[发明专利]一种装备试验电磁环境的矩阵描述与逼真性评估方法

摘要

本发明涉及装备试验电磁环境的矩阵描述与逼真性评估技术领域，公开的一种装备试验电磁环境的矩阵描述与逼真性评估方法，采用将战场电磁环境的逼真性评估转化为矩阵的逼近性评估，从而提出利用电磁环境特征矩阵灰色关联度来刻画记载电磁环境的逼真性，其步骤如下：采集电磁环境对电子装备的影响机理、作战试验电磁环境的特征参数选择、采用电磁环境构建的逼真性评估模型、电磁环境的逼真性评估的具体实施；本发明是将战场电磁环境的逼真性评估问题转化为矩阵的逼近性评估问题，从而提出利用电磁环境特征矩阵灰色关联度来刻画电磁环境的逼真性。是针对具体电子装备的作战试验，构建战场电磁环境的逼真性，比现有研究其复杂性更具有实践应用意义。

主权项

1.一种装备试验电磁环境的矩阵描述与逼真性评估方法，其特征是：采用将战场电磁环境的逼真性评估转化为矩阵的逼近性评估，从而提出利用电磁环境特征矩阵灰色关联度来刻画记载电磁环境的逼真性，其步骤如下：1)、采集电磁环境对电子装备的影响机理1.1、采集与电磁环境相关的电子装备系统参数；在电子装备的作战试验鉴定活动中，采用的电磁环境对电子装备作战使用的“支撑”和“限制”两个方面的作用，从而充分利用电磁环境的有利条件，和回避及克服不利的电磁环境因素，使得电子装备在战场电磁环境中发挥其作战效能及作战适用性能；电子装备基于用频特征分为发射机和接收机，电磁环境影响发射机和接收机的技术性能，与电磁环境有关的电子装备系统发射参数和接收参数包括有：①工作频率段和带宽；②电波极化方式及相应的天线型式；③信号体制与格式及信息处理方案；④发射机输出功率；⑤接收机灵敏度与信噪比；⑥系统反应时间；1.2、采集与电磁环境有关的电子装备效能指标在电子装备作战试验过程中，要充分评估装备的作战效能和作战适用性，必须对传播效应、装备对电磁环境的适应能力进行预测，从而根据电磁传播环境的特征构建逼真的战场电磁环境；电子装备作战试验中涉及电磁环境的评估指标包括有以下几种：1.2.1 作用距离与覆盖空域根据作战使用要求的覆盖范围：低空、高空或地下，区域性或全球性，选定工作频段和相应的信道模式，根据信道模式下的电磁环境变化规律，由信噪比和接收机灵敏度所要求的最小接收功率，估算装备达到的平均最大作用距离；1.2.2 对装备特定功能的影响各种电子装备特定功能的特征信息，几乎都受到电磁环境的电波传播影响，从而使得装备的系统性能受到影响，随着电子装备硬件设备技术性能的提高，影响将显得更为突出；各种电子装备受电磁环境的影响指标如下：通信、数传装备的装备功能：语音、图文、数据、动画，电磁环境影响指标：信息容量、传输成功率、传输速率、数传误码率、保真度及清晰度；跟踪定位装备的装备功能：目标仰角、俯角、方位角、距离、运动速度，电磁环境影响指标：定位成功率、定位误差、定位时间；测向装备的装备功能：未知源的方位与距离信息，电磁环境影响指标：测向成功率、测向精度、测向时间；指挥控制系统的装备功能：信息的收集与分发、通信能力、指挥控制能力，电磁环境影响指标：通信距离、信息速率、误码率、信息传输时间、信息融合准确度；电子对抗装备的装备功能：对对手电子装备的侦察、干扰、攻击和摧毁以及对己方系统的防护，电磁环境影响指标：侦察概率、干扰概率、信号截获时间；1.2.3 可通时间概率与可靠性空间媒质信道是随机时变信道，接收信号场强的幅度和相位特性为随机变化过程，应分别考察其短、中、长期的统计特性，即概率分布及其平均值或中值的变化；同时，为保证高可通率与高可靠性的电子装备作战使用性能，要求电子装备在设计与使用过程中留有足够的潜力，要立足于大概率的小电平，并考虑最坏的电磁环境对其作战使用的影响；1.3 对电磁环境信号的分类，是研究电子装备作战试验电磁环境构建的技术基础和客观需求；而作战试验的研究对象是处于电磁环境中的电子装备，电磁环境的构建只是试验条件，根据双方电子装备密集部署和电子战装备激烈对抗形成电磁环境的机理特点，把电磁环境分为非对抗性电磁环境和对抗性干扰电磁环境；为了分析作战试验中电磁环境对被试电子装备的影响，进一步将非对抗性电磁环境分为背景电磁信号环境和用频装备互扰电磁辐射信号环境；电磁环境功能的分类更适合于电磁环境的逼真性评估具体实施步骤如下：首先是受影响的电子装备工作信号体制和样式，然后是背景环境的电磁辐射信号类型；基于电子装备的工作体制信号，该电子装备工作时间、工作场所、工作频段内的背景噪声信号、与工作信号同体制、不同体制的民用设备辐射信号、各种电磁干扰信号以及静电、雷电的各种瞬态辐射信号、各种用频装备的自扰互扰电磁辐射信号、双方的电子对抗电磁辐射信号，均看成影响该电子装备性能的电磁环境；其中，民用电子设备的电磁辐射信号和自然电磁辐射信号统称为背景电磁辐射信号；未来信息化战场上，电子装备都是成系统、成体系地进行作战，电子装备作战试验涉及到多种电子装备，对双方电子装备相互对抗而形成电磁环境，被试用频装备面临的电磁环境为背景电磁辐射信号、各种用频装备的自扰互扰电磁辐射信号、双方的电子对抗电磁辐射信号；该电子装备作战试验电磁环境的构建，电磁辐射信号局限于被试用频电子装备的同一工作频段、工作时间、工作场所内；2)、作战试验电磁环境的特征参数选择电子对抗干扰样式包括压制和欺骗二大类，在电磁环境分类中，对于基于噪声描述的电磁环境，电子装备受到电磁环境的影响效果必定体现在三个方面：①破坏或降低电子装备探测目标的能力，这是压制干扰的效果，用信噪比来定量描述；②给电子装备制造虚假目标，以假乱真，这是欺骗干扰的效果，用假目标的数量来定量描述；③既有压制干扰效果，又有欺骗干扰效果，也就是前两种干扰效果的组合，一些先进的干扰装置同时能产生这两种效果；电磁环境对电子装备性能的影响，是指信号接收装备，对于信号接收装备，包括：决定其信号接收解调能力，决定其信号接收解调能力的参数是接收到的信噪比，它代表了接收机上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；噪声来源于多个噪声源，既有电子装备内部的，也有电子装备外部的，其形式也不尽相同；在电子装备作战试验过程中，有意干扰信号被认为是一种噪声信号，并且决定接收机信号接收解调能力有意义的参数是接收到的信噪比，考察其信号接收解调能力，感兴趣信号之外的所有信号都看作是噪声；该噪声包括了背景电磁辐射信号、各种用频装备的自扰互扰电磁辐射信号、双方的电子对抗电磁辐射信号；因此，电子装备接收到的信噪比和假目标数量作为二维指标空间，来定量描述作战试验中影响电子装备的电磁环境；将信噪比和假目标数量等效到电子装备接收天线口面处，分别对应于电磁功率密度谱P(r0,t0)和电磁信号密度m0，即为每秒欺骗干扰信号数量，其中式中r0为用频装备地理位置，t0为场强测试时间，n为个测试频率点个数，需要说明的是，式中的∑含义为模糊数学中模糊数的表示；对于背景电磁环境，其电磁环境采用功率密度谱进行定量描述，本电子装备作战试验电磁环境的构建逼真程度，是基于被试装备接收天线口面处的电磁功率密度谱和电磁信号密度构建二维指标空间{P(r0,t0)，m0}，利用该指标空间定量描述被试装备的电磁环境，并作为环境特征参数进行后续的逼真性分析；这个二维指标空间所描述的电磁环境只是被试装备接收天线口面处的一个地理位置点的电磁环境，是被试装备所处战场的整体电磁环境的等效，也只有这个等效环境影响到被试装备作战效能的发挥和作战适用性；对应于电子装备作战试验过程的不同阶段，电磁环境也是随之动态变化的，根据上述电磁环境的二维指标空间描述方法，有整个作战试验过程的电磁环境描述式中符号∑的含义为模糊数学中模糊数的表示，k表示电子装备作战试验分为k个子阶段；3)、采用电磁环境构建的逼真性评估模型3.1 电磁环境的逼真性评估：根据公式(2)，当电子装备作战试验电磁环境的构建分为k个子阶段，则电磁环境的二维指标空间描述方法转化为下述矩阵形式又假设被试电子装备未来作战所处电磁环境的矩阵形式为于是电磁环境的逼真性评估问题转化为矩阵Xi和X0的逼近性评估问题，电子装备作战试验中的电磁环境构建成一种模拟、仿真行为，模拟逼真程度的评估要求决定了矩阵Xi和X0的逼近性应该包括两个方面的涵义，一是矩阵Xi和X0的相似程度，用距离的倒数来表示，表示两者之间相同或共同程度的一种度量；二是矩阵Xi和X0的贴近程度，表示矩阵Xi和X0中元素相比的正确程度；而相似度仅能衡量两个矩阵要素折线几何形状上的相似程度，无法度量要素相比的正确程度，贴近度衡量两个矩阵要素折线在空间的接近程度，无法处理两个矩阵要素相比时局部与整体间的复杂关系，因此，利用相似度和贴近度综合衡量矩阵Xi和X0的逼近性；3.2、电磁环境矩阵的初值化处理由电磁环境的矩阵形式知，其第一行电磁功率密度谱和第二行电磁信号密度的量纲不一样，而且其数值量级也相差较大，在进行矩阵型灰色关联分析之前，必须进行电磁环境矩阵的无量纲化的预处理；另外，灰色系统认为，所有灰色序列均能通过某种变换减弱其随机性和扰动冲击，凸显其内在的变化规律；选择初值化算子对电磁环境矩阵进行预处理；改写电磁环境矩阵假设D为矩阵的初值化算子，则称为矩阵Xi的初值化像，式中h＝1,2，j＝1,2,…,k；3.3、电磁环境矩阵的灰关联分析模型当设被试电子装备的标准电磁环境矩阵X⁰经过初值化处理记为电磁环境特征参数电磁功率密度谱或电磁信号密度在三维空间的坐标为（h,j,a_hj⁰）;h=1,2,j=1,2,…,k;作战试验中构建的电磁环境矩阵X_l,l＝1,2,…,L经过初值化处理记为电磁功率密度谱或电磁信号密度在三维空间的坐标为于是根据欧几里得距离公式，得到(h,j)处构建环境特征参数与标准环境特征参数之间的距离为又记则称分别为三极极大距离和三极极小距离；极大距离和极小距离反映了整个系统对单个特征参数关联程度的影响，体现了系统论的整体性观点；根据构建环境特征参数与标准环境特征参数之间的极大和极小距离来定义参数之间的关联系数，于是称为所构建电磁环境对于标准环境的灰关联系数矩阵，式中ξ为分辨系数，取ξ＝0.5；假设(h,j)处的关联系数权重为whj，称为关联系数的权重矩阵，并有对灰关联系数进行聚焦，得到作战试验所构建电磁环境相对于标准环境的逼真程度为4)、电磁环境的逼真性评估的具体实施方式：a.采用的通信对抗装备包括：通信侦察、通信测向、通信干扰分系统的作战试验，该作战试验过程是对抗双方侦察、干扰相互博弈的一个动态过程，该动态过程分解为静默、频段侦察、重点侦察、测向、干扰若干个阶段，每个阶段对抗双方使用不同的通信对抗战术，致使不同阶段的电磁环境也是不同的；b.采用的通信对抗装备作战试验的电磁环境，包括战场背景信号、作战对手的典型干扰信号及其干扰战术运用，作战想定中对于电磁环境的构建要求对应上述不同的阶段，基于情报支持、按照“最严酷原则”找出作战对手干扰信号的边界值，这是逼真性分析中的标准环境；c.在作战试验实施过程中，利用背景信号模拟器、实体电台、通信信号模拟器构建作战试验不同阶段的电磁环境，电波监测设备对作战试验电磁环境进行监测，记录通信侦察装备接收天线处的电磁功率密度谱和电磁信号密度；作战试验不同阶段所构建电磁环境与作战想定要求电磁环境的电磁功率密度谱，单位：dBm，和电磁信号密度，单位：个数，其中正体为电磁环境参数要求值，斜体为构建电磁环境参数值；当作战试验中背景电磁环境的平均场强值为‑100dBm，则有作战想定电磁环境要求的矩阵形式为作战试验所构建电磁环境的矩阵形式为4.1、矩阵灰色关联定量分析上述两个矩阵进行初值化处理后表示为根据公式(6)至(8)，有本式中取分辨系数ξ＝0.5，求得构建电磁环境对于标准环境的灰关联系数矩阵为当各个灰关联系数的相对重要性相同，则有等权权重矩阵为从而得到作战试验所构建电磁环境相对于作战想定要求环境的逼真程度为r＝r(X0,X1)＝0.68255由公式(9)可知，灰色关联度r的取值范围为[ξ/(1+ξ)，1]，本式中当ξ＝0.5时，r的取值范围为[0.3333，1]，构建电磁环境相对于作战想定要求环境的逼真程度的定量分析结果表明，构建电磁环境相对于作战想定要求环境的相似性和接近性的综合效果不理想；4.2、该方法的有效性分析基于定性分析方法，利用MATLAB中SURF命令作出作战想定和作战试验构建的电磁环境矩阵初值化处理后对应的曲面；直观地观察，作战试验构建电磁环境对应的曲面与作战想定电磁环境对应的曲面具有较大的差异，吻合性不是很理想，即作战试验所构建电磁环境相对于标准环境的逼真性不理想；综上所述的定量分析结果与定性分析结果很一致，基于矩阵灰色关联度的定量分析结果能较好地反映作战试验所构建电磁环境相对于作战想定要求环境的逼真程度，该逼真性评估在实际作战试验过程中，采用定量分析结果与定性分析结果相结合所构建的电磁环境的逼真程度是有效的、可行的。