基于D—S證據理論的機載數字通信設備電磁環境適應性評估

劉丹 魏嘉利

摘要：本文采用D-S證據理論方法研究機載數字通信系統電磁環境適應性量化評估問題，并以某型直升機上的航管應答機為研究對象，對評估方法進行了驗證，消除了以往評估中采用專家打分法等人為方法對評估對象進行評判時帶來的主觀因素影響，對系統電磁環境適應性的量化評估提供可靠依據。

關鍵詞：航空電子；數字通信；電磁環境；證據理論；評估

中圖分類號：V243；0361.7

文獻標識碼：A

DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2018.01.026

現代戰爭已經成為陸、海、空、天、電磁“五維一體”的聯合作戰，任何軍事行動都處在一定的電磁環境中，要保障軍用飛機的電磁兼容性，除了需要保證設備、分系統的電磁兼容性外，更要保證系統在預期工作環境下的性能，即保證系統的電磁環境適應性。因此，量化評估系統的電磁環境適應性顯得尤為重要。現有對于系統電磁環境適應性的評估方法存在不確定性，主要體現在：現有的系統電磁環境適應評估或是以電磁環境為評估對象，或是以系統平臺為評估對象，沒有考慮構成系統的最根本因素——設備的電磁環境適應能力；在評估工作中，多采用專家打分法等人為的方法對電磁環境分級或對系統工作效能進行評估，包含較強主觀因素。綜合以上兩點，致使在對系統進行電磁環境適應性評估時，評估標準不一致，評估結果差異大，被評估對象的電磁環境適應性無法有效體現。國外對于電磁環境的研究主要集中在對戰場電磁環境的解算、模擬和試驗方法的研究，沒有涉及電磁環境復雜度評估方面的工作。因此，如何對機載設備的電磁環境適應性進行客觀、有效地評估顯得尤為重要。

1機載數字通信設備工作效能判定

目前，有多種評估方法可以用來評估通信設備的電磁環境適應性，包括時域覆蓋率、頻率覆蓋率、誤碼率、壓制系數和通信距離等。本文主要采用誤碼率和通信距離來評估數字通信設備性能降級的情況。

1.1干擾噪聲門限

誤碼率是衡量數字通信設備性能的指標，對同一通信設備而言，其信噪比與誤碼率存在著一一對應關系。工程中通常采用基于誤碼率的壓制系數K對機載通信設備進行評估。壓制系數定義為：當設備誤碼率達到規定值ε0時，接收機輸入端的干擾噪聲功率與有用信號功率之比：式中：Prc是經自由空間傳播損耗后到達設備接收機端口的信號能量，Prj為接收端口處的合成噪聲。

有效覆蓋區域是機載通信設備一項十分重要的功能指標，它規定了飛機在一定高度下，在某一通信頻段內，通信設備需要能夠達到的覆蓋范圍。當機載設備處于臨界通信狀態時，即通信距離為有效通信距離的邊界值（最大值），設備的誤碼率為規定值εn時，此時對應的干擾噪聲，定義干擾門限值PN，有：

PN=KPrc

（2）

1.2性能降級判定準則

對于機載數字通信系統，其包含的不同設備性能降級的判定方式是不同的。但不論何種設備，都存在不能接受的性能降級門限指標。工程上通常把這個臨界標準與通信設備的信噪比聯系起來，如圖1所示。提出可接受的噪聲門限值PTo。對于不同的通信設備而言，只有當到達接收機端口的合成噪聲小于PT值時，接收設備不會產生無法接受的性能降級。

1.3通信設備工作狀態評估

以到達接收機端口的噪聲值Pj為評估對象，可以將機載通信設備的工作情況分為三種狀態，如圖2所示。

當Pj≤PN，通信設備在有效覆蓋區域內能夠正常通信；當PN≤Pi≤PT，通信出現性能降級，但并未完全失效；當Pj≥PT，通信功能完全失效。在對通信設備電磁環境適應性進行評估時，只需要確定設備在預期電磁環境中的失效概率或者正常工作的概率。因此，對于“灰色區域”（即系統出現效能下降但又不至于失效）部分數據該如何歸類和處理，是需要解決的問題。

2D-S證據理論

證據理論也稱為Dempster-Shafer理論（簡稱D-S理論）。證據指的是對問題所做的觀察和研究的結果，根據證據可以在決策框架上產生一個信任函數。決策者的經驗、知識以及對問題的觀察研究都是用來做決策的證據。決策者通過多方咨詢可以根據多批證據在決策框架上得到多個基本信任分配，再根據證據合成規則求出多個基本信任分配的正交和，最終得到一個科學性更強的分配結果。

若集合@為一個識別框架，在@的冪集2°上定義映射m；2@→[0，1]，稱為一個基本信任分配函數，并且滿足m（φ）=0，且：

m（X）為假設的質量函數（mass函數），是對X的可信程度的一種度量。計算多批證據作用下總的信任度，要將兩個或多個基本信任分配函數進行合成，得到一個總的信任分配函數。對于任意X∈@，@上的兩個mass函數ml，m2的D-S合成規則為：式中：（ml@m2 ）（θ）為ml和m2兩種情況下D-S合成值；K為歸一化常數，其表達式為：

可見，該方法的優點在于：在進行數據融合的時候能夠考慮被評估對象處于中間狀態區域的概率對其他兩部分概率值的影響，從而使評估結果更加準確可靠。

3D-S證據理論對評估數據融合

對于機載通信設備在預期工作環境下電磁環境適應性的評估：首先，在工作區域內設置不同的監測點，采集電磁信號的分布特性；然后，根據1.3節中的狀態劃分，確定機載設備在不同監測點位各狀態下的概率值；最后，通過數據融合的方法，判斷飛機在該區域的工作效能。

本文采用噪聲統計中的幅度概率分布（AmplitudeProbability Distribution，APD）來表征各監測點處通信設備工作狀態的概率分布，定義為騷擾信號幅度超過某個規定電平的時間概率，用公式表示為：式中：R為門限電平，T為測量總時間，tk為第k個幅度超過R的脈沖持續時間。

本文采用D-S證據理論法對監測區域不同點位的測試數據進行融合，形成對被評估設備在該區域電磁環境適應性的綜合評估。

4航管應答機電磁環境適應性判定

試驗以某型直升機上航管應答機為評估對象，評估航管應答機在預期工作環境中的電磁環境適應性。機頭天線如圖3所示，其中天線位于機頭正上方。該應答機正常工作時的應答概率為99%～95%，此時對應的信噪比為20dB；失效的應答概率90%以下，此時對應的信噪比為15dB。

模擬方式：試驗中采用IFR6000外場地面檢測儀來模擬地面塔臺發射的信號，發射信號頻率為1030MHz，信號強度-2dBm。通過對發射和應答脈沖的計數來計算應答機的應答概率。試驗中通過調整IFR6000外場地面檢測儀與航管應答前天線之間的距離，模擬到達接收機前端信號電平的變化；試驗中選取機載大功率發射設備工作來模擬電磁環境的變化。機上常用的大功率發射設備是短波、超短波電臺。電臺的發射頻點主要根據電磁兼容試驗中容易產生干擾的頻點、電臺常用頻點以及航管應答機接收信號的倍頻點來選取。試驗設置如圖4所示，將外場檢測儀器分別置于不同的測試距離，監測應答機的應答概率。在同樣的測試位置上，將機載應答機天線接頻譜儀，測量接收信號電平。

根據直升機實際使用中的工作狀態，測試考慮三種工作環境：（1）機上設備上電，大功率設備不發射（普通電磁環境）；（2）超短波在132MHz，257.5MHz發射（超短波在常用頻點和航管應答機的倍頻點發射）；（3）短波在3MHz、17MHz發射（短波在常用頻點發射）。當機上設備上電，大功率設備不發射時，此時噪底為-128～-130dBm，測試結果見表1；當超短波在257.5MHz發射，接收干擾噪聲為-104dBm，在3m處進行測試，應答概率迅速下降，基本無數據；當超短波在132MHz發射，接收干擾噪聲-119dBm，測試結果見表2；當短波在3MHz、17MHz發射時，干擾信號為噪聲-127dBm，設備的應答概率與表1中的變化情況基本一致。航管應答機判決區間如圖5所示，頻譜儀測得的信號強度如圖6和圖7所示。

5D-S方法對航管應答機電磁環境適應性進行評估

首先，通過設備的應答概率確定設備工作狀態。判定規則為：當信噪比K/N>20dB，應答概率為99%，正常工作；當信噪比15dBK/N，應答概率低于90%，設備失效。

本次試驗選取機頭正前方3m，5m，7m和lOm共4個測試點，每個測試點進行1min測試。由于短波發射時接收信號變化不明顯，因此，試驗中不對短波進行操作。其中，超短波1在257.5MHz上發射2次，4s/次；在132MHz上發射2次，4s/次。試驗中通過觀察地面監測儀器的應答概率值來判斷航管應答機所處的工作狀態，測試結果見表3。

采用D-S證據理論對該區域內航管應答機的電磁環境適應性進行評估。通過1.3節分析，可以得到識別框架下的三個證據分別為：A→設備正常工作；B→設備效能降級；C→設備失效，對應表3中的數據，則有：

采用式（5）對前兩個位置（3m和Sm）監測得到的數據進行融合，有：根據式（4），可以得到：

當考慮第三個位置（7m）的監測結果時，再次利用式（4）、式（5）將前兩個位置的融合結果與第三個位置進行融合，依次類推，最終評估結果見表4。由此可見，在相同的電磁環境下，通信設備的電磁環境適應性隨著作用區域的增加而變差；在同一工作區域中，通信設備的電磁環境適應性隨著電磁干擾的增強而變差。評估得到的結果與設備在實際工作中的工作狀態相吻合。本方法能夠用來確定在滿足一定電磁環境適應性要求下，設備在預期工作環境下的有效通信距離。

6結論

本文主要研究機載數字通信設備電磁環境適應性量化評估問題。首先，將機載數字通信設備的工作狀態與到達接收機端口處的信噪比相比較，得到相應的噪聲允許值和噪聲門限值，并通過監測預期工作環境下電磁環境的幅度概率分布，得到設備在該電磁環境下能夠正常工作的概率，消除了以往評估中采用專家打分法等人為方法對評估對象進行評判時帶來的主觀因素影響；其次，采用D-S證據理論法對監測區域不同點位的監測數據進行融合，考慮了被評估對象處在“灰色區域”的概率值對評估結果的影響，得到一個更加客觀的評估結果；最后，以某型直升機上的航管應答機為研究對象，采用本方法對其電磁環境適應性進行了實測驗證，評估得到的結果與設備在實際工作中的工作狀態相吻合。本方法對系統電磁環境適應性的量化評估提供了可靠的依據。