基于模糊综合评价的卫星干扰效果评估

2017-11-02张月霞杨瑞琪张玉宣

火控雷达技术 2017年2期

关键词：干扰机误码率权重

张月霞杨瑞琪张玉宣

(北京信息科技大学北京 100101)

基于模糊综合评价的卫星干扰效果评估

张月霞杨瑞琪张玉宣

(北京信息科技大学北京 100101)

针对通信对抗中的卫星干扰效果评估问题，提出了一种基于模糊综合评价的卫星干扰效果评估方法，该方法以模糊综合评价模型为核心，选取主要干扰因素构建因素集，结合权重集通过模糊合成计算出评价集，在对每个评价指标进行分析的同时整合了所有指标的分析结果，系统性地对干扰效果进行评估。仿真结果表明该方法可以得到一个较为全面、准确的评估结果。

模糊综合评价；干扰效果；评估

Abstract: Aiming at effect evaluation issue of satellite jamming in communication countermeasure, a satellite jamming effect evaluation method based on fuzzy comprehensive evaluation is proposed, which takes fuzzy comprehensive evaluation as core to compose factor set by selecting main jamming factor and calculate evaluation set by fuzzy synthesizing and combining weight set. Analysis results of all indexes are integrated while analyzing each evaluation index to evaluate the jamming effect systematically. The simulated result shows that using this method can achieve a comprehensive and accurate evaluation result.

Keywords：fuzzy comprehensive evaluation; jamming effect; evaluation

0 引言

卫星干扰效果是衡量通信对抗与电子战效果的一项重要指标，对卫星干扰效果的评估成为了通信对抗中的一个重要问题。在通信对抗中为了削弱敌方卫星通信系统，需要对使用卫星导航的目标进行有效的干扰，而掌握实际的干扰效果有助于战略决策与战术的制定，因此对卫星干扰效果的评估具有重要的意义。

目前在卫星干扰效果评估方面的研究主要有选取误码率与呼叫被清除概率作为评价准则衡量干扰效果、依据误码率对干扰效果进行定量计算、构建评估指标体系等方法。赵海燕等[1]使用误码率与呼叫被清除概率作为评价准则来评估低轨卫星通信对抗的干扰效果，博远等[2]依据误码率指标对干扰效果进行定量计算通过划分的评估等级分析来得出结论，王渊等[3]以导航接收机信号处理的不同层次构建的干扰效果评估指标体系，其中以信息、功率、概率与效率准则作为体系中选择的标准。这些方法选取不同的评价准则与因素进行评估，虽然可以有效的对干扰效果进行评估，但都是对每个因素分别进行分析计算得出结论，没有一个全面、系统性的评估结果。

本文通过分析卫星干扰中的主要影响因素，结合模糊数学理论，提出了一种基于模糊综合评价的卫星干扰效果评估方法，该方法以模糊综合评价模型为核心，选择卫星干扰中的主要干扰因素组成因素集，并设定合适的权重集，构建综合评价模型。仿真结果表明该方法所得出的结果可以较为准确与全面的评估卫星干扰中的干扰效果。

1 模糊综合评价法

模糊综合评价法是模糊数学中的一种具体应用方法，针对受多个因素影响的事物做出全面评价。该方法所评价的结果综合性较强，考虑了问题的各个因素，适合解决不确定性、模糊的问题[4]，因此可以使用它来进行卫星干扰效果评估这一具有模糊性特点的问题。

采用模糊综合评价法的卫星干扰效果评估步骤：

a)选取模糊综合评价指标：通过分析对干扰效果有影响的因素后进行筛选，选择较为重要的影响因素建立对应的隶属函数。

b)设定权重集：通过实际干扰效果测试经验法构建权重向量。

c)构建评价集：通过各指标的隶属函数与权重集，构建评价集，通过模糊关系合成得出评估结果。

2 评价指标

在卫星干扰中有多种影响卫星干扰效果的因素，在分析时无法涵盖所有的因素，需要选取影响较大的因素作为评价指标。郝东方[5]分析了卫星导航干扰效果评估中常用的评价指标，在构建实际模型的因素集时需要在多个指标中筛选出作用相对明显、完备的指标。结合卫星干扰效果评估的问题，经过分析与筛选，本文选取干扰频率、干扰功率、干信比偏移和干扰样式作为干扰效果的评估指标。

2.1 干扰频率

工作频率与带宽是卫星的重要指标，针对卫星干扰需要对多个频段进行瞄准，在干扰时中心频偏越小对卫星接收机的干扰能量就越大，干扰的效果就越好，反之越差。

a)单模干扰

覆盖度为0，卫星频率范围完全包含干扰机频率范围时即

覆盖度为1，半包含时即

覆盖度为0，干扰机频率范围完全包含卫星频率范围时即

覆盖度为1，半包含时即

b)多模干扰

多模干扰的工作原理较为复杂，以典型的压制式干扰[8]为基础进行多模干扰的干扰频率分析。假设干扰机工作带宽为Bm′(m=1，2，3...)，中心频率为fm′(m=1，2，3...)，卫星的工作带宽为Bn(n=1，2，3...)，中心频率为fn。干扰频率带宽的覆盖程度记为Cf。多模干扰有两种方式：瞄准式干扰与半瞄准式干扰[6]。

瞄准式干扰：干扰频段较窄，功率集中。干扰的频谱宽度与压制信号的频谱宽度相当，一般为1.5～2倍，即

在没有频谱混叠的情况下频率覆盖度为1。

半瞄准式干扰：干扰频段较宽，功率不集中。干扰的频谱宽度比压制信号的频谱宽度宽一些，即

一般在某些短时间出现的通信信号的场合使用。频谱重合的部分越多，则频率覆盖度越大。

基于上面的分析，可以采用频率覆盖率来表示干扰频率因素的隶属函数，定义频率因数的隶属函数，记为Ef。若干扰信与被压制信号的频谱重叠的部分为Bc，卫星的频带数为k，则

(1)

2.2 干扰功率

干扰功率是描述卫星干扰性能中的一个主要因素，将实际的干扰功率与接收灵敏度相比较来评估干扰效果。当干扰功率大于接收灵敏度时，则对卫星信号有明显的干扰效果，反之则没有干扰效果，因此可用两者的大小关系来表示评估结果。

接收灵敏度的计算公式为：

S=10lg(KTB)+NF+SNR

(2)

式(2)中，S为接收灵敏度，单位是dBm；K为波尔兹曼常数，单位是J/K；T为绝对温度，单位是K；KT就是在当前温度下每Hz的热噪声功率；B表示信号带宽，单位是Hz；KTB代表带宽范围内的热噪声功率；NF表示系统的噪声系数，单位是dB；SNR表示解调所需的最小信噪比，单位是dB。

若干扰机发出的全向辐射功率为P(dBw)，则干扰功率Pri(dBw)为：

Pri=P-L

(3)

其中，L为干扰目标与干扰源之间的路径损耗，单位为dB。

自由空间中电磁波传播损耗计算公式为：

L=32.44+20lgd+20lgf

(4)

其中，d为干扰目标与干扰机之间的距离，单位是km，f为干扰机发射信号频率，单位是MHz。

根据上面的分析定义出用来表示干扰功率因素的隶属函数，记为Ep。

(5)

2.3 误码率影响因子

误码率是评估信号完整性的一个重要指标。误码率影响因子是指目标在未受到干扰和受到干扰的情况下误码率的差值与受到干扰情况下误码率的比值。

在接收机正常工作后，连续记录一段时间的数据，统计数据得误码率Qa。加入干扰信号，采用与上述相同的方法，统计得到误码率Qb。

根据上述分析定义出用来表示误码率影响因子的隶属函数，记为Er。

(6)

2.4 干扰样式

干扰样式对干扰与抗干扰的对抗效果有较大影响，干扰目标采取的抗干扰措施对干扰机来说是未知的，同样干扰机采用何种干扰样式对于干扰目标也会未知的，这实质上就是一个博弈的过程，曾勇[7]就采用了博弈论构建策略矩阵进行干扰效果评估。

运用博弈论的相关理论，假设某干扰机与干扰目标为局中人，记为J和T，干扰机具有m种干扰样式，则其纯策略空间为SJ=(J1，J2，...，Jm)，干扰目标具有n种抗干扰措施，则其纯策略空间为ST=(T1，T2，...，Tn)，用Rij表示当干扰机采用第i种干扰样式同时卫星采用第j种抗干扰样式时的干扰效果[8]。可定义R为得益矩阵：

R=[Rij]m×n

(7)

采用乐观系数法求解此矩阵，设α为乐观系数，Ci为第i种干扰方式的加权平均收益，则：

Ci=αmax(Ri)+(1-α)min(Ri)

(8)

取Ci中最大值为决策者的目标值干扰样式的隶属函数Eg为：

Eg=max(C)

(9)

3 模糊综合评价模型

模糊综合评价模型主要有三个部分：因素集、权重集和评价集[9-10]。

其中，因素集中的元素为之前所选取的影响卫星干扰效果的因素，可用模糊集的向量表示法表示为：

U={u1，u2，u3，u4，u5}

(10)

对于权重集，可以记为：

A={a1，a2，a3，a4，a5}

(11)

评价集由因素集与权重集进行模糊合成运算得出，记为：

V={v|0≤v≤1}

(12)

在模糊综合评价中，一般使用最大最小法进行因素集与权重集之间的合成运算，即M(∧，∨)，则模糊集U与A的合成运算可表示为：

U°A=∨(U∧A)

(13)

但这种运算得到的结果会忽略部分信息，造成分析结果的片面，因此需要适当修改合成方法。

由于在卫星干扰效果评估中，干扰因素都是在实际卫星干扰中主要的影响因素中选取的，均对评价结果有较大影响，为了获得较为准确、全面的分析结果，采用加权平均型的M(•，+)方法进行模糊合成运算，在这种方法中参与运算的所有因素按照对应的权重值都有涉及，适合有多个因素进行评价的情况，因此评价值为：

(14)

4 仿真

仿真实验中，干扰机的干扰频段为1540～1640MHz，工作频率覆盖三种卫星导航的通信频点，如表1所示。干扰机信号的覆盖半径为3km，全向辐射功率为1200W，增益为0dB，覆盖半径为3km，干扰样式有窄带瞄准、宽带阻拦、扩频匹配与扫频四种。假设卫星的工作频段为1602.0～1615.5MHz，干扰目标的接收灵敏度为-120dbm，距干扰机的距离为2km，误码率为10-5，抗干扰措施为直接序列扩频、跳频扩频与跳时扩频。

表1 三种卫星导航通信频点分布表

4.1 单因素评价与因素集

4.1.1 干扰频率

干扰机的干扰频率完全覆盖三种卫星导航的通信频点的，因此频率覆盖度为1，由式(1)得Ep=1。

4.1.2 干扰功率

干扰机的全向辐射功率为30.8dbw，工作频率上限为1640MHz，干扰目标与干扰机相距2km，则根据式(4) 计算的自由空间衰减为102.8db，由式(3)得干扰功率为-72dbw。干扰目标接收灵敏度为-120dbw，Pri>S，则由式(5)得Ep=1。

4.1.3 误码率影响因子

在干扰目标受到干扰时记录下接收机10分钟的数据，统计数据得误码率为10-3，通过式(6)得出误码率影响因子为0.99。

4.1.4 干扰样式

由博弈双方不同的干扰与抗干扰样式得出收益矩阵，如表2所示。

表2 干扰收益

写成矩阵形式为：

取乐观系数α为0.6，由式(8)得四种干扰方式的加权平均收益为0.54、0.674、0.668、0.516，则由式(9)干扰样式因素的隶属度为：

Eg=0.674

4.2 因素集与权重集

综合上述各因素隶属度的计算结果，得因素集U为：

U=[1，1，0.99，0.674]

根据各因素的影响效果选取权重集A为：

A=[0.3，0.35，0.2，0.15]

4.3 模糊合成运算

选取加权平均型运算作为因素集与权重集的模糊合成方法，由式(16)得

所得结果即在上述条件下，干扰目标对卫星信号检测下降的程度，其综合评价值为0.9491。评价值的取值范围为(0，1)，结果表明干扰机对干扰目标的干扰效果良好。

5 结论

解决卫星干扰效果的评估问题可以有效的提高通信对抗与电子战中的作战效果，对战略决策起到一定的指导作用。本文提出的基于模糊综合评价的卫星干扰效果评估方法以干扰频率、干扰功率、误码率影响因子、干扰样式为因素集构建模型，结合权重集与加权平均型模糊合成方法得到评价集，评价集的值可作为在所设的干扰因素下干扰效果的评估结果。仿真结果表明，使用该方法进行干扰效果的评估可以得出一个系统性的整合结果，能全面、准确的说明干扰效果的好坏。

[1] 赵海燕，杨云飞，吴建磊.低轨卫星通信干扰效果评估[J].仪器仪表学报，2006，27(6)增刊：1402-1405.

[2] 博远，朱卫纲，杨君等.跳扩频卫星通信干扰效果分析[J].舰船电子工程，2014，34(11)：60-63.

[3] 王渊，王娅，孙旭.卫星导航干扰效果评估指标体系研究[J].通信对抗，2013，32(2)：33-37.

[4] 周鑫，黄维江. 基于模糊评价法的信息系统实施效果评估方法研究[J]. 电脑知识与技术，2014(13)：3117-3118.

[5] 郝东方.卫星通信干扰技术的研究[D].西安：西安电子科技大学，2012.

[6] 肖聪. 无线电信号压制性干扰研究与验证[D]. 电子科技大学，2010.

[7] 曾勇.基于博弈论的无线通信抗干扰关键技术的研.究[D].成都：电子科技大学，2014.

[8] 宋玉珍，刘炼，张斌. 基于模糊处理的雷达干扰效果评估[J]. 舰船电子对抗，2013，36(6)：95-99.

[9] 惠晓鹭.基于模糊集和粗糙集对的综合评价模型研究[D].重庆：重庆师范大学，2012.

[10] 张院，寇文杰.模糊数学综合评判法中指标权重和算法的优选[J].人民黄河，2015，37(7)：64-67.

EvaluationofSatelliteJammingEffectBasedonFuzzyComprehensiveEvaluation

Zhang Yuexia， Yang Ruiqi， Zhang Yuxuan