電磁環境構設逼真度評估方法研究

攸立準

(衡水路橋工程有限公司，河北 衡水 053000)

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電磁環境構設逼真度評估方法研究

攸立準

(衡水路橋工程有限公司，河北 衡水 053000)

摘要：信息化戰場上復雜的電磁環境深刻地影響著作戰行動，事先構設貼近實戰的電磁環境對人員和裝備進行試驗和訓練是很有必要的，所以如何評估所構設電磁環境的逼真度也隨之變得非常重要。基于電磁環境監測數據，分析計算訓練場區重點部位電磁環境實際構設情況。針對電磁環境構設方案中的假想敵，在提取所構設電磁環境中的時間占有度、頻譜占用度、空間覆蓋率、功率壓制率和信號參數重合度等指標的基礎上，利用相似系統理論來評估電磁環境構設的逼真度。

關鍵詞：電磁環境；逼真度評估；相似系統理論

0引言

電磁環境逼真度指的是演習中實際構設的訓練場中的電磁環境與事先假想的模擬戰場中的電磁環境之間相似的程度，所以電磁環境構設逼真度評估實際上就是對演習時導演產生的模擬電磁環境與演習前假設的戰場電磁環境之間的相似程度的評估[1]。

演習中構設的電磁環境是指在演習中通過聯合使用實體裝備、模擬設備以及虛擬仿真技術等模式對假想的戰場電磁環境進行的模擬[2,3]。根據數學仿真建模知識，可以把假想的戰場電磁環境視為原型系統，而把構設的電磁環境視為仿真系統，所以電磁環境構設的逼真度評估，等效于從總體結構和行為水平的角度評估仿真系統復現原型系統的程度，就是對仿真系統的置信度進行評估。因此，可以利用相似系統理論對電磁環境構設的逼真度進行評估[4-6]。

1相似系統理論

1.1相似元及其特征參數提取

1.2相似元值

由上文可知，相似元是由相似要素構成的，同時相似要素又具有一個或多個特征。

假設構成相似元uij的相似要素xi和yj有n個特征，則經典的相似元值計算公式為[9]：

(1)

從式(1)可以看出，若要計算相似元的值，首先應該明確其相似特征的比例系數以及特征權重。

1.2.1比例系數

相似特征類型不同，所對應的比例系數的數據類型也不相同，可以是精確值(如信號個數)、區間值(如信號頻段)或者枚舉值(如信號類型)等，各種情況的計算方法均有不同，所以應針對具體的數據類型，采用不同的計算方法[10]。

① 計算區間值比例系數

若相似系統X和Y在其某個相似特征上的值分別為區間值X[x,y]、Y[x′,y′]，假設y′>y，則該特征所對應的比例系數計算方法如下：

(2)

② 計算精確值比例系數

若相似系統X和Y在其某個相似特征上的值分別為精確值x、y，則該特征所對應的比例系數為：

(3)

③ 計算枚舉值比例系數

假設相似系統X和Y在其某個相似特征上的值分別為枚舉數組X{x1,x2,…,xn}、Y{y1,y2,…,ym}，則該相似特征所對應的比例系數為：

(4)

1.2.2特征權重

特征權重的確定有數理統計、試驗確定或專家經驗等方法，本文選擇基于專家經驗的確定方法。

1.3相似度

由相似元的個數和值及其權重系數共同確定相似系統的相似度，其中權重系數反映了每個相似元對系統相似度的影響程度。系統的整體相似度為：

(5)

式中，qn表示2個系統間相似元的個數對系統相似度的影響程度，qu表示由所有相似元共同確定的系統的相似度，有：

(6)

(7)

1.4動態分析

通常，相似系統的相似元及其對應的相似特征的數量會隨著時間變化，假設用Q1，Q2，…，Qm分別表示在時刻t1，t2，…，tm時2個系統的相似度，則在含有這些時刻的某一監測評估過程中，相似系統的相似度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A和B在時刻t1，t2，…，tm的組成要素數量和相似元數量。

2電磁環境逼真度評估

根據相似系統理論可以看出，電磁環境逼真度評估的關鍵是確定想定的戰場電磁環境與模擬的訓練場電磁環境的相似元以及其特征參數[11]。

2.1電磁環境相似元及其特征參數提取

訓練場電磁環境與目標戰場電磁環境均可刻畫為一系列的信號狀態，所以其相似元應該從電磁環境的信號狀態中著手提取。包括時間占有度、頻譜占用度、空間覆蓋率、功率壓制率和信號參數重合度等指標。下面分別進行說明。

2.1.1時間占有度

時間占有度是指在一定的空間和頻段內，電磁信號環境功率譜密度的平均值超過指定的門限所持續的時間與整個監測時間段的比值：

(10)

式中，TO為時間占有度，U為單位階躍函數，S(r,t,f)為功率譜密度(單位W/m2·Hz)；r為空間位置坐標(單位 m)；VΩ為作戰空間體積(單位m3)；S0為電磁環境門限(單位W/m2·Hz)，使工作在相應頻段的電子信息設備受到一定干擾的電磁環境信號功率譜密度的最小值，其大小依據比國際電信聯盟(ITU)推薦的中國地區各頻段背景噪聲值高10 dB為基準，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間和空間范圍內，電磁信號環境功率譜密度的平均值超過指定的門限所占有的頻帶寬度與作戰用頻范圍的比值：

(11)

式中，FO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間和頻段范圍內，電磁信號環境功率譜密度的平均值超過指定電磁環境門限所占用的空間范圍與作戰空間范圍的比值：

(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間和空間范圍內，電磁環境中干擾信號功率譜密度的平均值實現對被干擾信號的干擾功能所占有的頻段與作戰用頻范圍的比值。由于實現干擾功能即要求有一定的功率強度，所以可以設定一定的電磁環境門限值表明實現干擾功能需要的功率強度，則該指標也可采用式(10)進行計算，只是所選取的電磁環境門限不同。

2.1.5信號參數重合度

信號參數重合度指的是針對某具體類型的信號，在訓練場電磁環境中監測到的該信號的各特征參數與想定的戰場環境中該信號的相應特征參數的相似度。

按照在參訓裝備和監測裝備所在位置處，各類輻射源所產生的電磁信號類型，可以將假想的戰場電磁環境和模擬構設的電磁環境抽象為諸如由通信信號、雷達信號、通信干擾信號和雷達干擾信號等要素組成的2個系統，2個系統中相同類別的信號構成相似元。而各相似元的相似特征由相應類別信號的特征組成，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：時間占有度、頻率占有度、空間覆蓋率、功率壓制率以及各種類型的電磁信號。其中時間占有度、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，而各類電磁信號的相似特征則應依據信號的類型設定，具體如表1所示。

2.2電磁環境逼真度評估算法流程

電磁環境逼真度評估算法流程圖如圖1所示。

圖1　電磁環境逼真度評估算法流程圖

電磁環境逼真度評估算法流程說明如下：

① 接收電磁環境監測數據，并對監測數據進行一定的預處理，得到電磁環境功率密度譜、信號個數、信號種類、信號出現時間、信號頻率或頻譜、信號帶寬、信號強度、信號方向和信號平臺運動軌跡等基礎特征，并根據監測要素進行信號特征分析得到相應的相似特征；

② 根據電磁環境仿真時，假想的戰場電磁環境與模擬構設的電磁環境評估的側重點，設定相似元；

③ 針對每個相似元，提取其相似特征參數，得到電磁環境的時間占有度、頻譜占有度、空間覆蓋率和功率壓制率等幾個描述電磁環境總體結構的特征；以及電磁環境中包含的不同類別的信號，如通信信號和雷達干擾信號等信號的主要參數的重合度特征，用以描述其內部細節的逼真度；

④ 然后針對不同數據類型的相似特征，計算其對應的比例系數，并由專家經驗方法確定各相似特征的加權系數，然后據此計算各相似元值；

⑤ 根據相似系統理論，結合系統間特性相同要素的數量對系統相似度的影響(體現在選取的相似元的個數占系統組成要素個數的比例上)、由專家經驗確定的各相似元的權重系數以及上一步驟中計算得到的相似元的值，計算系統的整體相似度；

⑥ 進行相似性動態分析，即將在時域上不斷變化的電磁環境，按照假想的戰爭進程劃分為幾個階段，然后用每個階段中的某個或幾個典型時刻所對應的逼真度來表示該階段的電磁環境構設逼真度，并據此進行整個作戰進程中電磁環境逼真度的綜合分析。

3結束語

伴隨著電子信息技術的迅速發展和廣泛應用，實際戰場上的電磁信號環境變得愈發復雜，對于特殊裝備的影響也越來越大，所以需要在和平訓練時期模擬戰場電磁環境對特殊裝備進行試驗和訓練[1]。基于相似系統理論對模擬電磁環境的逼真度進行評估的方法，不需要太復雜的監測和計算就可以提取相似元及其特征參數并計算相似元值，但該方法的應用還存在一些問題，比如特征權重的選取需要專家經驗等，還需要做更加深入的探討。同時，由于這方面的試驗較少，該電磁環境逼真度評估算法還需要進行適量的外場測試進行修正，以期不僅在軍用領域,而且在民用領域實現廣泛的應用。

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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

中圖分類號：TN911

文獻標識碼：A

文章編號：1003-3114(2016)02-84-4

作者簡介：攸立準(1979—)，男，工程師。主要研究方向：軟件無線電計算機應用。

收稿日期：2015-11-11

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.02.22

引用格式：攸立準.電磁環境構設逼真度評估方法研究[J].無線電通信技術,2016,42(2):84-87.