復雜電磁環境對通信裝備性能影響因素的正交探索性分析

柯宏發, 趙繼廣, 唐躍平

(1.裝備學院復雜電子系統仿真實驗室,北京101416; 2.裝備學院科研部,北京101416; 3.裝備學院訓練部,北京101416)

復雜電磁環境對通信裝備性能影響因素的正交探索性分析

柯宏發1, 趙繼廣2, 唐躍平3

(1.裝備學院復雜電子系統仿真實驗室,北京101416; 2.裝備學院科研部,北京101416; 3.裝備學院訓練部,北京101416)

復雜電磁環境下影響通信裝備性能的主要因素是通信裝備性能參數和電波傳播等環境參數的分布。首先研究了通信裝備性能及其主要影響因素的理論分析模型;其次進行了基于正交表對通信裝備性能主要影響因素顯著性的探索性分析;最后對通信電臺話音通信單字正確率的4個影響因素進行了仿真分析,并找出了影響4個因素的主次關系,為復雜電磁環境下通信電臺的運用提供了定量的技術依據。

探索性分析;裝備性能;正交試驗;影響因素;主次關系

復雜電磁環境[1-2]對武器裝備性能的影響分析是當前的研究熱點,目前的分析方法更多的還是處于定性分析和一個整體評估階段[3]。如Jinliang Wu等[4]基于理論公式的仿真證明了電子裝備附近的高壓電線會增加其周圍電磁環境的復雜性;邵國培等[5-6]將戰場電磁環境的復雜性從整體上分為一般復雜性和特定復雜性,并給出了相應的評估指標和評估方法;邵濤等[7]利用模糊層次分析法構建電子對抗裝備面臨的電磁環境復雜度定量評估模型。但對具體的武器裝備而言,由于電磁環境影響因素很多,且每個因素的影響水平也很多,所以應更多地關注裝備所處電磁環境因素的影響程度定量分析以及影響因素的主次順序。定量分析又分為基于理論公式的計算模型方法和基于實驗數據的分析方法。如于海龍等[8]建立了“金屬風暴”武器射擊精度與影響因素間的定量函數關系,張帆等[9]建立了膨脹波槍炮發射過程的動力學數值模型,通過計算得出不同結構參數及裝填參數等因素對發射性能的影響規律,但這些理論計算模型難以考慮所有的影響因素并對其主次順序進行分析?？潞臧l等[10]基于實驗數據對裝備性能及電磁環境影響因素進行GM(1, N)綜合建模,并根據模型對影響因素的主次順序進行分析,但該方法僅限于對特殊的影響因素水平進行分析。

對影響通信裝備性能的所有電磁環境因素及其所有水平進行分析的最佳方法無疑是探索性分析方法[11-12],因為該方法可對各種不確定因素所對應的結果進行整體研究,可確定裝備性能的發展目標、各種關鍵影響因素的顯著性比例等。但由于裝備性能的電磁環境影響因素及其水平的空間組合數非常大,故完成全空間的探索分析計算非常困難。而基于正交試驗的優化設計方法[13-16],可以通過有限的探索計算得出更多、更好的有用信息。如張燚等[14]使用正交試驗設計法,對某彈道修正彈的末段彈道基于影響飛行穩定性的主要因素進行了彈道參數優化設計;丁娣等[16]針對大型傘開傘過程沖擊載荷的影響因素靈敏度運用正交試驗設計方法,提出了影響減速傘和主傘開傘沖擊載荷的主要因素。本文提出基于正交試驗方法對通信裝備性能主要影響因素顯著性進行探索性分析,介紹了分析原理、算法和實施步驟,并基于通信電臺話音通信單字正確率的4個影響因素進行了仿真分析,得到了影響因素的顯著性主次順序。

1 通信裝備性能的電磁環境影響因素分析

通信發射方裝備發射的信號到達接收方裝備天線處的信號強度可由式(1)計算

式中：Pr為通信接收方裝備天線處的信號功率; Ps為通信發射方裝備的發射功率;Gs為通信發射方的發射天線增益;f為發射頻率;d為通信雙方裝備天線的距離;A為電波在有能量損耗的媒質中傳播所造成的場強衰減因子,其取值與傳播方式、傳播媒質、電波的頻率和極化方式等有關。討論復雜電磁環境對通信裝備性能的影響,通常更多的是指信號接收裝備。雖然接收到的信號強度是一個重要參數,但卻不是決定其信號接收解調能力的唯一參數,決定這一能力的參數是接收到的信噪比,它代表了接收機上通常以功率或能量表示的信號強度與伴隨該信號的噪聲量的比值。其中噪聲來源于多個噪聲源,既有通信裝備內部的,也有通信裝備外部的,其形式也不盡相同。

本文以常用的數字調制樣式BPSK為例進行分析,BPSK信號可簡單表示為

假設噪聲信號可以通過濾波器到達接收端,則合成信號為：

式中：第二項為干擾噪聲信號,與通信信號存在相位差φj1或φj0;n1(t)、n0(t)為高斯窄帶噪聲,設其均值為0,方差為N1和N0,一般認為是熱噪聲。

采用相干解調,定義

則有發“1”時的錯誤接收概率為

有發“0”時的錯誤接收概率為

假設“0”“1”等概率發送,以及rs=A2s/2Nt為窄帶信噪比,rj=A2j/A2s為噪(干)信比,則有總誤碼率為

由上述理論推導可知,不考慮濾波性能及截獲、識別算法的影響,通信裝備實際性能既與通信雙方的收發天線增益、極化方式及發射功率等有關,也與電磁環境緊密相關,如電波的頻率、通信距離、傳播損耗、通信頻段內的噪聲、噪聲功率等,它們會直接反映到通信裝備的信噪比上。因此,本文在進行通信電臺話音通信單字正確率的影響因素仿真實例時,選取通信頻率、噪聲的頻偏、信噪比、通信距離4個因素進行分析。

2 正交試驗設計

正交試驗是用于多因素試驗的一種方法,它是從全面試驗中挑選出部分有代表的點進行試驗,這些代表點具有“均勻”和“整齊”的特點[13-16]。通過正交試驗方法,尋求各種影響因子和不同水平之間的合理搭配,盡可能地減少試驗次數,以達到對通信裝備電臺性能的正確評估、影響因素的顯著性評估之目的。其基本思想是基于正交表,從樣本空間中挑選具有代表性的樣本點進行多因子試驗,然后根據試驗結果分析各因子不同水平的效應,以此為基礎推斷任意因子、任意水平搭配條件下裝備性能以及影響因素的顯著性水平。

正交表一般記為Lm(kn),其中L表示正交表,m表示正交表安排的試驗次數,即正交表的行數,n表示運用該正交表可安排的試驗因子的個數,即正交表的列數,k表示各因子的水平數。

運用正交表進行通信裝備性能的電磁環境影響因素的探索性分析試驗,其步驟為：

1)選擇或設計合適的正交表。對超短波通信電臺復雜電磁環境適應性結果有影響的因子、因子的水平、因子的交互作用是挑選正交表的重要依據。首先,應根據因子的水平個數確定相應水平的正交表,如果是混合水平的正交試驗設計問題,則應挑選混合型正交表;其次,應根據因子的數目進一步確定到底應選哪個正交表,一般情況下,只要正交表的列數稍大于或等于因子的個數即可,這樣既考慮了全部的試驗因子,又達到了減少試驗次數的目的。

2)進行表頭設計。在表頭設計中,如果各因子的水平數都相同,則試驗因子可以隨機地分配在正交表中的某一列,并把相應的列號改為因子即可。

3)按照正交表的試驗序號,隨機選擇進行試驗的樣本,并按照表中各行對應的試驗因子水平安排試驗,記錄試驗結果。

4)對正交試驗結果進行方差分析,完成因子的顯著性檢驗,即判斷對性能有影響的因子中,哪些因子的影響是顯著的,以確定因子各水平的最佳組合,并完成試驗誤差的估計。其中關鍵的算法包括計算各列的離差平方和及其自由度、總離差平方和、試驗誤差平方和、F檢驗比。

3 超短波電臺的電磁環境影響因素分析示例

3.1 正交試驗條件與結果

本節進行超短波電臺報文抄收正確率的電磁環境影響因素顯著性正交探索性分析示例,假設超短波電臺工作于定頻方式,在工作頻段范圍內分別選取高、中、低3個頻率進行試驗;假設試驗頻率為f0MHz,在頻率f0-2f′MHz、f0-f′MHz、f0MHz、f0+f′MHz、f0+2f′MHz處設置復雜電磁環境等效噪聲,其中f′為25 k Hz,設置不同大小的等效噪聲,使信干比在3～7 dB范圍內變化;在滿足不同通信距離水平D-1 km、D-0.5 km、D km、D+0.5 km、D+1 km的條件下,統計每次試驗的話音通信單字正確率。上述試驗因子及其水平如表1所示。

表1 超短波電臺定頻通信試驗因子和水平

本例中的因子數目并不全部相等,采用擬水平法將因子“通信頻率”虛擬2個水平,使它與其他幾個因子的水平數相等。例如,在“通信頻率”因子的水平f0低、f0中、f0高中選擇2個水平f0低、f0中,然后虛擬水平f′0低、f′0中,水平f′0低與f0低、f′0中與f0中處于同一水平,這樣“通信頻率”因子形式上就有5個水平了,就可以用L25(56)來安排試驗。本例利用總離差平方和減去因素的離差平方和得到誤差平方和,所以省略2個空白列后,試驗結果及計算結果如表2所示。

表2 超短波通信電臺定頻正交試驗結果

3.2 基于正交探索性的數據分析

3.2.1 直接分析法

由表2可以直接看出下述結果：

1)第21次的試驗,即試驗條件為通信頻率38.825 MHz、噪聲的頻偏0.5 MHz、信干比7 d B、通信距離7 km時,試驗結果最好,超短波通信電臺復雜電磁環境下話音通信單字正確率為0.93。

2)基于表2中T-1、T-2、T-3、T-4和T-5這5行數據,可從理論上計算出超短波通信電臺復雜電磁環境下話音通信時單字平均正確率最優的影響因子組合為：“通信頻率”因子水平1、“噪聲的頻偏”因子水平5、“信干比”因子水平5、“通信距離”因子水平1。

3)表2中的極差數據R用來確定各影響因子的重要程度。由表2中數據可知,“信干比”因子的極差0.70最大,表明“信干比”因子對超短波通信電臺復雜電磁環境下話音通信單字正確率影響最大;“通信頻率”因子的極差0.07最小,表明“通信頻率”因子對超短波通信電臺復雜電磁環境下雙方話音通信單字正確率的影響不大;“噪聲的頻偏”因子的極差0.11和“通信距離”因子的極差0.17居中,表明這2個因子對超短波通信電臺復雜電磁環境下話音通信單字正確率有一定影響。

4)進一步可以畫出“通信頻率”因子、“噪聲的頻偏”因子、“信干比”因子、“通信距離”因子對超短波通信電臺復雜電磁環境下話音通信單字正確率的影響趨勢圖,如圖1～圖4所示。

圖1 “通信頻率”因子對話音通信單字正確率的影響趨勢

圖2 “噪聲的頻偏”因子對話音通信單字正確率的影響趨勢

圖3 “信干比”因子對話音通信單字正確率的影響趨勢

圖4 “通信距離”因子對話音通信單字正確率的影響趨勢

從圖3和圖4中可以看出,“信干比”越大、“通信距離”越小,超短波通信電臺復雜電磁環境下話音通信單字正確率越高。從這4副圖的對比中至少可以得出一個結論：電磁環境因素對超短波通信電臺話音通信單字正確率的影響是極其復雜的。

3.2.2 方差分析法

通過計算有fi(i=1,2,3,4)=4、fE=8,當α=0.05時由F分布臨界值表查得

F1-0.05(4,8)=3.84

由表2可以看出,“信干比”影響因子的F比

F3=86.757 16＞F1-0.05(4,8)

表明“信干比”對超短波通信電臺復雜電磁環境下話音通信單字正確率影響的顯著性很強?！巴ㄐ啪嚯x”影響因子的F比

F4=4.214 50＞F1-0.05(4,8)

表明“通信距離”對超短波通信電臺復雜電磁環境下話音通信單字正確率有顯著性影響。

而“通信頻率”因子和“噪聲的頻偏”因子的F比均小于F1-0.05(4,8),表明這2個影響因子對超短波通信電臺復雜電磁環境下話音通信單字正確率無顯著性影響。

4 結束語

本文提出了基于正交表的探索性分析方法對通信裝備性能的復雜電磁環境影響因素的顯著性進行分析,分析結果表明：① 復雜電磁環境對通信裝備性能影響因素的正交探索性分析方法是有效可行的,該方法可以推廣應用于電子裝備及其他武器裝備性能影響因素的顯著性分析活動中;②本文示例假設了電磁環境影響因子之間相互獨立,實際上這些影響因子之間的交互作用也很復雜,還需要更進一步深入研究具有交互作用的正交探索性分析方法;③ 在裝備的研制與運用實踐中,可以基于正交表的探索性分析方法對通信裝備性能進行預測分析以及尋求最優的環境影響因素組合,為裝備的研制與實際運用提供更為全面可行的依據。

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(編輯：孫陸青)

Exploratory Analysis of Complex Electromagnetic Environment Factors that Influences Communication Equipment Performance Based on Orthogonal Test

KE Hongfa1, ZHAO Jiguang2, TANG Yueping3

(1.Science and Technology on Complex Electronic System Simulation Laboratory,Equipment Academy,Beijing 101416,China;
2.Scientific Research Department,Equipment Academy,Beijing 101416,China; 3.Training Department,Equipment Academy,Beijing 101416,China)

The main influence on the communication equipment performance is the distribution of equipment performance parameters and environment parameters of radio propagation in the complex electromagnetic environment.Firstly,the theoretical analysis model of the communication equipment performance and the main electromagnetic environment influencing factors is introduced.Secondly, the exploratory analysis method based on orthogonal test for the major and minor relationship analysis of influencing factors of the communication equipment performance is presented.Finally,the simulation analysis of four influencing factors of one character correct rate of radio communication is given. And the major and minor relationship of four influencing factors is found.The result gives quantitative technical basis for operation of radio communication in the complex electromagnetic environment.

exploratory analysis;equipment performance;orthogonal test;influencing factors; major and minor relationship

N 945.12

2095-3828(2014)02-0060-05

ADOI10.3783/j.issn.2095-3828.2014.02.015

2013-04-24

國家社會科學基金資助項目(12GJ003-102);國家重點實驗室基金資助項目

柯宏發(1969-),男,教授,博士.主要研究方向：電子裝備試驗理論與技術.