周尚武，徐英，周勇

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一種裝備戰(zhàn)場電磁兼容性綜合評估方法

周尚武1，徐英2，周勇3

（1.新華學院 電子通信工程學院，合肥 230088；2.電子工程學院，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)境下單個裝備的綜合電磁兼容性和戰(zhàn)場己方所有裝備系統(tǒng)的整體電磁兼容性。方法結(jié)合電磁兼容性綜合評估需求，建立對裝備電磁兼容性評估指標體系，研究綜合評估方法。結(jié)果給出了裝備戰(zhàn)場電磁兼容性評估指標，建立了基于多指標的戰(zhàn)場電磁兼容性綜合評估指標體系，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)場電磁兼容綜合評估方法,通過評估實例驗證了方法的實用性和正確性。結(jié)論裝備戰(zhàn)場電磁兼容性綜合評估方法可以為裝備、平臺和集群的戰(zhàn)場運用方式論證提供決策依據(jù)，評估結(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)場電磁環(huán)境下，為了避免戰(zhàn)場上己方電磁裝備間電磁干擾的發(fā)生，有必要在裝備應(yīng)用前進行面向任務(wù)的戰(zhàn)場電磁兼容預(yù)測分析，對戰(zhàn)場電磁兼容方案進行評估，從而制定合理有效的電磁防護措施，保障己方裝備間的電磁兼容，達成最佳作戰(zhàn)效能。戰(zhàn)場電磁兼容性評估是一個非常復(fù)雜的問題。單獨的電磁兼容性指標無法衡量干擾對戰(zhàn)場裝備多方面綜合性能的影響程度，也不能對整個戰(zhàn)場的綜合電磁兼容性能給出綜合評價，因此，必須研究適用于復(fù)雜戰(zhàn)場多系統(tǒng)間的電磁兼容性綜合評估的方法，對單個裝備（多方面性能）的綜合電磁兼容性和整個戰(zhàn)場己方裝備系統(tǒng)整體的區(qū)域集群電磁兼容性進行評估，為更合理的裝備戰(zhàn)場運用提供決策依據(jù)。綜合評估包括兩個層次。

1）單個裝備戰(zhàn)場電磁兼容綜合評估。雖然戰(zhàn)場上每個信號接收裝備（電磁敏感設(shè)備）可能受到來自多個干擾發(fā)射源的干擾影響，通過電磁兼容評估指標可以確定各接收機某方面性能受到的影響程度，但接收機受到的影響是多方面的，需要對這些影響指標進行綜合評估，獲得定量分析結(jié)果，以便對不同接收裝備的電磁兼容狀態(tài)和電磁防護效果進行綜合比較。

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

現(xiàn)有的SEMCAP，IEMCAP[1—2]，ISCAP，SEMCA等電磁兼容預(yù)測分析系統(tǒng)，大多側(cè)重于單個電磁兼容指標的預(yù)測和等級評估，與干擾對整體性能的影響不直接相關(guān)，這必然導致評估結(jié)果的不準確，且評估結(jié)果僅適用于單次評估，可比性差。文中在分析裝備戰(zhàn)場電磁兼容性評估指標的基礎(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)場電磁兼容性綜合評估方法。

1 裝備電磁兼容性評估指標

戰(zhàn)場裝備間的電磁兼容性評估指標[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；反映接收機受干擾影響的概率指標；反映裝備之間干擾能量大小的干擾余量和裝備間剛好達到電磁兼容時的兼容距離等能力指標。

1.1 兼容距離

輻射干擾源（發(fā)射機）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，當輻射干擾源和敏感設(shè)備之間達到某一距離時，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)對的電磁兼容距離。當輻射干擾源與敏感設(shè)備之間的距離大于該距離時，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為達到接收機射頻端口的有用信號功率；R為到達接收機射頻端口的干擾信號功率；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，接收機不能正常工作，此時接收機受到的干擾信號功率大小為R。由式（1）可以推得干擾功率R與接收機噪聲電平N的關(guān)系為：

1.5 干擾帶寬

基波鄰頻和諧波干擾是戰(zhàn)場電磁裝備之間最主要的干擾方式[5]。因此在進行戰(zhàn)場電磁兼容預(yù)測和評估時，應(yīng)重點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)場各接收機的工作狀態(tài)相互獨立，接收機存在個可用頻點，發(fā)射機存在z個頻點，且任意時刻接收機在其頻段上落到第個頻點的事件呈等概率分布。

依據(jù)干擾判據(jù)引入符號變量[5]：

式中：代表諧波次數(shù)，=3，5，7，…。

接收機的受擾概率為：

2 基于多指標的綜合評估

復(fù)雜電磁環(huán)境下，電磁敏感設(shè)備可能受到來自多個干擾發(fā)射源的干擾影響，通過裝備性能評估指標（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。接收機受到的影響是多方面的，需要對這些影響進行綜合指標評估，獲得定量分析結(jié)果，以便對不同接收裝備的電磁兼容狀態(tài)進行綜合比較。多指標綜合評估是指通過一定的數(shù)學模型（集結(jié)算子）將多個評價指標值“合成”為一個整體性的綜合評估值[6—7]。在戰(zhàn)場電磁兼容評估中，方案通常是少量的，所以選用基于ANP的小樣本評價方法。基于裝備戰(zhàn)場電磁兼容性指標，建立裝備戰(zhàn)場電磁兼容性評估體系如圖1所示。

圖1 裝備戰(zhàn)場電磁兼容性評估體系

將上述指標進行一定方式的集結(jié)，從而使電磁兼容的多屬性指標轉(zhuǎn)化成單屬性指標，以便對電磁兼容綜合性能進行量化比較。根據(jù)多屬性決策理論[8—9]和綜合評估理論[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)標準化決策矩陣。已知各指標的歸一化權(quán)重向量={1，2，…，w}，由和規(guī)范化矩陣構(gòu)造加權(quán)評估矩陣，v=rw。由加權(quán)標準化矩陣確定正負基準點，通過測度各方案與基準點之間的距離，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 正負基準點的確定

在對不同的裝備運用方案進行電磁兼容性評估時，必須保證某特定方案的評估結(jié)果在不同的評估對象序列中保持一致的評價值，即保證評估結(jié)果是可重用的。

取指標的最大值為正基準點，指標的最小值為負基準點。最優(yōu)方案為各接收機均未受到干擾，此時對應(yīng)的指標為負基準點；最劣方案為各接收機均受到嚴重干擾，此時對應(yīng)的指標為正基準點。

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，接收機不能正常工作，此時接收機受到的干擾信號功率大小即為干擾功率指標的正基準點。由式（2）可知，在最劣方案中各接收機受到的干擾功率賦值為該接收機敏感度門限值的1.14倍。如果能夠獲得接收機噪聲電平的測量數(shù)據(jù)，按照正態(tài)分布采用概率統(tǒng)計的方法求其平均噪聲電平，否則，把接收機敏感度門限作為接收機的噪聲電平。

2.3 基于ANP的指標權(quán)重確定

通過ANP實現(xiàn)系統(tǒng)電磁兼容的多屬性指標賦權(quán)。設(shè)有個指標={1，…，x}，對所有指標進行兩兩比較建立成對比較矩陣，比較其對裝備戰(zhàn)場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的指標層有元素組1，…，U，其中U中有子指標層元素c1，…，c，以目標層性能為準則，U中元素c(=1，…，n)為次準則，U中各元素按其對c的影響力大小進行間接優(yōu)勢度比較，得到判斷矩陣。為了把判斷矩陣中每個元素定量化，采用Saaty提出了“1~9”比較標度法[13]。

其中列向量是U中元素c1，…，對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，對各指標的重要性進行比較，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排序。

對超矩陣元素進行加權(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、負基準點的歐幾里德加權(quán)距離為：

(19)

該方案的貼近度為：

(21)

3 計算實例

以單個接收機的電磁干擾預(yù)測和評估結(jié)果為基礎(chǔ)，裝備戰(zhàn)場電磁兼容性綜合評估流程如下。

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

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

3）由ANP求得各指標權(quán)重。

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

表1 各指標的最優(yōu)方案和最劣方案

表2 貼近度求取過程的歸一化向量計算結(jié)果

5）計算望小型指標與正負基準點的歐幾里德加權(quán)距離：

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

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

7）再進一步，可以對某一裝備應(yīng)用方案中戰(zhàn)場上所有裝備的綜合電磁兼容性進行評估。采用望大型指標，即單個接收機兼容性越大越好，見表3。

表3 基于Topsis算法進行方案戰(zhàn)場電磁兼容性綜合評估

8）計算望大型指標與正負基準點的歐幾里德加權(quán)距離。

(24)

9）給出待評估方案與最優(yōu)方案的貼近度。

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

上述評估結(jié)果不僅可以用于單個方案的戰(zhàn)場電磁兼容性評估，還可以用于多個評估方案的比較，具有一致性和可重用性。根據(jù)各接收機所在平臺的重要程度，進一步加權(quán)可以獲得戰(zhàn)場所有裝備總體的電磁兼容性評估結(jié)果，為裝備的戰(zhàn)場運用提供決策依據(jù)。

4 結(jié)語

針對戰(zhàn)場電磁裝備特點和評估需求，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)場電磁兼容評估指標體系，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)場電磁兼容綜合評估算法和集群戰(zhàn)場電磁兼容綜合評估算法。通過算例分析，驗證了方法的實用性和正確性。該評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

重點預(yù)研基金項目（9140A33020112JB39085）

周尚武（1976—），男，博士，副教授，主要研究方向為電磁環(huán)境監(jiān)測與信號處理。