侯立志 何 晶 傅玉鑫 周 凱
(1.94498部隊(duì) 南陽(yáng) 474370)(2.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院 西安 710077)
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為軍事領(lǐng)域中一種重要的導(dǎo)航方式,不僅能全天候地在全球范圍內(nèi)為軍事系統(tǒng)和各種武器平臺(tái)提供精確的位置、速度和時(shí)間信息,還能保持對(duì)全球戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)時(shí)感知,對(duì)奪取和保持未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中的空間優(yōu)勢(shì)、實(shí)施非線性作戰(zhàn)和對(duì)目標(biāo)的精確打擊、對(duì)軍隊(duì)和裝備進(jìn)行快速輸送以及實(shí)行高效的戰(zhàn)場(chǎng)指揮與控制等方面都起到了至關(guān)重要的作用,已然成為軍事領(lǐng)域中一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)設(shè)施,在各個(gè)階段影響著戰(zhàn)爭(zhēng)的方式和效能。
隨著我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用,如何測(cè)試和評(píng)估設(shè)備的抗干擾性能,已成為目前亟待解決的重要問(wèn)題。構(gòu)建機(jī)載北斗設(shè)備抗干擾性能評(píng)估指標(biāo)體系是全面、合理評(píng)價(jià)機(jī)載北斗設(shè)備抗干擾性能的核心工作。本文通過(guò)探討機(jī)載北斗設(shè)備抗干擾性能評(píng)估的基本理論、指標(biāo)選取原則以及指標(biāo)體系建立的一般過(guò)程,構(gòu)建較為全面的機(jī)載北斗設(shè)備抗干擾性能評(píng)估指標(biāo)體系,并結(jié)合層次分析法,對(duì)機(jī)載北斗設(shè)備抗干擾性能進(jìn)行評(píng)估,并給出評(píng)估實(shí)例。
由于衛(wèi)星運(yùn)行軌道距離地面較遠(yuǎn),衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射功率較小,且傳播過(guò)程中存在各種損耗,信號(hào)到達(dá)地球表面時(shí)已變得十分微弱。加之周?chē)h(huán)境中存在各種無(wú)意的自然干擾和有意的人為干擾,北斗導(dǎo)航系統(tǒng)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。各種人為干擾主要是指壓制式干擾和欺騙式干擾。壓制式干擾信號(hào)主要包括掃描等幅波、寬帶高斯噪聲、脈沖等幅波以及窄帶、寬帶頻率調(diào)制信號(hào)[1];欺騙式干擾信號(hào)主要包括轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾信號(hào)和產(chǎn)生式欺騙干擾信號(hào)[2]。任何一種干擾信號(hào)都將對(duì)機(jī)載北斗設(shè)備的導(dǎo)航定位功能產(chǎn)生較大影響。因此,機(jī)載北斗設(shè)備必須具備一定的抗干擾能力才能抑制來(lái)自外界的各種干擾。
針對(duì)機(jī)載北斗設(shè)備面臨的威脅,目前應(yīng)用于機(jī)載北斗設(shè)備的抗干擾技術(shù)主要包括天線陣抗干擾技術(shù)、信號(hào)處理抗干擾技術(shù)、組合導(dǎo)航抗干擾技術(shù)以及固有特性抗干擾技術(shù)。
1)天線陣抗干擾技術(shù)
天線陣抗干擾技術(shù)主要針對(duì)壓制式干擾信號(hào)產(chǎn)生抑制作用,它主要采用空域和空時(shí)濾波技術(shù),其中空域?yàn)V波技術(shù)又可分為自適應(yīng)天線陣調(diào)零技術(shù)和波束形成技術(shù)[3]。由于自適應(yīng)調(diào)零天線能夠自動(dòng)靈活調(diào)整極化,將最大接收方向調(diào)整到所需信號(hào)的來(lái)波方向,抗干擾性能較好,目前已被廣泛應(yīng)用。
2)信號(hào)處理抗干擾技術(shù)
信號(hào)處理抗干擾技術(shù)主要包括頻域?yàn)V波抗干擾技術(shù)、時(shí)域?yàn)V波抗干擾技術(shù)以及干擾信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)后的信號(hào)處理技術(shù)。
頻域?yàn)V波抗干擾技術(shù)主要針對(duì)等幅干擾、窄帶干擾以及功率較大的帶外干擾;時(shí)域?yàn)V波抗干擾技術(shù)對(duì)窄帶干擾和連續(xù)波干擾有較好的抑制作用,最大可實(shí)現(xiàn)30dB[4]的抑制能力;干擾信號(hào)就進(jìn)入接收機(jī)后,在信號(hào)處理過(guò)程中用抗干擾算法來(lái)提高接收機(jī)的衛(wèi)星跟蹤、衛(wèi)星信號(hào)捕獲、抗多徑以及抗欺騙式干擾的能力。
3)組合導(dǎo)航抗干擾技術(shù)
組合導(dǎo)航抗干擾技術(shù)主要是指兩種或兩種以上的導(dǎo)航方式進(jìn)行組合,以提高設(shè)備的抗干擾性能。常用的組合導(dǎo)航方式就是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的組合。
通過(guò)數(shù)據(jù)分析和計(jì)算,采用北斗與慣導(dǎo)進(jìn)行組合導(dǎo)航的情況下,能將抗壓制式干擾能力提高11dB左右[5]。不僅如此,當(dāng)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的定位結(jié)果出現(xiàn)跳變時(shí),就“懷疑”遭到了欺騙式干擾,此時(shí)組合導(dǎo)航系統(tǒng)將會(huì)放棄北斗的導(dǎo)航定位結(jié)果,而僅采用慣導(dǎo)的輸出結(jié)果,從而避免遭受欺騙式干擾。
4)固有特性抗干擾技術(shù)
北斗設(shè)備定型后,有些基本的性能參數(shù)雖然不是為了對(duì)抗干擾信號(hào)而設(shè)置,但它們是形成接收設(shè)備整體功能所必備的基本條件,且能實(shí)現(xiàn)一定的干擾抑制作用,是機(jī)載北斗設(shè)備必須的系統(tǒng)參數(shù),如北斗接收機(jī)的天線特性、陣列通道性能[6]以及接收機(jī)所接收到的信號(hào)的碼型等。
為了能夠?qū)⒎彪s的性能評(píng)估問(wèn)題用科學(xué)的計(jì)量方法進(jìn)行量化、分析和處理,首先須針對(duì)機(jī)載北斗設(shè)備抗干擾性能構(gòu)造一個(gè)科學(xué)的評(píng)估指標(biāo)體系。該指標(biāo)體系能夠?qū)⒋罅肯嗷リP(guān)聯(lián)、相互制約的復(fù)雜因素之間的關(guān)系調(diào)理化、層次化,同時(shí)能夠區(qū)分不同指標(biāo)對(duì)整體抗干擾性能的重要程度。此外,要對(duì)只能定性評(píng)估的因素進(jìn)行適當(dāng)?shù)牧炕幚?,以便于整體抗干擾性能的分析。
機(jī)載北斗設(shè)備的抗干擾性能評(píng)估指標(biāo)體系是對(duì)機(jī)載北斗設(shè)備進(jìn)行正確合理評(píng)估的基礎(chǔ),其層次化的結(jié)構(gòu)是體系的骨骼,各個(gè)具體指標(biāo)則是體系的血與肉。因此,具體評(píng)估指標(biāo)的選取必須兼顧可測(cè)性、系統(tǒng)性、完備性、簡(jiǎn)明性、獨(dú)立性、客觀性以及一致性原則。構(gòu)建機(jī)載北斗設(shè)備抗干擾性能評(píng)估指標(biāo)體系要在全局分析的基礎(chǔ)上首先擬定出指標(biāo)體系的框架結(jié)構(gòu),結(jié)合對(duì)相關(guān)單位的調(diào)研以及對(duì)該領(lǐng)域權(quán)威的專家進(jìn)行咨詢,對(duì)指標(biāo)體系進(jìn)行細(xì)化和定型,再通過(guò)反饋的意見(jiàn)不斷進(jìn)行改進(jìn)和完善,具體流程如圖1所示。
圖1 評(píng)估指標(biāo)體系建立過(guò)程
根據(jù)該指標(biāo)體系建立過(guò)程,構(gòu)建機(jī)載北斗設(shè)備抗干擾性能指標(biāo)體系的主要步驟如下。
1)屬性特征分析
根據(jù)機(jī)載北斗設(shè)備的特點(diǎn),確定與其抗干擾性能相匹配的指標(biāo),并對(duì)指標(biāo)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)屬性、定性和定量屬性進(jìn)行分析和判斷。
2)結(jié)構(gòu)分析
將機(jī)載北斗設(shè)備的抗干擾性能指標(biāo)體系分為兩個(gè)方面,即機(jī)載北斗設(shè)備所固有的抗干擾性能指標(biāo)和因采取抗干擾措施而具有的評(píng)估指標(biāo)。再分別對(duì)兩個(gè)方面的指標(biāo)進(jìn)行細(xì)化。
3)信息來(lái)源分布
指標(biāo)信息通常來(lái)源于統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果、資料數(shù)據(jù)庫(kù)、詢問(wèn)專家、相關(guān)單位調(diào)研的結(jié)果或者主觀的判斷等。
4)歸一化分析
無(wú)論是定性指標(biāo)還是定量指標(biāo),在進(jìn)行評(píng)估前必須經(jīng)過(guò)歸一化處理,否則無(wú)法進(jìn)行評(píng)估。如天線極化方式為定性指標(biāo),就需要通過(guò)專家打分的方式對(duì)其進(jìn)行量化分析。
5)實(shí)踐中檢驗(yàn)
指標(biāo)體系建立以后,要在實(shí)際工作中不斷地接受檢驗(yàn)和反饋,根據(jù)意見(jiàn)進(jìn)行修改和完善。
機(jī)載北斗設(shè)備的抗干擾性能主要包括兩個(gè)方面,一是機(jī)載北斗設(shè)備固有抗干擾性能,另一個(gè)為機(jī)載北斗設(shè)備采取的抗干擾措施。
機(jī)載北斗設(shè)備內(nèi)部的噪聲功率和其所處干擾環(huán)境息息相關(guān),導(dǎo)致在北斗接收機(jī)處理前端的載噪比直接與北斗接收機(jī)內(nèi)部的A/D實(shí)現(xiàn)損耗[7]以及天線增益相關(guān)。此外,天線的極化方式也會(huì)引起其抗干擾性能的變化。以上指標(biāo)都可作為機(jī)載北斗設(shè)備抗干擾性能的影響因素,可作為機(jī)載北斗設(shè)備的固有特性抗干擾指標(biāo)。
針對(duì)機(jī)載北斗設(shè)備面臨的壓制式干擾和欺騙式干擾,在建立評(píng)估指標(biāo)體系的過(guò)程中,結(jié)合機(jī)載北斗設(shè)備所采用的不同的抗干擾技術(shù)來(lái)研究其抗干擾性能改善情況,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行指標(biāo)的選取、提煉、歸納和總結(jié),并進(jìn)行定量或者定性的描述,以便在后續(xù)抗干擾性能評(píng)估時(shí)的計(jì)算與分析。根據(jù)第3部分對(duì)指標(biāo)選取原則的描述,選取以下指標(biāo)作為抗干擾性能評(píng)估量。
1)干擾抑制度
在機(jī)載北斗設(shè)備正常工作的條件下所能施加的最大干擾信號(hào)強(qiáng)度,即為干擾抑制度。它能反映機(jī)載北斗設(shè)備的抗壓制式干擾的能力,即干擾抑制度值越大,抗壓制式干擾能力就越強(qiáng)。
2)抗壓制干擾個(gè)數(shù)
機(jī)載北斗設(shè)備正常工作的條件下所能抑制的壓制式干擾個(gè)數(shù)。以自適應(yīng)調(diào)零天線為抗干擾技術(shù)的機(jī)載北斗設(shè)備所能抑制的最大干擾個(gè)數(shù)為陣元數(shù)減1。
3)天線陣輸出信噪比
天線陣輸出信噪比能夠衡量機(jī)載北斗設(shè)備天線陣對(duì)干擾信號(hào)的抑制能力,可作為機(jī)載北斗設(shè)備抗干擾性能的評(píng)估指標(biāo),也是目前常用的性能指標(biāo)。
4)可定位概率
可定位概率即機(jī)載北斗設(shè)備在某時(shí)刻可用衛(wèi)星數(shù)不少于4的概率。概率為1時(shí)表示能夠定位,概率為0時(shí)表示不可定位。
5)服務(wù)可用性概率
服務(wù)可用性概率指的是定位精度在門(mén)限范圍內(nèi)的概率。機(jī)載北斗設(shè)備服務(wù)可用的條件為PDOP值小于5。
6)欺騙式干擾發(fā)現(xiàn)時(shí)間
從機(jī)載北斗設(shè)備接收到欺騙式干擾信號(hào)開(kāi)始到發(fā)現(xiàn)所持續(xù)的時(shí)間。發(fā)現(xiàn)時(shí)間越短,抗欺騙式干擾能力越強(qiáng)。
7)抗欺騙式干擾個(gè)數(shù)
機(jī)載北斗設(shè)備正常工作條件下所能抑制的最大欺騙式干擾個(gè)數(shù)。能抑制的欺騙式干擾個(gè)數(shù)越多,抗欺騙式干擾能力越強(qiáng)。
基于4.1和4.2對(duì)機(jī)載北斗設(shè)備固有抗干擾特性指標(biāo)以及抗干擾措施指標(biāo)的分析,基于層次化的分析方法構(gòu)建機(jī)載北斗設(shè)備抗干擾性能評(píng)估指標(biāo)體系如圖2所示。
圖2 北斗接收機(jī)抗干擾性能測(cè)試評(píng)估指標(biāo)體系
根據(jù)層次分析的方法,基于上述對(duì)機(jī)載北斗設(shè)備固有抗干擾性能和抗干擾措施的分類,構(gòu)建了如圖2所示的機(jī)載北斗設(shè)備抗干擾性能評(píng)估指標(biāo)體系。其中,一級(jí)指標(biāo)兩個(gè):固有特性指標(biāo)和抗干擾措施指標(biāo);二級(jí)指標(biāo)十個(gè),即干擾抑制度、抗壓制式干擾個(gè)數(shù)、天線陣輸出信噪比、可定位概率、服務(wù)可用性概率、欺騙式干擾發(fā)現(xiàn)時(shí)間、抗欺騙式干擾個(gè)數(shù)、天線增益、天線極化方式以及A/D量化位數(shù)。
層次分析法[8]是將與目標(biāo)問(wèn)題有關(guān)的元素分成若干層次,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合定性和定量分析,最后通過(guò)歸一化分析和一致性判定,得出機(jī)載北斗設(shè)備抗干擾性能值。
本文采用德?tīng)柗品ǎ?],吸收衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾領(lǐng)域不同專家學(xué)者的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),得到指標(biāo)比較矩陣,大大提高了各指標(biāo)權(quán)重確定的客觀性。在得到指標(biāo)體系中,利用1-9標(biāo)度法進(jìn)行兩兩標(biāo)度,具體標(biāo)度方法如表1所示。得到各層次指標(biāo)間兩兩比較矩陣,即A-Bi、Bi-Cj重要性比較矩陣,其中i=1,2;j=1,2…10。以此為基礎(chǔ),運(yùn)用和積法可以得到低層相對(duì)高一層的權(quán)重值,進(jìn)一步即可得到底層各指標(biāo)對(duì)總目標(biāo)機(jī)載北斗設(shè)備抗干擾性能的權(quán)重ωk,k=1,2,…10,指標(biāo)層B和C對(duì)上一層的權(quán)重信息分別如表2和表3所示。
表1 標(biāo)度法
表2 指標(biāo)層B的權(quán)重貢獻(xiàn)
表3 指標(biāo)層C的權(quán)重貢獻(xiàn)
根據(jù)一致性原則對(duì)上述排序進(jìn)行檢驗(yàn),符合要求。由表3中可以得出C1、C2、C3、C5、C6所占權(quán)重相對(duì)較大,說(shuō)明干擾抑制度、抗壓制干擾個(gè)數(shù)、天線陣輸出信噪比、服務(wù)可用性概率以及抗欺騙式干擾發(fā)現(xiàn)時(shí)間在機(jī)載北斗設(shè)備抗干擾性能中具有重要作用。
在對(duì)機(jī)載北斗設(shè)備進(jìn)行抗干擾性能評(píng)估時(shí),要將指標(biāo)體系中的10個(gè)底層指標(biāo)分析和處理,得出一個(gè)綜合評(píng)價(jià)值,以便于不同設(shè)備間抗干擾能力的比較。由于不同指標(biāo)間的性質(zhì)、單位并不相同,不能直接通過(guò)簡(jiǎn)單的加減進(jìn)行綜合評(píng)估。因此,需要通過(guò)歸一化處理[10],將不同指標(biāo)值轉(zhuǎn)換到同一標(biāo)準(zhǔn)下,再經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)方法得到綜合評(píng)估值。
進(jìn)行歸一化時(shí),對(duì)于定量的指標(biāo)用Mij表示所得樣本值,Mmax和Mmin代表該指標(biāo)在機(jī)載北斗設(shè)備中可能出現(xiàn)的極大和極小值[11],Nij代表經(jīng)過(guò)歸一化[12]算法后的結(jié)果,常用的歸一化處理方法主要有以下幾種:
1)正向定量指標(biāo):
3)區(qū)間指標(biāo):
設(shè)Mmid表示中間參數(shù):
對(duì)于定性指標(biāo),無(wú)法進(jìn)行數(shù)量上的描述,也需要根據(jù)專家學(xué)者經(jīng)驗(yàn)以及在設(shè)備使用過(guò)程中的表現(xiàn),采取打分法總結(jié)出其對(duì)機(jī)載北斗設(shè)備抗干擾性能的貢獻(xiàn)程度,并量化表示。
在圖 2 所建立的指標(biāo)體系中,C1、C2、C3、C4、C5、C7、C8為正向定量指標(biāo),選取式(1)對(duì)其進(jìn)行歸一化;C6為反向定量指標(biāo),選取式(2)進(jìn)行歸一化處理;C9、C10為定性指標(biāo),通過(guò)專家打分[13]的方式進(jìn)行歸一化。
如天線極化方式這一指標(biāo),主要分為線極化、圓極化和橢圓極化。根據(jù)專家打分法,可將天線橢圓極化方式賦值0.46,圓極化方式賦值0.33,線極化方式賦值0.21。同理,A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中,32位量化時(shí)賦值0.12,64位量化時(shí)賦值0.36,128位量化時(shí)賦值0.52。將所有定性指標(biāo)進(jìn)行同樣處理,即得到定性指標(biāo)的量化。
在得到經(jīng)過(guò)歸一化處理的機(jī)載北斗設(shè)備抗干擾性能評(píng)估指標(biāo)后,結(jié)合各指標(biāo)相對(duì)總體抗干擾性能權(quán)重值,通過(guò)和積算法即可得到機(jī)載北斗設(shè)備的抗干擾性能評(píng)估值。根據(jù)4.3節(jié)給出的步驟對(duì)機(jī)載北斗設(shè)備的抗干擾性能評(píng)估過(guò)程進(jìn)行算例分析。
1)建立原始指標(biāo)集
根據(jù)圖2所建指標(biāo)體系中包含的指標(biāo),收集三套機(jī)載北斗設(shè)備,并建立相應(yīng)的指標(biāo)集。其中部分指標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)源于設(shè)備實(shí)際測(cè)量值,部分來(lái)源于設(shè)備標(biāo)稱參數(shù),部分來(lái)源于相關(guān)參考文獻(xiàn)。評(píng)估指標(biāo)體系如表4所示,三套機(jī)載北斗設(shè)備對(duì)應(yīng)指標(biāo)數(shù)據(jù)如表5所示。
表4 評(píng)估指標(biāo)體系
表5 機(jī)載北斗設(shè)備指標(biāo)數(shù)據(jù)
2)歸一化處理
表 5 所列指標(biāo)中,X1、X2、X3、X4、X5、X7、X8為正向定量指標(biāo),選取式(1)對(duì)其進(jìn)行歸一化;X6為反向定量指標(biāo),選取式(2)進(jìn)行歸一化處理;X9、X10為定性指標(biāo),用專家打分法歸一化處理。經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果,如表6所示。
表6 歸一化處理后的機(jī)載北斗設(shè)備數(shù)據(jù)
3)建立權(quán)重向量
權(quán)重向量的求解過(guò)程已在5.1節(jié)進(jìn)行介紹,其向量值為[0.1821,0.1304,
0.1788 ,0.0778,0.1453,0.1207,0.0829,0.0354,0.0336,0.0130],記為ak,k=1,2…10 。
4)計(jì)算綜合抗干擾性能
將歸一化的指標(biāo)值與對(duì)應(yīng)的權(quán)重加權(quán)求和,即可得到機(jī)載北斗設(shè)備抗干擾性能值,用W表示,則經(jīng)計(jì)算,三部機(jī)載北斗設(shè)備抗干擾性能值如表7所示。
表7 機(jī)載北斗設(shè)備抗干擾性能值
由評(píng)估結(jié)果可知,設(shè)備1的抗干擾性能最好,設(shè)備2次之,設(shè)備3相對(duì)較差。此結(jié)果是對(duì)機(jī)載北斗設(shè)備多個(gè)抗干擾性能指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)估得出的整體抗干擾性能。而設(shè)備相關(guān)指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試值、暗室測(cè)試值、外場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)試值及空載平臺(tái)任務(wù)實(shí)收值等均為某一指標(biāo)的具體測(cè)量值,不具有對(duì)設(shè)備進(jìn)行綜合評(píng)估的意義。而在實(shí)際應(yīng)用中往往需要對(duì)不同設(shè)備的抗干擾性能進(jìn)行整體評(píng)估并進(jìn)行等級(jí)分類,因此,文中評(píng)估方法具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。
本文深入分析并研究了機(jī)載北斗設(shè)備抗干擾性能評(píng)估指標(biāo)選取原則、指標(biāo)體系建立的一般過(guò)程。在此基礎(chǔ)上,將機(jī)載北斗設(shè)備抗干擾性能指標(biāo)分為接收機(jī)固有特性抗干擾指標(biāo)和抗干擾措施評(píng)估指標(biāo),并進(jìn)行細(xì)化,構(gòu)建了機(jī)載北斗設(shè)備抗干擾性能測(cè)試評(píng)估指標(biāo)體系。應(yīng)用專家打分法和層次分析法對(duì)指標(biāo)體系的權(quán)重進(jìn)行了量化分析,同時(shí)提出了一種指標(biāo)歸一化的計(jì)算方法。最后,對(duì)三套機(jī)載北斗設(shè)備抗干擾性能進(jìn)行了評(píng)估,得到了評(píng)估結(jié)果,驗(yàn)證了指標(biāo)體系和評(píng)估方法的合理性。