论电磁环境“使能-消能”效应在综合电子信息系统中的对立统一

唐晓斌， 曹 佳

(中国电子科学研究院，北京 100041)

0 引 言

随着世界范围内信息化程度的逐渐加深，电磁环境与信息系统的关系也日益紧密。一方面，投入使用的射频电子设备种类与数量的激增，使得民用空间和战场的电磁环境都变得十分复杂，而射频电子设备在这样的复杂电磁环境中工作，性能受到影响的途径和程度也非常繁复；另一方面，信息系统的综合程度越来越高，大型综合信息系统中集成的电子设备越多，系统内各功能模块通过改造电磁环境对其他功能模块造成的潜在影响越大。在此背景下，能否正确的分析电磁环境、有效控制电磁环境、最大程度的利用电磁域资源，成为了打赢信息化战争至关重要的因素[1]。

因此,电磁环境效应的概念应运而生，围绕这一概念美军率先开展了系统化的研究工作，并在其研究成果基础上建立起了相对完善、可操作性很强的军用标准体系，用以保障美军装备在实战中的环境适应性[2]。参照美军的成功经验，我国在进入21世纪以来,也日渐重视电磁环境效应的研究工作。目前，在该概念涵盖的电磁兼容、电磁干扰、环境评估方法等方面已经取得了诸多研究成果，并在积极推动相关标准的建立。但是目前的研究与应用仍然存在一定局限性。

(1)概念的局限性

美军标对于电磁环境效应的定义为：电磁环境对于军队、设备、系统和平台作战能力所产生的影响；而相应的我国目前国军标的对应定义为：电磁环境对电气电子系统、设备、装置的运行能力的影响[3]。目前的这种定义方式，从概念上将电磁环境与设备/系统/平台分离对立。而事实上，电磁环境的构成中，自然电磁环境是相对静态而不随技术发展或战场局势变化的，在一定的场景中其产生的影响可以作为一个固化的背景参数引入分析；而真正左右现代战场电磁环境复杂性的，正是设备/系统/平台本身所产生的人为电磁环境[4]。

因此，需要概念上有所突破，能够体现出“设备/系统/平台→复杂电磁环境→设备/系统/平台”这个影响作用链。

(2)研究对象的局限性

包括美国在内，目前世界范围内各国对电磁环境效应的研究主体都是电磁环境本身，通过归纳、预测、分析和评估等手段，确定电磁环境对系统内的各个设备/功能模块造成的危害。

而我们研究电磁环境效应的初衷，是为了系统能够适应复杂的电磁环境，在实战中表现出良好的性能。因此，以电磁环境为研究对象得到的研究结果在效果的体现上不具有直观性和系统综合性。这导致目前的研究虽然在认知电磁环境的方法和能力上取得了很多突破[5]，但成果却难以直接贡献于综合电子系统系统能力的提升。

(3)分析手法的局限性

目前,电磁环境效应的研究方法依靠测试、归纳和经验定性总结的程度依然较高，亟需建立起一套宏观的数学分析体系[6]，建立起系统能力与复杂电磁环境间的数学关系。

在此情况下，即便在系统的全寿命周期严格执行相关标准，仍然面临着对电磁环境无法随时掌握、灵活利用、有针对性调整的问题。

针对目前研究的局限性，本文提出系统电磁环境效应中使能效应与消能效应的概念，揭示了二者在综合电子信息系统中对立统一的客观规律。在此基础上，提出“使能-消能”分析法并建立数学模型，直接以系统能力为研究对象来量化反映复杂电磁环境效应。该分析法对于分析优化系统在复杂电磁环境中的实际表现具有诸多优势，随着后续研究工作的完善，将能为大型综合电子信息系统的建立和制电磁权的争夺提供有力的技术支撑。

1 使能效应与消能效应

基于对综合电子信息系统物理层系统能力的作用效果，系统电磁环境效应可以分为“使能效应”与“消能效应”两个分支概念。

1.1 概念界定

使能效应表征了系统内各功能单元作用于电磁环境后给自身带来的主动性能增益。例如：系统中的雷达探测模块提高自身的天线阵面的方向图增益，作用于电磁环境后，主波束指向的辐射电磁场功率密度提高，从而提高了雷达探测的作用距离；系统中的无线通信模块采取跳频-扩频模式实现通信，作用于电磁环境后，射频信号的频带展宽，从而提高了通信质量和抗干扰能力。

消能效应表征了系统内各功能单元作用于电磁环境后给系统内其他功能单元带来的被动性能损失。例如：系统中的雷达探测模块发射探测信号，作用于电磁环境后，在系统所处的空间内也形成了一定强度的电磁场分布，若系统内同时设有电子侦察设备，则此时侦察同频段外部射频信号将被本系统雷达信号压制，从而使该时段、该频段的电子侦察性能下降。

1.2 “使能-消能”的对立统一关系

从物理层上看，功能单元本身的性能增益与自身占用的物力资源成正比，扩展电磁域资源使用的广度、深度和灵活度正是当前射频功能模块提升自身性能的重要途径之一。但是从另一个角度看，全系统资源共享条件下，单一功能模块使用资源的扩展必然引起其他设备资源使用空间受到挤压，从而间接对其他功能模块的性能带来一定程度的损失。这种现象即为系统电磁环境“使能-消能”效应的对立关系。

整个系统在复杂电磁环境中的实际能力，或者落实到物理层的性能，显然是其下各功能模块“使能效应”与“消能效应”综合作用的结果：当以其中一种效应的优化为唯一目标并超出一定范围时，另一种效应的恶化效果反而将主导系统的综合表现下降，只有当“使能-消能”两种效应满足某种平衡条件时，各功能单元才能同时满足系统要求，而整个系统的能力才能实现最大化。该现象即为系统电磁环境“使能-消能”效应的统一关系。

“使能效应”与“消能效应”是系统电磁环境效应的一体两面，而“使能-消能”对立统一关系则是综合电子信息系统电磁环境效应的客观规律。

2 “使能-消能”分析法建模

围绕系统电磁环境效应的“使能-消能”对立统一关系，可以建立一套相应的数学分析方法，该方法以系统内各功能模块的“使能效应”与“消能效应”为自变量，以系统能力为最终分析结果，直接以系统能力为研究对象来量化反映复杂电磁环境效应。

2.1 系统能力模型

从顶层评估系统能力，即应用层或信息层的系统能力，方具有参考价值，而电磁环境则是直接作用于物理层。因此，依据系统法设计原则[7]，“使能-消能”分析法建模首先要完成系统能力应用层/信息层与物理层之间的双向建模。

(1) 提出系统能力矢量的概念，该矢量的每一个分量为系统中每个单一功能模块的在系统中的性能。该矢量的模则为系统能力的量化值。该建模过程概括为式(1)。

(1)

(2)定义单一功能模块在系统中性能在应用层/信息层与物理层之间的映射函数f与逆函数f-1，实现系统能力在各层间的相互转换。该建模过程概括为式(2)。

(2)

以上即完成了“使能-消能”分析法的系统能力建模。

2.2 单一功能模块的对立统一基本模型

系统电磁环境的“使能效应”与“消能效应”均通过各单一功能模块直接作用，因此“使能-消能”对立统一关系应先在单一功能模块上完成建模。

(1)依据概念建立“使能效应”与“消能效应”模型，二者是我们最终电磁环境效应分析的基本自变量，同时又是时、空、频、能的函数，其中时、空、频、能即从电磁域层面界定了系统的应用场景；

(2)在正确的设备级电磁兼容设计下，单个功能模块不存在产生的增益小于负作用的现象，因此用正和博弈关系表征单个功能模块“使能-消能”的对立关系；

(3)用单个功能模块的“使能效应”与“消能效应”的商表示该单个模块对系统的贡献，其值域范围体现体现“使能-消能”的统一关系。

以上建模过程如式(3)所示。

(3)

其中：t,s,f,e为时间、空间、频率、能量；Gain为功能模块的“使能效应”增益；Loss为功能模块的“消能效应”损耗；UL为“使能-消能”正和博弈极限；C2S为功能模块对系统的贡献。

2.3 综合系统的对立统一扩展模型

综合电子信息系统在复杂电磁环境中的系统能力是“使能-消能”分析法的研究对象，因此对立统一模型需要完成从单一功能模块向综合系统整体-复杂环境的扩展。

(1)将系统中所有功能单元对自身的“使能效应”定义为Gainii，对其他功能单元的“消能效应”定义为Lossij，扩展生成“使能-消能”矩阵G-Lmat；

(2)将某一外部环境定义为仅对系统内功能模块存在“消能效应”的特殊虚拟模块，其“消能效应”函数由对该环境的独立分析结果确定；

(3)以“使能-消能”矩阵G-Lmat的第i列向量的乘积作为功能单元i在系统中的物理层实际性能。

以上建模过程如式(4)所示。

(4)

其中其它代号概念已在本小节前面介绍过，在此仅提醒：

G-Lmat(:,i)为“使能-消能”矩阵的第i列列向量。

3 “使能-消能”分析法的优势

“使能-消能”分析法给出了一套以系统能力为直接研究对象的数学分析体系，该体系在系统电磁环境效应的研究与应用上具有以下优势：

(1)对系统电磁环境效应描述完备

通过正确的设置“使能-消能”矩阵，该分析法既能反映外部辐射源对系统的影响，也能反映系统内部的相互影响，同时电子战中两个甚至多个对立系统间的电磁域对抗情况也可以通过多系统模型间的模型迭代更新实现分析。

(2)揭示“使能-消能”对立统一客观规律

“使能-消能”对立统一基本模型的建立，从数学上描述了使能效应与消能效应此消彼长、共同作用于功能模块系统贡献的过程，证明了“使能-消能”对立统一关系是电磁环境效应对综合电子信息系统能力的作用本质，揭示了“使能-消能”的平衡控制在系统电磁环境效应工程方法中的核心地位。

(3)评估优化系统能力的可操作性强

“使能-消能”对立统一扩展模型的建立，为复杂电磁环境对系统能力的影响提供了明确的自变量与应变量，结合适当的数学算法即可实现准确的评估和有效的寻优。为综合电子信息系统的前期全系统电磁兼容设计和运行中的电磁资源管控提供了有力的数学工具。

(4)具有系统的可扩展性

未来的信息系统和战争形态中，系统的构成将变得非常灵活，向上多个系统可以作为子系统构成一个更大的作战体系，向下一个功能模块的性能又可能随技术更迭发展为多个子功能性能的综合，而以上两个方向系统的扩展在“使能-消能”分析法中只需要将式(1)中相应层级的系统能力标量扩展为矢量即可实现。

(5)具有兼容先进的信息技术的潜力

该分析法在确立系统的数学模型后，即具备与大数据分析与机器学习技术相兼容的能力，面对大系统与复杂环境的问题，将能突破由人主导电磁域设计、评估和使用中资源分配带来的主观性和计算能力、速度的局限性。

4 结 语

现代战场电磁环境的日趋复杂，使得电磁环境效应在综合电子信息系统中的地位越来越重要。本文为突破目前电磁环境效应研究的局限性，揭示系统电磁环境效应的本质，提高分析结果的可利用度，提出了“使能效应”与“消能效应”的概念，指明了“使能-消能”的对立统一关系是综合电子信息系统能力保障的关键。基于此关系建立的“使能-消能”分析法具有突出的技术发展优势，使得系统环境适应性的前期优化设计、系统电磁域资源的动态分配、电子战攻防的战术布置实施甚至演练都有望切实落地。这些无疑都将为制电磁权的争夺提供有力的技术优势。