湯云革, 韋慶洲, 黎 力, 任 哲

(中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471003)

基于受體脆弱性的復雜電磁環(huán)境構建與評估

湯云革, 韋慶洲, 黎 力, 任 哲

(中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471003)

基于信息系統(tǒng)無線接收機脆弱性機理，提出了基于受體脆弱性機理的復雜電磁環(huán)境構建方法，解決了頻跨度大的作戰(zhàn)單元需要大量電磁環(huán)境模擬裝備難題；建立的針對電子信息系統(tǒng)信道占有度、頻譜重合度、背景信號強度等要素的多激勵多響應電磁環(huán)境效應“套桶”評估模型，解決了被試對象的客觀性與形象性評估問題，為電子信息系統(tǒng)類復雜電磁環(huán)境適應性鑒定提供有益借鑒。

復雜電磁環(huán)境； 受體脆弱性； 套桶； 適應性考核

0 引言

目前，復雜電磁環(huán)境適應性考核主要存在兩類問題:一是復雜電磁環(huán)境的構建問題;另一個是復雜電磁環(huán)境評估問題。復雜電磁環(huán)境構建主要問題是缺乏操作性強的通用標準，已有的GJB 6130-2007《戰(zhàn)場電磁環(huán)境術語》、GJB 6520-2008《戰(zhàn)場電磁環(huán)境分類與分級方法》主要是定義上的描述，若按其要求的方法進行，對于寬頻帶不同等級復雜電磁環(huán)境構建將需要大量的模擬裝備，即不經(jīng)濟也不現(xiàn)實[1]；對于復雜電磁環(huán)境評估來說，可用的評估方法較多，如層次分析法、模糊集理論、粗糙集理論等，但諸如此類方法中的主觀性評價因素所占權重過大，所得評估結果體現(xiàn)不出復雜電磁環(huán)境效應的動態(tài)性變化過程，影響了評估的客觀性與形象性。

本文基于上述問題，探索性地提出相應解決辦法，針對第一個問題，提出了一種基于受體脆弱性復雜電磁環(huán)境適應性考核環(huán)境構建方法，利用重點頻段、信號強度起伏、信號密集度、信號類型樣式等不同復雜組合變化，不僅體現(xiàn)了復雜電磁環(huán)境構建的針對性、多樣性、交織性、動態(tài)性、對抗性、逼真性、等效性原則，同時減少了環(huán)境構建的模擬裝備數(shù)量，達到了同等考核效果，節(jié)省了測試資源與大量人力、財力消耗；針對第二個問題，基于電磁環(huán)境激勵與響應的綜合評估機制，利用諸影響因素測試結果，建立了針對電子信息系統(tǒng)信道占有度、頻譜重合度、背景信號強度等要素的多激勵多響應電磁環(huán)境效應“套桶”評估模型，減少了主觀因素，解決了被試對象的客觀與形象評估問題。本文的研究結果在相關多頻段、多組網(wǎng)的無線通信指揮信息系統(tǒng)復雜電磁環(huán)境適應性考核中得到了成功應用[2]。

1 基于受體脆弱性機理的復雜電磁環(huán)境適應性考核環(huán)境構建方法

1.1 受體脆弱性機理分析

進行受體脆弱性分析是為了實現(xiàn)電磁環(huán)境構建的針對性。接收機的脆弱性主要有兩類：1) 抵抗作戰(zhàn)對手有意干擾能力的不足，如瞄準式、跟蹤式、靈巧式、欺騙式等各類有意干擾；2) 抵抗無意干擾能力的不足，這是由于各類無線接收機工作電路的電子器件線性或非線性特性，不可避免存在抗頻譜重合度、鄰道、中頻、鏡頻、互調(diào)等干擾能力的不足，盡管不同接收機都具有相應的干擾抑制功能。無線接收機大多采用超外差式接收機結構，一般由天線、信道、DSP等模塊組成，如圖1所示。

圖1 一般無線接收機工作原理示意圖Fig.1 Working principle of general wireless receiver

接收通道中的天線濾波單元一般采用信道分組濾波的方式，濾除帶外雜波、中頻、鏡頻等，信道模塊實現(xiàn)變頻、濾波和電平控制，射頻信號經(jīng)放大、帶通濾波、自動增益控制和過載保護，送到第一混頻器，一混頻輸出信號經(jīng)過一中頻放大、濾波，也可以多次放大、濾波，濾取出一中頻信號，再經(jīng)放大，送入第二混頻器，二混頻輸出的二中頻通過濾波器匹配放大，送到濾波器，濾除部分噪聲和雜波后，經(jīng)阻抗變換送到中放進行中頻放大，自動電平控制，二中頻信號經(jīng)DSP模塊的A/D轉換、下變頻及速率變換、解調(diào)、解碼、解密、自動增益控制和濾波后，數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)接口送到數(shù)據(jù)終端，音頻通過D/A轉換、音頻放大送入耳機，完成數(shù)據(jù)和音頻信號的接收。由于無線電信號傳播的開放性，接收設備在接收有用信號的同時，還會接收其他信號(如有意干擾信號、有用信號鄰近信號、自然環(huán)境電磁信號等)，由于接收機器件的線性、非線性特性，其他信號不可避免會與有用信號相互作用產(chǎn)生線性效應與非線性效應，線性變換會產(chǎn)生新的諧波成分，非線性變換會使信號產(chǎn)生失真。

1) 線性效應[3]。當接收機為線性系統(tǒng)時，有兩種信號會對有用信號產(chǎn)生干擾效應，即同頻干擾效應與鄰頻干擾效應，同頻干擾效應是頻率與有用信號頻率相同或相近的同信道信號，鄰頻干擾效應是指頻率落在有用信號所在信道的相鄰信道內(nèi)的干擾信號，它與同頻干擾的區(qū)別在于它會受到接收機某種程度的抑制，當它的頻率成分落在接收機濾波器的非線性區(qū)域，與有用信號的相互作用可使新的成分落在有用信道內(nèi)，干擾作用增強。

2) 非線性效應[3]。當進入接收機的信號或合成信號的電平比較高時，在接收機的部分電路或者全部電路都可能成為非線性電路，所有這些非線性都會使信號產(chǎn)生幅度和相位失真，并使這些信號相互作用，產(chǎn)生諸多新的干擾信號，使干擾成分增強。一般來說，單一的高電平信號與有用信號，可能會產(chǎn)生交叉干擾和阻塞干擾，多個高電平的干擾信號之間相互作用可能會產(chǎn)生互調(diào)干擾，若發(fā)生在混頻器可能會產(chǎn)生混頻干擾和倒混頻干擾。

1.2 基于受體脆弱性機理的復雜電磁環(huán)境適應性考核環(huán)境構建方法

依據(jù)上述接收機脆弱性機理的分析結果，可將這些威脅電磁信號區(qū)分為3類：1) 有意干擾信號，為信息系統(tǒng)戰(zhàn)場上可能面臨作戰(zhàn)對手電子對抗裝備施放的不同干擾方式、不同干擾樣式的電磁環(huán)境信號[4]；2) 無意干擾信號，為信息系統(tǒng)戰(zhàn)場上可能面臨的敵我雙方電子裝備施放的電磁環(huán)境信號，這些信號在信息系統(tǒng)接收機端可能造成接收機多級鄰道干擾、交叉干擾、互調(diào)干擾、中頻干擾、混頻干擾、倒易混頻干擾等；3) 隨機背景電磁環(huán)境信號，主要是場地自然環(huán)境信號及人為模擬隨機環(huán)境信號，場地自然環(huán)境信號為典型場區(qū)的實際采集，人為模擬隨機環(huán)境信號主要是為體現(xiàn)背景電磁環(huán)境的動態(tài)性[4-5]。

可見，若按基于受體脆弱性機理的威脅電磁信號搭建復雜電磁適應性考核環(huán)境，可節(jié)省不必要的模擬裝備，實際操作時，可依據(jù)戰(zhàn)情推動，從環(huán)境模擬重點頻段，信號密集程度、信號強度起伏范圍、信號樣式多變的不同復雜度進行，不同復雜度的威脅電磁信號要體現(xiàn)在空域覆蓋、時域變化、頻域交疊、功率域起伏等方面。

1.2.1 環(huán)境模擬重點頻段復雜度設置方法

選擇需要環(huán)境模擬重點頻段有兩個需要:1) 為了減少模擬裝備，因為遠離受體工作頻點/頻段的電磁環(huán)境信號對受體基本不產(chǎn)生影響，不必在全頻段模擬；2) 為了區(qū)分不同級別的復雜度，可隨著復雜度設置的提高，體現(xiàn)在重點頻段的帶寬展寬、信號數(shù)量增加上。重點頻段復雜度設置方法表示為

Li=(fhigh-flow)×xi%

(1)

式中:Li為模擬的各個重點區(qū)域頻帶帶寬；fhigh為工作頻段的高端(或跳頻帶寬的高端)；flow為工作頻段的低端(或跳頻帶寬的低端)；xi%依據(jù)重點頻段復雜度來設定。

1.2.2 信號密集復雜度設置方法

針對受體的信號密集復雜度設置方法表示為

(2)

式中:ρi為各個重點區(qū)域頻帶帶寬內(nèi)的信號密集復雜度；N為重點區(qū)域帶寬內(nèi)被試受體所能承受的最大信道數(shù)量；ni為重點區(qū)域帶寬內(nèi)模擬環(huán)境的信號數(shù)量;yi%依據(jù)信號密集的復雜度來設定;wi為被試對象的信道帶寬,單位為kHz。

1.2.3 信號強度復雜度設置方法

信號起伏范圍反映戰(zhàn)場電磁環(huán)境中各種信號在能量域上對信息裝備的干擾程度，信號強度復雜度設置方法表示為[6]

(3)

式中:KEn為各個重點區(qū)域頻帶帶寬內(nèi)的信號強度復雜度;En為背景信號強度;Pmin表示無線接收機門限電平;zi%依據(jù)信號強度起伏范圍的復雜度來設定。

1.2.4 信號樣式復雜度設置方法

信號樣式的設置原則可基于信息系統(tǒng)可能面臨的作戰(zhàn)對手的諸多電子裝備樣式而定，信號樣式設置要隨著復雜度提高而呈現(xiàn)多樣。

2 基于多域多維復雜電磁環(huán)境效應“套桶”評估模型

2.1 激勵與響應評估機制

建立各類受體復雜電磁環(huán)境適應性激勵與響應評估機制，目的是在設定的不同復雜度電磁環(huán)境下，考核各類受體諸多能力的變化(如數(shù)據(jù)通信誤碼率、語音通信清晰度、傳輸時延、組網(wǎng)時間、承受子網(wǎng)數(shù)量、路由能力等)。圖2為復雜電磁環(huán)境適應性考核的激勵與響應評估機制示意圖。

圖2中評估模型是問題的核心，依據(jù)被測系統(tǒng)各類響應變化情況，通過綜合分析去評估被試系統(tǒng)的復雜電磁環(huán)境適應性。目前，傳統(tǒng)的評估方法有層次分析法、粗糙集理論、模糊理論等[7]，存在著主觀性評價因素所占權重過大及評估結果看不到復雜電磁環(huán)境效應的動態(tài)性變化問題，本文在相關數(shù)學分析的基礎上，基于激勵與響應關系建立了一種基于多域多維電磁環(huán)境效應“套桶”評估方法，一定程度上彌補了上述缺陷[8]。

圖2 信息系統(tǒng)復雜電磁環(huán)境響應及評估機制Fig.2 Complex electromagnetic environmental response andevaluation mechanism of information system

2.2 激勵與響應關系構建

2.2.1 激勵集描述

2.2.2 響應集的描述

1) 單激勵響應集的描述。

從激勵與響應的關系知道，Xi中每一類因素干擾等可導致信息系統(tǒng)至少一項或多項能力的變化，因此，電磁環(huán)境單元素與響應之間是一種一對多的關系，用集合來描述它們，即

Zi→(χ1,χ2,…,χn,…)

(4)

為了更清楚問題的表述以及便于量化分析，把電磁環(huán)境引起各類通信能力變化的值，統(tǒng)一到一個矩陣中去，用矩陣的各列對應各環(huán)境因素下單通信能力的逐漸變化情況，矩陣中各行對應著在單一電磁環(huán)境影響因素下參數(shù)取值時的各類能力值,這樣的矩陣被稱為系統(tǒng)單激勵通信能力響應矩陣，即

(5)

2) 多激勵相關響應集的描述。

多激勵為多類影響因子的綜合效應，因各影響因子之間存在著直接或間接的聯(lián)系，因此可以通過它們的相關關系做經(jīng)驗判定，如圖3所示。

圖3 各激勵相關響應示意圖Fig.3 Incentive and response relations

圖3中，利用各旋轉坐標軸之間的夾角來表示各電磁環(huán)境影響效應之間的相關性。由向量合成計算公式知:當夾角小于90°時,表示這兩類電磁環(huán)境影響效應之間具有正相關性;當夾角等于0°時，表示這兩類資源之間具有最強的正相關性;當夾角等于90°時，說明這兩類資源之間沒有相關性，當夾角大于90°時負相關，負相關是不可能發(fā)生在資源響應之間的，因此，α的經(jīng)驗取值范圍為[0°,90°)。根據(jù)余弦函數(shù)的特性及資源響應數(shù)據(jù)的變化情況，把α的取值進一步細分為兩個區(qū)域，即[0°,45°]及(45°,90°)，當從反饋信息中發(fā)現(xiàn)任意兩類電磁環(huán)境效應相關性很強時，就從[0°,45°]取經(jīng)驗值，否則就從(45°,90°)取值。為了便于后邊相關計算，效應的相關性用矩陣表示，即

(α1,α2,α3,…,αn)T。

(6)

由于各類電磁環(huán)境因素組合下接收機響應之間存在著相關性，用式(7)分別求它們的向量合成，這些合成點可稱為相關響應點S。

(7)

2.2.3 綜合效應集描述

通過以上的步驟，就得到了被試對象幾類電磁激勵下的各類能力響應點及相關響應點，把得到的單響應點及相關點放在同一個矩陣中，即

(8)

評估電磁環(huán)境適應性的方法就是看在各類干擾可變參數(shù)逐漸變化時，矩陣中每行的響應點及綜合響應點的變化趨勢，并對這些變化趨勢做綜合分析，從而評估電磁環(huán)境的適應性。

2.3 基于多域多維電磁環(huán)境效應“套桶”評估方法

依據(jù)激勵與響應的對應關系，為了形象評估復雜電磁環(huán)境的適應性，把式(8)的電磁環(huán)境適應性結果投射在圖4所示旋轉“套桶”坐標系中。

圖4 套桶評估模型示意圖Fig.4 Sleeve barrel evaluation model

圖4中,水平坐標面為設置的復雜電磁環(huán)境信號中對接收機產(chǎn)生影響的各類電磁環(huán)境激勵因子Xi，Zi為各類復雜電磁環(huán)境條件下，被測系統(tǒng)的能力變化情況(數(shù)據(jù)通信誤碼率、語音通信清晰度、傳輸時延、組網(wǎng)時間、承受子網(wǎng)數(shù)量、路由能力等通信組網(wǎng)能力的各類通信變化效應)。依據(jù)被試系統(tǒng)在不同復雜度電磁環(huán)境下的各類能力變化情況，規(guī)定不同的規(guī)則邊界，劃分不同的響應“套桶”邊界，如可依據(jù)GJB 6130-2007《戰(zhàn)場電磁環(huán)境術語》、GJB 6520-2008《戰(zhàn)場電磁環(huán)境分類與分級方法》將系統(tǒng)的復雜電磁環(huán)境效應規(guī)定為4個不同的級別效應。

1) 簡單電磁環(huán)境。為最內(nèi)層桶(Zi的取值范圍0～0.01)，即設定的電磁環(huán)境對被試對象的各類能力影響可以忽略，表現(xiàn)為對被試對象的數(shù)據(jù)通信誤碼率、語音通信清晰度、傳輸時延、組網(wǎng)時間、承受子網(wǎng)數(shù)量、路由能力等不產(chǎn)生影響或影響可以忽略。

2)輕度電磁環(huán)境。為次內(nèi)層桶(Zi的取值范圍0.01～0.10)，即設定的電磁環(huán)境對被試對象的各類能力有較輕的影響，表現(xiàn)為對被試對象的數(shù)據(jù)通信誤碼率、語音通信清晰度、傳輸時延、組網(wǎng)時間、承受子網(wǎng)數(shù)量、路由能力等有一定的下降。

3)中度電磁環(huán)境。為第二次內(nèi)層桶(Zi的取值范圍0.10～0.50)，即設定的電磁環(huán)境對被試對象的各類能力有較大的影響，表現(xiàn)為對被試對象的誤數(shù)據(jù)通信誤碼率、語音通信清晰度、傳輸時延、組網(wǎng)時間、承受子網(wǎng)數(shù)量、路由能力等有較大的下降。

4) 重度電磁環(huán)境。為最外層桶(Zi的取值范圍大于0.50)，即設定的電磁環(huán)境對被試對象的各類能力有嚴重的影響，表現(xiàn)為對被試對象的數(shù)據(jù)通信誤碼率、語音通信清晰度、傳輸時延、組網(wǎng)時間、承受子網(wǎng)數(shù)量、路由能力等能力有嚴重的下降，全部或部分無法進行正常的通信。

2.4 一種信息指揮系統(tǒng)復雜電磁環(huán)境適應性考核效果評估應用

基于上述的復雜電磁環(huán)境構建及評估方法，在某區(qū)域構建了包括短波電臺網(wǎng)、超短波電臺網(wǎng)、散射通信網(wǎng)等目標信息傳輸網(wǎng)進行考核驗證，動用各類復雜電磁環(huán)境模擬裝備進行等級模擬。其簡單電磁環(huán)境為考核場地的自然電磁環(huán)境及另加10個動態(tài)出現(xiàn)的隨機信號；輕度復雜電磁環(huán)境在被測對象工作頻點區(qū)域設置35個鄰道信號、2個互調(diào)信號、1個中頻信號、20個動態(tài)出現(xiàn)的隨機信號；中度復雜電磁環(huán)境在被測對象工作頻點區(qū)域設置149個鄰道信號、2個互調(diào)信號、1個中頻信號、1個鏡頻信號、30個動態(tài)出現(xiàn)的隨機信號；重度復雜電磁環(huán)境在被測對象工作頻點區(qū)域設置312個鄰道信號、2個信號產(chǎn)生的互調(diào)信號、1個中頻信號、1個鏡頻信號、50個動態(tài)出現(xiàn)的隨機信號。依據(jù)多域多維電磁環(huán)境效應“套桶”評估方法，通過數(shù)據(jù)處理得到了綜合效應結果。圖5為上述4級電磁環(huán)境下綜合信息系統(tǒng)中超短波電臺網(wǎng)誤碼率綜合效應部分結果圖。

從圖5處理結果可以看到，在不同復雜度的電磁環(huán)境下，構成環(huán)境的各影響因素對被測對象通信效能影響程度不一樣，其中有意干擾、近鄰道、互調(diào)因素影響權重大，而中頻、鏡頻環(huán)境信號影響比較小。

圖5 超短波電臺網(wǎng)誤碼率綜合效應評估結果Fig.5 Comprehensive evaluation result of effect of bit error rate of ultrashort wave

3 結束語

本文從復雜電磁環(huán)境適應性存在的兩個主要問題入手，探討了如何解決電子信息系統(tǒng)復雜電磁環(huán)境適應性考核的電磁環(huán)境構建與評估的難題，闡述了基于受體脆弱性的復雜電磁環(huán)境適應性考核構建方法，解決了系統(tǒng)級復雜電磁環(huán)境適應性考核中，面向?qū)崙?zhàn)進行考核環(huán)境構建的難題，滿足了考核所需，且通過針對性的考核環(huán)境構建，解決了電磁環(huán)境構建所需裝備過多、消耗大量人力財力的問題，為同類型電子裝備或系統(tǒng)鑒定試驗提供有益借鑒，提出的“套桶”評估模型為復雜電磁環(huán)境適應性評估做出了一種有益嘗試。

[1] 聶皞，汪連棟．電子信息系統(tǒng)復雜電磁環(huán)境效應[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2013.

[2] 劉尚合,孫國至.復雜電磁環(huán)境內(nèi)涵及效應分析[J].裝備指揮技術學院學報,2008,19(1):72-83.

[3] 朱慶厚．通信干擾技術及其在頻譜管理中的應用[M]．北京：人民郵電出版社，2010.

[4] 汪連棟,胡明明,高磊,等．電子信息系統(tǒng)復雜電磁環(huán)境效應研究初探[J].航天電子對抗,2013,29(5):23-25.

[5] 劉小強,魏光輝,潘曉東,等.現(xiàn)代戰(zhàn)場電磁環(huán)境與電磁屏蔽技術[J].裝備環(huán)境工程,2007,4(1):1-3.

[6] 邵濤,胡以華,石亮,等.戰(zhàn)場電磁環(huán)境復雜度定量評估方法研討[J].電光與控制,2010,17(1):81-84.

[7] 王繼詳,韓慧．通信對抗干擾效果客觀評估[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2012.

[8] 黃興東,申功勛.復雜電磁環(huán)境仿真試驗體系的模型驗證方法研究[J].系統(tǒng)仿真學報，2012,24(12):2562-2566.

ConstructionandEvaluationofComplexElectromagneticEnvironmentBasedonReceptor’sVulnerability

TANG Yun-ge, WEI Qing-zhou, LI Li, REN Zhe

(Luoyang Electronic Equipment Test Center,Luoyang 471003,China)

Based on the vulnerability mechanism of wireless receivers,this paper proposes a method to construct a complex electromagnetic environment based on the vulnerability mechanism of the receivers,which solves the problem that a great amount of electromagnetic environment simulation equipments are needed for the combating unit with large frequency span. A multi-excitation,multi-response sleeve barrel evaluation model is built,which is based on signal channel occupancy,spectral overlap degree,background signal intensity and other factors in electronic information system. It solves the problem of the objectivity and figurativeness evaluation of the tested object,and supplies a useful reference for complicated electromagnetic environment adaptability identification.

complicated electromagnetic environment; vulnerability of receiver; sleeve barrel; adaptability assessment

湯云革，韋慶洲，黎力，等.基于受體脆弱性的復雜電磁環(huán)境構建與評估[J].電光與控制，2017，24( 11) : 100-104.TANG Y G，WEI Q Z，LI L，et al.Construction and evaluation of complex electromagnetic environment based on receptor's vulnerability[J].Electronics Optics & Control，2017，24( 11) : 100-104．

2016-12-13

2017-01-19

“八六三”項目(2014A7074023A)

湯云革(1971 —),男，河南鄧州人，碩士，高工，研究方向為通信對抗仿真。

TN911.4

A

10.3969/j.issn.1671-637X.2017.11.021