戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境復(fù)雜度與戰(zhàn)術(shù)通信性能的相關(guān)性研究

趙紅梅，蘇海斌，王健

（中國(guó)電波傳播研究所，山東 青島 266107）

電磁環(huán)境復(fù)雜度評(píng)估及其對(duì)電子信息系統(tǒng)的影響分析技術(shù)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。該技術(shù)不僅是電磁環(huán)境頻譜管理的第一步，同時(shí)也是電子信息系統(tǒng)測(cè)試、試驗(yàn)、訓(xùn)練的一個(gè)重要支撐。針對(duì)此，美英等國(guó)家提出了《MIL-STD-464A Electromagnetic environmental effects requirements for systems》[1]、《DoD Directive 3222.3:DoD Electromagnetic Environmental Effects(E3) Program》[2]，《The Electric, Magnetic &Electromagnetic Environment》[3]等標(biāo)準(zhǔn)和指南性文件，并進(jìn)行了數(shù)次修訂。國(guó)內(nèi)學(xué)者在分析了復(fù)雜電磁環(huán)境內(nèi)涵和特征的基礎(chǔ)上，多以電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)[4-5]，提出了客觀和主觀二類評(píng)估思想[6]：客觀評(píng)估多以統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ)，從頻率占用度、時(shí)間占用度、平均功率譜密度、電磁信號(hào)特征及異動(dòng)信號(hào)率、信息量變化率、復(fù)合信息熵等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估[7-11]；主觀評(píng)估考慮了電子信息系統(tǒng)和電磁環(huán)境的相關(guān)性[12-17]，部分學(xué)者探索了電磁環(huán)境復(fù)雜度根源表征量，建立了電磁環(huán)境等級(jí)與數(shù)據(jù)通信設(shè)備性能的映射[6]。為進(jìn)一步深化電磁環(huán)境評(píng)估方法，提升電磁環(huán)境評(píng)估公信度，文中從典型通信系統(tǒng)層面，研究電磁環(huán)境復(fù)雜度與通信系統(tǒng)的相關(guān)性的映射，旨在為通信系統(tǒng)的電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)及其評(píng)估技術(shù)[18-19]研究提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 評(píng)估方法

影響電子設(shè)備的電磁環(huán)境包括噪聲和干擾，覆蓋為時(shí)域、頻域、能量域和極化域等要素，來(lái)源于宇宙、地球大氣、地面及工業(yè)系統(tǒng)等。源的多樣性以及媒質(zhì)對(duì)電磁波的影響導(dǎo)致了電磁環(huán)境信號(hào)具有數(shù)量多、密度高、樣式多樣、覆蓋頻段寬、極化方式不一且非穩(wěn)態(tài)時(shí)變等特性。由電磁環(huán)境相對(duì)性可知，相同電磁環(huán)境對(duì)不同設(shè)備造成不同的效應(yīng)，因此，可利用專用的測(cè)量設(shè)備獲取影響電子信息設(shè)備的電磁環(huán)境要素，找出與特定設(shè)備相關(guān)的時(shí)域、頻域、能量域和極化域信息[6]。

基于能力的電磁環(huán)境復(fù)雜度評(píng)價(jià)，是依據(jù)受到電磁環(huán)境影響后的電子設(shè)備能力變化狀況，從而判定電磁環(huán)境的復(fù)雜程度。考慮電子設(shè)備的動(dòng)態(tài)工作參數(shù)與電磁環(huán)境的耦合，文獻(xiàn)[5]定義了電磁環(huán)境復(fù)雜度根源表征量，即“電子設(shè)備在所處電磁環(huán)境接收端的信噪比”，可表示為：

式中：c為電磁環(huán)境復(fù)雜度因子；[ts, te]為有效工作時(shí)間；[fs, fe]為有效工作頻帶；H(f)為設(shè)備接收頻響函數(shù)；p(t, f)為電磁環(huán)境功率譜；p0(t,f)為設(shè)備接收端信號(hào)功率譜。

對(duì)于通信設(shè)備而言，主要考慮到通信能力技術(shù)指標(biāo)語(yǔ)音清晰度、誤碼率等受影響的程度，從而綜合評(píng)估出針對(duì)該通信設(shè)備的電磁環(huán)境復(fù)雜度?；谕ㄐ拍芰Φ碾姶怒h(huán)境復(fù)雜度評(píng)估方法如下。

1）確定面向單設(shè)備的電磁環(huán)境評(píng)估體系。定義電磁環(huán)境等級(jí)及對(duì)應(yīng)的通信質(zhì)量等級(jí)為最終的評(píng)估目標(biāo)，并據(jù)此確定準(zhǔn)則層、指標(biāo)層的數(shù)據(jù)項(xiàng)，見(jiàn)表1。

表1 面向通信系統(tǒng)的電磁環(huán)境評(píng)估體系

2）確定面向單設(shè)備的電磁環(huán)境分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于單個(gè)通信設(shè)備，對(duì)于常用的調(diào)制方式，根據(jù)語(yǔ)音通信系統(tǒng)清晰度指數(shù)與信干噪比的映射關(guān)系[19]：

式中：A為語(yǔ)音清晰度指數(shù)；r為信干噪比，dB。

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)誤碼率與信干噪比的映射關(guān)系為：

式中：P為數(shù)據(jù)誤碼率；r為信干噪比；erfc()為誤差余函數(shù)。

可分別建立語(yǔ)音通信設(shè)備和數(shù)據(jù)通信設(shè)備分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表2和表3。

3）確定面向通信系統(tǒng)的評(píng)估方法。在單設(shè)備評(píng)估方法基礎(chǔ)上，采集加權(quán)求和方式，建立面向通信系統(tǒng)的評(píng)估方法，其量化統(tǒng)計(jì)值計(jì)算方法可表示為：

表2 面向語(yǔ)音通信設(shè)備的電磁環(huán)境分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表3 面向數(shù)據(jù)通信設(shè)備的電磁環(huán)境分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

式中：i為單鏈路通信質(zhì)量等級(jí)或電磁環(huán)境復(fù)雜度等級(jí)，i=1,2,3,4,5；ni為通信質(zhì)量等級(jí)或電磁環(huán)境復(fù)雜度等級(jí)為i的通信設(shè)備數(shù)量；N為通信設(shè)備總數(shù)。

4）確定面向通信系統(tǒng)的電磁環(huán)境分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)上述評(píng)估方法所得結(jié)果，確定面向通信系統(tǒng)的電磁環(huán)境等級(jí)，見(jiàn)表4。

表4 面向通信網(wǎng)系的電磁環(huán)境分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2 仿真分析

假定在50 km×50 km作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)部署某通信網(wǎng)，共12個(gè)節(jié)點(diǎn)組成了2個(gè)子網(wǎng)共計(jì)20條通信鏈路。鏈路間采用定頻的通信方式，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼爸苓叺匦吻闆r如圖 1所示。各節(jié)點(diǎn)采用通信樣式、工作頻率、調(diào)制方式、工作帶寬、發(fā)射功率、天線類型等參數(shù)見(jiàn)表5。

圖1 通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

根據(jù)通信網(wǎng)部署、拓?fù)潢P(guān)系及用頻參數(shù)，利用高頻地波傳播以及超高頻地面?zhèn)鞑ヮA(yù)測(cè)方法[20-22]，計(jì)算可得各通信鏈路的接收信號(hào)強(qiáng)度，見(jiàn)表6。

根據(jù)式（4）確定面向通信系統(tǒng)的評(píng)估方法，可得整個(gè)通信系統(tǒng)的面臨的電磁環(huán)境量化統(tǒng)計(jì)值為

進(jìn)而，可確定面向整個(gè)通信系統(tǒng)的電磁環(huán)境分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為IV。這意味著在該電磁環(huán)境下，1條高頻通信鏈路無(wú)法通信，5條高頻通信鏈路話音勉強(qiáng)能聽(tīng)懂，1條高頻通信鏈路話音基本能聽(tīng)懂，4條超高頻數(shù)據(jù)通信鏈路通信中斷，1條超高頻通信鏈路無(wú)法實(shí)現(xiàn)報(bào)文和分組通信，1條超高頻通信鏈路勉強(qiáng)實(shí)現(xiàn)報(bào)文通信無(wú)法實(shí)現(xiàn)分組通信，3條超高頻通信鏈路能夠?qū)崿F(xiàn)報(bào)文通信分組通信質(zhì)量較差，其余鏈路通信基本未受影響。

表5 通信網(wǎng)設(shè)備用頻參數(shù)

表6 通信質(zhì)量和面臨的電磁環(huán)境復(fù)雜度等級(jí)

3 結(jié)論

文中從電磁環(huán)境復(fù)雜度根源表征量出發(fā)，結(jié)合典型通信系統(tǒng)，提出典型通信單設(shè)備和全網(wǎng)系的電磁環(huán)境復(fù)雜度評(píng)估方法，建立了面向語(yǔ)音通信設(shè)備和數(shù)據(jù)通信設(shè)備的電磁環(huán)境分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和映射。通過(guò)仿真驗(yàn)證了方法的可行性，證實(shí)了同一環(huán)境下不同設(shè)備所受的電磁環(huán)境影響具有個(gè)體差異性。整體通信網(wǎng)系的受影響程度有別于單一設(shè)備，這為客觀評(píng)估通信系統(tǒng)的電磁環(huán)境復(fù)雜程度推進(jìn)了一步。上述研究為電磁環(huán)境仿真[23]、裝備適應(yīng)性試驗(yàn)[24]、電磁干擾性能評(píng)估[25]、用頻管理[26]等研究提供了基礎(chǔ)和有益的參考。