趙紅梅，蘇海斌，王健

（中國電波傳播研究所，山東 青島 266107）

電磁環(huán)境復雜度評估及其對電子信息系統(tǒng)的影響分析技術(shù)是當前研究的熱點之一。該技術(shù)不僅是電磁環(huán)境頻譜管理的第一步，同時也是電子信息系統(tǒng)測試、試驗、訓練的一個重要支撐。針對此，美英等國家提出了《MIL-STD-464A Electromagnetic environmental effects requirements for systems》[1]、《DoD Directive 3222.3:DoD Electromagnetic Environmental Effects(E3) Program》[2]，《The Electric, Magnetic &Electromagnetic Environment》[3]等標準和指南性文件，并進行了數(shù)次修訂。國內(nèi)學者在分析了復雜電磁環(huán)境內(nèi)涵和特征的基礎(chǔ)上，多以電磁環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)[4-5]，提出了客觀和主觀二類評估思想[6]：客觀評估多以統(tǒng)計理論為基礎(chǔ)，從頻率占用度、時間占用度、平均功率譜密度、電磁信號特征及異動信號率、信息量變化率、復合信息熵等指標進行評估[7-11]；主觀評估考慮了電子信息系統(tǒng)和電磁環(huán)境的相關(guān)性[12-17]，部分學者探索了電磁環(huán)境復雜度根源表征量，建立了電磁環(huán)境等級與數(shù)據(jù)通信設(shè)備性能的映射[6]。為進一步深化電磁環(huán)境評估方法，提升電磁環(huán)境評估公信度，文中從典型通信系統(tǒng)層面，研究電磁環(huán)境復雜度與通信系統(tǒng)的相關(guān)性的映射，旨在為通信系統(tǒng)的電磁環(huán)境適應性試驗及其評估技術(shù)[18-19]研究提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 評估方法

影響電子設(shè)備的電磁環(huán)境包括噪聲和干擾，覆蓋為時域、頻域、能量域和極化域等要素，來源于宇宙、地球大氣、地面及工業(yè)系統(tǒng)等。源的多樣性以及媒質(zhì)對電磁波的影響導致了電磁環(huán)境信號具有數(shù)量多、密度高、樣式多樣、覆蓋頻段寬、極化方式不一且非穩(wěn)態(tài)時變等特性。由電磁環(huán)境相對性可知，相同電磁環(huán)境對不同設(shè)備造成不同的效應，因此，可利用專用的測量設(shè)備獲取影響電子信息設(shè)備的電磁環(huán)境要素，找出與特定設(shè)備相關(guān)的時域、頻域、能量域和極化域信息[6]。

基于能力的電磁環(huán)境復雜度評價，是依據(jù)受到電磁環(huán)境影響后的電子設(shè)備能力變化狀況，從而判定電磁環(huán)境的復雜程度。考慮電子設(shè)備的動態(tài)工作參數(shù)與電磁環(huán)境的耦合，文獻[5]定義了電磁環(huán)境復雜度根源表征量，即“電子設(shè)備在所處電磁環(huán)境接收端的信噪比”，可表示為：

式中：c為電磁環(huán)境復雜度因子；[ts, te]為有效工作時間；[fs, fe]為有效工作頻帶；H(f)為設(shè)備接收頻響函數(shù)；p(t, f)為電磁環(huán)境功率譜；p0(t,f)為設(shè)備接收端信號功率譜。

對于通信設(shè)備而言，主要考慮到通信能力技術(shù)指標語音清晰度、誤碼率等受影響的程度，從而綜合評估出針對該通信設(shè)備的電磁環(huán)境復雜度。基于通信能力的電磁環(huán)境復雜度評估方法如下。

1）確定面向單設(shè)備的電磁環(huán)境評估體系。定義電磁環(huán)境等級及對應的通信質(zhì)量等級為最終的評估目標，并據(jù)此確定準則層、指標層的數(shù)據(jù)項，見表1。

表1 面向通信系統(tǒng)的電磁環(huán)境評估體系

2）確定面向單設(shè)備的電磁環(huán)境分級標準。對于單個通信設(shè)備，對于常用的調(diào)制方式，根據(jù)語音通信系統(tǒng)清晰度指數(shù)與信干噪比的映射關(guān)系[19]：

式中：A為語音清晰度指數(shù)；r為信干噪比，dB。

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)誤碼率與信干噪比的映射關(guān)系為：

式中：P為數(shù)據(jù)誤碼率；r為信干噪比；erfc()為誤差余函數(shù)。

可分別建立語音通信設(shè)備和數(shù)據(jù)通信設(shè)備分級標準，見表2和表3。

3）確定面向通信系統(tǒng)的評估方法。在單設(shè)備評估方法基礎(chǔ)上，采集加權(quán)求和方式，建立面向通信系統(tǒng)的評估方法，其量化統(tǒng)計值計算方法可表示為：

表2 面向語音通信設(shè)備的電磁環(huán)境分級標準

表3 面向數(shù)據(jù)通信設(shè)備的電磁環(huán)境分級標準

式中：i為單鏈路通信質(zhì)量等級或電磁環(huán)境復雜度等級，i=1,2,3,4,5；ni為通信質(zhì)量等級或電磁環(huán)境復雜度等級為i的通信設(shè)備數(shù)量；N為通信設(shè)備總數(shù)。

4）確定面向通信系統(tǒng)的電磁環(huán)境分級標準。根據(jù)上述評估方法所得結(jié)果，確定面向通信系統(tǒng)的電磁環(huán)境等級，見表4。

表4 面向通信網(wǎng)系的電磁環(huán)境分級標準

2 仿真分析

假定在50 km×50 km作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)部署某通信網(wǎng)，共12個節(jié)點組成了2個子網(wǎng)共計20條通信鏈路。鏈路間采用定頻的通信方式，其網(wǎng)絡(luò)拓撲及周邊地形情況如圖 1所示。各節(jié)點采用通信樣式、工作頻率、調(diào)制方式、工作帶寬、發(fā)射功率、天線類型等參數(shù)見表5。

圖1 通信網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

根據(jù)通信網(wǎng)部署、拓撲關(guān)系及用頻參數(shù)，利用高頻地波傳播以及超高頻地面?zhèn)鞑ヮA測方法[20-22]，計算可得各通信鏈路的接收信號強度，見表6。

根據(jù)式（4）確定面向通信系統(tǒng)的評估方法，可得整個通信系統(tǒng)的面臨的電磁環(huán)境量化統(tǒng)計值為

進而，可確定面向整個通信系統(tǒng)的電磁環(huán)境分級標準為IV。這意味著在該電磁環(huán)境下，1條高頻通信鏈路無法通信，5條高頻通信鏈路話音勉強能聽懂，1條高頻通信鏈路話音基本能聽懂，4條超高頻數(shù)據(jù)通信鏈路通信中斷，1條超高頻通信鏈路無法實現(xiàn)報文和分組通信，1條超高頻通信鏈路勉強實現(xiàn)報文通信無法實現(xiàn)分組通信，3條超高頻通信鏈路能夠?qū)崿F(xiàn)報文通信分組通信質(zhì)量較差，其余鏈路通信基本未受影響。

表5 通信網(wǎng)設(shè)備用頻參數(shù)

表6 通信質(zhì)量和面臨的電磁環(huán)境復雜度等級

3 結(jié)論

文中從電磁環(huán)境復雜度根源表征量出發(fā)，結(jié)合典型通信系統(tǒng)，提出典型通信單設(shè)備和全網(wǎng)系的電磁環(huán)境復雜度評估方法，建立了面向語音通信設(shè)備和數(shù)據(jù)通信設(shè)備的電磁環(huán)境分級標準和映射。通過仿真驗證了方法的可行性，證實了同一環(huán)境下不同設(shè)備所受的電磁環(huán)境影響具有個體差異性。整體通信網(wǎng)系的受影響程度有別于單一設(shè)備，這為客觀評估通信系統(tǒng)的電磁環(huán)境復雜程度推進了一步。上述研究為電磁環(huán)境仿真[23]、裝備適應性試驗[24]、電磁干擾性能評估[25]、用頻管理[26]等研究提供了基礎(chǔ)和有益的參考。