復(fù)雜電磁環(huán)境分析研究

董智超，王勇亮，李 鑫，吳建楠，侯宇航

（空軍航空大學(xué) 吉林 長(zhǎng)春 130022）

隨著信息時(shí)代的到來(lái)和新軍事變革的不斷深入，電磁空間成為信息化戰(zhàn)爭(zhēng)重要的作戰(zhàn)空間，復(fù)雜電磁環(huán)境直接影響是戰(zhàn)場(chǎng)感知的真實(shí)性。由于受到復(fù)雜電磁環(huán)境的影響，可能導(dǎo)致偵察預(yù)警系統(tǒng)癱瘓，從而影響到各級(jí)指揮員和作戰(zhàn)人員判斷決策的準(zhǔn)確性。分析電磁環(huán)境實(shí)質(zhì)，是從復(fù)雜的電磁活動(dòng)中篩選出有價(jià)值的電磁信號(hào)，然后加以判斷。深入研究復(fù)雜電磁環(huán)境本質(zhì)特征，以及電磁環(huán)境對(duì)未來(lái)作戰(zhàn)的影響，建立科學(xué)的復(fù)雜電磁環(huán)境評(píng)價(jià)體系，可以有效提高信息化戰(zhàn)爭(zhēng)。

層次分析法集定性分析、定量分析優(yōu)勢(shì)于一身，具有極強(qiáng)的靈活性，是評(píng)估戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境行之有效的方法。通過對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境組成的研究，提出層次分析法對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境復(fù)雜程度建立評(píng)價(jià)模型，進(jìn)行定性與定量相結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)。

1 電磁環(huán)境的基本概念和意義

電磁環(huán)境，通常是指存在于給定場(chǎng)所電磁現(xiàn)象的總和。戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境，則是指一定的戰(zhàn)場(chǎng)空間內(nèi)對(duì)作戰(zhàn)有影響的電磁活動(dòng)和現(xiàn)象的總和，也就是在一定的戰(zhàn)場(chǎng)空間內(nèi)，由空域、時(shí)域、頻域、能量上分布的數(shù)量繁多、樣式復(fù)雜、密集重疊、動(dòng)態(tài)交迭的電磁信號(hào)構(gòu)成的電磁環(huán)境，也可說復(fù)雜電磁環(huán)境可以理解為，敵我雙方所在的電磁空間沖突、對(duì)抗劇烈的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境。

隨著信息化進(jìn)程的加快，電磁環(huán)境日益復(fù)雜，電磁空間的斗爭(zhēng)空前加劇，由于大量電子信息裝備應(yīng)用于作戰(zhàn)，使得戰(zhàn)爭(zhēng)的每一個(gè)進(jìn)程幾乎都離不開電子信息裝備，從而造就了復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境。沖突、對(duì)抗劇烈、復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境反過來(lái)又影響了電子信息裝備的作戰(zhàn)性能，造成戰(zhàn)場(chǎng)感知迷茫、指揮控制紊亂、通信聯(lián)絡(luò)中斷、行動(dòng)效能失控，對(duì)整個(gè)戰(zhàn)爭(zhēng)產(chǎn)生了重大影響。可以看到，電磁環(huán)境至始至終影響著戰(zhàn)爭(zhēng)的各個(gè)方面，對(duì)軍事活動(dòng)產(chǎn)生著深刻的影響，所以電磁環(huán)境是戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中更為重要的組成部分。

2 電磁環(huán)境的基本組成

在戰(zhàn)場(chǎng)上產(chǎn)生電磁輻射的設(shè)備都可視為輻射電磁源，包括諸多電子設(shè)備，特別是無(wú)線電通信、偵察等設(shè)備，通過天線或其它方式把電能轉(zhuǎn)換為電磁能，然后向外發(fā)射完成電磁波輻射。電磁輻射源通常分為自然電磁輻射源和人為電磁輻射源，其電磁波輻射分別稱為自然因素輻射和人為因素輻射。

根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的性質(zhì)和形成機(jī)理，一般認(rèn)為戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境分為人為因素電磁輻射、自然因素電磁輻射和輻射傳輸因素3個(gè)部分組成，如圖1所示。

圖1 復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)成Fig.1 The composition of the complex electromagnetic environment

3 電磁環(huán)境復(fù)雜性分析

3.1 復(fù)雜程度衡量指標(biāo)

影響現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)電磁復(fù)雜程度等級(jí)的因素有很多，通過對(duì)復(fù)雜帶那次環(huán)境構(gòu)成的分析，主要從人為因素輻射的角度，考慮有意輻射和無(wú)意輻射的問題。其中通信與雷達(dá)輻射占輻射源的主導(dǎo)地位，因此本文中采用層次分析法，將通信電磁輻射、雷達(dá)電磁輻射與干擾源作為衡量電磁環(huán)境復(fù)雜度的指標(biāo)，做出電磁環(huán)境復(fù)雜程度分級(jí)。

3.2 層次分析法構(gòu)建評(píng)價(jià)模型

應(yīng)用層次分析法對(duì)電磁環(huán)境復(fù)雜程度的等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，方法是將復(fù)雜程度等級(jí)作為目標(biāo)層，將雷達(dá)電磁輻射、通信電磁輻射與干擾因素作為規(guī)則層構(gòu)，將軍用、民用、無(wú)意電磁輻射和多種常見干擾樣式作為指標(biāo)層建評(píng)價(jià)模型，如圖2所示。

圖2 戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境遞階層次結(jié)構(gòu)Fig.2 Class hierarchy of the complex electromagnetic environment

3.2.1 計(jì)算權(quán)向量，進(jìn)行一致性檢驗(yàn)

1)計(jì)算遞階模型各層次元素的權(quán)值

選擇一種判斷標(biāo)度，計(jì)算規(guī)則層元素對(duì)目標(biāo)層元素、指標(biāo)層元素對(duì)規(guī)則層元素的相對(duì)權(quán)值，得到底層元素相對(duì)于目標(biāo)層的組合權(quán)值。

常用的是參照層次分析法的1—9標(biāo)度法，對(duì)各因素的重要程度按1—9賦值，重要性標(biāo)度值如下：1表示表示兩個(gè)元素相比，具有同等重要性；3表示兩個(gè)元素相比，前者比后者稍重要；5表示兩個(gè)元素相比，前者比后者明顯重要；7表示兩個(gè)元素相比，前者比后者強(qiáng)烈重要；9表示兩個(gè)元素相比，前者比后者極端重要；2，4，6，8表示上述判斷的中間值。

2)檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性

根據(jù)標(biāo)度方法構(gòu)造的權(quán)值矩陣只有滿足一致性要求，才能保證基于層次分析法得出的結(jié)論合理。計(jì)算一致性指標(biāo)C.I.(consistency index)的計(jì)算公式為：

式中，λmax為權(quán)值矩陣的最大特征根；n為矩陣維數(shù)

計(jì)算一致性比例C.R.(consistency ratio)的計(jì)算公式如下：

式中，R.I.為平均一致性指標(biāo)

只有當(dāng)一致性比例滿足小于0.10的要求，可以認(rèn)為判斷矩陣具有的一致性滿意，否則需要調(diào)整判斷矩陣。

3.2.2 計(jì)算組合權(quán)重，確定環(huán)境復(fù)雜程度

1）確定系統(tǒng)熵

以評(píng)價(jià)矩陣R(rij)作為研究系統(tǒng)，H(i)為系統(tǒng)中第i個(gè)評(píng)價(jià)因素的熵值，可表示為：

式中，n為系統(tǒng)評(píng)語(yǔ)數(shù)，rij滿足，且規(guī)定，當(dāng)rij=0時(shí)，H(i)等于零。

2)確定熵權(quán)

第i個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)可表示為：

式中H(i)表示第i個(gè)指標(biāo)的熵值，m表示指標(biāo)數(shù)[10]。

同理,通過式(4)可以求出其他指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重,這樣就得到了基于熵權(quán)的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量:W=(w1，w2,…，wm)。

3)計(jì)算組合權(quán)重，并確定環(huán)境等級(jí)

電磁環(huán)境的復(fù)雜程度的評(píng)估可以轉(zhuǎn)換為12個(gè)底層參量的評(píng)估，即(C1，C2，…，C12）的檢測(cè)數(shù)據(jù)，在此將戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境復(fù)雜程度的評(píng)估準(zhǔn)則分為4層。電磁環(huán)境復(fù)雜度評(píng)估的目的就是要讓從某一特定時(shí)空范疇內(nèi)所收集的數(shù)據(jù)經(jīng)過某種方法的計(jì)算綜合，得出一種定性的描述，如復(fù)雜、平靜、嘈雜等。最終可以確定戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的4項(xiàng)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值，其計(jì)算公式為：

根據(jù)4個(gè)評(píng)估準(zhǔn)則的最大值，可將戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境復(fù)雜程度劃分為5個(gè)等級(jí)，等級(jí)界定如表1所示。

3.2.3 綜合評(píng)價(jià)

基于層次分析法對(duì)電磁環(huán)境復(fù)雜度評(píng)價(jià)，如圖3所示。

表1 電磁環(huán)境復(fù)雜程度評(píng)定范圍Tab.1 Complexity evaluation scope of the complex electromagnetic environment

圖3 層次分析法計(jì)算流程Fig.3 Calculation process of analytic hierarchy process

4 結(jié)論

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境日趨復(fù)雜，我們要充分認(rèn)識(shí)、高度關(guān)注戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境，并進(jìn)行深入研究如何有效地對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境效應(yīng)，做出較為準(zhǔn)確的評(píng)估是非常必要的。弄清其本質(zhì)規(guī)律與影響，提高駕馭復(fù)雜電磁環(huán)境的能力。

本文只針對(duì)其一般規(guī)律展開討論，但由于電磁環(huán)境復(fù)雜程度的衡量標(biāo)準(zhǔn)是一致的，評(píng)價(jià)范圍標(biāo)準(zhǔn)具有普遍指導(dǎo)意義。但在目標(biāo)的層次結(jié)構(gòu)建模選擇上，不同的分析人員會(huì)有不同的評(píng)估結(jié)果，如何將眾多的評(píng)估結(jié)果綜合起來(lái)，并應(yīng)用相關(guān)的數(shù)學(xué)理論以確保適當(dāng)?shù)脑u(píng)估精度，將是進(jìn)一步深入研究的內(nèi)容。

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