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(píng)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(chǎng)上復(fù)雜的電磁環(huán)境深刻地影響著作戰(zhàn)行動(dòng)，事先構(gòu)設(shè)貼近實(shí)戰(zhàn)的電磁環(huán)境對(duì)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(píng)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(cè)數(shù)據(jù)，分析計(jì)算訓(xùn)練場(chǎng)區(qū)重點(diǎn)部位電磁環(huán)境實(shí)際構(gòu)設(shè)情況。針對(duì)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(hào)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(lái)評(píng)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(píng)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(chǎng)中的電磁環(huán)境與事先假想的模擬戰(zhàn)場(chǎng)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(píng)估實(shí)際上就是對(duì)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(chǎng)電磁環(huán)境之間的相似程度的評(píng)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(guò)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(duì)假想的戰(zhàn)場(chǎng)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(shí)，可以把假想的戰(zhàn)場(chǎng)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(píng)估，等效于從總體結(jié)構(gòu)和行為水平的角度評(píng)估仿真系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)原型系統(tǒng)的程度，就是對(duì)仿真系統(tǒng)的置信度進(jìn)行評(píng)估。因此，可以利用相似系統(tǒng)理論對(duì)電磁環(huán)境構(gòu)設(shè)的逼真度進(jìn)行評(píng)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(lèi)型不同，所對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)的數(shù)據(jù)類(lèi)型也不相同，可以是精確值(如信號(hào)個(gè)數(shù))、區(qū)間值(如信號(hào)頻段)或者枚舉值(如信號(hào)類(lèi)型)等，各種情況的計(jì)算方法均有不同，所以應(yīng)針對(duì)具體的數(shù)據(jù)類(lèi)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(duì)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(duì)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(duì)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(zhuān)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(duì)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(duì)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(dòng)態(tài)分析

通常，相似系統(tǒng)的相似元及其對(duì)應(yīng)的相似特征的數(shù)量會(huì)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(cè)評(píng)估過(guò)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(píng)估

根據(jù)相似系統(tǒng)理論可以看出，電磁環(huán)境逼真度評(píng)估的關(guān)鍵是確定想定的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境與模擬的訓(xùn)練場(chǎng)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(chǎng)電磁環(huán)境與目標(biāo)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境均可刻畫(huà)為一系列的信號(hào)狀態(tài)，所以其相似元應(yīng)該從電磁環(huán)境的信號(hào)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(hào)參數(shù)重合度等指標(biāo)。下面分別進(jìn)行說(shuō)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(hào)環(huán)境功率譜密度的平均值超過(guò)指定的門(mén)限所持續(xù)的時(shí)間與整個(gè)監(jiān)測(cè)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(mén)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(hào)功率譜密度的最小值，其大小依據(jù)比國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)推薦的中國(guó)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(hào)環(huán)境功率譜密度的平均值超過(guò)指定的門(mén)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(hào)環(huán)境功率譜密度的平均值超過(guò)指定電磁環(huán)境門(mén)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(hào)功率譜密度的平均值實(shí)現(xiàn)對(duì)被干擾信號(hào)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(mén)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(mén)限不同。

2.1.5信號(hào)參數(shù)重合度

信號(hào)參數(shù)重合度指的是針對(duì)某具體類(lèi)型的信號(hào)，在訓(xùn)練場(chǎng)電磁環(huán)境中監(jiān)測(cè)到的該信號(hào)的各特征參數(shù)與想定的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中該信號(hào)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(cè)裝備所在位置處，各類(lèi)輻射源所產(chǎn)生的電磁信號(hào)類(lèi)型，可以將假想的戰(zhàn)場(chǎng)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(hào)、雷達(dá)信號(hào)、通信干擾信號(hào)和雷達(dá)干擾信號(hào)等要素組成的2個(gè)系統(tǒng)，2個(gè)系統(tǒng)中相同類(lèi)別的信號(hào)構(gòu)成相似元。而各相似元的相似特征由相應(yīng)類(lèi)別信號(hào)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(lèi)型的電磁信號(hào)。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(lèi)電磁信號(hào)的相似特征則應(yīng)依據(jù)信號(hào)的類(lèi)型設(shè)定，具體如表1所示。

2.2電磁環(huán)境逼真度評(píng)估算法流程

電磁環(huán)境逼真度評(píng)估算法流程圖如圖1所示。

圖1　電磁環(huán)境逼真度評(píng)估算法流程圖

電磁環(huán)境逼真度評(píng)估算法流程說(shuō)明如下：

① 接收電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)監(jiān)測(cè)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(hào)個(gè)數(shù)、信號(hào)種類(lèi)、信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間、信號(hào)頻率或頻譜、信號(hào)帶寬、信號(hào)強(qiáng)度、信號(hào)方向和信號(hào)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡等基礎(chǔ)特征，并根據(jù)監(jiān)測(cè)要素進(jìn)行信號(hào)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(chǎng)電磁環(huán)境與模擬構(gòu)設(shè)的電磁環(huán)境評(píng)估的側(cè)重點(diǎn)，設(shè)定相似元；

③ 針對(duì)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(lèi)別的信號(hào)，如通信信號(hào)和雷達(dá)干擾信號(hào)等信號(hào)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(duì)不同數(shù)據(jù)類(lèi)型的相似特征，計(jì)算其對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)，并由專(zhuān)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(duì)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(zhuān)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(dòng)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(zhēng)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(duì)應(yīng)的逼真度來(lái)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(yǔ)

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(chǎng)上的電磁信號(hào)環(huán)境變得愈發(fā)復(fù)雜，對(duì)于特殊裝備的影響也越來(lái)越大，所以需要在和平訓(xùn)練時(shí)期模擬戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境對(duì)特殊裝備進(jìn)行試驗(yàn)和訓(xùn)練[1]?；谙嗨葡到y(tǒng)理論對(duì)模擬電磁環(huán)境的逼真度進(jìn)行評(píng)估的方法，不需要太復(fù)雜的監(jiān)測(cè)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(wèn)題，比如特征權(quán)重的選取需要專(zhuān)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(píng)估算法還需要進(jìn)行適量的外場(chǎng)測(cè)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(lèi)號(hào)：TN911

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-3114(2016)02-84-4

作者簡(jiǎn)介：攸立準(zhǔn)(1979—)，男，工程師。主要研究方向：軟件無(wú)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(píng)估方法研究[J].無(wú)線電通信技術(shù),2016,42(2):84-87.