电磁环境构设逼真度评估方法研究

攸立准

(衡水路桥工程有限公司，河北 衡水 053000)



电磁环境构设逼真度评估方法研究

攸立准

(衡水路桥工程有限公司，河北 衡水 053000)

摘要：信息化战场上复杂的电磁环境深刻地影响着作战行动，事先构设贴近实战的电磁环境对人员和装备进行试验和训练是很有必要的，所以如何评估所构设电磁环境的逼真度也随之变得非常重要。基于电磁环境监测数据，分析计算训练场区重点部位电磁环境实际构设情况。针对电磁环境构设方案中的假想敌，在提取所构设电磁环境中的时间占有度、频谱占用度、空间覆盖率、功率压制率和信号参数重合度等指标的基础上，利用相似系统理论来评估电磁环境构设的逼真度。

关键词：电磁环境；逼真度评估；相似系统理论

0引言

电磁环境逼真度指的是演习中实际构设的训练场中的电磁环境与事先假想的模拟战场中的电磁环境之间相似的程度，所以电磁环境构设逼真度评估实际上就是对演习时导演产生的模拟电磁环境与演习前假设的战场电磁环境之间的相似程度的评估[1]。

演习中构设的电磁环境是指在演习中通过联合使用实体装备、模拟设备以及虚拟仿真技术等模式对假想的战场电磁环境进行的模拟[2,3]。根据数学仿真建模知识，可以把假想的战场电磁环境视为原型系统，而把构设的电磁环境视为仿真系统，所以电磁环境构设的逼真度评估，等效于从总体结构和行为水平的角度评估仿真系统复现原型系统的程度，就是对仿真系统的置信度进行评估。因此，可以利用相似系统理论对电磁环境构设的逼真度进行评估[4-6]。

1相似系统理论

1.1相似元及其特征参数提取

1.2相似元值

由上文可知，相似元是由相似要素构成的，同时相似要素又具有一个或多个特征。

假设构成相似元uij的相似要素xi和yj有n个特征，则经典的相似元值计算公式为[9]：

(1)

从式(1)可以看出，若要计算相似元的值，首先应该明确其相似特征的比例系数以及特征权重。

1.2.1比例系数

相似特征类型不同，所对应的比例系数的数据类型也不相同，可以是精确值(如信号个数)、区间值(如信号频段)或者枚举值(如信号类型)等，各种情况的计算方法均有不同，所以应针对具体的数据类型，采用不同的计算方法[10]。

① 计算区间值比例系数

若相似系统X和Y在其某个相似特征上的值分别为区间值X[x,y]、Y[x′,y′]，假设y′>y，则该特征所对应的比例系数计算方法如下：

(2)

② 计算精确值比例系数

若相似系统X和Y在其某个相似特征上的值分别为精确值x、y，则该特征所对应的比例系数为：

(3)

③ 计算枚举值比例系数

假设相似系统X和Y在其某个相似特征上的值分别为枚举数组X{x1,x2,…,xn}、Y{y1,y2,…,ym}，则该相似特征所对应的比例系数为：

(4)

1.2.2特征权重

特征权重的确定有数理统计、试验确定或专家经验等方法，本文选择基于专家经验的确定方法。

1.3相似度

由相似元的个数和值及其权重系数共同确定相似系统的相似度，其中权重系数反映了每个相似元对系统相似度的影响程度。系统的整体相似度为：

(5)

式中，qn表示2个系统间相似元的个数对系统相似度的影响程度，qu表示由所有相似元共同确定的系统的相似度，有：

(6)

(7)

1.4动态分析

通常，相似系统的相似元及其对应的相似特征的数量会随着时间变化，假设用Q1，Q2，…，Qm分别表示在时刻t1，t2，…，tm时2个系统的相似度，则在含有这些时刻的某一监测评估过程中，相似系统的相似度Q表示为矢量：

(8)

式中，k1，k2，…，km和l1，l2，…，lm以及n1，n2，…，nm分别为系统A和B在时刻t1，t2，…，tm的组成要素数量和相似元数量。

2电磁环境逼真度评估

根据相似系统理论可以看出，电磁环境逼真度评估的关键是确定想定的战场电磁环境与模拟的训练场电磁环境的相似元以及其特征参数[11]。

2.1电磁环境相似元及其特征参数提取

训练场电磁环境与目标战场电磁环境均可刻画为一系列的信号状态，所以其相似元应该从电磁环境的信号状态中着手提取。包括时间占有度、频谱占用度、空间覆盖率、功率压制率和信号参数重合度等指标。下面分别进行说明。

2.1.1时间占有度

时间占有度是指在一定的空间和频段内，电磁信号环境功率谱密度的平均值超过指定的门限所持续的时间与整个监测时间段的比值：

(10)

式中，TO为时间占有度，U为单位阶跃函数，S(r,t,f)为功率谱密度(单位W/m2·Hz)；r为空间位置坐标(单位 m)；VΩ为作战空间体积(单位m3)；S0为电磁环境门限(单位W/m2·Hz)，使工作在相应频段的电子信息设备受到一定干扰的电磁环境信号功率谱密度的最小值，其大小依据比国际电信联盟(ITU)推荐的中国地区各频段背景噪声值高10 dB为基准，离散情况下，采用分段积分求和得到。

2.1.2频谱占有度

频谱占有度是指在一定的时间和空间范围内，电磁信号环境功率谱密度的平均值超过指定的门限所占有的频带宽度与作战用频范围的比值：

(11)

式中，FO为频谱占用度；离散情况下，采用分段积分求和得到。

2.1.3空间覆盖率

空间覆盖率是指在一定时间和频段范围内，电磁信号环境功率谱密度的平均值超过指定电磁环境门限所占用的空间范围与作战空间范围的比值：

(12)

式中，SO为空间覆盖率。离散情况下，采用分段积分求和得到。

2.1.4功率压制率

功率压制比是指在一定的时间和空间范围内，电磁环境中干扰信号功率谱密度的平均值实现对被干扰信号的干扰功能所占有的频段与作战用频范围的比值。由于实现干扰功能即要求有一定的功率强度，所以可以设定一定的电磁环境门限值表明实现干扰功能需要的功率强度，则该指标也可采用式(10)进行计算，只是所选取的电磁环境门限不同。

2.1.5信号参数重合度

信号参数重合度指的是针对某具体类型的信号，在训练场电磁环境中监测到的该信号的各特征参数与想定的战场环境中该信号的相应特征参数的相似度。

按照在参训装备和监测装备所在位置处，各类辐射源所产生的电磁信号类型，可以将假想的战场电磁环境和模拟构设的电磁环境抽象为诸如由通信信号、雷达信号、通信干扰信号和雷达干扰信号等要素组成的2个系统，2个系统中相同类别的信号构成相似元。而各相似元的相似特征由相应类别信号的特征组成，如表1所示[12]。

表1　各相似元的相似特征

综上所述，选取的相似元为：时间占有度、频率占有度、空间覆盖率、功率压制率以及各种类型的电磁信号。其中时间占有度、频率占有度、空间覆盖率和功率压制率的相似特征即为其本身，而各类电磁信号的相似特征则应依据信号的类型设定，具体如表1所示。

2.2电磁环境逼真度评估算法流程

电磁环境逼真度评估算法流程图如图1所示。

图1　电磁环境逼真度评估算法流程图

电磁环境逼真度评估算法流程说明如下：

① 接收电磁环境监测数据，并对监测数据进行一定的预处理，得到电磁环境功率密度谱、信号个数、信号种类、信号出现时间、信号频率或频谱、信号带宽、信号强度、信号方向和信号平台运动轨迹等基础特征，并根据监测要素进行信号特征分析得到相应的相似特征；

② 根据电磁环境仿真时，假想的战场电磁环境与模拟构设的电磁环境评估的侧重点，设定相似元；

③ 针对每个相似元，提取其相似特征参数，得到电磁环境的时间占有度、频谱占有度、空间覆盖率和功率压制率等几个描述电磁环境总体结构的特征；以及电磁环境中包含的不同类别的信号，如通信信号和雷达干扰信号等信号的主要参数的重合度特征，用以描述其内部细节的逼真度；

④ 然后针对不同数据类型的相似特征，计算其对应的比例系数，并由专家经验方法确定各相似特征的加权系数，然后据此计算各相似元值；

⑤ 根据相似系统理论，结合系统间特性相同要素的数量对系统相似度的影响(体现在选取的相似元的个数占系统组成要素个数的比例上)、由专家经验确定的各相似元的权重系数以及上一步骤中计算得到的相似元的值，计算系统的整体相似度；

⑥ 进行相似性动态分析，即将在时域上不断变化的电磁环境，按照假想的战争进程划分为几个阶段，然后用每个阶段中的某个或几个典型时刻所对应的逼真度来表示该阶段的电磁环境构设逼真度，并据此进行整个作战进程中电磁环境逼真度的综合分析。

3结束语

伴随着电子信息技术的迅速发展和广泛应用，实际战场上的电磁信号环境变得愈发复杂，对于特殊装备的影响也越来越大，所以需要在和平训练时期模拟战场电磁环境对特殊装备进行试验和训练[1]。基于相似系统理论对模拟电磁环境的逼真度进行评估的方法，不需要太复杂的监测和计算就可以提取相似元及其特征参数并计算相似元值，但该方法的应用还存在一些问题，比如特征权重的选取需要专家经验等，还需要做更加深入的探讨。同时，由于这方面的试验较少，该电磁环境逼真度评估算法还需要进行适量的外场测试进行修正，以期不仅在军用领域,而且在民用领域实现广泛的应用。

参考文献

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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

中图分类号：TN911

文献标识码：A

文章编号：1003-3114(2016)02-84-4

作者简介：攸立准(1979—)，男，工程师。主要研究方向：软件无线电计算机应用。

收稿日期：2015-11-11

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.02.22

引用格式：攸立准.电磁环境构设逼真度评估方法研究[J].无线电通信技术,2016,42(2):84-87.