复杂电磁频谱管理方案效果评估方法研究

赵金红，李 博，张建华，王璀璨

(中国船舶工业系统工程研究院，北京 100094)



复杂电磁频谱管理方案效果评估方法研究

赵金红，李 博，张建华，王璀璨

(中国船舶工业系统工程研究院，北京 100094)

复杂电磁环境下的电磁频谱管理方案效果评估非常复杂，很难用单一指标进行评估，通常采用多指标评估的方式。建立了电磁频谱管理方案效果评估指标体系，分析了多种多指标评估方法(包括主成分分析法、理想解法、灰色关联分析法等)，得出了一种较可靠的集成评估方法，并进行了仿真分析。

战场复杂电磁环境；频谱管理方案；指标体系；效果评估方法

0 引 言

随着电子信息系统综合化、网络化和一体化的不断发展，装备的电磁敏感度越来越高。而大量通信、雷达、电子战装备及电磁脉冲武器的使用，又让战场空间的电磁环境变得日益复杂。电磁频谱的科学管理已经成为打赢现代化战争必不可少的重要因素。

对复杂电磁环境下的电磁频谱进行管理，往往有多个可供选择的管理方案，但是究竟哪个管理方案更加有效，目前很难利用实地操演的方法进行比较。一般情况下，会通过多指标评估的手段加以分析，运用合理的评估方法进行计算，最终为决策者提出可信的方案排序。本文首先对电磁频谱管理方案评估指标体系和多指标评估模型进行了研究，然后提出了一种可靠高效的综合集成评估方法。

1 评估指标体系

复杂电磁环境下的电磁频谱管理过程非常复杂，很难应用单一性能指标进行效能评估，一定要建立一个合理的评估指标体系，才可能进行电磁频谱管理效能的合理有效评估[1-2]。指标体系的合理设计是对电磁频谱管理方案进行综合评价的关键。指标应当有效反映电磁频谱管理的基本特征和综合情况，既能反映直接效果，又能反映间接效果，以保证总体评价的全面性和可信度。在完整性、系统性、独立性、层次性、一致性等原则下，为了能更好地反映待评估战场电磁频谱管理方案，需要综合考虑对用频装备、电磁环境以及频谱管理综合评价等方面的影响。电磁频谱管理方案评估指标体系包括装备效能指标、环境条件指标和频谱管理指标等3类，具体如图1所示。

2 多指标评估方法

电磁频谱管理方案评估指标体系是多层多类的，因此采用多指标评估的方式更能全面客观地评价电磁频谱管理方案。多指标评估的方法较多，适用于电磁频谱管理方案效果评估的方法主要有理想解法、灰色关联分析法及主成分分析法等。

2.1 主成分分析法[3]

主成分分析法利用降维思想，把给定的一组相关变量通过线性变换转成一组不相关的变量，新变量按照方差依次递减的顺序排列。

主成分分析法的求解步骤如下：

(3) 求解相关系数矩阵R的特征值、特征向量，确定主成分。

(4) 对p个主成分进行综合评价。

2.2 理想解法[4]

理想解法是逼近理想解的排序方法，是一种有效的多指标评估方法，其是以方案与理想解和负理想解之间的距离作为判断方案优劣的标准。

理想解法的求解步骤如下：

(2) 利用熵权法计算得出各指标的权值w=(w1，w2，…wn)T，然后构造加权规范阵X={xij}，其中xij=wj×zij；i=1,…,m,j=1,…,n。

(3) 确定理想解x*和负理想解x0。

(4) 计算各方案到理想解与负理想解的距离。

(5) 计算各方案的评估指数Ci，根据Ci可以求出排列方案的优劣顺序:

(1)

2.3 灰色关联分析法[5-6]

灰色关联分析法是将研究对象及影响因素的因子值视为一条线上的点，与待识别对象及影响因素的因子值所绘制的曲线进行比较，比较它们之间的贴近度，并分别量化，计算出研究对象与待识别对象各影响因素之间的贴近程度的关联度，通过比较关联度大小来判断待识别对象对研究对象的影响程度。

灰色关联分析法的求解步骤如下：

(1) 确定参考数列和比较数列，并对参考数列和比较数列进行无量纲化处理。

(2)

(3)

式中：ρ为分辨系数，取值0.5。

2.4 比较分析

上面介绍了适用于电磁频谱管理方案效果评估的几种多指标评估方法，但各种评估模型都存在其优缺点，如表1所示。

表1 评估方法优缺点分析

3 综合集成评估方法

通过对多种多指标评估方法的分析，可以看出每种方法都有自身的优点和缺点，采用不同的评估方法求解往往会得到不同的结果。面对单一评估方法的不足，为了更加有效地评估电磁频谱管理方案，采用综合集成评估方法是一种简单可靠的方法，可以弥补各种评估方法的缺点。

综合集成评估方法[6]的思路是运用多种评估方法分别对电磁频谱管理方案进行评估，得出各种模型的评估结果后，将结果进行综合并作为问题的最终结论。采用综合集成评估方法对复杂电磁频谱管理方案进行效果评估的具体流程如下：

首先，采用专家打分法对电磁频谱管理方案评估指标体系中的各指标进行打分，依据每个指标的评定分，选取若干指标构建评估指标矩阵Y={yij}，i=1,…,m,j=1,…,n(其中m为管理方案个数，n为评估指标个数)。

然后，分别采用主成分分析法、理想解法、灰色关联分析法对评估指标矩阵进行计算，得出每一种方法的评估结果，分别记为Fi、Ci、Si。

由主成分分析法得到的m个方案的综合得分为：F1,F2,…,Fm。将其做如下转换：

(4)

由理想解法得到的m个方案的相对贴近度为：C1,C2,…,Cm。将其做如下转换：

(5)

由灰色关联分析法得到的m个方案的相对贴近度为：S1,S2,…,Sm。将其做如下转换：

(6)

最后，运用上述结果进行组合评估计算，并最终得出各管理方案的优劣排序。

计算公式为：

(7)

式中：α1+α2+α3=1，α1、α2和α3为决策者确定的对各方法的信任度。

最终可以根据以上得出的Tj对各管理方案进行排序评定，数值大的效能就高，数值小的效能就低。

4 仿真分析

假定在某次作战行动中，对当前的电磁频谱管理提出10个方案，分别记为P1,P2,…,P10。

首先，根据指标选取原则，经专家和相关专业人员对电磁频谱管理指标体系各指标进行打分，将所有专家和相关专业人员所得的分值取平均得出了每个指标的分值，从而确定选取电磁频谱管理指标体系中的7个指标用于评估，分别是装备效能指标中的探测空域、目标精度、误码率，频管指标中的冲突率、冲突解决率，环境条件指标中的频谱密度、干扰信号强度。用这7个指标构建评估矩阵Y。

然后，直接运用多模型评估方法进行仿真计算。各种评估方法的计算结果如表2所示。

表2 各种评估方法的仿真结果

通过对表中综合集成评估方法与3种基本方法比较进行分析可以看出：排序结果相同的是方案5、方案9和方案10，排序结果差别不大的是方案1、方案2、方案3和方案4，排序结果相差较大的是方案6、方案7和方案8。经实例仿真及对比分析可以看 出，综合集成评估方法是在理想解法、灰色关联分析法和主成分分析法3种方法基础上“组合评价”得出的评估结果，更加合理科学；对于某些单一评估方法无法给出评估结果的情况，综合集成评估方法可以给出可信结论，适应能力更强。

5 结束语

为了科学有效地评估复杂电磁环境下的电磁频谱管理方案，本文给出了一个合理的电磁频谱管理方案评估指标体系，并对几种适用于电磁频谱管理方案效果评估的多指标评估方法进行了分析，然后提出了多种多指标评估模型“组合评价”的综合集成评估方法。该方法虽然公式较多，但运算简单，便于计算机编程实现。本文采用了主成分分析法、理想解法、灰色关联分析法等评估方法，实际上综合集成评估方法可以根据实际需要对采用的多指标评估模型进行适当的增减，模型越多，评估的精度越高，可信度也越高。经过仿真分析，本文给出的复杂电磁频谱管理方案效果评估方法合理科学，具有一定的实际意义。

[1] 刘坚强,成伟兰,李瑞.舰船编队电磁频谱实时管理控制方案研究[J].舰船电子工程,2007,27(4):176-179.

[2] 刘香附.动态频谱管理[J].中国无线电,2007,24(10);23-25.

[3] 包磊，雷进生，刘琼.基于主成分分析法的地铁系统安全综合评价[J].三峡大学学报(自然科学版)，2011，33(4)：57-59.

[4] 夏奎，郑援，胡先锋.潜艇水声对抗方案评估方法分析[J].鱼雷技术，2010，18(1)：77-78.

[5] 程宝栋，田园，郝萍.基于灰色关联分析的中国林产品出口结构优化分析[J].世界林业研究,2011,24(1):78- 80.

[6] 陈自卫，陈华东.基于多模型混合方法的电磁频谱管理效能评估[J].武器装备自动化，2008，27(5)：12-14.

ResearchintoEffectEvaluationMethodofComplexElectromagneticSpectrumManagementPlan

ZHAO Jin-hong，LI Bo,ZHANG Jian-hua,WANG Cui-can
(Systems Engineering Research Institute,Beijing 100094,China)

The effect evaluation of electromagnetic spectrum management plan under the complex electromagnetic environment is very complex,it is difficult to be evaluated by means of single index,so the multi-index evaluation mode is adopted usually.This paper builds index system of electromagnetic spectrum management plan evaluation,analyzes several multi-index evaluation methods (including principal component analysis method,technique for order preference by similarity to ideal solution method,gray correlation analysis method and so on),educes a sort of credible integration evaluation method,and carries out simulation analysis.

battlefield complex electromagnetic environment;spectrum management plan;index system;effect evaluation method

2017-02-28

TN97

：A

：CN32-1413(2017)03-0035-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.03.009