一种新的电磁环境复杂性评估方法

一种新的电磁环境复杂性评估方法

1种新的电磁环境复杂性评估方法建设真实的战场电环境是军事训练的重要组成部分。这项工作为有关军事训练提供了良好的指导和规范，并在构建复杂的军事电环境和信息条件下开展了培训工作。构建电磁环境的复杂程度是否符合导演部的要求,需要给出定量的评价进而调整电磁环境构建方案。文献给出了基于电磁环境信号本身的电磁环境分级方法,然而在部队建设实践中发现了一些问题,致使这种科学理论方法难以实用。本文结合近年来参与部队电磁环境建设的一些经验,提出了一种新的电磁环境复杂性评估方法。该方法既遵循理论又方便实用,对部队电磁环境建设将产生积极的影响。2环境复杂度计算方法电磁环境分级是指根据电磁环境信号本身表现出来的空域、时域、频域和功率域特征,将电磁环境分为简单、轻度复杂、中度复杂和重度复杂四个等级。电磁环境复杂的本质是外界电磁信号与用频装备使用的电磁资源在空域、时域、频域和功率域上的冲突,这种冲突越激烈电磁环境越复杂。可见,电磁环境的复杂程度表现在空域、时域、频域和功率域四个方面。因此,复杂度的评估内容是计算电磁环境的“四域”指标,即空间覆盖率、时间占有度、频谱占用度和电磁环境平均功率密度谱,进而按照冲突程度,判定电磁环境的复杂等级。方法流程如下:(1)确定环境的范畴,即空间范围、时间段和频段;(2)计算复杂度指标——空间覆盖率、时间占有度、频谱占用度和电磁环境信号平均功率密度谱,具体方法如下:①以环境范畴内的用频装备部署空间位置为基准,依次判断单个用频装备的部署空间是否被电磁环境“挤占”,方法是比较电磁环境平均功率密度谱与该装备对应电磁环境门限的大小,前者大于后者则该空间被“挤占”,反之“不挤占”,统计环境范畴内的所有用频装备部署空间的“挤占”情况,被“挤占”空间占用频装备部署空间的比例即空间覆盖率;②以环境范畴内的用频装备工作时间段为基准,依次判断单个用频装备的工作时间段是否被电磁环境“挤占”,方法是比较电磁环境平均功率密度谱与该装备对应电磁环境门限的大小,前者大于后者则该时段被“挤占”,反之“不挤占”,统计环境范畴内的所有用频装备工作时间的“挤占”情况,被“挤占”时间占用频装备工作时段的比例即时间占有度;③以环境范畴内的用频装备工作频率段为基准,依次判断单个用频装备的工作频率段是否被电磁环境“挤占”,方法是比较电磁环境平均功率密度谱与该装备对应电磁环境门限的大小,前者大于后者则该频率被“挤占”,反之“不挤占”,统计环境范畴内的所有用频装备工作频率的“挤占”情况,被“挤占”频率占用频装备工作频段的比例即频谱占用度;④按照电磁波传播原理计算环境范畴内的电磁环境信号平均功率密度谱;(3)依据上述计算的指标值,按照总体冲突程度,给出环境复杂度等级。从上述方法流程可以看出,文献中的分级理论是电磁波传播及作用原理,分级方法是非常科学严谨的,然而它也存在一定的局限性。这种算法的前提是:战场上所有用频装备的工作状态参数即部署位置、开关机时间、工作频段、天线指向、辐射功率和接收机灵敏度等是电磁环境分级的依据,只有全面掌握这些信息才能按照这种方法进行电磁环境分级,一旦信息不完整就无法进行计算。3境分级算法针对现阶段电磁环境建设的特点,电磁环境监测设备可以掌握训练场区的电磁信号,这里提出基于监测信息的电磁环境分级算法。基于监测信息的电磁环境分级将针对整个监测区域(空域)、某个作战阶段(时域)、某个频段(频域)进行,这样就确定了复杂度指标计算的参照系。电磁环境监测设备采集的监测信息(包括时刻、频率和电平)如图1所示,t轴为时间轴,f轴为频率轴,S为能量轴,即任一电磁信号都以一定的频率和电平存在于一定的空间和时间。3.1根据监测信息的时间占有度计算文献中,时间占有度的定义是这样的:定义1:在一定空间和频率范围内,电磁环境信号功率密度谱的平均值超过指定电磁环境门限所占用的时间长度与作战时间段的比值。由于监测信息包括信号频率和电平,电平是监测设备测得的信号传播到监测设备处的信号场强(单位:V/m)。因此,我们给出时间占有度的等价定义:定义2:在训练区域和某个频段内,电磁环境信号的电平超过指定门限所占用的信号时长与作战时间段的比值。由此可见,要想计算时间占有度,需要确定训练区域、某个频段、电磁环境信号的平均电平、指定门限、信号时长和作战时间段等6个变量。其中,训练区域、某个频段和作战时间段由用户设置,指定门限由设置的某个频段对应确定,基于监测信息的时间占有度按下式计算:ΤΟ=Δtte-ts(1)TO=Δtte−ts(1)其中:Δt=|n∪i=1{[tsi,tei]∩[ts,te]}|fi∈[fs,fe]且Ai≥A0(2)Δt=∣∣∣∪i=1n{[tsi,tei]∩[ts,te]}∣∣∣fi∈[fs,fe]且Ai≥A0(2)式中:TO为时间占有度;Δt为满足条件的信号时长;|[a,b]|表示取集合[a,b]的长度;te为作战时段上限;ts为作战时段下限;n为监测到的信号频点数;tsi为第i个频点信号的起始时间;tei为第i个频点信号的结束时间;fi为第i个频点信号的频率;fs为某个频段的频率下限;fe为某个频段的频率上限;Ai为第i个频点信号的电平;A0为某个频段[fs,fe]对应的电平门限,其值随频段变化。3.2基于监测信息的频谱占用度确定文献中,频谱占用度的定义是这样的:定义3:在一定时间和空间范围内,电磁环境信号功率密度谱平均值超过指定电磁环境门限所占用的频带与作战用频范围的比值。基于同样的考虑,我们给出频谱占用度的等价定义:定义4:在某时段和训练区域内,电磁环境信号的电平超过指定门限所占用的频带与作战频段的比值。由此可见,要想计算频谱占用度,需要确定某时段、训练区域、电磁环境信号的电平、指定门限、信号频带和作战频段等6个变量。其中,训练区域、某时段和作战频段由用户设置,指定门限由设置的作战频段对应确定,基于监测信息的频谱占用度按下式计算:FΟ=Δffe-fs(3)FO=Δffe−fs(3)其中:Δf=|n∪i=1{[fsi,fei]∩[fs,fe]}|ti∈[ts,te]且Ai≥A0(4)Δf=∣∣∣∪i=1n{[fsi,fei]∩[fs,fe]}∣∣∣ti∈[ts,te]且Ai≥A0(4)式中:FO为频谱占用度;Δf为满足条件的信号频带;fe为作战频段上限;fs为作战频段下限;n为监测到的信号频点数;fsi为第i个频点信号的起始频率;fei为第i个频点信号的结束频率;ti为第i个频点信号出现的时刻;ts为某个时段的时间下限;te为某个时段的时间上限;Ai为第i个频点信号的电平;A0为作战频段[fs,fe]对应的电平门限,其值随频段变化。3.3确定参数选取文献中,空间覆盖率的定义是这样的:定义5:在一定时间和频段范围内,电磁环境信号功率密度谱平均值超过指定电磁环境门限所占用的空间范围与作战空间范围的比值。基于同样的考虑,我们给出空间覆盖率的等价定义:定义6:在某时段和某频段范围内,电磁环境信号的电平超过指定门限所出现的信号数与信号总数的比值。由此可见,要想计算空间覆盖率,需要确定某时段、某频段、电磁环境信号的电平、指定门限、满足条件的信号数和信号总数等6个变量。其中,某时段和某频段由用户设置,指定门限由设置的作战频段对应确定,基于监测信息的空间覆盖率按下式计算:SΟ=mn(5)SO=mn(5)其中:m=n∑i=1U(Ai≥A0)m=∑i=1nU(Ai≥A0)ti∈[ts,te]ti∈[ts,te]且fi∈[fs,fe](6)fi∈[fs,fe](6)式中:SO为空间覆盖率;m为满足条件的信号频点数;n为监测到的信号频点总数;U表示阶跃函数;Ai为第i个频点信号的电平;A0为作战频段[fs,fe]对应的电平门限,其值随频段变化;ti为第i个频点信号出现的时刻;ts为某个时段的时间下限;te为某个时段的时间上限;fi为第i个频点信号的频率;fe为作战频段上限;fs为作战频段下限。3.4功率密度谱的计算功率域准则指的是国际电联关于不同频段的电磁环境门限值的规定。电磁环境门限定义为:对在相应频段工作的电子设备产生一定干扰的电磁环境信号功率密度谱的最小值。国际电联关于噪声功率给出了计算公式:Pn=Fa+B-204dBW(7)其中:Fa=10logfa,B=10logb,fa根据曲线图查询,b为频段宽度。由上式可以推算出噪声功率密度谱,再加10dB作为电磁环境门限值。另外,场强与功率密度谱存在下述关系:S=E22η0b(8)式中:S为功率密度谱,单位W/m2Hz;E为场强,单位V/m;η0为自由空间波阻抗,单位Ω;b为信号带宽,单位Hz。3.5复杂等级划分依据计算出的时间占有度、频谱占用度和空间覆盖率,确定战场电磁环境的复杂度等级,具体由表1给出。4计算表格的方法4.1提取信号电平假设对指定训练地域监测,监测时段为ts～te,监测频段为fs～fe。为计算方便,取监测时段、频段中的10个时刻的10个频点数据(即信号电平,单位V/m,允许某时刻某频点没有数据),填入表2。电磁环境门限设为-30dBW。4.2计算方法设计计算表格如表3。(1)数据转换将表2中每个数据与电磁环境门限比较,若大于门限记为“1”,小于等于门限记为“0”,没有数据记为“—”,填写到表3中的对应单元格。(2)“0”总数量的比值将表3中数据按行统计,统计“1”的数量占“1”和“0”总数量的比值,将该比值填写到表3中列FOi对应行中;再将列FOi对应行中的数求算术平均,该值即为频谱占用度FO,将该值填写到表3的列FO中。(3)“0”总数量的比值将表3中数据按列统计,统计“1”的数量占“1”和“0”总数量的比值,将该比值填写到表3中行TOi对应列中;再将行TOi对应列中的数求算术平均,该值即为时间占有度TO,将该值填写到表3的行TO中。(4)计算空间覆盖率统计表3中“1”的数量占“1”和“0”总数量的比值,该值即为空间覆盖率SO,将该值填写到表3的右下角单元格中。(5)系统复杂度测试将表3中的FO列数值、TO行数值和右下角单元格数值按照表1进行复杂度分级,得到电磁环境复杂度值为0.276,复杂度等级为“轻度复杂”。5基于电磁环境监测信息