复杂电磁环境对通信装备性能影响因素的正交探索性分析

柯宏发, 赵继广, 唐跃平

(1.装备学院复杂电子系统仿真实验室,北京101416; 2.装备学院科研部,北京101416; 3.装备学院训练部,北京101416)

复杂电磁环境对通信装备性能影响因素的正交探索性分析

柯宏发1, 赵继广2, 唐跃平3

(1.装备学院复杂电子系统仿真实验室,北京101416; 2.装备学院科研部,北京101416; 3.装备学院训练部,北京101416)

复杂电磁环境下影响通信装备性能的主要因素是通信装备性能参数和电波传播等环境参数的分布。首先研究了通信装备性能及其主要影响因素的理论分析模型;其次进行了基于正交表对通信装备性能主要影响因素显著性的探索性分析;最后对通信电台话音通信单字正确率的4个影响因素进行了仿真分析,并找出了影响4个因素的主次关系,为复杂电磁环境下通信电台的运用提供了定量的技术依据。

探索性分析;装备性能;正交试验;影响因素;主次关系

复杂电磁环境[1-2]对武器装备性能的影响分析是当前的研究热点,目前的分析方法更多的还是处于定性分析和一个整体评估阶段[3]。如Jinliang Wu等[4]基于理论公式的仿真证明了电子装备附近的高压电线会增加其周围电磁环境的复杂性;邵国培等[5-6]将战场电磁环境的复杂性从整体上分为一般复杂性和特定复杂性,并给出了相应的评估指标和评估方法;邵涛等[7]利用模糊层次分析法构建电子对抗装备面临的电磁环境复杂度定量评估模型。但对具体的武器装备而言,由于电磁环境影响因素很多,且每个因素的影响水平也很多,所以应更多地关注装备所处电磁环境因素的影响程度定量分析以及影响因素的主次顺序。定量分析又分为基于理论公式的计算模型方法和基于实验数据的分析方法。如于海龙等[8]建立了“金属风暴”武器射击精度与影响因素间的定量函数关系,张帆等[9]建立了膨胀波枪炮发射过程的动力学数值模型,通过计算得出不同结构参数及装填参数等因素对发射性能的影响规律,但这些理论计算模型难以考虑所有的影响因素并对其主次顺序进行分析。柯宏发等[10]基于实验数据对装备性能及电磁环境影响因素进行GM(1, N)综合建模,并根据模型对影响因素的主次顺序进行分析,但该方法仅限于对特殊的影响因素水平进行分析。

对影响通信装备性能的所有电磁环境因素及其所有水平进行分析的最佳方法无疑是探索性分析方法[11-12],因为该方法可对各种不确定因素所对应的结果进行整体研究,可确定装备性能的发展目标、各种关键影响因素的显著性比例等。但由于装备性能的电磁环境影响因素及其水平的空间组合数非常大,故完成全空间的探索分析计算非常困难。而基于正交试验的优化设计方法[13-16],可以通过有限的探索计算得出更多、更好的有用信息。如张燚等[14]使用正交试验设计法,对某弹道修正弹的末段弹道基于影响飞行稳定性的主要因素进行了弹道参数优化设计;丁娣等[16]针对大型伞开伞过程冲击载荷的影响因素灵敏度运用正交试验设计方法,提出了影响减速伞和主伞开伞冲击载荷的主要因素。本文提出基于正交试验方法对通信装备性能主要影响因素显著性进行探索性分析,介绍了分析原理、算法和实施步骤,并基于通信电台话音通信单字正确率的4个影响因素进行了仿真分析,得到了影响因素的显著性主次顺序。

1 通信装备性能的电磁环境影响因素分析

通信发射方装备发射的信号到达接收方装备天线处的信号强度可由式(1)计算

式中：Pr为通信接收方装备天线处的信号功率; Ps为通信发射方装备的发射功率;Gs为通信发射方的发射天线增益;f为发射频率;d为通信双方装备天线的距离;A为电波在有能量损耗的媒质中传播所造成的场强衰减因子,其取值与传播方式、传播媒质、电波的频率和极化方式等有关。讨论复杂电磁环境对通信装备性能的影响,通常更多的是指信号接收装备。虽然接收到的信号强度是一个重要参数,但却不是决定其信号接收解调能力的唯一参数,决定这一能力的参数是接收到的信噪比,它代表了接收机上通常以功率或能量表示的信号强度与伴随该信号的噪声量的比值。其中噪声来源于多个噪声源,既有通信装备内部的,也有通信装备外部的,其形式也不尽相同。

本文以常用的数字调制样式BPSK为例进行分析,BPSK信号可简单表示为

假设噪声信号可以通过滤波器到达接收端,则合成信号为：

式中：第二项为干扰噪声信号,与通信信号存在相位差φj1或φj0;n1(t)、n0(t)为高斯窄带噪声,设其均值为0,方差为N1和N0,一般认为是热噪声。

采用相干解调,定义

则有发“1”时的错误接收概率为

有发“0”时的错误接收概率为

假设“0”“1”等概率发送,以及rs=A2s/2Nt为窄带信噪比,rj=A2j/A2s为噪(干)信比,则有总误码率为

由上述理论推导可知,不考虑滤波性能及截获、识别算法的影响,通信装备实际性能既与通信双方的收发天线增益、极化方式及发射功率等有关,也与电磁环境紧密相关,如电波的频率、通信距离、传播损耗、通信频段内的噪声、噪声功率等,它们会直接反映到通信装备的信噪比上。因此,本文在进行通信电台话音通信单字正确率的影响因素仿真实例时,选取通信频率、噪声的频偏、信噪比、通信距离4个因素进行分析。

2 正交试验设计

正交试验是用于多因素试验的一种方法,它是从全面试验中挑选出部分有代表的点进行试验,这些代表点具有“均匀”和“整齐”的特点[13-16]。通过正交试验方法,寻求各种影响因子和不同水平之间的合理搭配,尽可能地减少试验次数,以达到对通信装备电台性能的正确评估、影响因素的显著性评估之目的。其基本思想是基于正交表,从样本空间中挑选具有代表性的样本点进行多因子试验,然后根据试验结果分析各因子不同水平的效应,以此为基础推断任意因子、任意水平搭配条件下装备性能以及影响因素的显著性水平。

正交表一般记为Lm(kn),其中L表示正交表,m表示正交表安排的试验次数,即正交表的行数,n表示运用该正交表可安排的试验因子的个数,即正交表的列数,k表示各因子的水平数。

运用正交表进行通信装备性能的电磁环境影响因素的探索性分析试验,其步骤为：

1)选择或设计合适的正交表。对超短波通信电台复杂电磁环境适应性结果有影响的因子、因子的水平、因子的交互作用是挑选正交表的重要依据。首先,应根据因子的水平个数确定相应水平的正交表,如果是混合水平的正交试验设计问题,则应挑选混合型正交表;其次,应根据因子的数目进一步确定到底应选哪个正交表,一般情况下,只要正交表的列数稍大于或等于因子的个数即可,这样既考虑了全部的试验因子,又达到了减少试验次数的目的。

2)进行表头设计。在表头设计中,如果各因子的水平数都相同,则试验因子可以随机地分配在正交表中的某一列,并把相应的列号改为因子即可。

3)按照正交表的试验序号,随机选择进行试验的样本,并按照表中各行对应的试验因子水平安排试验,记录试验结果。

4)对正交试验结果进行方差分析,完成因子的显著性检验,即判断对性能有影响的因子中,哪些因子的影响是显著的,以确定因子各水平的最佳组合,并完成试验误差的估计。其中关键的算法包括计算各列的离差平方和及其自由度、总离差平方和、试验误差平方和、F检验比。

3 超短波电台的电磁环境影响因素分析示例

3.1 正交试验条件与结果

本节进行超短波电台报文抄收正确率的电磁环境影响因素显著性正交探索性分析示例,假设超短波电台工作于定频方式,在工作频段范围内分别选取高、中、低3个频率进行试验;假设试验频率为f0MHz,在频率f0-2f′MHz、f0-f′MHz、f0MHz、f0+f′MHz、f0+2f′MHz处设置复杂电磁环境等效噪声,其中f′为25 k Hz,设置不同大小的等效噪声,使信干比在3～7 dB范围内变化;在满足不同通信距离水平D-1 km、D-0.5 km、D km、D+0.5 km、D+1 km的条件下,统计每次试验的话音通信单字正确率。上述试验因子及其水平如表1所示。

表1 超短波电台定频通信试验因子和水平

本例中的因子数目并不全部相等,采用拟水平法将因子“通信频率”虚拟2个水平,使它与其他几个因子的水平数相等。例如,在“通信频率”因子的水平f0低、f0中、f0高中选择2个水平f0低、f0中,然后虚拟水平f′0低、f′0中,水平f′0低与f0低、f′0中与f0中处于同一水平,这样“通信频率”因子形式上就有5个水平了,就可以用L25(56)来安排试验。本例利用总离差平方和减去因素的离差平方和得到误差平方和,所以省略2个空白列后,试验结果及计算结果如表2所示。

表2 超短波通信电台定频正交试验结果

3.2 基于正交探索性的数据分析

3.2.1 直接分析法

由表2可以直接看出下述结果：

1)第21次的试验,即试验条件为通信频率38.825 MHz、噪声的频偏0.5 MHz、信干比7 d B、通信距离7 km时,试验结果最好,超短波通信电台复杂电磁环境下话音通信单字正确率为0.93。

2)基于表2中T-1、T-2、T-3、T-4和T-5这5行数据,可从理论上计算出超短波通信电台复杂电磁环境下话音通信时单字平均正确率最优的影响因子组合为：“通信频率”因子水平1、“噪声的频偏”因子水平5、“信干比”因子水平5、“通信距离”因子水平1。

3)表2中的极差数据R用来确定各影响因子的重要程度。由表2中数据可知,“信干比”因子的极差0.70最大,表明“信干比”因子对超短波通信电台复杂电磁环境下话音通信单字正确率影响最大;“通信频率”因子的极差0.07最小,表明“通信频率”因子对超短波通信电台复杂电磁环境下双方话音通信单字正确率的影响不大;“噪声的频偏”因子的极差0.11和“通信距离”因子的极差0.17居中,表明这2个因子对超短波通信电台复杂电磁环境下话音通信单字正确率有一定影响。

4)进一步可以画出“通信频率”因子、“噪声的频偏”因子、“信干比”因子、“通信距离”因子对超短波通信电台复杂电磁环境下话音通信单字正确率的影响趋势图,如图1～图4所示。

图1 “通信频率”因子对话音通信单字正确率的影响趋势

图2 “噪声的频偏”因子对话音通信单字正确率的影响趋势

图3 “信干比”因子对话音通信单字正确率的影响趋势

图4 “通信距离”因子对话音通信单字正确率的影响趋势

从图3和图4中可以看出,“信干比”越大、“通信距离”越小,超短波通信电台复杂电磁环境下话音通信单字正确率越高。从这4副图的对比中至少可以得出一个结论：电磁环境因素对超短波通信电台话音通信单字正确率的影响是极其复杂的。

3.2.2 方差分析法

通过计算有fi(i=1,2,3,4)=4、fE=8,当α=0.05时由F分布临界值表查得

F1-0.05(4,8)=3.84

由表2可以看出,“信干比”影响因子的F比

F3=86.757 16＞F1-0.05(4,8)

表明“信干比”对超短波通信电台复杂电磁环境下话音通信单字正确率影响的显著性很强。“通信距离”影响因子的F比

F4=4.214 50＞F1-0.05(4,8)

表明“通信距离”对超短波通信电台复杂电磁环境下话音通信单字正确率有显著性影响。

而“通信频率”因子和“噪声的频偏”因子的F比均小于F1-0.05(4,8),表明这2个影响因子对超短波通信电台复杂电磁环境下话音通信单字正确率无显著性影响。

4 结束语

本文提出了基于正交表的探索性分析方法对通信装备性能的复杂电磁环境影响因素的显著性进行分析,分析结果表明：① 复杂电磁环境对通信装备性能影响因素的正交探索性分析方法是有效可行的,该方法可以推广应用于电子装备及其他武器装备性能影响因素的显著性分析活动中;②本文示例假设了电磁环境影响因子之间相互独立,实际上这些影响因子之间的交互作用也很复杂,还需要更进一步深入研究具有交互作用的正交探索性分析方法;③ 在装备的研制与运用实践中,可以基于正交表的探索性分析方法对通信装备性能进行预测分析以及寻求最优的环境影响因素组合,为装备的研制与实际运用提供更为全面可行的依据。

References)

[1]JAEKEL B W.Electromagnetic environments-phoneme,clas

sification,compatibility and immunity levels[C]//IEEE. Proceedings of The IEEE Region 8 Conference.St.Petersburg.Russia：IEEE,2009：1498-1502.

[2]ZHOU Changlin,ZHAN Zhan,QIN Xuebing,et al.Research on the electromagnetic environment effect on wireless communication systems[C]//Institute of Electrical and Electronics Engineers.Proceedings of 8thInternational Symposium on Antennas,Propagation and EM Theory.Kunming, China：Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2008：1478-1481.

[3]陈行勇,张殿宗,钱祖平,等.战场电磁环境复杂性定量分析研究综述[J].电子信息对抗技术,2010,25(4)：44-51.

[4]WU Jinliang,SU Donglin,LI Hongling.The effect of electromagnetic environment of high-voltage transmission line and substations on electronic equipment test[C]//Institute of E-lectrical and Electronics Engineers.Proceedings of 8thInternational Symposium on Antennas,Propagation and EM Theory.Kunming,China：Institute of Electrical and Electronics Engineers,2008：1216-1219.

[5]邵国培,刘雅奇,何俊.战场电磁环境的定量描述、模拟构建与复杂性评估[J].电子对抗,2010(1)：1-4,25.

[6]邵国培,刘雅奇,何俊,等.战场电磁环境的定量描述与模拟构建及复杂性评估[J].军事运筹与系统工程,2007,21(4)：17-20.

[7]邵涛,胡以华,石亮,等.战场电磁环境复杂度定量评估方法研讨[J].电光与控制,2010,17(1)：81-84.

[8]于海龙,芮筱亭,王国平,等.金属风暴武器射击精度影响因素分析[J].南京理工大学学报：自然科学版,2010,34(4)：524-527.

[9]张帆,廖振强,刘国鑫,等.膨胀波枪炮发射性能若干影响因素的研究[J].兵工学报,2008,29(1)：23-27.

[10]柯宏发,陈永光,李元左.电磁环境因素影响装备性能的GM(1,N)模型定量分析[J].北京理工大学学报,2012,32 (5)：546-550.

[11]李志猛,沙基昌,谈群.探索性分析方法及其应用研究综述[J].计算机仿真,2009,26(1)：32-35.

[12]蓝国兴,陈欣,申之明,等.用于装备体系分析的探索性分析及其工具研究[J].系统仿真学报,2010,22(11)：2567-2570.

[13]孙瑞胜,梁卓,胡锐,等.一种制导炸弹控制系统半实物仿真的正交试验分析[J].兵工学报,2008,29(7)：883-886.

[14]张燚,李艳艳,徐劲祥.基于正交试验设计法的弹道参数优化研究[J].弹箭与制导学报,2008,28(5)：188-190.

[15]杨剑秋,王延荣.基于正交试验设计的空心叶片结构优化设计[J].航空动力学报,2011,26(2)：376-384.

[16]丁娣,秦子增.基于正交试验的大型降落伞开伞冲击载荷影响因素分析[J].国防科技大学学报,2009,31(3)：11-15.

(编辑：孙陆青)

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

国家社会科学基金资助项目(12GJ003-102);国家重点实验室基金资助项目

柯宏发(1969-),男,教授,博士.主要研究方向：电子装备试验理论与技术.