劉滿堂,周向陽,熊林慶

(1.中國西南電子技術研究所,成都 610036;2.解放軍94907部隊,南昌 330013)

通信系統(tǒng)是現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)的重要組成,其主要功能是信息收集、傳輸、處理及共享等[1],航空通信系統(tǒng)的價值是由其技術特征和使用效能所決定的。通信效能是航空通信系統(tǒng)整體性能的綜合體現(xiàn),復雜電磁環(huán)境背景下,飛行狀態(tài)效能評估更重要。本文提出基于試飛的航空通信系統(tǒng)效能評估方法,工程試飛驗證結果表明,基于試飛的效能評估方法對于注重整體效能的現(xiàn)代航空通信系試飛評估具有很廣泛的應用價值。

1 系統(tǒng)效能定義

美國工業(yè)界武器系統(tǒng)效能咨詢委員會(WSELS)對系統(tǒng)效能的定義:系統(tǒng)效能是預期一個系統(tǒng)在滿足一組特定任務要求的程度的量度,是系統(tǒng)可用性、可信性、固有能力的函數(shù)。

系統(tǒng)效能體現(xiàn)完成任務的整體能力,不同狀態(tài)下通信系統(tǒng)效能有差異,按應用環(huán)境分為自身效能和使用效能[2]。前者代表系統(tǒng)基于設計和制造具有的能力,屬于靜態(tài)效能。使用效能與環(huán)境和其他外界因素相關。

2 評估方法

系統(tǒng)效能評估方法有指數(shù)法、試驗統(tǒng)計法、ADC模型法等。ADC評估法是美國工業(yè)界武器系統(tǒng)效能咨詢委員會定義的[3-4],表達式為

式中,E代表系統(tǒng)效能;A=(a1,a2,a3,…,an)為可用度向量,ai為開始執(zhí)行任務時處于i狀態(tài)的概率,n為系統(tǒng)開始執(zhí)行任務時的狀態(tài)數(shù)量;D為可信度矩陣:

式中,dij是系統(tǒng)由初始狀態(tài)i經歷任務期間到任務結束時轉移到任務j的轉移概率,且滿足=1,表示系統(tǒng)在規(guī)定的任務剖面中的任一隨機時刻可使用且能完成規(guī)定功能的能力,即系統(tǒng)在可用性給定的情況下的任務可靠性;C為固有能力向量,即系統(tǒng)處于可用及可用狀態(tài)下能夠達到任務目標的量度,固有能力矩陣 C之計算,與系統(tǒng)任務密切相關,C=(C1,C2,,Cn)T,Ci代表處于狀態(tài)j時完成任務的概率。

ADC模型法只適合對單個武器系統(tǒng)進行效能評估[4],現(xiàn)代航空通信系統(tǒng)由多種通信鏈路組成,屬于綜合性復雜航空通信系統(tǒng),各種通信通信方式不同程度影響系統(tǒng)使用效能。采用ADC模型已經不能完成這樣的通信系統(tǒng)效能評估工作,需要先利用ADC模型完成各鏈路效能Ei=(i=1,2,3,…,m)評估之后,再采用AHP模型,由公式(2)統(tǒng)計計算通信系統(tǒng)的整體效能:

式中,ωi為第i條通信鏈路的效能權重。

AHP模型核心思路如下:

(1)根據各通信鏈路對總體效能重要程度構建判斷矩陣;

(2)求解判斷矩陣的最大特征值和對應的特征向量,并進行歸一化處理;

(3)確定特征向量為權重W=(ω1,ω2,…,ωm)。

本文僅以超短波通信為例展開航空通信系統(tǒng)效能試飛評估論述。

3 評估模型

設計評估模型必須要有正確的指導思想,作者認為,關鍵是研究航空通信系統(tǒng)試飛特點、試飛流程、試飛方法,構建與試飛相適應的系統(tǒng)效能評估指標體系。我們知道,試飛數(shù)據是試飛試驗結果,也是評估的依據,將試飛數(shù)據按照規(guī)定層次結構匯集就構成通信系統(tǒng)效能試飛綜合評估的指標體系。通過數(shù)據相關處理分析,完成通信系統(tǒng)功能性能試飛評估的基礎上,繼續(xù)深化數(shù)據分析,綜合評估通信系統(tǒng)實際使用效能,明確影響系統(tǒng)效能的各種因素,為用戶提供使用建議。

基于試飛的航空通信系統(tǒng)效能評估體系架構如圖1所示。在這個指標體系中所定義的單項效能、系統(tǒng)效能、使用效能[5]恰好與航空通信系統(tǒng)試飛之單項功能試飛、系統(tǒng)試飛、綜合試飛流程相對應,有利于結合試飛開展系統(tǒng)效能評估。

圖1 通信系統(tǒng)效能試飛評估體系Fig.1 Communication system test flight effectiveness evaluation

3.1 單項效能

指實際應用中,單一使用目的所能達到的程度?？盏?、空空通信獨立試飛科目實施中獲得的試飛數(shù)據,是支撐單項效能評估的主要依據。

3.2 系統(tǒng)效能

系統(tǒng)效能可以理解為在規(guī)定條件下,滿足試飛任務規(guī)劃要求的可能程度。空地、空空、系統(tǒng)綜合性能試飛科目試飛試驗獲得的試飛數(shù)據均可以作為系統(tǒng)效能評估的基礎數(shù)據,但以系統(tǒng)綜合性能試飛數(shù)據為主。

3.3 使用效能

在規(guī)定的環(huán)境下,運用通信系統(tǒng)執(zhí)行通信任務所能達到的預期目標的程度。使用效能試飛評估,核心是設置相對復雜的環(huán)境,如設置針對通信的電磁干擾環(huán)境,檢查考核通信系統(tǒng)在實際環(huán)境中的通信能力。

4 評估環(huán)境

前面已經論述過,通信系統(tǒng)使用效能與環(huán)境及其他外界因素有關,電磁環(huán)境必然會對航空通信系統(tǒng)試飛產生影響,共址干擾(EMI)導致實際接收靈敏度變化,使通信效能下降;飛機散射作用使天線輻射各向不一致導致特定狀態(tài)下通信系統(tǒng)效能降低等。既然環(huán)境與系統(tǒng)試飛結果相關,也與系統(tǒng)試飛效能評估有關,需要測試分析其影響程度,剔除試飛數(shù)據中由于環(huán)境影響所致的數(shù)據野點,降低環(huán)境因素導致的評估誤差,獲得航空通信系統(tǒng)效能客觀、有效的評估結論。

4.1 噪聲和干擾

時空全域性、復雜多樣性等電磁頻譜特征表明,現(xiàn)代飛機平臺屬于復雜電磁環(huán)境。通信系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的相互影響難以分割,且通信系統(tǒng)是電磁敏感系統(tǒng),系統(tǒng)效能與通信接收機接收靈敏度相關。所以,建立相對于接收機靈敏度的電磁干擾判決準則并進行機上地面測試試驗甚至空中試驗是必要的。實際試飛中,結合系統(tǒng)電磁兼容性試驗進行。

4.2 天線輻射特性

實現(xiàn)用戶之間信息的交互是通信系統(tǒng)的主要功能,信息傳輸則需要依靠具有一定能力的電磁信號輻射來完成,電磁信號能量又與天線特性相關,所以,通信天線輻射特性一定和通信效果密切相關的。飛機是復雜的電磁散射體[6],機身散射作用使機載天線方向性圖畸變。就機載通信天線而言,這種變化是允許的,但準則要求輻射方向圖在方位面上必須是全方向性的,最弱的方位零值深度不得超過20 dB。顯然,天線輻射增益20 dB變化范圍對于通信性能的影響是很大的。天線輻射特性與航空通信系統(tǒng)效能試飛評估相關,所以,建立通信天線輻射特性判決準則并進行試飛測試是必要的。

5 效能評估

5.1 地面靜態(tài)試驗

基于試飛的通信系統(tǒng)效能評估貫穿試飛任務全過程,當然也包括地面試驗。開展地面試驗時,參試系統(tǒng)按圖2所示布設在試飛機場停機坪,各試驗平臺之間無遮擋并保持通視,相互間距離200～500 m為宜。

圖2 地面靜態(tài)試驗示意圖Fig.2Ground static experiment illustration

5.1.1 電磁環(huán)境測試

通信頻段內電磁噪聲和干擾信號測試是系統(tǒng)電磁兼容性試驗一部分。試驗中,機上所有電子設備處于加電工作狀態(tài),測試通信接收機天線端口通信頻段內噪聲和干擾信號頻譜。

經理論分析可知,當航空通信系統(tǒng)多條超短波鏈路同時工作,按照系統(tǒng)頻率管理規(guī)則完成試飛任務規(guī)劃,并保證規(guī)劃的通信波道帶內電磁干擾(EMI)相對于接收機噪聲滿足兼容準則,即I/N≤-6 dB時,電磁干擾對評估的影響較小,反之,依據試飛數(shù)據計算獲得的通信效能將比其真實性能差。

5.1.2 通信鏈路靈敏度測試

通信鏈路靈敏度測試是地面試驗主要科目之一。試驗過程中,配試系統(tǒng)和機載通信系統(tǒng)在規(guī)定波道建立無線通信鏈路,測試機上各超短波鏈路實際靈敏度。根據UHF頻段頻譜圖,通信頻段內亂真輻射和EMI信號較多。理論分析可知,由于電磁噪聲和干擾的存在,鏈路靈敏度將低于實驗室測試的基準靈敏度,與實測結果相符。試飛任務結束后,所獲得的通信系統(tǒng)效能試飛評估結論與測試的實際靈敏度相對應。

5.2 試飛試驗

通信系統(tǒng)效能試飛評估即是在飛行狀態(tài)下系統(tǒng)使用效能評估。航空通信系統(tǒng)空-地、空-空試飛協(xié)同關系如圖3所示。

圖3 航空通信系統(tǒng)試飛示意圖Fig.3Avionic communication system test flight experiment illustration

5.2.1 天線輻射特性試飛

天線方向性圖試飛采用24次進入的梅花瓣航線飛行,試飛航跡圖如圖4所示。地面測量設備記錄機上被測天線發(fā)射信號、時間,事后載機貫導數(shù)據地面測試數(shù)據進行時間相關處理,并依據數(shù)據結果生成天線輻射特性圖。以機載超短波天線中的一副天線為例,輻射方向性圖如圖5和圖6所示。

圖4 天線輻射特性試飛航跡圖Fig.4 Test flight path diagram

圖5 145.75 MHz方向圖Fig.5 Antenna pattern at 145.74 MHz

圖6 399.25 MHz方向圖Fig.6 Antenna pattern at 399.25 MHz

試飛結果表明:超短波天線輻射特性隨頻率變化而變化,水平方位、天線輻射增益隨角度變化較大,但在準則允許的20 dB之內。天線增益變化主要由機身遮擋和散射所導致,實測值與理論分析相符。同樣,系統(tǒng)最終試飛評估結論將與各超短波通信鏈路天線輻射特性相對應。

5.2.2 超短波通信試飛

基于設計的系統(tǒng)效能試飛評估的優(yōu)先順序與試飛流程相匹配,即先單項效能,再系統(tǒng)效能,最后進行使用效能。但在試飛任務規(guī)劃中,在綜合設計條件允許條件下,單項試飛科目與系統(tǒng)綜合科目結合進行。通信系統(tǒng)超短波通信鏈路綜合效能分析計算如下。

多鏈路通信系統(tǒng),根據鏈路功能和在系統(tǒng)中的重要程度,將其權重定義為

且滿足條件:

(1)可用度向量A

超短波通信鏈路而言,初始時刻可能的狀態(tài)概率只有正常和故障兩種概率,a1為正常的概率,a2為故障的概率,即A=(a1,a2),根據可靠性理論可知:

式中,MTBF為平均故障間隔時間,MTTR為平均故障修復時間。

由組成超短波鏈路的各獨立設備平均無故障時間計算鏈路平均故障間隔時間為:MTBF=495.6 h,試驗期間,超短波鏈路各種故障維修時間平均值小于1 h,取 MTTR=1 h。

通過式(3)、(4)計算得

(2)可信度D

可信度D與系統(tǒng)可靠性和使用過程中的修復性有關,也與平臺電磁環(huán)境和試飛操作人員的素質有關。試飛過程中,超短波通信鏈路有正常與故障兩個可能的狀態(tài),即可信度 D為一個2×2的矩陣[4]。

式中,T為執(zhí)行空中試飛的時間,本次試飛試驗任務通信系統(tǒng)空中加電工作時間共計T=68 h。

(3)固有能力向量 C

同理,超短波通信鏈路固有能力向量為 C=(C1,C2)T,C1、C2分別代表任務結束時,超短波鏈路正常和故障兩種狀態(tài)概率。故障狀態(tài)是無法完成任務的,即 C2=0。C1由有效性 η1、可靠性 η1及安全性η1各自的相對重要性對其進行加權綜合而得。航空電子系統(tǒng)試飛評估依據是試飛數(shù)據,所以,采用試飛數(shù)據統(tǒng)計法獲得任務完成程度C1值比較合適。

試飛任務期間,超短波鏈路1隨系統(tǒng)飛行試驗多架次,獲得了評估所需的相關數(shù)據,其中,因EMI干擾、設備故障等原因,部分試飛數(shù)據未能達到要求值,試飛數(shù)據達標率為95.5%,即 C1=0.955。所以,固有能力向量為

將A、D、C值代入式(1)計算得超短波鏈路1效能為

以同樣方法計算系統(tǒng)其他各超短波鏈路的效能之后,再根據權重系數(shù)相加得到超短波通信鏈路綜合效能為

如果通信系統(tǒng)有短波等其他通信鏈路,只要計算并確認其在系統(tǒng)中的權重系數(shù),就可以采取相同的方法進行運算,直至獲得通信系統(tǒng)效能試飛評估結論為止,這里不再詳述。

6 結束語

基于試飛的航空通信系統(tǒng)效能評估,其實質就是基于試飛任務開展試飛數(shù)據分析,研究各種數(shù)據與通信效能的關系,通過相關數(shù)據分析計算出評估結果,最終實現(xiàn)通信系統(tǒng)效能評估的目的。為用戶提供正確的使用建議,使裝備效能最大發(fā)揮,這正是航空通信系統(tǒng)效能評估的意義所在。當前,由于多種客觀原因,基于試飛的航空通信系統(tǒng)效能評估技術還沒有廣泛使用。隨著航空通信系統(tǒng)效能評估重視程度的提升,評估方法的逐步完善,基于試飛的航空通信系統(tǒng)效能評估技術會逐步體現(xiàn)出其應用價值。

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