞭状天线，信号以自由空间波传播，可得R _max：

(1)

式中:P _t、G _t(θ ,φ )为通信发射机发射功率和增益；P _r(min)为通信接收机接收天线端的最小接收功率。

根据绿色GDP理念的特点，所谓绿色GDP就是要在现行的国民经济核算体系下，扣除自然虚数，同时增加由于生态环境保护而形成的GDP收入。自然虚数即对由于经济发展所造成的自然环境破坏的量化结果，其中应该包括：环境污染造成的环境质量的下降、自然资源的退化、长期生态退化所造成的损失、自然灾害所引起的经济损失、资源稀缺性所引发的成本等。

1.2 干扰条件下通信畅通区计算模型

将R _t和R _j在三维直角坐标系中表示(如图1),设空间中一点M 为通信畅通区边界点，则

≥K _a

(2)

式中:P _j、G _j为干扰机输出功率和发射增益；φ _t(R _t)为通信线路传播衰耗；φ _j(R _j)为干扰线路传播衰耗；q _rt为通信接收机天线在发射机方向上的接收增益；q _rj(θ )为通信接收机天线在干扰机方向上的接收增益；γ _j为干扰的极化损失；K _a为压制系数；Δf _j为干扰带宽，其余量意义同上。

式中:R 为受干扰后通信畅通区的半径。其余量意义同上。

(3)

令为干扰强弱系数，代入通信干扰方程得：

(4)

依据文献[7]中给出的二维空间通信干扰方程,考虑三维空间中俯仰角的影响，可将方程拓展到三维空间中如下式：

图1 通信畅通区边界点三维空间关系示意图

代入式(4)中得：

a ²(x ²+y ²+z ²)=(d -x )²+y ²+z ²

(5)

设R _t的长度为r ，则三维空间极坐标下的通信干扰方程表示为：

军庄镇由于富含奥陶系中统马家沟组石灰岩，这种石灰岩是用于制作水泥、电石、溶剂的最重要矿产资源.由于资源开发的需要，曾在这里修筑了通往采石场的公路，该公路横穿阴山沟向斜北翼岩层，形成了现成的、出露较好的地层剖面.

(a ²-1)r ²+2dr cosφ cosθ -d ²=0

(6)

可知，在确定俯仰角和方位角时可获得三维空间干扰条件下通信畅通区边界点通信距离。

1.3 计算模型分解

增益系数是衡量天线能量转换效率和方向特性的参数，它是方向系数与天线效率的乘积。即

G =η _AD

(7)

式中：η _A是天线效率，D 是方向系数。

三维空间中，在任一方向的方向系数D (θ ,φ )，与天线的最大方向系数D _max的关系为：

二是抓好项目运行。建立课题组项目运行分析例会制度和技术首席负责制度，加强课题组内部沟通，更好地发挥其整体攻关作用。发挥院学术委员会的技术决策作用，提高项目实施的针对性和科学性。加强科研动态跟踪，坚持项目季度对接检查考评制度，加强运行监督和考核，明确奖惩标准，确保项目研究计划的顺利完成及运行质量。健全制度化的学术交流机制，加强与国内外有较强实力的高校、科研机构的交流合作，促进科技创新能力和科研水平的提高。

D (θ ,φ )=D _maxF ²(θ ,φ )

(8)

将方位角θ 从0°到360°，以3°为间隔采样,两种强干扰情形的采样示意图如图3。

他的事业不断扩展，大部分时间，他在北京、南京、西宁、鄂尔多斯。但每年都会拿出一段时间外出进修。他还记得她的眼睛是怎样黯淡下去，似乎这些年他进修、参加音乐会，都与这黯淡下去的目光有关。

当俯仰角为0时，干扰强弱系数为通信干扰方程的常数项。当干扰强弱系数a >1时，意味着通信干扰较强，通信畅通区是以为圆心、半径为的圆的内部,可能有图2两种情形。

从西便门桥向北经北二环到东便门桥，全长16.5 km，中央隔离防撞墩采用特-4型钢筋混凝土防撞缘石，底宽50 cm，顶宽30 cm，外露40 cm。防撞墩上设置防眩板，高80 cm，宽10 cm，间距50 cm，通过螺栓直接锚固在防撞缘石上。防眩板两侧是方形钢护栏，高15cm，宽7cm，每隔1.5m通过螺栓固定在防撞缘石上方的立柱，如图3所示。

当干扰强弱系数α <1时,意味着干扰较弱，通信畅通区是以为圆心,半径为的圆形区域外部。

(9)

根据上式可知有无干扰条件通信设备在垂直面上某一方位(方位角θ 相同)的通信距离等于二维最大通信距离与天线归一化方向函数的乘积：

R _y(θ ,φ )=R _max(θ )F (θ ,φ )

(10)

式中:R _y(θ ,φ )为在方位角θ 和俯仰角为φ 的通信距离；R _max(θ )为在方位角θ 上的最大通信距离。

2 空空通信畅通区数据采样

根据上述的计算过程，采样过程为：根据接收到的数据，按照协议解析出干扰前后圆心位置、半径和干扰强度，计算得到水平面上各个方位的通信距离。进而进行空间采样，即根据各个方位上的最大通信距离，加入天线归一化方向函数，可得到全三维空间的数据。

2.1 水平数据采样

代入式(2)可得：

情形1干扰后的通信畅通区落入到自然通信区内部。设未受干扰时的圆心T 到通信畅通区边界的距离为M ，根据余弦定理：

(11)

式中:D 为干扰前后圆心的偏移距离；θ 为水平面方位角；r 为受干扰后通信畅通区的半径。

图2 强干扰下通信畅通区两种情形

情形2干扰后的通信畅通区有部分在自然通信区外部，此时通信畅通区为两个圆形区域的交集，如图中阴影部分所示。同理，在三角形中根据余弦定理：

(12)

在自然通信区外部的部分需要舍弃，这部分求解出的M >R ,只要令M =R ，即可求得阴影部分水平面的通信距离。

(13)

当通信接收机使用各向同性的鞭状天线,通信信号和干扰信号均为自由空间波传播方程可表示为：

（4）通过工艺优化试验探索，采用氯化铵直接沉淀法提取回收萃钯余液中的铂，可缩短工艺流程，减少中间物料的积存，减轻作业劳动强度，提高铂的直收率，具有较大的工艺应用价值。

式中：F (θ ,φ )为天线的归一化方向函数。

电力营销系统采用远程费控策略，通过终端智能电表的预警方式，及时提醒用户缴纳电费。另外通过与营销业务系统的开发，增加了用户缴纳电费的渠道，方便了用户，特别是移动终端手机微信和支付宝支付的方法，即方便了用户，又提高了供电公司电费的回收效率，降低了供电公司电费的回收风险。

如图4所示，圆心T 到通信畅通区边界的连线与压制区圆可能有一个或两个交点,以从圆心T 到边界的连线为压制区圆的切线入手，设相切时切线与X 轴的夹角

试件制作流程：首先切割钢管1060mm，焊接端板后通过加劲肋加强，再在管内浇筑再生混凝土，室内养护28d；然后将钢管再生混凝土柱放入工业箱型电阻炉进行高温试验，高温后自然冷却降至常温；最后是抗震试验前准备工作，如粘贴应变片、试件安装等。

图3 强干扰下通信畅通区两种采样情形

图4 弱干扰下通信畅通区情形1

当切点在自然通信区内的时候(即有两个交点)可将通信畅通区分为4个区域求解，按方位角可分为：[-θ ₀,θ ₀]，[θ ₀,θ ₁]，[θ ₁,2π-θ ₁]，[2π-θ ₁,2π-θ ₀]。式中：

(14)

当切点在自然通信区外(即有一个交点)的时候可将通信畅通区分成两部分求解，按方位角分为：[-θ ₁,θ ₁]，[θ ₁,2π-θ ₁]。

(1)我不知怎样,只觉自己在旋涡里边转。我从来没有经过这个现象,现在,竟转的我几乎昏去。唉!我莫非在做梦么?

(15)

采样步骤同强干扰，采样示意图如图5。

图5 弱干扰下通信畅通区采样情形

2.2 全三维数据采样

在获得二维平面采样数据的基础上，读取态势成员本地存储的天线归一化方向函数，顺序改变俯仰角φ 的值，由式(9)可得三维空间采样数据。目前空空通信无论是数据链，还是语音通信，通信方式主要采用超短波通信，通信天线多为各向同性的鞭状天线。根据文献[9]鞭状天线的归一化方向函数如表1。

3 实例仿真

实例背景：红军*型战斗机按照作战计划，沿指定航路对蓝军机场进行远程打击，蓝军**型预警机担负空中预警及指挥引导任务，当发现有敌方目标进入其防空责任区后，将通过机载数据链(超短波通信)，指挥引导编队内*型战斗机进行空中拦截。红军为掩护其飞机突防，在飞机航路上顺次部署*部预警机数据链干扰机，各干扰机之间部署距离在**km，按照行动计划，间隔*min依次开机干扰。在分布式仿真环境中，模型成员负责作战行动的模拟、建立对抗关系，并通过模型解算获得二维通信畅通区域，三维态势显示成员利用文中提出的方法，分别对接收到的无干扰，弱干扰和强干扰3种情况下的二维通信畅通区进行了数据采样和三维空间数据生成，并在三维地理信息系统上可视化，获得了实时、直观的通信畅通区三维动态图，如图6～图8。

表1 鞭状天线归一化方向函数及仿真图

图6是仿真时间为八时十四分时的态势图(仿真开始时间为八时零分)，此时红方飞机已飞入蓝方防空责任区，蓝方预警机引导其作战飞机进行拦截，红方飞行航路上部署的第一部干扰机由于距离预警机过远，干扰无效，此时预警机无干扰下的通信畅通区半径达450 km，能够正常引导其飞机出航。

图7是仿真时间为八时十九分时的态势图，红方飞机航路上部署的3部干扰机工作，由于干扰功率较小、距离过远，只对预警机指挥引导通信造成弱干扰，红方飞机航路方向预警机通信距离被压缩至196 km，但仍能够正常引导飞机。

1)如图6a所示情况，掘进机轴线与隧道设计轴线共线，此时不需要纠偏，控制支撑油缸伸缩量相等，保持稳定的运行姿态。

图8是仿真时间为八时三十二分时的态势图，5部干扰机全部工作，干扰合成功率较大，对预警机指挥引导通信造成强干扰，此时正面通信距离压缩至130 km，破坏预警机对战斗机的引导作用，飞机失去引导。

4 结束语

通过对由近百部电台组成的通信网仿真发现，利用传统的方法进行数据交互时，仅三维通信畅通区数据量每步长约10 Mbit，在较慢的仿真速度(3 s/步)时能够勉强随着作战进程实时更新。而使用文中提出的方法，每步长约7 Kbit，在较快的仿真速度(0.01 s/步)时仍能很好的展示三维通信畅通区的变化过程，对其进行定量分析，能够有效支持指挥员作战过程中的实时指挥和对战前作战筹划的评估。

图6 无干扰条件下指挥引导通信图

图7 弱干扰条件下指挥引导通信图

图8 强干扰条件下指挥引导通信图

参考文献:

[1] 邵国培.电子对抗作战效能分析原理[M].北京：军事科学出版社，2013：259-261.

[2] 郭淑霞，周士军，高颖，等.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，2015，33(3)：406-412.

[3] 陈晓怡，吕品，王宇心.分布式仿真系统中的数据传输研究[J].计算机工程与设计，2010，31(1)：56-59.

[4] 吕品，张金芳.分布式仿真系统的多通道视景生成[J].系统仿真学报，2007，19(6)：1291-1295.

[5] 齐锋，刘雅奇，娄宁.一种简化的雷达三维探测数据生成方法研究[J].计算机仿真，2010，27(3)：12-15.

[6] 侯琳，刘湘伟，鞠照群，等.基于混合智能算法的通信干扰装备分配优化[J].指挥控制与仿真，2012，34(3)：35-40.

[7] 邵国培.电子对抗战术计算方法[M].北京：解放军出版社，2010：146-150.

[8] 王瑜，白鹏，李军.通信干扰效能定量分析研究[J].舰船电子工程，2007，27(2)：156-157.

[9] 宋铮，张建华，黄冶.天线与电波传播[M].2版.西安：西安电子科技大学出版社，2011：19-23.

Study on 3D Spatial Data Generation Method of Air-to-air Communication Area in Distributed Simulation Environment

ZHAO Yuan，QI Feng，HE Jun，ZHANG Kun

(Electronic Countermeasure College,National University of Defense Technology, Hefei 230037, China)

Abstract: To solve the problem of large amount of data interaction and poor real-time performance in the distributed simulation environment, the article analyzes the computer theory of the communication area and decomposes the communication interference equation, and proposes that the model members are only responsible for the calculation of the horizontal plane. The data, three-dimensional trend display members based on the vertical plane pattern for full three-dimensional spatial data generation sampling method, greatly reducing the network overhead between the simulation members. Combining the air combat simulation case and the above method for visual simulation, the three-dimensional effect map of the communication area can be rapidly generated in real time, which can meet the requirements of commanders for real-time situation analysis and operational decision-making.

Keywords: distributed simulation；air-to-air communications；communication area；3D posture

中图分类号: E917

文献标志码: A

*收稿日期: 2018-03-15

第一作者简介: 赵元(1994-),女，山西晋中人，硕士研究生，研究方向：电子对抗效能评估与建模仿真。

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