論電磁環(huán)境“使能-消能”效應(yīng)在綜合電子信息系統(tǒng)中的對立統(tǒng)一

唐曉斌， 曹 佳

(中國電子科學(xué)研究院，北京 100041)

0 引 言

隨著世界范圍內(nèi)信息化程度的逐漸加深，電磁環(huán)境與信息系統(tǒng)的關(guān)系也日益緊密。一方面，投入使用的射頻電子設(shè)備種類與數(shù)量的激增，使得民用空間和戰(zhàn)場的電磁環(huán)境都變得十分復(fù)雜，而射頻電子設(shè)備在這樣的復(fù)雜電磁環(huán)境中工作，性能受到影響的途徑和程度也非常繁復(fù)；另一方面，信息系統(tǒng)的綜合程度越來越高，大型綜合信息系統(tǒng)中集成的電子設(shè)備越多，系統(tǒng)內(nèi)各功能模塊通過改造電磁環(huán)境對其他功能模塊造成的潛在影響越大。在此背景下，能否正確的分析電磁環(huán)境、有效控制電磁環(huán)境、最大程度的利用電磁域資源，成為了打贏信息化戰(zhàn)爭至關(guān)重要的因素[1]。

因此,電磁環(huán)境效應(yīng)的概念應(yīng)運而生，圍繞這一概念美軍率先開展了系統(tǒng)化的研究工作，并在其研究成果基礎(chǔ)上建立起了相對完善、可操作性很強的軍用標(biāo)準(zhǔn)體系，用以保障美軍裝備在實戰(zhàn)中的環(huán)境適應(yīng)性[2]。參照美軍的成功經(jīng)驗，我國在進入21世紀(jì)以來,也日漸重視電磁環(huán)境效應(yīng)的研究工作。目前，在該概念涵蓋的電磁兼容、電磁干擾、環(huán)境評估方法等方面已經(jīng)取得了諸多研究成果，并在積極推動相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建立。但是目前的研究與應(yīng)用仍然存在一定局限性。

(1)概念的局限性

美軍標(biāo)對于電磁環(huán)境效應(yīng)的定義為：電磁環(huán)境對于軍隊、設(shè)備、系統(tǒng)和平臺作戰(zhàn)能力所產(chǎn)生的影響；而相應(yīng)的我國目前國軍標(biāo)的對應(yīng)定義為：電磁環(huán)境對電氣電子系統(tǒng)、設(shè)備、裝置的運行能力的影響[3]。目前的這種定義方式，從概念上將電磁環(huán)境與設(shè)備/系統(tǒng)/平臺分離對立。而事實上，電磁環(huán)境的構(gòu)成中，自然電磁環(huán)境是相對靜態(tài)而不隨技術(shù)發(fā)展或戰(zhàn)場局勢變化的，在一定的場景中其產(chǎn)生的影響可以作為一個固化的背景參數(shù)引入分析；而真正左右現(xiàn)代戰(zhàn)場電磁環(huán)境復(fù)雜性的，正是設(shè)備/系統(tǒng)/平臺本身所產(chǎn)生的人為電磁環(huán)境[4]。

因此，需要概念上有所突破，能夠體現(xiàn)出“設(shè)備/系統(tǒng)/平臺→復(fù)雜電磁環(huán)境→設(shè)備/系統(tǒng)/平臺”這個影響作用鏈。

(2)研究對象的局限性

包括美國在內(nèi)，目前世界范圍內(nèi)各國對電磁環(huán)境效應(yīng)的研究主體都是電磁環(huán)境本身，通過歸納、預(yù)測、分析和評估等手段，確定電磁環(huán)境對系統(tǒng)內(nèi)的各個設(shè)備/功能模塊造成的危害。

而我們研究電磁環(huán)境效應(yīng)的初衷，是為了系統(tǒng)能夠適應(yīng)復(fù)雜的電磁環(huán)境，在實戰(zhàn)中表現(xiàn)出良好的性能。因此，以電磁環(huán)境為研究對象得到的研究結(jié)果在效果的體現(xiàn)上不具有直觀性和系統(tǒng)綜合性。這導(dǎo)致目前的研究雖然在認(rèn)知電磁環(huán)境的方法和能力上取得了很多突破[5]，但成果卻難以直接貢獻于綜合電子系統(tǒng)系統(tǒng)能力的提升。

(3)分析手法的局限性

目前,電磁環(huán)境效應(yīng)的研究方法依靠測試、歸納和經(jīng)驗定性總結(jié)的程度依然較高，亟需建立起一套宏觀的數(shù)學(xué)分析體系[6]，建立起系統(tǒng)能力與復(fù)雜電磁環(huán)境間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

在此情況下，即便在系統(tǒng)的全壽命周期嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，仍然面臨著對電磁環(huán)境無法隨時掌握、靈活利用、有針對性調(diào)整的問題。

針對目前研究的局限性，本文提出系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)中使能效應(yīng)與消能效應(yīng)的概念，揭示了二者在綜合電子信息系統(tǒng)中對立統(tǒng)一的客觀規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，提出“使能-消能”分析法并建立數(shù)學(xué)模型，直接以系統(tǒng)能力為研究對象來量化反映復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)。該分析法對于分析優(yōu)化系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境中的實際表現(xiàn)具有諸多優(yōu)勢，隨著后續(xù)研究工作的完善，將能為大型綜合電子信息系統(tǒng)的建立和制電磁權(quán)的爭奪提供有力的技術(shù)支撐。

1 使能效應(yīng)與消能效應(yīng)

基于對綜合電子信息系統(tǒng)物理層系統(tǒng)能力的作用效果，系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)可以分為“使能效應(yīng)”與“消能效應(yīng)”兩個分支概念。

1.1 概念界定

使能效應(yīng)表征了系統(tǒng)內(nèi)各功能單元作用于電磁環(huán)境后給自身帶來的主動性能增益。例如：系統(tǒng)中的雷達(dá)探測模塊提高自身的天線陣面的方向圖增益，作用于電磁環(huán)境后，主波束指向的輻射電磁場功率密度提高，從而提高了雷達(dá)探測的作用距離；系統(tǒng)中的無線通信模塊采取跳頻-擴頻模式實現(xiàn)通信，作用于電磁環(huán)境后，射頻信號的頻帶展寬，從而提高了通信質(zhì)量和抗干擾能力。

消能效應(yīng)表征了系統(tǒng)內(nèi)各功能單元作用于電磁環(huán)境后給系統(tǒng)內(nèi)其他功能單元帶來的被動性能損失。例如：系統(tǒng)中的雷達(dá)探測模塊發(fā)射探測信號，作用于電磁環(huán)境后，在系統(tǒng)所處的空間內(nèi)也形成了一定強度的電磁場分布，若系統(tǒng)內(nèi)同時設(shè)有電子偵察設(shè)備，則此時偵察同頻段外部射頻信號將被本系統(tǒng)雷達(dá)信號壓制，從而使該時段、該頻段的電子偵察性能下降。

1.2 “使能-消能”的對立統(tǒng)一關(guān)系

從物理層上看，功能單元本身的性能增益與自身占用的物力資源成正比，擴展電磁域資源使用的廣度、深度和靈活度正是當(dāng)前射頻功能模塊提升自身性能的重要途徑之一。但是從另一個角度看，全系統(tǒng)資源共享條件下，單一功能模塊使用資源的擴展必然引起其他設(shè)備資源使用空間受到擠壓，從而間接對其他功能模塊的性能帶來一定程度的損失。這種現(xiàn)象即為系統(tǒng)電磁環(huán)境“使能-消能”效應(yīng)的對立關(guān)系。

整個系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境中的實際能力，或者落實到物理層的性能，顯然是其下各功能模塊“使能效應(yīng)”與“消能效應(yīng)”綜合作用的結(jié)果：當(dāng)以其中一種效應(yīng)的優(yōu)化為唯一目標(biāo)并超出一定范圍時，另一種效應(yīng)的惡化效果反而將主導(dǎo)系統(tǒng)的綜合表現(xiàn)下降，只有當(dāng)“使能-消能”兩種效應(yīng)滿足某種平衡條件時，各功能單元才能同時滿足系統(tǒng)要求，而整個系統(tǒng)的能力才能實現(xiàn)最大化。該現(xiàn)象即為系統(tǒng)電磁環(huán)境“使能-消能”效應(yīng)的統(tǒng)一關(guān)系。

“使能效應(yīng)”與“消能效應(yīng)”是系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)的一體兩面，而“使能-消能”對立統(tǒng)一關(guān)系則是綜合電子信息系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)的客觀規(guī)律。

2 “使能-消能”分析法建模

圍繞系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)的“使能-消能”對立統(tǒng)一關(guān)系，可以建立一套相應(yīng)的數(shù)學(xué)分析方法，該方法以系統(tǒng)內(nèi)各功能模塊的“使能效應(yīng)”與“消能效應(yīng)”為自變量，以系統(tǒng)能力為最終分析結(jié)果，直接以系統(tǒng)能力為研究對象來量化反映復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)。

2.1 系統(tǒng)能力模型

從頂層評估系統(tǒng)能力，即應(yīng)用層或信息層的系統(tǒng)能力，方具有參考價值，而電磁環(huán)境則是直接作用于物理層。因此，依據(jù)系統(tǒng)法設(shè)計原則[7]，“使能-消能”分析法建模首先要完成系統(tǒng)能力應(yīng)用層/信息層與物理層之間的雙向建模。

(1) 提出系統(tǒng)能力矢量的概念，該矢量的每一個分量為系統(tǒng)中每個單一功能模塊的在系統(tǒng)中的性能。該矢量的模則為系統(tǒng)能力的量化值。該建模過程概括為式(1)。

(1)

(2)定義單一功能模塊在系統(tǒng)中性能在應(yīng)用層/信息層與物理層之間的映射函數(shù)f與逆函數(shù)f-1，實現(xiàn)系統(tǒng)能力在各層間的相互轉(zhuǎn)換。該建模過程概括為式(2)。

(2)

以上即完成了“使能-消能”分析法的系統(tǒng)能力建模。

2.2 單一功能模塊的對立統(tǒng)一基本模型

系統(tǒng)電磁環(huán)境的“使能效應(yīng)”與“消能效應(yīng)”均通過各單一功能模塊直接作用，因此“使能-消能”對立統(tǒng)一關(guān)系應(yīng)先在單一功能模塊上完成建模。

(1)依據(jù)概念建立“使能效應(yīng)”與“消能效應(yīng)”模型，二者是我們最終電磁環(huán)境效應(yīng)分析的基本自變量，同時又是時、空、頻、能的函數(shù)，其中時、空、頻、能即從電磁域?qū)用娼缍讼到y(tǒng)的應(yīng)用場景；

(2)在正確的設(shè)備級電磁兼容設(shè)計下，單個功能模塊不存在產(chǎn)生的增益小于負(fù)作用的現(xiàn)象，因此用正和博弈關(guān)系表征單個功能模塊“使能-消能”的對立關(guān)系；

(3)用單個功能模塊的“使能效應(yīng)”與“消能效應(yīng)”的商表示該單個模塊對系統(tǒng)的貢獻，其值域范圍體現(xiàn)體現(xiàn)“使能-消能”的統(tǒng)一關(guān)系。

以上建模過程如式(3)所示。

(3)

其中：t,s,f,e為時間、空間、頻率、能量；Gain為功能模塊的“使能效應(yīng)”增益；Loss為功能模塊的“消能效應(yīng)”損耗；UL為“使能-消能”正和博弈極限；C2S為功能模塊對系統(tǒng)的貢獻。

2.3 綜合系統(tǒng)的對立統(tǒng)一擴展模型

綜合電子信息系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境中的系統(tǒng)能力是“使能-消能”分析法的研究對象，因此對立統(tǒng)一模型需要完成從單一功能模塊向綜合系統(tǒng)整體-復(fù)雜環(huán)境的擴展。

(1)將系統(tǒng)中所有功能單元對自身的“使能效應(yīng)”定義為Gainii，對其他功能單元的“消能效應(yīng)”定義為Lossij，擴展生成“使能-消能”矩陣G-Lmat；

(2)將某一外部環(huán)境定義為僅對系統(tǒng)內(nèi)功能模塊存在“消能效應(yīng)”的特殊虛擬模塊，其“消能效應(yīng)”函數(shù)由對該環(huán)境的獨立分析結(jié)果確定；

(3)以“使能-消能”矩陣G-Lmat的第i列向量的乘積作為功能單元i在系統(tǒng)中的物理層實際性能。

以上建模過程如式(4)所示。

(4)

其中其它代號概念已在本小節(jié)前面介紹過，在此僅提醒：

G-Lmat(:,i)為“使能-消能”矩陣的第i列列向量。

3 “使能-消能”分析法的優(yōu)勢

“使能-消能”分析法給出了一套以系統(tǒng)能力為直接研究對象的數(shù)學(xué)分析體系，該體系在系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)的研究與應(yīng)用上具有以下優(yōu)勢：

(1)對系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)描述完備

通過正確的設(shè)置“使能-消能”矩陣，該分析法既能反映外部輻射源對系統(tǒng)的影響，也能反映系統(tǒng)內(nèi)部的相互影響，同時電子戰(zhàn)中兩個甚至多個對立系統(tǒng)間的電磁域?qū)骨闆r也可以通過多系統(tǒng)模型間的模型迭代更新實現(xiàn)分析。

(2)揭示“使能-消能”對立統(tǒng)一客觀規(guī)律

“使能-消能”對立統(tǒng)一基本模型的建立，從數(shù)學(xué)上描述了使能效應(yīng)與消能效應(yīng)此消彼長、共同作用于功能模塊系統(tǒng)貢獻的過程，證明了“使能-消能”對立統(tǒng)一關(guān)系是電磁環(huán)境效應(yīng)對綜合電子信息系統(tǒng)能力的作用本質(zhì)，揭示了“使能-消能”的平衡控制在系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)工程方法中的核心地位。

(3)評估優(yōu)化系統(tǒng)能力的可操作性強

“使能-消能”對立統(tǒng)一擴展模型的建立，為復(fù)雜電磁環(huán)境對系統(tǒng)能力的影響提供了明確的自變量與應(yīng)變量，結(jié)合適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)算法即可實現(xiàn)準(zhǔn)確的評估和有效的尋優(yōu)。為綜合電子信息系統(tǒng)的前期全系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計和運行中的電磁資源管控提供了有力的數(shù)學(xué)工具。

(4)具有系統(tǒng)的可擴展性

未來的信息系統(tǒng)和戰(zhàn)爭形態(tài)中，系統(tǒng)的構(gòu)成將變得非常靈活，向上多個系統(tǒng)可以作為子系統(tǒng)構(gòu)成一個更大的作戰(zhàn)體系，向下一個功能模塊的性能又可能隨技術(shù)更迭發(fā)展為多個子功能性能的綜合，而以上兩個方向系統(tǒng)的擴展在“使能-消能”分析法中只需要將式(1)中相應(yīng)層級的系統(tǒng)能力標(biāo)量擴展為矢量即可實現(xiàn)。

(5)具有兼容先進的信息技術(shù)的潛力

該分析法在確立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型后，即具備與大數(shù)據(jù)分析與機器學(xué)習(xí)技術(shù)相兼容的能力，面對大系統(tǒng)與復(fù)雜環(huán)境的問題，將能突破由人主導(dǎo)電磁域設(shè)計、評估和使用中資源分配帶來的主觀性和計算能力、速度的局限性。

4 結(jié) 語

現(xiàn)代戰(zhàn)場電磁環(huán)境的日趨復(fù)雜，使得電磁環(huán)境效應(yīng)在綜合電子信息系統(tǒng)中的地位越來越重要。本文為突破目前電磁環(huán)境效應(yīng)研究的局限性，揭示系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)的本質(zhì)，提高分析結(jié)果的可利用度，提出了“使能效應(yīng)”與“消能效應(yīng)”的概念，指明了“使能-消能”的對立統(tǒng)一關(guān)系是綜合電子信息系統(tǒng)能力保障的關(guān)鍵?；诖岁P(guān)系建立的“使能-消能”分析法具有突出的技術(shù)發(fā)展優(yōu)勢，使得系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性的前期優(yōu)化設(shè)計、系統(tǒng)電磁域資源的動態(tài)分配、電子戰(zhàn)攻防的戰(zhàn)術(shù)布置實施甚至演練都有望切實落地。這些無疑都將為制電磁權(quán)的爭奪提供有力的技術(shù)優(yōu)勢。