基于D—S证据理论的机载数字通信设备电磁环境适应性评估

刘丹 魏嘉利

摘要：本文采用D-S证据理论方法研究机载数字通信系统电磁环境适应性量化评估问题，并以某型直升机上的航管应答机为研究对象，对评估方法进行了验证，消除了以往评估中采用专家打分法等人为方法对评估对象进行评判时带来的主观因素影响，对系统电磁环境适应性的量化评估提供可靠依据。

关键词：航空电子；数字通信；电磁环境；证据理论；评估

中图分类号：V243；0361.7

文献标识码：A

DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2018.01.026

现代战争已经成为陆、海、空、天、电磁“五维一体”的联合作战，任何军事行动都处在一定的电磁环境中，要保障军用飞机的电磁兼容性，除了需要保证设备、分系统的电磁兼容性外，更要保证系统在预期工作环境下的性能，即保证系统的电磁环境适应性。因此，量化评估系统的电磁环境适应性显得尤为重要。现有对于系统电磁环境适应性的评估方法存在不确定性，主要体现在：现有的系统电磁环境适应评估或是以电磁环境为评估对象，或是以系统平台为评估对象，没有考虑构成系统的最根本因素——设备的电磁环境适应能力；在评估工作中，多采用专家打分法等人为的方法对电磁环境分级或对系统工作效能进行评估，包含较强主观因素。综合以上两点，致使在对系统进行电磁环境适应性评估时，评估标准不一致，评估结果差异大，被评估对象的电磁环境适应性无法有效体现。国外对于电磁环境的研究主要集中在对战场电磁环境的解算、模拟和试验方法的研究，没有涉及电磁环境复杂度评估方面的工作。因此，如何对机载设备的电磁环境适应性进行客观、有效地评估显得尤为重要。

1机载数字通信设备工作效能判定

目前，有多种评估方法可以用来评估通信设备的电磁环境适应性，包括时域覆盖率、频率覆盖率、误码率、压制系数和通信距离等。本文主要采用误码率和通信距离来评估数字通信设备性能降级的情况。

1.1干扰噪声门限

误码率是衡量数字通信设备性能的指标，对同一通信设备而言，其信噪比与误码率存在着一一对应关系。工程中通常采用基于误码率的压制系数K对机载通信设备进行评估。压制系数定义为：当设备误码率达到规定值ε0时，接收机输入端的干扰噪声功率与有用信号功率之比：式中：Prc是经自由空间传播损耗后到达设备接收机端口的信号能量，Prj为接收端口处的合成噪声。

有效覆盖区域是机载通信设备一项十分重要的功能指标，它规定了飞机在一定高度下，在某一通信频段内，通信设备需要能够达到的覆盖范围。当机载设备处于临界通信状态时，即通信距离为有效通信距离的边界值（最大值），设备的误码率为规定值εn时，此时对应的干扰噪声，定义干扰门限值PN，有：

PN=KPrc

（2）

1.2性能降级判定准则

对于机载数字通信系统，其包含的不同设备性能降级的判定方式是不同的。但不论何种设备，都存在不能接受的性能降级门限指标。工程上通常把这个临界标准与通信设备的信噪比联系起来，如图1所示。提出可接受的噪声门限值PTo。对于不同的通信设备而言，只有当到达接收机端口的合成噪声小于PT值时，接收设备不会产生无法接受的性能降级。

1.3通信设备工作状态评估

以到达接收机端口的噪声值Pj为评估对象，可以将机载通信设备的工作情况分为三种状态，如图2所示。

当Pj≤PN，通信设备在有效覆盖区域内能够正常通信；当PN≤Pi≤PT，通信出现性能降级，但并未完全失效；当Pj≥PT，通信功能完全失效。在对通信设备电磁环境适应性进行评估时，只需要确定设备在预期电磁环境中的失效概率或者正常工作的概率。因此，对于“灰色区域”（即系统出现效能下降但又不至于失效）部分数据该如何归类和处理，是需要解决的问题。

2D-S证据理论

证据理论也称为Dempster-Shafer理论（简称D-S理论）。证据指的是对问题所做的观察和研究的结果，根据证据可以在决策框架上产生一个信任函数。决策者的经验、知识以及对问题的观察研究都是用来做决策的证据。决策者通过多方咨询可以根据多批证据在决策框架上得到多个基本信任分配，再根据证据合成规则求出多个基本信任分配的正交和，最终得到一个科学性更强的分配结果。

若集合@為一个识别框架，在@的幂集2°上定义映射m；2@→[0，1]，称为一个基本信任分配函数，并且满足m（φ）=0，且：

m（X）为假设的质量函数（mass函数），是对X的可信程度的一种度量。计算多批证据作用下总的信任度，要将两个或多个基本信任分配函数进行合成，得到一个总的信任分配函数。对于任意X∈@，@上的两个mass函数ml，m2的D-S合成规则为：式中：（ml@m2 ）（θ）为ml和m2两种情况下D-S合成值；K为归一化常数，其表达式为：

可见，该方法的优点在于：在进行数据融合的时候能够考虑被评估对象处于中间状态区域的概率对其他两部分概率值的影响，从而使评估结果更加准确可靠。

3D-S证据理论对评估数据融合

对于机载通信设备在预期工作环境下电磁环境适应性的评估：首先，在工作区域内设置不同的监测点，采集电磁信号的分布特性；然后，根据1.3节中的状态划分，确定机载设备在不同监测点位各状态下的概率值；最后，通过数据融合的方法，判断飞机在该区域的工作效能。

本文采用噪声统计中的幅度概率分布（AmplitudeProbability Distribution，APD）来表征各监测点处通信设备工作状态的概率分布，定义为骚扰信号幅度超过某个规定电平的时间概率，用公式表示为：式中：R为门限电平，T为测量总时间，tk为第k个幅度超过R的脉冲持续时间。

本文采用D-S证据理论法对监测区域不同点位的测试数据进行融合，形成对被评估设备在该区域电磁环境适应性的综合评估。

4航管应答机电磁环境适应性判定

试验以某型直升机上航管应答机为评估对象，评估航管应答机在预期工作环境中的电磁环境适应性。机头天线如图3所示，其中天线位于机头正上方。该应答机正常工作时的应答概率为99%～95%，此时对应的信噪比为20dB；失效的应答概率90%以下，此时对应的信噪比为15dB。

模擬方式：试验中采用IFR6000外场地面检测仪来模拟地面塔台发射的信号，发射信号频率为1030MHz，信号强度-2dBm。通过对发射和应答脉冲的计数来计算应答机的应答概率。试验中通过调整IFR6000外场地面检测仪与航管应答前天线之间的距离，模拟到达接收机前端信号电平的变化；试验中选取机载大功率发射设备工作来模拟电磁环境的变化。机上常用的大功率发射设备是短波、超短波电台。电台的发射频点主要根据电磁兼容试验中容易产生干扰的频点、电台常用频点以及航管应答机接收信号的倍频点来选取。试验设置如图4所示，将外场检测仪器分别置于不同的测试距离，监测应答机的应答概率。在同样的测试位置上，将机载应答机天线接频谱仪，测量接收信号电平。

根据直升机实际使用中的工作状态，测试考虑三种工作环境：（1）机上设备上电，大功率设备不发射（普通电磁环境）；（2）超短波在132MHz，257.5MHz发射（超短波在常用频点和航管应答机的倍频点发射）；（3）短波在3MHz、17MHz发射（短波在常用频点发射）。当机上设备上电，大功率设备不发射时，此时噪底为-128～-130dBm，测试结果见表1；当超短波在257.5MHz发射，接收干扰噪声为-104dBm，在3m处进行测试，应答概率迅速下降，基本无数据；当超短波在132MHz发射，接收干扰噪声-119dBm，测试结果见表2；当短波在3MHz、17MHz发射时，干扰信号为噪声-127dBm，设备的应答概率与表1中的变化情况基本一致。航管应答机判决区间如图5所示，频谱仪测得的信号强度如图6和图7所示。

5D-S方法对航管应答机电磁环境适应性进行评估

首先，通过设备的应答概率确定设备工作状态。判定规则为：当信噪比K/N>20dB，应答概率为99%，正常工作；当信噪比15dBK/N，应答概率低于90%，设备失效。

本次试验选取机头正前方3m，5m，7m和lOm共4个测试点，每个测试点进行1min测试。由于短波发射时接收信号变化不明显，因此，试验中不对短波进行操作。其中，超短波1在257.5MHz上发射2次，4s/次；在132MHz上发射2次，4s/次。试验中通过观察地面监测仪器的应答概率值来判断航管应答机所处的工作状态，测试结果见表3。

采用D-S证据理论对该区域内航管应答机的电磁环境适应性进行评估。通过1.3节分析，可以得到识别框架下的三个证据分别为：A→设备正常工作；B→设备效能降级；C→设备失效，对应表3中的数据，则有：

采用式（5）对前两个位置（3m和Sm）监测得到的数据进行融合，有：根据式（4），可以得到：

当考虑第三个位置（7m）的监测结果时，再次利用式（4）、式（5）将前两个位置的融合结果与第三个位置进行融合，依次类推，最终评估结果见表4。由此可见，在相同的电磁环境下，通信设备的电磁环境适应性随着作用区域的增加而变差；在同一工作区域中，通信设备的电磁环境适应性随着电磁干扰的增强而变差。评估得到的结果与设备在实际工作中的工作状态相吻合。本方法能够用来确定在满足一定电磁环境适应性要求下，设备在预期工作环境下的有效通信距离。

6结论

本文主要研究机载数字通信设备电磁环境适应性量化评估问题。首先，将机载数字通信设备的工作状态与到达接收机端口处的信噪比相比较，得到相应的噪声允许值和噪声门限值，并通过监测预期工作环境下电磁环境的幅度概率分布，得到设备在该电磁环境下能够正常工作的概率，消除了以往评估中采用专家打分法等人为方法对评估对象进行评判时带来的主观因素影响；其次，采用D-S证据理论法对监测区域不同点位的监测数据进行融合，考虑了被评估对象处在“灰色区域”的概率值对评估结果的影响，得到一个更加客观的评估结果；最后，以某型直升机上的航管应答机为研究对象，采用本方法对其电磁环境适应性进行了实测验证，评估得到的结果与设备在实际工作中的工作状态相吻合。本方法对系统电磁环境适应性的量化评估提供了可靠的依据。