電磁環(huán)境構(gòu)設(shè)逼真度評估方法研究

攸立準(zhǔn)

(衡水路橋工程有限公司，河北 衡水 053000)

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電磁環(huán)境構(gòu)設(shè)逼真度評估方法研究

攸立準(zhǔn)

(衡水路橋工程有限公司，河北 衡水 053000)

摘要：信息化戰(zhàn)場上復(fù)雜的電磁環(huán)境深刻地影響著作戰(zhàn)行動，事先構(gòu)設(shè)貼近實(shí)戰(zhàn)的電磁環(huán)境對人員和裝備進(jìn)行試驗(yàn)和訓(xùn)練是很有必要的，所以如何評估所構(gòu)設(shè)電磁環(huán)境的逼真度也隨之變得非常重要?；陔姶怒h(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析計(jì)算訓(xùn)練場區(qū)重點(diǎn)部位電磁環(huán)境實(shí)際構(gòu)設(shè)情況。針對電磁環(huán)境構(gòu)設(shè)方案中的假想敵，在提取所構(gòu)設(shè)電磁環(huán)境中的時(shí)間占有度、頻譜占用度、空間覆蓋率、功率壓制率和信號參數(shù)重合度等指標(biāo)的基礎(chǔ)上，利用相似系統(tǒng)理論來評估電磁環(huán)境構(gòu)設(shè)的逼真度。

關(guān)鍵詞：電磁環(huán)境；逼真度評估；相似系統(tǒng)理論

0引言

電磁環(huán)境逼真度指的是演習(xí)中實(shí)際構(gòu)設(shè)的訓(xùn)練場中的電磁環(huán)境與事先假想的模擬戰(zhàn)場中的電磁環(huán)境之間相似的程度，所以電磁環(huán)境構(gòu)設(shè)逼真度評估實(shí)際上就是對演習(xí)時(shí)導(dǎo)演產(chǎn)生的模擬電磁環(huán)境與演習(xí)前假設(shè)的戰(zhàn)場電磁環(huán)境之間的相似程度的評估[1]。

演習(xí)中構(gòu)設(shè)的電磁環(huán)境是指在演習(xí)中通過聯(lián)合使用實(shí)體裝備、模擬設(shè)備以及虛擬仿真技術(shù)等模式對假想的戰(zhàn)場電磁環(huán)境進(jìn)行的模擬[2,3]。根據(jù)數(shù)學(xué)仿真建模知識，可以把假想的戰(zhàn)場電磁環(huán)境視為原型系統(tǒng)，而把構(gòu)設(shè)的電磁環(huán)境視為仿真系統(tǒng)，所以電磁環(huán)境構(gòu)設(shè)的逼真度評估，等效于從總體結(jié)構(gòu)和行為水平的角度評估仿真系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)原型系統(tǒng)的程度，就是對仿真系統(tǒng)的置信度進(jìn)行評估。因此，可以利用相似系統(tǒng)理論對電磁環(huán)境構(gòu)設(shè)的逼真度進(jìn)行評估[4-6]。

1相似系統(tǒng)理論

1.1相似元及其特征參數(shù)提取

1.2相似元值

由上文可知，相似元是由相似要素構(gòu)成的，同時(shí)相似要素又具有一個(gè)或多個(gè)特征。

假設(shè)構(gòu)成相似元uij的相似要素xi和yj有n個(gè)特征，則經(jīng)典的相似元值計(jì)算公式為[9]：

(1)

從式(1)可以看出，若要計(jì)算相似元的值，首先應(yīng)該明確其相似特征的比例系數(shù)以及特征權(quán)重。

1.2.1比例系數(shù)

相似特征類型不同，所對應(yīng)的比例系數(shù)的數(shù)據(jù)類型也不相同，可以是精確值(如信號個(gè)數(shù))、區(qū)間值(如信號頻段)或者枚舉值(如信號類型)等，各種情況的計(jì)算方法均有不同，所以應(yīng)針對具體的數(shù)據(jù)類型，采用不同的計(jì)算方法[10]。

① 計(jì)算區(qū)間值比例系數(shù)

若相似系統(tǒng)X和Y在其某個(gè)相似特征上的值分別為區(qū)間值X[x,y]、Y[x′,y′]，假設(shè)y′>y，則該特征所對應(yīng)的比例系數(shù)計(jì)算方法如下：

(2)

② 計(jì)算精確值比例系數(shù)

若相似系統(tǒng)X和Y在其某個(gè)相似特征上的值分別為精確值x、y，則該特征所對應(yīng)的比例系數(shù)為：

(3)

③ 計(jì)算枚舉值比例系數(shù)

假設(shè)相似系統(tǒng)X和Y在其某個(gè)相似特征上的值分別為枚舉數(shù)組X{x1,x2,…,xn}、Y{y1,y2,…,ym}，則該相似特征所對應(yīng)的比例系數(shù)為：

(4)

1.2.2特征權(quán)重

特征權(quán)重的確定有數(shù)理統(tǒng)計(jì)、試驗(yàn)確定或?qū)＜医?jīng)驗(yàn)等方法，本文選擇基于專家經(jīng)驗(yàn)的確定方法。

1.3相似度

由相似元的個(gè)數(shù)和值及其權(quán)重系數(shù)共同確定相似系統(tǒng)的相似度，其中權(quán)重系數(shù)反映了每個(gè)相似元對系統(tǒng)相似度的影響程度。系統(tǒng)的整體相似度為：

(5)

式中，qn表示2個(gè)系統(tǒng)間相似元的個(gè)數(shù)對系統(tǒng)相似度的影響程度，qu表示由所有相似元共同確定的系統(tǒng)的相似度，有：

(6)

(7)

1.4動態(tài)分析

通常，相似系統(tǒng)的相似元及其對應(yīng)的相似特征的數(shù)量會隨著時(shí)間變化，假設(shè)用Q1，Q2，…，Qm分別表示在時(shí)刻t1，t2，…，tm時(shí)2個(gè)系統(tǒng)的相似度，則在含有這些時(shí)刻的某一監(jiān)測評估過程中，相似系統(tǒng)的相似度Q表示為矢量：

(8)

式中，k1，k2，…，km和l1，l2，…，lm以及n1，n2，…，nm分別為系統(tǒng)A和B在時(shí)刻t1，t2，…，tm的組成要素?cái)?shù)量和相似元數(shù)量。

2電磁環(huán)境逼真度評估

根據(jù)相似系統(tǒng)理論可以看出，電磁環(huán)境逼真度評估的關(guān)鍵是確定想定的戰(zhàn)場電磁環(huán)境與模擬的訓(xùn)練場電磁環(huán)境的相似元以及其特征參數(shù)[11]。

2.1電磁環(huán)境相似元及其特征參數(shù)提取

訓(xùn)練場電磁環(huán)境與目標(biāo)戰(zhàn)場電磁環(huán)境均可刻畫為一系列的信號狀態(tài)，所以其相似元應(yīng)該從電磁環(huán)境的信號狀態(tài)中著手提取。包括時(shí)間占有度、頻譜占用度、空間覆蓋率、功率壓制率和信號參數(shù)重合度等指標(biāo)。下面分別進(jìn)行說明。

2.1.1時(shí)間占有度

時(shí)間占有度是指在一定的空間和頻段內(nèi)，電磁信號環(huán)境功率譜密度的平均值超過指定的門限所持續(xù)的時(shí)間與整個(gè)監(jiān)測時(shí)間段的比值：

(10)

式中，TO為時(shí)間占有度，U為單位階躍函數(shù)，S(r,t,f)為功率譜密度(單位W/m2·Hz)；r為空間位置坐標(biāo)(單位 m)；VΩ為作戰(zhàn)空間體積(單位m3)；S0為電磁環(huán)境門限(單位W/m2·Hz)，使工作在相應(yīng)頻段的電子信息設(shè)備受到一定干擾的電磁環(huán)境信號功率譜密度的最小值，其大小依據(jù)比國際電信聯(lián)盟(ITU)推薦的中國地區(qū)各頻段背景噪聲值高10 dB為基準(zhǔn)，離散情況下，采用分段積分求和得到。

2.1.2頻譜占有度

頻譜占有度是指在一定的時(shí)間和空間范圍內(nèi)，電磁信號環(huán)境功率譜密度的平均值超過指定的門限所占有的頻帶寬度與作戰(zhàn)用頻范圍的比值：

(11)

式中，F(xiàn)O為頻譜占用度；離散情況下，采用分段積分求和得到。

2.1.3空間覆蓋率

空間覆蓋率是指在一定時(shí)間和頻段范圍內(nèi)，電磁信號環(huán)境功率譜密度的平均值超過指定電磁環(huán)境門限所占用的空間范圍與作戰(zhàn)空間范圍的比值：

(12)

式中，SO為空間覆蓋率。離散情況下，采用分段積分求和得到。

2.1.4功率壓制率

功率壓制比是指在一定的時(shí)間和空間范圍內(nèi)，電磁環(huán)境中干擾信號功率譜密度的平均值實(shí)現(xiàn)對被干擾信號的干擾功能所占有的頻段與作戰(zhàn)用頻范圍的比值。由于實(shí)現(xiàn)干擾功能即要求有一定的功率強(qiáng)度，所以可以設(shè)定一定的電磁環(huán)境門限值表明實(shí)現(xiàn)干擾功能需要的功率強(qiáng)度，則該指標(biāo)也可采用式(10)進(jìn)行計(jì)算，只是所選取的電磁環(huán)境門限不同。

2.1.5信號參數(shù)重合度

信號參數(shù)重合度指的是針對某具體類型的信號，在訓(xùn)練場電磁環(huán)境中監(jiān)測到的該信號的各特征參數(shù)與想定的戰(zhàn)場環(huán)境中該信號的相應(yīng)特征參數(shù)的相似度。

按照在參訓(xùn)裝備和監(jiān)測裝備所在位置處，各類輻射源所產(chǎn)生的電磁信號類型，可以將假想的戰(zhàn)場電磁環(huán)境和模擬構(gòu)設(shè)的電磁環(huán)境抽象為諸如由通信信號、雷達(dá)信號、通信干擾信號和雷達(dá)干擾信號等要素組成的2個(gè)系統(tǒng)，2個(gè)系統(tǒng)中相同類別的信號構(gòu)成相似元。而各相似元的相似特征由相應(yīng)類別信號的特征組成，如表1所示[12]。

表1　各相似元的相似特征

綜上所述，選取的相似元為：時(shí)間占有度、頻率占有度、空間覆蓋率、功率壓制率以及各種類型的電磁信號。其中時(shí)間占有度、頻率占有度、空間覆蓋率和功率壓制率的相似特征即為其本身，而各類電磁信號的相似特征則應(yīng)依據(jù)信號的類型設(shè)定，具體如表1所示。

2.2電磁環(huán)境逼真度評估算法流程

電磁環(huán)境逼真度評估算法流程圖如圖1所示。

圖1　電磁環(huán)境逼真度評估算法流程圖

電磁環(huán)境逼真度評估算法流程說明如下：

① 接收電磁環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的預(yù)處理，得到電磁環(huán)境功率密度譜、信號個(gè)數(shù)、信號種類、信號出現(xiàn)時(shí)間、信號頻率或頻譜、信號帶寬、信號強(qiáng)度、信號方向和信號平臺運(yùn)動軌跡等基礎(chǔ)特征，并根據(jù)監(jiān)測要素進(jìn)行信號特征分析得到相應(yīng)的相似特征；

② 根據(jù)電磁環(huán)境仿真時(shí)，假想的戰(zhàn)場電磁環(huán)境與模擬構(gòu)設(shè)的電磁環(huán)境評估的側(cè)重點(diǎn)，設(shè)定相似元；

③ 針對每個(gè)相似元，提取其相似特征參數(shù)，得到電磁環(huán)境的時(shí)間占有度、頻譜占有度、空間覆蓋率和功率壓制率等幾個(gè)描述電磁環(huán)境總體結(jié)構(gòu)的特征；以及電磁環(huán)境中包含的不同類別的信號，如通信信號和雷達(dá)干擾信號等信號的主要參數(shù)的重合度特征，用以描述其內(nèi)部細(xì)節(jié)的逼真度；

④ 然后針對不同數(shù)據(jù)類型的相似特征，計(jì)算其對應(yīng)的比例系數(shù)，并由專家經(jīng)驗(yàn)方法確定各相似特征的加權(quán)系數(shù)，然后據(jù)此計(jì)算各相似元值；

⑤ 根據(jù)相似系統(tǒng)理論，結(jié)合系統(tǒng)間特性相同要素的數(shù)量對系統(tǒng)相似度的影響(體現(xiàn)在選取的相似元的個(gè)數(shù)占系統(tǒng)組成要素個(gè)數(shù)的比例上)、由專家經(jīng)驗(yàn)確定的各相似元的權(quán)重系數(shù)以及上一步驟中計(jì)算得到的相似元的值，計(jì)算系統(tǒng)的整體相似度；

⑥ 進(jìn)行相似性動態(tài)分析，即將在時(shí)域上不斷變化的電磁環(huán)境，按照假想的戰(zhàn)爭進(jìn)程劃分為幾個(gè)階段，然后用每個(gè)階段中的某個(gè)或幾個(gè)典型時(shí)刻所對應(yīng)的逼真度來表示該階段的電磁環(huán)境構(gòu)設(shè)逼真度，并據(jù)此進(jìn)行整個(gè)作戰(zhàn)進(jìn)程中電磁環(huán)境逼真度的綜合分析。

3結(jié)束語

伴隨著電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，實(shí)際戰(zhàn)場上的電磁信號環(huán)境變得愈發(fā)復(fù)雜，對于特殊裝備的影響也越來越大，所以需要在和平訓(xùn)練時(shí)期模擬戰(zhàn)場電磁環(huán)境對特殊裝備進(jìn)行試驗(yàn)和訓(xùn)練[1]?；谙嗨葡到y(tǒng)理論對模擬電磁環(huán)境的逼真度進(jìn)行評估的方法，不需要太復(fù)雜的監(jiān)測和計(jì)算就可以提取相似元及其特征參數(shù)并計(jì)算相似元值，但該方法的應(yīng)用還存在一些問題，比如特征權(quán)重的選取需要專家經(jīng)驗(yàn)等，還需要做更加深入的探討。同時(shí)，由于這方面的試驗(yàn)較少，該電磁環(huán)境逼真度評估算法還需要進(jìn)行適量的外場測試進(jìn)行修正，以期不僅在軍用領(lǐng)域,而且在民用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛的應(yīng)用。

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Research on Fidelity Evaluation of Electromagnetic Environment Construction

YOU Li-zhun

(Hengshui Road&Bridge Co.Ltd,Hengshui Hebei 053000,China)

Abstract：The complex electromagnetic environment of informationized battlefield influences the operations deeply.It is necessary to provide test and training to equipment and personnel in an as-real-as-possible electromagnetic environment constructed in advance,so how to estimate the fidelity of electromagnetic environment construction becomes very important.The actual construction of electromagnetic environment of important sites in training field is analyzed and calculated based on detection data.Aiming at the supposed enemy of electromagnetic environment construction scheme,and by collecting time occupation rate,spectrum occupation,space coverage,power suppression ratio and signal parameter coincidency,the fidelity of electromagnetic environment construction is estimated by similar system theory.

Key words：electromagnetic environment;fidelity evaluation;similar system theory

中圖分類號：TN911

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-3114(2016)02-84-4

作者簡介：攸立準(zhǔn)(1979—)，男，工程師。主要研究方向：軟件無線電計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

收稿日期：2015-11-11

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.02.22

引用格式：攸立準(zhǔn).電磁環(huán)境構(gòu)設(shè)逼真度評估方法研究[J].無線電通信技術(shù),2016,42(2):84-87.