一種裝備戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容性綜合評(píng)估方法

周尚武，徐英，周勇

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一種裝備戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容性綜合評(píng)估方法

周尚武1，徐英2，周勇3

（1.新華學(xué)院 電子通信工程學(xué)院，合肥 230088；2.電子工程學(xué)院，合肥 230037；3.北京信息控制研究所，北京 100078）

目的衡量和論證復(fù)雜電磁環(huán)境下單個(gè)裝備的綜合電磁兼容性和戰(zhàn)場(chǎng)己方所有裝備系統(tǒng)的整體電磁兼容性。方法結(jié)合電磁兼容性綜合評(píng)估需求，建立對(duì)裝備電磁兼容性評(píng)估指標(biāo)體系，研究綜合評(píng)估方法。結(jié)果給出了裝備戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容性評(píng)估指標(biāo)，建立了基于多指標(biāo)的戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容性綜合評(píng)估指標(biāo)體系，并從多屬性決策角度，提出了基于網(wǎng)絡(luò)分析法(ANP)和逼近理想解排序法(Topsis)的裝備戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容綜合評(píng)估方法,通過評(píng)估實(shí)例驗(yàn)證了方法的實(shí)用性和正確性。結(jié)論裝備戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容性綜合評(píng)估方法可以為裝備、平臺(tái)和集群的戰(zhàn)場(chǎng)運(yùn)用方式論證提供決策依據(jù)，評(píng)估結(jié)果具有一致性和可重用性。

電磁兼容；網(wǎng)絡(luò)分析法；逼近理想解排序法

復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境下，為了避免戰(zhàn)場(chǎng)上己方電磁裝備間電磁干擾的發(fā)生，有必要在裝備應(yīng)用前進(jìn)行面向任務(wù)的戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容預(yù)測(cè)分析，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容方案進(jìn)行評(píng)估，從而制定合理有效的電磁防護(hù)措施，保障己方裝備間的電磁兼容，達(dá)成最佳作戰(zhàn)效能。戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容性評(píng)估是一個(gè)非常復(fù)雜的問題。單獨(dú)的電磁兼容性指標(biāo)無法衡量干擾對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)裝備多方面綜合性能的影響程度，也不能對(duì)整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)的綜合電磁兼容性能給出綜合評(píng)價(jià)，因此，必須研究適用于復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)多系統(tǒng)間的電磁兼容性綜合評(píng)估的方法，對(duì)單個(gè)裝備（多方面性能）的綜合電磁兼容性和整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)己方裝備系統(tǒng)整體的區(qū)域集群電磁兼容性進(jìn)行評(píng)估，為更合理的裝備戰(zhàn)場(chǎng)運(yùn)用提供決策依據(jù)。綜合評(píng)估包括兩個(gè)層次。

1）單個(gè)裝備戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容綜合評(píng)估。雖然戰(zhàn)場(chǎng)上每個(gè)信號(hào)接收裝備（電磁敏感設(shè)備）可能受到來自多個(gè)干擾發(fā)射源的干擾影響，通過電磁兼容評(píng)估指標(biāo)可以確定各接收機(jī)某方面性能受到的影響程度，但接收機(jī)受到的影響是多方面的，需要對(duì)這些影響指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)估，獲得定量分析結(jié)果，以便對(duì)不同接收裝備的電磁兼容狀態(tài)和電磁防護(hù)效果進(jìn)行綜合比較。

2）區(qū)域集群戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容綜合評(píng)估。戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容除了關(guān)注各接收機(jī)受到的干擾影響外，還需要分析戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境對(duì)整體戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容性的綜合影響，即要計(jì)算戰(zhàn)場(chǎng)上所有己方設(shè)備發(fā)射的干擾對(duì)己方接收設(shè)備整體功能質(zhì)量的影響程度。這就要求將戰(zhàn)場(chǎng)上所有己方裝備系統(tǒng)的電磁兼容性指標(biāo)作為整體來研究，獲得定量分析結(jié)果，以便對(duì)不同的戰(zhàn)場(chǎng)裝備運(yùn)用方案進(jìn)行比較。

現(xiàn)有的SEMCAP，IEMCAP[1—2]，ISCAP，SEMCA等電磁兼容預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)，大多側(cè)重于單個(gè)電磁兼容指標(biāo)的預(yù)測(cè)和等級(jí)評(píng)估，與干擾對(duì)整體性能的影響不直接相關(guān)，這必然導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果的不準(zhǔn)確，且評(píng)估結(jié)果僅適用于單次評(píng)估，可比性差。文中在分析裝備戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容性評(píng)估指標(biāo)的基礎(chǔ)上，給出基于網(wǎng)絡(luò)層次分析法（ANP）和逼近理想解排序算法（Topsis）的裝備戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容性綜合評(píng)估方法。

1 裝備電磁兼容性評(píng)估指標(biāo)

戰(zhàn)場(chǎng)裝備間的電磁兼容性評(píng)估指標(biāo)[3]可以分為三類：描述裝備完成自身基本功能狀態(tài)的質(zhì)量指標(biāo)；反映接收機(jī)受干擾影響的概率指標(biāo)；反映裝備之間干擾能量大小的干擾余量和裝備間剛好達(dá)到電磁兼容時(shí)的兼容距離等能力指標(biāo)。

1.1 兼容距離

輻射干擾源（發(fā)射機(jī)）和電子信息接收裝備（電磁敏感設(shè)備）部署在同一區(qū)域時(shí)，當(dāng)輻射干擾源和敏感設(shè)備之間達(dá)到某一距離時(shí)，干擾源輻射的電磁波經(jīng)傳輸通道在敏感設(shè)備上產(chǎn)生的電壓和電流剛好等于其敏感度門限，這一距離就稱作該發(fā)射-響應(yīng)對(duì)的電磁兼容距離。當(dāng)輻射干擾源與敏感設(shè)備之間的距離大于該距離時(shí)，二者是電磁兼容的。

1.2 信納德

在模擬通信中，通常根據(jù)信納德的變化來判斷通信質(zhì)量[4]，信納德定義如下：

式中：S為達(dá)到接收機(jī)射頻端口的有用信號(hào)功率；R為到達(dá)接收機(jī)射頻端口的干擾信號(hào)功率；N為環(huán)境噪聲功率。

1.3 誤碼率

衡量數(shù)字通信系統(tǒng)工作性能的主要指標(biāo)是誤碼率，采用不同編碼、調(diào)制方式的數(shù)字通信系統(tǒng)的誤碼率模型也不同。因此，為了利用誤碼率作為數(shù)字通信設(shè)備受干擾影響的判據(jù)，需要將設(shè)備的考察端口從射頻端口拓展到數(shù)字端口。

1.4 干擾功率

設(shè)信納德從12 dB下降到9 dB時(shí)，接收機(jī)不能正常工作，此時(shí)接收機(jī)受到的干擾信號(hào)功率大小為R。由式（1）可以推得干擾功率R與接收機(jī)噪聲電平N的關(guān)系為：

1.5 干擾帶寬

基波鄰頻和諧波干擾是戰(zhàn)場(chǎng)電磁裝備之間最主要的干擾方式[5]。因此在進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容預(yù)測(cè)和評(píng)估時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮基波鄰頻干擾和諧波干擾的影響，并將互調(diào)、雜散等按一定比例計(jì)入，用等效干擾帶寬來描述干擾影響的頻帶寬度。

1.6 受擾概率

設(shè)戰(zhàn)場(chǎng)各接收機(jī)的工作狀態(tài)相互獨(dú)立，接收機(jī)存在個(gè)可用頻點(diǎn)，發(fā)射機(jī)存在z個(gè)頻點(diǎn)，且任意時(shí)刻接收機(jī)在其頻段上落到第個(gè)頻點(diǎn)的事件呈等概率分布。

依據(jù)干擾判據(jù)引入符號(hào)變量[5]：

式中：代表諧波次數(shù)，=3，5，7，…。

接收機(jī)的受擾概率為：

2 基于多指標(biāo)的綜合評(píng)估

復(fù)雜電磁環(huán)境下，電磁敏感設(shè)備可能受到來自多個(gè)干擾發(fā)射源的干擾影響，通過裝備性能評(píng)估指標(biāo)（如誤碼率、信納德等）可以確定其某方面性能受到的影響程度。接收機(jī)受到的影響是多方面的，需要對(duì)這些影響進(jìn)行綜合指標(biāo)評(píng)估，獲得定量分析結(jié)果，以便對(duì)不同接收裝備的電磁兼容狀態(tài)進(jìn)行綜合比較。多指標(biāo)綜合評(píng)估是指通過一定的數(shù)學(xué)模型（集結(jié)算子）將多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)值“合成”為一個(gè)整體性的綜合評(píng)估值[6—7]。在戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容評(píng)估中，方案通常是少量的，所以選用基于ANP的小樣本評(píng)價(jià)方法。基于裝備戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容性指標(biāo)，建立裝備戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容性評(píng)估體系如圖1所示。

圖1 裝備戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容性評(píng)估體系

將上述指標(biāo)進(jìn)行一定方式的集結(jié)，從而使電磁兼容的多屬性指標(biāo)轉(zhuǎn)化成單屬性指標(biāo)，以便對(duì)電磁兼容綜合性能進(jìn)行量化比較。根據(jù)多屬性決策理論[8—9]和綜合評(píng)估理論[10—11]，構(gòu)造系統(tǒng)間電磁兼容性能的總體模型：

2.1 基于Topsis的集結(jié)算子

Topsis算子是一種“貼近度集結(jié)算子”，首先構(gòu)造加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣。已知各指標(biāo)的歸一化權(quán)重向量={1，2，…，w}，由和規(guī)范化矩陣構(gòu)造加權(quán)評(píng)估矩陣，v=rw。由加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣確定正負(fù)基準(zhǔn)點(diǎn)，通過測(cè)度各方案與基準(zhǔn)點(diǎn)之間的距離，給出各方案與理想方案的貼近度，貼近度越大說明該方案的效果越好。

2.2 正負(fù)基準(zhǔn)點(diǎn)的確定

在對(duì)不同的裝備運(yùn)用方案進(jìn)行電磁兼容性評(píng)估時(shí)，必須保證某特定方案的評(píng)估結(jié)果在不同的評(píng)估對(duì)象序列中保持一致的評(píng)價(jià)值，即保證評(píng)估結(jié)果是可重用的。

取指標(biāo)的最大值為正基準(zhǔn)點(diǎn)，指標(biāo)的最小值為負(fù)基準(zhǔn)點(diǎn)。最優(yōu)方案為各接收機(jī)均未受到干擾，此時(shí)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)為負(fù)基準(zhǔn)點(diǎn)；最劣方案為各接收機(jī)均受到嚴(yán)重干擾，此時(shí)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)為正基準(zhǔn)點(diǎn)。

以模擬通信系統(tǒng)為例，通常根據(jù)信納德的變化來判斷其通信質(zhì)量。設(shè)信納德從12 dB下降到9 dB時(shí)，接收機(jī)不能正常工作，此時(shí)接收機(jī)受到的干擾信號(hào)功率大小即為干擾功率指標(biāo)的正基準(zhǔn)點(diǎn)。由式（2）可知，在最劣方案中各接收機(jī)受到的干擾功率賦值為該接收機(jī)敏感度門限值的1.14倍。如果能夠獲得接收機(jī)噪聲電平的測(cè)量數(shù)據(jù)，按照正態(tài)分布采用概率統(tǒng)計(jì)的方法求其平均噪聲電平，否則，把接收機(jī)敏感度門限作為接收機(jī)的噪聲電平。

2.3 基于ANP的指標(biāo)權(quán)重確定

通過ANP實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電磁兼容的多屬性指標(biāo)賦權(quán)。設(shè)有個(gè)指標(biāo)={1，…，x}，對(duì)所有指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較建立成對(duì)比較矩陣，比較其對(duì)裝備戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容性能的影響大小。全部比較結(jié)果用判斷矩陣[12]=(aj)×n表示。

設(shè)ANP的指標(biāo)層有元素組1，…，U，其中U中有子指標(biāo)層元素c1，…，c，以目標(biāo)層性能為準(zhǔn)則，U中元素c(=1，…，n)為次準(zhǔn)則，U中各元素按其對(duì)c的影響力大小進(jìn)行間接優(yōu)勢(shì)度比較，得到判斷矩陣。為了把判斷矩陣中每個(gè)元素定量化，采用Saaty提出了“1~9”比較標(biāo)度法[13]。

其中列向量是U中元素c1，…，對(duì)U中元素c1，…，的影響程度排序向量，若U中元素與U中元素相互獨(dú)立（≠），則=0，將矩陣作為子矩陣，可以形成超矩陣：

(7)

超矩陣的子塊都是歸一化的，但是并不是歸一化的。為此，對(duì)各指標(biāo)的重要性進(jìn)行比較，類似超矩陣中子塊的求取，得加權(quán)矩陣，其反映了子塊的相對(duì)排序。

對(duì)超矩陣元素進(jìn)行加權(quán)得到加權(quán)超矩陣：

(9)

2.4 貼近度的確定

(12)

構(gòu)造其歸一化向量分別為：

(14)

(15)

(17)

定義該兼容方案與正、負(fù)基準(zhǔn)點(diǎn)的歐幾里德加權(quán)距離為：

(19)

該方案的貼近度為：

(21)

3 計(jì)算實(shí)例

以單個(gè)接收機(jī)的電磁干擾預(yù)測(cè)和評(píng)估結(jié)果為基礎(chǔ)，裝備戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容性綜合評(píng)估流程如下。

1）獲取裝備接收機(jī)的電磁兼容性單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)估結(jié)果，這里取接收到的干擾信號(hào)功率與接收機(jī)敏感度的比值、干擾帶寬與接收帶寬的比值、信納德或誤碼率、受擾概率作為評(píng)估指標(biāo)，并進(jìn)行指標(biāo)量化，見表1。

2）構(gòu)造各接收機(jī)電磁兼容評(píng)估的最優(yōu)方案和最劣方案，以便于求出待評(píng)估方案的貼近度，其中最優(yōu)方案是接收機(jī)未受到干擾，最劣方案是接收機(jī)受到嚴(yán)重干擾，見表1。

3）由ANP求得各指標(biāo)權(quán)重。

4）根據(jù)Topsis評(píng)估算法進(jìn)行干擾評(píng)估，采用望小型指標(biāo)，即受擾程度越小越好，見表2。

表1 各指標(biāo)的最優(yōu)方案和最劣方案

表2 貼近度求取過程的歸一化向量計(jì)算結(jié)果

5）計(jì)算望小型指標(biāo)與正負(fù)基準(zhǔn)點(diǎn)的歐幾里德加權(quán)距離：

6）給出待評(píng)估方案與最優(yōu)方案的貼近度，判斷各裝備接收機(jī)的戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容性。

可見，接收機(jī)5的戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容性最好，接收機(jī)1的戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容性最差。

7）再進(jìn)一步，可以對(duì)某一裝備應(yīng)用方案中戰(zhàn)場(chǎng)上所有裝備的綜合電磁兼容性進(jìn)行評(píng)估。采用望大型指標(biāo)，即單個(gè)接收機(jī)兼容性越大越好，見表3。

表3 基于Topsis算法進(jìn)行方案戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容性綜合評(píng)估

8）計(jì)算望大型指標(biāo)與正負(fù)基準(zhǔn)點(diǎn)的歐幾里德加權(quán)距離。

(24)

9）給出待評(píng)估方案與最優(yōu)方案的貼近度。

由此可見，雖然方案2的接收機(jī)2—6都具有較好的電磁兼容性，但由于重要接收機(jī)1的兼容性差，所以方案2的戰(zhàn)場(chǎng)綜合電磁兼容性較差。

上述評(píng)估結(jié)果不僅可以用于單個(gè)方案的戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容性評(píng)估，還可以用于多個(gè)評(píng)估方案的比較，具有一致性和可重用性。根據(jù)各接收機(jī)所在平臺(tái)的重要程度，進(jìn)一步加權(quán)可以獲得戰(zhàn)場(chǎng)所有裝備總體的電磁兼容性評(píng)估結(jié)果，為裝備的戰(zhàn)場(chǎng)運(yùn)用提供決策依據(jù)。

4 結(jié)語

針對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁裝備特點(diǎn)和評(píng)估需求，建立了包括電磁兼容距離、信納德、誤碼率、干擾功率、干擾帶寬、受擾概率等在內(nèi)的戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容評(píng)估指標(biāo)體系，并從多屬性決策角度，提出了基于網(wǎng)絡(luò)層次分析法和Topsis算法的裝備戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容綜合評(píng)估算法和集群戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容綜合評(píng)估算法。通過算例分析，驗(yàn)證了方法的實(shí)用性和正確性。該評(píng)估方法還具有一致性和可重用性，可以為復(fù)雜電磁環(huán)境下的裝備運(yùn)用提供決策支撐。

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A Method for Battlefield Electromagnetic Compatibility Evaluation of Equipment

ZHOU Shang-wu1, XU Ying2, ZHOU Yong3

(1.Electronics and Communications Engineering College of Anhui Xinhua University, Hefei 230088, China; 2.Electronic Engineering Institute of PLA, Hefei 230037, China; 3.Beijing Institute of Information and Control, Beijing 100078, China)

Objective To determine and demonstrate the comprehensive electromagnetic compatibility of individual equipment in complex electromagnetic environment and the overall comprehensive electromagnetic compatibility of all equipment in one battlefield party. Methods The index system for battlefield electromagnetic compatibility evaluation was built to research the comprehensive evaluation method in combination with evaluation indicators given for electromagnetic compatibility of battlefield equipment. Results Evaluation indexes and multi-indexes based evaluation index system of electromagnetic compatibility of battlefield equipment were proposed. Evaluation method based on analytic network process (ANP) and technique for order preference by similarity to an ideal solution (Topsis) was provided from the perspective of multiple attribute. The practicability and correctness of the method war proved through an evaluation example. Conclusion The comprehensive evaluation method can provide a decision-making basis for the demonstration of equipment, platform and formation operational mode in the battlefield, and the result of evaluation has consistency and reusability.

electromagnetic compatibility; network evaluation; Topsis

10.7643/ issn.1672-9242.2017.04.004

TJ04；TG174

A

1672-9242(2017)04-0016-05

2016-11-24；

2016-12-08

重點(diǎn)預(yù)研基金項(xiàng)目（9140A33020112JB39085）

周尚武（1976—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)殡姶怒h(huán)境監(jiān)測(cè)與信號(hào)處理。