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指挥控制与仿真

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2020 , Vol. 42 >Issue 1: 118 - 123

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-3819.2020.01.022

工程实践

悬浮式弹载通信干扰机干扰性能仿真的边界条件设置问题研究

  • 张杰 ,
  • 陈栋
展开
  • 陆军炮兵防空兵学院高过载弹药制导控制与信息感知实验室, 安徽 合肥 230031

作者简介：张 杰(1986—),男,安徽六安人,博士研究生,讲师,研究方向为军事通信。

陈 栋(1982—),男,博士,副教授。

Copy editor: 胡志强

收稿日期: 2019-06-23

  修回日期: 2019-08-29

  网络出版日期: 2022-05-19

收起

Study on the Setting of Boundary Conditions for the Simulation of Jamming Performance of Suspension Type Projectile-carried Communication Jammer

  • ZHANG Jie ,
  • CHEN Dong
Expand
  • High Overload Ammunition Guidance and Control and Information Perception Laboratory, PLA Army Academy of Artillery and Air Defense, Hefei 230031, China

Received date: 2019-06-23

  Revised date: 2019-08-29

  Online published: 2022-05-19

Fold

摘要

为探求悬浮式弹载通信干扰机干扰性能研究的边界条件,从干扰机的工作频段、被干扰跳频电台的信号传播方式、发射功率和通信距离、跳速和频率间隔、调制解调方式、干扰机的干扰方式、干扰机干扰效率以及干扰机工作环境等八个方面对弹载通信干扰机干扰性能研究的边界条件进行了讨论和设置,然后依托OPNET仿真平台,通过构建特定工作环境下的弹载通信干扰系统模型进行验证,相关结论对研究悬浮式弹载通信干扰机干扰性能具有一定的参考价值。

关键词： 弹载通信干扰机; 干扰性能; 跳频电台; 边界条件

本文引用格式

张杰 , 陈栋 . 悬浮式弹载通信干扰机干扰性能仿真的边界条件设置问题研究[J]. 指挥控制与仿真, 2020 , 42(1) : 118 -123 . DOI: 10.3969/j.issn.1673-3819.2020.01.022

Abstract

In order to find out the boundary conditions for the study of jamming performance of suspended projectile-carried communication jammer, the boundary conditions for studying the jamming performance of projectile-carried communication jammer are discussed and set up from eight aspects; the working frequency band of jammer, the signal propagation mode, transmitting power and communication distance, hopping speed and frequency interval, modulation and demodulation mode of jammed frequency hopping radio, jamming type, jamming efficiency and working environment of the jammer. Then, based on OPNET simulation platform, the model of projectile-carried communication jamming system under specific working environment has been constructed for verification. Relevant conclusions have certain reference value for studying the jamming performance of suspended projectile-carried communication jammer.

Key words： projectile-carried communication jammer; jamming performance; frequency hopping radio; boundary condition

有源干扰弹是用常规火炮、火箭炮发射,以弹药作为运载工具,将电子干扰机快速运载到敌目标区域,完成通信干扰任务的特种炮弹,分为扎地式和悬浮式两种。其中悬浮式干扰弹的简要工作流程如图1所示[1⇓-3]。
图1 悬浮式干扰弹简要工作过程
为了深入了解和掌握悬浮式弹载通信干扰机的干扰性能,需要借助理论分析、建模和仿真等方法在相应的边界条件下对悬浮式弹载通信干扰机的干扰性能进行研究,得到相应边界条件下的研究结果。基于此,本文系统梳理和分析了悬浮式弹载通信干扰机干扰性能研究中的边界条件设置问题。

1 悬浮式弹载通信干扰系统干扰性能研究的边界条件设置

1.1 悬浮式弹载通信干扰机的工作频段

从目前国际发展看,通信抗干扰技术体制的主流仍然是扩展频谱[4],但是由于常规直扩体制固有的一些特性和不足,加上天线和滤波器设计以及频段特性等原因,使其在军事通信中的适用范围有优势,也有劣势。常规直扩体制不宜用于短波和超短波及其以下频段[4]。
因此,本文讨论的悬浮式弹载通信干扰机的干扰对象主要是短波和超短波波段的敌战术跳频通信电台[5⇓-7]。
表1列举了外军部分典型短波(超短波)跳频电台的性能指标[4]。
表1 外军典型跳频通信装备及其主要指标
国别 型号 主要技术性能
美国 RF-5140 频段:1.6-30 MHz;跳速:20 Hop/s;声码话:800 bit/s
美国 SOUTHCOM 频段:2-30 MHz;跳速:10 Hop/s;频率间隔:100 Hz
美国 PRC/VRC/GRC-150 频段:1.6-30 MHz;跳速:5 Hop/s
英国 JAGUAR-H 频段:2~30 MHz;跳速:(10-50) Hop/s;跳频带宽:400 KHz
德国 CHP200 频段:1.5~30 MHz;跳速:6 Hop/s;频率间隔:100 Hz;装备形式:车载、固定;输出功率:100 W、400 W、1 000 W
澳大利亚 HF-90H 频段:2~30 MHz;频率间隔:100 Hz;跳速:5 Hop/s;装备形式:背负、车载、舰载等;最大输出功率:50W
美国 AN/VRC-92/92A 频段:30~88 MHz;频率间隔:25 KHz;跳速:100 Hop/s;可分频段跳频和全频段跳频
英国 SCIMITAR-V 频段:30~88 MHz;频率间隔:25 KHz;跳速:(150-400)Hop/s;分频段跳频;跳频带宽:6.4MHz;装备形式:背负、车载;输出功率:0.5 W、5 W、50 W
法国 TRC-920/TRC-950/TRC-930 频段:30~88 MHz;频率间隔:25 KHz;跳速:300 Hop/s;装备形式:背负、车载;输出功率:0.5 W、5 W、50 W
以色列 CNR-9000 频段:30~108 MHz;可全频段跳频;跳速:中速;装备形式:背负、车载;输出功率:0.25 W、5 W、20 W、50 W
韩国 PRC-999K
VRC-946K/947K/949K/964K		 频段:30~88 MHz;跳速:大于100 Hop/s;频率间隔:25 KHz;可分频段跳频和全频段跳频;装备形式:背负、车载;输出功率:0.3 W、5 W、50 W
如表1所示,为形成对敌跳频通信电台的全频段覆盖式干扰,因此本文讨论的弹载通信干扰机的工作频段设置为1.5-120 MHz。

1.2 被干扰跳频电台的信号传播方式

短波频率和超短波频率的使用性质完全不同。超短波属于视距通信,距离短,可以固定使用频段内的任何频点;而短波频率则受到电离层的变化、通信距离和方向、海拔高度、天线类型等多种因素的影响和限制。用同一套电台和天线,选用不同频率,通信效果可能差异很大[10]。
短波天波频率具有很强的时变性,不同时间、不同地点、不同方向可用频率的相关性差,天波跳频频率表的约束条件应在地波频率表约束条件的基础上,加上各通信对象所在地域天波频率的可用性。同时,短波地波可用频率的时变性不明显,或基本不具备时变性,地波跳频频率表的生成可参照超短波跳频频率表类似处理[4]。因此不考虑短波的天波传播模式,只考虑地波传播模式。
因此本文考虑的短波或超短波传播方式均以直射波传播方式为主[11⇓-13],即地波传播中的直射波传播方式。

1.3 被干扰跳频电台的发射功率和通信距离

理想情况下(即发射功率足够大,接收机灵敏度足够高,视野开阔无障碍物、山地丘陵等地理因素的影响)其传输极限距离可以用公式(1)表示[14]。
d=3.57×103×( h t+ h r) (m)
式中,d为距离,单位为m;ht、hr分别为收、发信机的天线高度,单位为m。在实际情况下,电波在直射传播的路径上可能存在山丘、建筑物等障碍物,由这些障碍物引起的附加损耗(除了自由空间传播损耗外),称为绕射衰耗。由于存在绕射衰耗及多径反射衰落,实际上的通信距离只是极限距离d的几分之一。按照hr=ht=2 m计算,d≈10 km。这里不考虑超视距传播模式。
因此根据超短波和短波的信号传输特性,本文讨论的超短波电台的发射功率和通信距离分别为5 W、3 km;短波电台的发射功率和通信距离分别为10 W、5 km。

1.4 被干扰跳频电台的跳速和频率间隔

超短波跳频电台采用常规中速(100 Hop/s-500 Hop/s)数字跳频技术体制[14];短波跳频电台采用基于传统短波电台原理和结构的常规低速数字跳频技术体制[4]。由于短波跳频电台存在多径干扰问题,短波跳频电台要么采用慢速跳频技术(每秒几跳~几十跳),使chip时间(跳频瞬时带宽与信道相关带宽的比值)大于多径延时;要么选用极高速跳频技术(1000跳/s以上),当主径电波已被接收而其他径向波尚未到达时,接收机已跳向下一频率上去了,起到了抗多径的作用。但是,过分地提高跳频速率,除了成本大幅度提高外,还会使其他性能下降,如语言可懂度、同步性能、抗多径性能等[15]。
因此,结合表1,超短波跳频电台和短波跳频电台的跳速分别为500 Hop/s和100 Hop/s;战术超短波跳频电台和战术短波跳频电台的信道间隔分别是25 KHz和100 Hz。

1.5 被干扰跳频电台的调制解调方式

不同调制解调方式的跳频电台由于干扰导致其接收端的信号误码率也不相同,因此必须首选明确跳频电台具体的调制解调方式。
表2给出了误码率为10-3情况下,几种适用于跳频通信系统的调制方案的频谱利用率ηB和功率效率Eb/N0(每比特的信噪比)的值[16]。
表2 误码率为10-3时,几种调制方式比较
调制方式 M 2 4 8 16 32
MFSK ηB 0.5 0.5 0.375 0.25 0.16
Eb/N0 10.9 8.4 7.0 6.2 5.5
MPSK ηB 1 2 3 4 5
Eb/N0 6.8 6.8 10.0 14.2 19.1
MDPSK ηB 1 2 3 4 5
Eb/N0 7.9 9.1 12.8 17.2 22.1
MSK ηB 0.75
Eb/N0 6.8
0.25 GMSK ηB 0.92
Eb/N0 7.8
其中,0.25 GMSK中的0.25表示时间带宽常数,为设计高斯滤波器的主要参数。
跳频通信中常用的调制方式有2 FSK、2 PSK、2 DPSK、MSK和GMSK[17],其中MSK信号的解调与FSK信号相似,而且MSK系统在满足最佳接收条件下的误码率与QPSK相同[18];GMSK信号的解调也与FSK相似[19-20],当其他条件相同时,GMSK误码率要比MSK高[18]。
根据GJB 2928-1997 战术超短波跳频电台通用规范和GJB 2929-1997战术短波跳频电台通用规范中规定的跳频电台使用的工作种类[21-22]。综上所述,跳频通信的常用调制解调方式为2FSK、2DPSK。

1.6 悬浮式弹载通信干扰机的干扰方式

对跳频通信实施有效干扰的方式有:跟踪式干扰、瞄准式干扰、阻塞式干扰、扫频式干扰[23]。
对于瞄准式干扰来说,要想完成对目标的干扰,从瞄准式干扰中的引导接收机截获到目标信号开始到干扰机发射出干扰的这段时间越短越好,尤其是对干扰跳频电台来说,反应时间不能超过每一跳的驻留时间的1/2,否则干扰无效;但是如果弹载通信干扰机采用瞄准式干扰的话,无论是软硬件本身发展水平,还是转瞬即逝的炮弹空中飞行时间都是勉为其难的事[24]。
跟踪干扰中的波形跟踪干扰从破译跳频图案着手, 以实现跟踪, 难度较大[25]。引导式跟踪干扰以时间为代价, 只要出现载频便快速引导干扰,实现相对简单,但也不能实现100%的干扰效率[24]。因此悬浮式弹载通信干扰机适宜采用压制式扫频干扰[25]。
如图2所示,锯齿波产生器输出一个扫描电压(电压平均值决定压控振荡器的输出拦阻中心频率;改变锯齿波电压的振幅,可以控制拦阻干扰的频带宽度;锯齿波电压的扫描速度决定了输出频谱的谱线间隔)加到压控振荡器上,产生射频信号使输出频率在设定的拦阻带宽内扫描,形成一个较为均匀的带宽干扰信号。经宽带功率放大器放大后,使干扰信号具有一定的功率后,由天线辐射出去,对敌方通信实施有效的干扰。
图2 压制式扫频弹载通信干扰机原理框图

1.7 悬浮式弹载通信干扰机的干扰效率

文献[23]将干扰效率定义为
T d - T 1 - T P T d
其中,Td为跳频信号驻留时间,T1为信号传输时间,TP为干扰机截获和分析处理跳频信号时间。
以500 Hop/s的超短波跳频电台为例,驻留时间按跳频周期的90%计算,则 Td=1.8 ms;弹载通信干扰机开始降落时的高度为3 km,因此信号的最大传输时间为 T 1 m a x=0.01 ms。本文讨论的扫频式干扰机直接将干扰信号传输给跳频电台,不考虑跳频信号的截获和分析干扰信号时间,即TP=0,因此最小干扰效率为99.44%,即干扰效率接近100%,对于弹载通信干扰机来说,干扰性能不受干扰效率的影响。

1.8 悬浮式弹载通信干扰机的工作环境

1.8.1 一般环境

一般情况下,通常认为无线信号传输环境为自由空间,信号传输损耗采用自由空间传播条件下的路径损耗[26],即
Lf(dB)=20lg 4 π r λ =32.45+20lgf(MHz)+20lgr(km)
式中,λ为信号波长,r为信号传播距离,f为信号频率。

1.8.2 实际弹载通信干扰环境

实际使用环境中,信号传输总有能量损耗[27],因为不同地表面的电参数不相同,导致不同环境下的信号传输损耗也不一样,如表3所示。
表3 地面电参数
地面性质
电参数		 εr
(平均值)		 σ
(平均值)
海水 80 4
淡水 80 5*10-3
潮湿地 20 10-2
干燥地 4 10-3
山区 5 10-3
沿海沙地 10 2*10-3

1.8.3 实际弹载通信干扰环境的特点

按照我国地域实际分布情况,即按东南沿海和西南边境进行区分。
1)东南沿海
一是自然地理环境方面,主要体现在:一是地形方面,东南沿海地区主要以丘陵和水网稻田地形为主,主要特点为:地形平坦开阔,河渠、池塘密布交织如网;土质松软泥泞,抗压力差;自然遮障较多,地表通行状况受气候影响较大;道路连网成片,陆上交通发达。主要影响为:一是地形平坦开阔导致装备征候明显,隐蔽困难;二是可利用遮蔽物较少,隐蔽防护难度大,自身防空安全压力大;二是气象方面,影响主要有射击空域和海域上的温度、湿度及高空气象条件等因素。由于东南沿海地区属于亚热带海洋性季风气候,年平均气温20.8°,极端最低气温和最高气温分别达-15°和44.9°,这种影响往往更为明显,主要体现在:常年的高温高湿容易引发武器装备的动力不足和机械故障。同时,东南沿海地区多风雨,空气水汽含盐分高,附着在车辆表面,极易造成对车辆的腐蚀。
二是电磁网络环境方面。主要体现在:一是自然电磁环境方面,东南沿海作战地域海洋广阔、湖泊众多,空气湿度大;植被茂密、山脉连绵,地磁较为复杂;气候多变,雷雨天气频繁,电离层闪烁多。此外,东南沿海地区处于亚热带低纬度地区,遇到宇宙射电、太阳黑子及耀斑等突发现象时,用频设备受到的影响往往也较其他地区要大。正是由于东南沿海地域特殊的自然电磁环境,电台通信会受到一定的干扰;二是人文电磁环境方面,东南沿海地区经济发达、人口密集度高,民用雷达、卫星电视和广播电台、民航、交通等部门的用频设备以及工业、医疗等设备运行时都会产生的大量电磁辐射,这对用频设备以及容易受到电磁干扰的电子设备都会产生不利的影响。
综上,东南沿海的地面性质主要以海水、潮湿地、沿海沙地为主。
2)西南边境
西南边境地区具有典型的高原高寒山地特征,平均海拔4 000 m以上,平均高差达200 m,最低温度低于-15.9°。此处山势险要,地形复杂。
一是自然地理环境方面,主要体现在四个方面:一是西南边境地区高寒缺氧、紫外线照射强;昼夜温差大容易导致车辆装备器材的金属部分发生变脆断裂;二是在高原宽谷区,由于海拔高,会造成装备功率下降,速度减慢,故障率增加;三是主要分布在边境中段和部分东段地区的高山深谷区,山体高大险峻,地势起伏剧烈,沟谷深且狭窄,由于植被稀少、冻土层厚,对构工和隐蔽部署会带来不利的影响;四是主要分布在边境东段地区的峡谷密林区,沟谷纵横、河多桥少、路少崎岖且曲率半径小,该地域地表植被繁茂、林内阴暗潮湿,武器装备容易受潮、霉变和锈蚀而导致故障。
二是电磁和网络环境方面。复杂多样的地形地貌,将极大影响装备指挥信息的获取与传输,对短波、超短波将产生阻挡、折射、反射和屏蔽作用,无线电通信受干扰大,电磁波作用范围小、传播盲区多,将极可能发生距离较近也无法联络的情况,在植被、森林广布的峡谷密林区,电磁波的传播距离通常会缩短40-70%。同时,恶劣多变的气象环境对电磁信息的传播和网络设备的使用也会产生较大影响,频繁的雨雾、风雪、雷电等,以及电离层的经常性变化,也会对信息传播产生严重干扰和阻碍,甚至完全中断。
综上,西南边境的地面性质主要以淡水、干燥地、山区为主。
因此,必须考虑实际环境中不同地表面对悬浮式弹载通信干扰机作战使用的影响。

1.9 其他边界条件设置

1)不考虑换频时间内的信息丢失问题,即换频时间足够短,压缩倍数很小,使得通信质量的变化与跳速的关系不太明显[4];
2)各频率通道上的噪声和接收灵敏度均相同,即各实际频率的信噪比离散性很小。可以用跳频通信某一个频率上的信噪比描述多个频率上跳频的信噪比的全貌[27];
3)不考虑跳频信号的损伤问题[4];
4)信号传播信道模型为加性高斯白噪声信道模型[28],不考虑无线电通信中难以消除的多径衰落效应[12],也不考虑由于多径传播导致时间弥散效应[29];
5)通信节点是固定的,因此信号电平通常可以被认为在特定频率上是连续的[13];
6)在发射电台和接收电台的通信距离范围内不考虑地球曲率的影响[27];
7)忽略超短波进行远距离通信中的对流层和电离层散射传播[30];
8)待干扰的跳频电台不考虑采用频率自适应跳频体制,即均是常规意义上的采用某种调制解调方式的跳频体制[12];
9)超短波通信因为使用频率高,波长短,天线尺寸可以做得很小,通常为直立鞭状天线。根据车载通信或个人通信中通常选择小型鞭状天线的原则,作为战术短波跳频电台,通常采用小型鞭状天线[8]。因此,一般意义上,被干扰跳频电台均使用鞭状天线;
10)由于不考虑短波的天波传播模式,因此不考虑电离层受气象条件的影响,即气象因素不考虑。
11)不考虑短波的通信盲区问题。
12)由于超短波跳频电台传播方式主要以直射波和地面反射波的方式传播,当接收机端的信号等于直射波和反射波之和时,反射路径将会造成一定程度的相位延迟。除了接收机端的相位差外,由于反射点反射系数的复杂特性,将加上一项其他相位[31]。因此本文不考虑超短波传播方式中的地面发射波传播方式。
13)对所处电磁环境中,只以被干扰跳频电台为主要研究对象,不考虑其他电磁环境因素的影响[32]。

2 悬浮式弹载通信干扰机干扰性能仿真验证

OPNET[32-33]是目前应用最广泛的网络仿真开发和应用平台,能为用户提供一系列的仿真模型库。本文选用OPNET软件作为悬浮式弹载通信干扰机干扰性能仿真平台。
如图3所示,该仿真系统包含一部1.5-120 MHz波段的弹载干扰机,一部1.5-30 MHz的短波收发电台,收发距离5 km,一部30-120 MHz的超短波收发电台,收发距离3 km。通过导入地形数据库,两对通信电台中均有一台处于沿海沙地区域,另一台处于海水区域。干扰机针对这两组通信电台同时实施扫频干扰。
图3 东南沿海环境下悬浮式弹载通信干扰系统模型
干扰机和跳频电台均采用OPNET中自带的干扰机模型和电台模型,其参数设置如表4所示。
表4 仿真参数
属性类型 属性名 属性值
短波电台
相关属性		 发射机起始频率 3.0 MHz
发射机工作频带宽度 3.2 KHz
发射机的调制方式 2 FSK
发射功率 10 W
跳速 100 hop/s
跳频频率数 32
超短波电台
相关属性		 发射机起始频率 30
发射机工作频带宽度 1600 KHz
发射机的调制方式 2FSK
发射功率 5 W
跳速 500 hop/s
跳频频率数 64
干扰机相
关属性		 开始降落时高度 3 km
下降速度 6 m/s
扫频周期长度 0.128 s
针对短波电台进行干扰的
干扰信号发射功率		 10 W
干扰机的扫频间隔 64
针对超短波电台进行干扰的
干扰信号发射功率		 10 W
仿真结果如图4-图5所示。
1)电台模型的信噪比
图4 电台模型的信噪比
2)电台模型的误比特率
图5 电台模型的误码比特率
由上述结果可见,由于干扰机在后期下降过程中遇到相应地形的遮挡,导致针对部分电台的干扰信号被阻断,使得电台模型的信噪比有所提升。

3 结束语

为了保证结果的真实性和有效性,需要设置边界条件来研究悬浮式弹载通信干扰机的干扰性能。
后续研究的重点是厘清弹载通信干扰的干扰样式即干扰信号参数与干扰效果之间的关系,并考虑被干扰跳频电台的应用场景,如天线低架和高架、不同的作战环境等。

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