復(fù)雜電磁環(huán)境下電臺(tái)通信效果評(píng)估方法應(yīng)用

馮曉輝 郝健 劉清波

（西安長(zhǎng)遠(yuǎn)電子工程有限責(zé)任公司 陜西省西安市 710100）

1 引言

隨著通信裝備技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線電通信技術(shù)和通信體制發(fā)生了巨大的變化，越來(lái)越多的新型通信裝備陸續(xù)配發(fā)至部隊(duì)，另一方面戰(zhàn)場(chǎng)上的電磁環(huán)境變得日益復(fù)雜，為了適應(yīng)這一形勢(shì)的發(fā)展，復(fù)雜電磁環(huán)境下電臺(tái)通信效果評(píng)估變得十分重要，其分析結(jié)果才能夠?yàn)槲淦餮b備性能測(cè)試、作戰(zhàn)訓(xùn)練提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

2 評(píng)估流程

電臺(tái)通信效果評(píng)估流程見(jiàn)圖1，實(shí)施步驟如下：

圖1：電臺(tái)通信效果評(píng)估流程

（1）評(píng)估試驗(yàn)構(gòu)建的電磁環(huán)境與想定電磁環(huán)境的相似度，因?yàn)橹挥性跐M足戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境模擬逼真性條件要求下得出的電臺(tái)作戰(zhàn)效能評(píng)估結(jié)論才具有指導(dǎo)意義。若電磁環(huán)境不滿足要求，則不能進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)，需重新構(gòu)建；

（2）若電磁環(huán)境態(tài)勢(shì)達(dá)成，則規(guī)劃試驗(yàn)內(nèi)容、條件，開(kāi)始試驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)。軟件通過(guò)置信區(qū)間評(píng)估與工作性能評(píng)估方法，對(duì)被試電臺(tái)在特定電磁環(huán)境下的語(yǔ)音單字清晰度、語(yǔ)音句子可懂度、數(shù)據(jù)傳輸成功率進(jìn)行評(píng)估；

（3）基于上述試驗(yàn)結(jié)果與評(píng)估分析結(jié)論進(jìn)行電臺(tái)綜合效能評(píng)估，并形成評(píng)估報(bào)告。

3 通信效果評(píng)估

3.1 電磁環(huán)境逼真性評(píng)估

按照文獻(xiàn)[1]所述，電子對(duì)抗最基本的干擾樣式即壓制和欺騙兩大類(lèi)，前者用于破壞或降低電子裝備探測(cè)目標(biāo)的能力，可用信噪比來(lái)定量描述，后者給電子裝備制造虛假目標(biāo)，以假亂真，可用假目標(biāo)的數(shù)量來(lái)定量描述。因此，可以用電臺(tái)接收到的信噪比和假目標(biāo)數(shù)量作為二維指標(biāo)空間，來(lái)定量描述試驗(yàn)中影響電臺(tái)的電磁環(huán)境，將信噪比和假目標(biāo)數(shù)量等效到電臺(tái)天線處，分別對(duì)應(yīng)電磁功率密度譜P 和電磁信號(hào)密度m。

對(duì)應(yīng)電臺(tái)通信試驗(yàn)過(guò)程的不同階段，電磁環(huán)境也是隨之動(dòng)態(tài)變化的，若構(gòu)建的復(fù)雜電磁環(huán)境可基于k 個(gè)子階段進(jìn)行描述，則電磁環(huán)境的二維指標(biāo)空間可描述為：

構(gòu)建電磁環(huán)境矩陣：

想定電磁環(huán)境矩陣：

可以通過(guò)對(duì)矩陣Xl與X0進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，實(shí)現(xiàn)綜合評(píng)估電磁環(huán)境逼真性。

3.1.1 矩陣初值化

將電磁環(huán)境矩陣表示為Xi=(ahj)2×k，式中h=1,2；j=1,2,···,k。假設(shè)D 為矩陣的初值化算子，則矩陣Xi的初值化像：

則構(gòu)建電磁環(huán)境矩陣Xl初值化后為想定電磁環(huán)境矩陣X0初值化后為。

3.1.2 矩陣灰色關(guān)聯(lián)分析

構(gòu)建電磁環(huán)境矩陣Xl和想定電磁環(huán)境矩陣X0的三維空間坐標(biāo)分別為式中h=1,2；j=1,2,···,k。則(h,j)處構(gòu)建電磁環(huán)境特征參數(shù)與想定電磁環(huán)境特征參數(shù)之間的距離為：

則構(gòu)建電磁環(huán)境特征參數(shù)與想定電磁環(huán)境特征參數(shù)之間的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣：

其中分辨系數(shù)ξ 通常為0.5。

假設(shè)(h,j)處的關(guān)聯(lián)系數(shù)權(quán)重為whj，則關(guān)聯(lián)系數(shù)權(quán)重矩陣：

其滿足：

對(duì)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣的所有元素處理后，得到構(gòu)建電磁環(huán)境相對(duì)于想定電磁環(huán)境的逼真程度為：

3.1.3 工程應(yīng)用

以構(gòu)建的包含五個(gè)階段的電磁環(huán)境為例，設(shè)定背景電磁環(huán)境的平均場(chǎng)強(qiáng)值為-100dBm，則想定電磁環(huán)境矩陣：

測(cè)量的構(gòu)建電磁環(huán)境矩陣：

兩矩陣初值化后為：

則二者特征參數(shù)距離為：

取分辨系數(shù)ξ = 0.5，則構(gòu)建電磁環(huán)境相對(duì)于想定電磁環(huán)境的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣：

各灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)權(quán)重均取0.1，則構(gòu)建電磁環(huán)境相對(duì)于想定電磁環(huán)境的逼真程度為r=0.8005，相似度和接近性較為理想。圖2 左上部分為電磁環(huán)境特征參數(shù)錄入?yún)^(qū)，右上部分為電磁環(huán)境逼真性評(píng)估計(jì)算過(guò)程及結(jié)果，右下部分為灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣?yán)走_(dá)圖，左下部分為想定電磁環(huán)境矩陣和構(gòu)建電磁環(huán)境矩陣初值化后對(duì)應(yīng)的曲面，x 軸、y 軸、z 軸分別表示初值化電磁環(huán)境矩陣的列、行和值。直觀的看，構(gòu)建電磁環(huán)境對(duì)應(yīng)的曲面與想定電磁環(huán)境對(duì)應(yīng)的曲面差異不大，吻合性較好。

圖2：電磁環(huán)境逼真性評(píng)估結(jié)果

3.2 電臺(tái)通信效果評(píng)估

3.2.1 置信區(qū)間評(píng)估及應(yīng)用

以試驗(yàn)條件作為變量，對(duì)被試電臺(tái)在特定電磁環(huán)境下的語(yǔ)音單字清晰度、語(yǔ)音句子可懂度、數(shù)據(jù)傳輸成功率進(jìn)行評(píng)估。試驗(yàn)條件一般包括電臺(tái)發(fā)射功率、信號(hào)帶寬、工作頻率、跳頻頻率集、跳頻速率、跳頻帶寬、工作方式、通信速率和通信距離等，構(gòu)建的電磁環(huán)境參數(shù)包括電磁功率密度譜和電磁信號(hào)密度。

各類(lèi)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算方法如下：

（1）單字清晰度：bq=(Mq/Nq)×100%，其中bq為單字清晰度（%）、Mq為圈（聽(tīng)）正確的字?jǐn)?shù)（個(gè)）、Nq為發(fā)音字?jǐn)?shù)（個(gè)）；

（2）句子可懂度：bk=(Mk/Nk)×100%，其中bk為句子可懂度（%）、Mk為聽(tīng)（或?qū)懀?duì)的句子數(shù)（句）、Nk為發(fā)音句子數(shù)（句）；

（3）數(shù)傳成功率：bd=(Md/Nd)×100%，其中bd為數(shù)傳成功率（%）、Md為成功接收次數(shù)（個(gè)）、Nd為發(fā)送總次數(shù)（個(gè)）。

評(píng)估時(shí)設(shè)置試驗(yàn)條件其中一個(gè)參數(shù)變化其他參數(shù)固定，分別對(duì)每一種參數(shù)組合的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行基于試驗(yàn)次數(shù)的置信區(qū)間估計(jì)，展示電臺(tái)真實(shí)工作性能參數(shù)有一定概率落在測(cè)量結(jié)果周?chē)某潭?，其給出的是被測(cè)量參數(shù)的測(cè)量值的可信程度。例如，某一試驗(yàn)參數(shù)組合的試驗(yàn)次數(shù)為n，試驗(yàn)結(jié)果為x1, x2,···, xn。

假設(shè)試驗(yàn)結(jié)果總體為正態(tài)分布，則有樣本均值（點(diǎn)估計(jì)）：

則標(biāo)準(zhǔn)差：

設(shè)定置信水平1-α=0.8，T 值查表得到tn-1(α ?2)，則置信區(qū)間半長(zhǎng)度：

則電臺(tái)性能參數(shù)的置信區(qū)間：

圖3 上部分為所有試驗(yàn)參數(shù)組合，左下部分為試驗(yàn)結(jié)果曲線，右下部分為置信區(qū)間評(píng)估計(jì)算過(guò)程及結(jié)果。

圖3：置信區(qū)間評(píng)估結(jié)果

3.2.2 工作性能評(píng)估及應(yīng)用

以復(fù)雜電磁環(huán)境作為變量，分析評(píng)估被試電臺(tái)在技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)語(yǔ)音單字清晰度、語(yǔ)音句子可懂度、數(shù)據(jù)傳輸成功率的變化趨勢(shì)，從而獲得電臺(tái)工作性能參數(shù)極限。

評(píng)估時(shí)設(shè)置電磁環(huán)境參數(shù)或試驗(yàn)條件當(dāng)中一個(gè)參數(shù)變化其他參數(shù)固定，計(jì)算各參數(shù)組合下試驗(yàn)結(jié)果的樣本均值ˉx（計(jì)算方法見(jiàn)公式11），并圖形化顯示各樣本均值隨該變化參數(shù)的變化趨勢(shì)。圖4 顯示的是固定電磁功率密度譜、電磁信號(hào)密度、數(shù)據(jù)傳輸速率、工作方式下，定頻通信時(shí)隨不同通信距離變化的性能參數(shù)變化趨勢(shì)。

圖4：工作性能評(píng)估結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

軟件使用該方法對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境下電臺(tái)通信的語(yǔ)音單字清晰度、語(yǔ)音句子可懂度、數(shù)據(jù)傳輸成功率進(jìn)行評(píng)估，在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好效果，能夠滿足某試驗(yàn)基地武器裝備性能測(cè)試與作戰(zhàn)訓(xùn)練使用需求，后續(xù)可考慮加入正交分析方法，分析各個(gè)性能影響因子對(duì)被試電臺(tái)考核指標(biāo)的影響趨勢(shì)。