战场电磁环境复杂度与战术通信性能的相关性研究

赵红梅，苏海斌，王健

（中国电波传播研究所，山东 青岛 266107）

电磁环境复杂度评估及其对电子信息系统的影响分析技术是当前研究的热点之一。该技术不仅是电磁环境频谱管理的第一步，同时也是电子信息系统测试、试验、训练的一个重要支撑。针对此，美英等国家提出了《MIL-STD-464A Electromagnetic environmental effects requirements for systems》[1]、《DoD Directive 3222.3:DoD Electromagnetic Environmental Effects(E3) Program》[2]，《The Electric, Magnetic &Electromagnetic Environment》[3]等标准和指南性文件，并进行了数次修订。国内学者在分析了复杂电磁环境内涵和特征的基础上，多以电磁环境监测数据为基础[4-5]，提出了客观和主观二类评估思想[6]：客观评估多以统计理论为基础，从频率占用度、时间占用度、平均功率谱密度、电磁信号特征及异动信号率、信息量变化率、复合信息熵等指标进行评估[7-11]；主观评估考虑了电子信息系统和电磁环境的相关性[12-17]，部分学者探索了电磁环境复杂度根源表征量，建立了电磁环境等级与数据通信设备性能的映射[6]。为进一步深化电磁环境评估方法，提升电磁环境评估公信度，文中从典型通信系统层面，研究电磁环境复杂度与通信系统的相关性的映射，旨在为通信系统的电磁环境适应性试验及其评估技术[18-19]研究提供技术基础。

1 评估方法

影响电子设备的电磁环境包括噪声和干扰，覆盖为时域、频域、能量域和极化域等要素，来源于宇宙、地球大气、地面及工业系统等。源的多样性以及媒质对电磁波的影响导致了电磁环境信号具有数量多、密度高、样式多样、覆盖频段宽、极化方式不一且非稳态时变等特性。由电磁环境相对性可知，相同电磁环境对不同设备造成不同的效应，因此，可利用专用的测量设备获取影响电子信息设备的电磁环境要素，找出与特定设备相关的时域、频域、能量域和极化域信息[6]。

基于能力的电磁环境复杂度评价，是依据受到电磁环境影响后的电子设备能力变化状况，从而判定电磁环境的复杂程度。考虑电子设备的动态工作参数与电磁环境的耦合，文献[5]定义了电磁环境复杂度根源表征量，即“电子设备在所处电磁环境接收端的信噪比”，可表示为：

式中：c为电磁环境复杂度因子；[ts, te]为有效工作时间；[fs, fe]为有效工作频带；H(f)为设备接收频响函数；p(t, f)为电磁环境功率谱；p0(t,f)为设备接收端信号功率谱。

对于通信设备而言，主要考虑到通信能力技术指标语音清晰度、误码率等受影响的程度，从而综合评估出针对该通信设备的电磁环境复杂度。基于通信能力的电磁环境复杂度评估方法如下。

1）确定面向单设备的电磁环境评估体系。定义电磁环境等级及对应的通信质量等级为最终的评估目标，并据此确定准则层、指标层的数据项，见表1。

表1 面向通信系统的电磁环境评估体系

2）确定面向单设备的电磁环境分级标准。对于单个通信设备，对于常用的调制方式，根据语音通信系统清晰度指数与信干噪比的映射关系[19]：

式中：A为语音清晰度指数；r为信干噪比，dB。

数据通信系统误码率与信干噪比的映射关系为：

式中：P为数据误码率；r为信干噪比；erfc()为误差余函数。

可分别建立语音通信设备和数据通信设备分级标准，见表2和表3。

3）确定面向通信系统的评估方法。在单设备评估方法基础上，采集加权求和方式，建立面向通信系统的评估方法，其量化统计值计算方法可表示为：

表2 面向语音通信设备的电磁环境分级标准

表3 面向数据通信设备的电磁环境分级标准

式中：i为单链路通信质量等级或电磁环境复杂度等级，i=1,2,3,4,5；ni为通信质量等级或电磁环境复杂度等级为i的通信设备数量；N为通信设备总数。

4）确定面向通信系统的电磁环境分级标准。根据上述评估方法所得结果，确定面向通信系统的电磁环境等级，见表4。

表4 面向通信网系的电磁环境分级标准

2 仿真分析

假定在50 km×50 km作战区域内部署某通信网，共12个节点组成了2个子网共计20条通信链路。链路间采用定频的通信方式，其网络拓扑及周边地形情况如图 1所示。各节点采用通信样式、工作频率、调制方式、工作带宽、发射功率、天线类型等参数见表5。

图1 通信网络拓扑图

根据通信网部署、拓扑关系及用频参数，利用高频地波传播以及超高频地面传播预测方法[20-22]，计算可得各通信链路的接收信号强度，见表6。

根据式（4）确定面向通信系统的评估方法，可得整个通信系统的面临的电磁环境量化统计值为

进而，可确定面向整个通信系统的电磁环境分级标准为IV。这意味着在该电磁环境下，1条高频通信链路无法通信，5条高频通信链路话音勉强能听懂，1条高频通信链路话音基本能听懂，4条超高频数据通信链路通信中断，1条超高频通信链路无法实现报文和分组通信，1条超高频通信链路勉强实现报文通信无法实现分组通信，3条超高频通信链路能够实现报文通信分组通信质量较差，其余链路通信基本未受影响。

表5 通信网设备用频参数

表6 通信质量和面临的电磁环境复杂度等级

3 结论

文中从电磁环境复杂度根源表征量出发，结合典型通信系统，提出典型通信单设备和全网系的电磁环境复杂度评估方法，建立了面向语音通信设备和数据通信设备的电磁环境分级标准和映射。通过仿真验证了方法的可行性，证实了同一环境下不同设备所受的电磁环境影响具有个体差异性。整体通信网系的受影响程度有别于单一设备，这为客观评估通信系统的电磁环境复杂程度推进了一步。上述研究为电磁环境仿真[23]、装备适应性试验[24]、电磁干扰性能评估[25]、用频管理[26]等研究提供了基础和有益的参考。