复杂电磁评估(郭静)

复杂电磁环境研究讲稿
院（系）名称：四院八队
姓名：郭静
学号：XS13042013
复杂电磁环境复杂度评估方法
1.1电磁环境的复杂性概述
未来战场上，电磁环境的复杂性已是一个公认的事实。

这种复杂性除了表现在诱因和结构上外，还表现在以下三个方面：
形态复杂。

一是无形无像。

电磁频谱产生于有形的物质实体，却表现为无形无象的电磁信号形式，如通信信号、雷达信号、光电信号、遥测信号等。

它们看不见、摸不着，但可以通过特定的仪器或器材被人们感知，并通过一定的技术手段和数据来加以侦别。

二是无界无疆。

电磁频谱可以依靠多种传播媒介和手段到达它想到达的地方，它能够翻山越岭，掠过大江小溪，也能够登高升天、下海入地，不受地界水界乃至国界的限制。

作战中，由各种军用、民用电子设备构成的战场电磁环境，自然噪声、电离层等现象构成的自然电磁环境，以及各种对抗造成的电磁环境，将会波及信息化战场空间的每一个角落。

三是无所不能。

美军野战条令明确指出：“频率和子弹一样重要”，信息化作战中，电磁频谱既是多元作战力量的“融合剂”，又是致敌错乱的“失能剂”，更是作战效能发挥的“催化剂”，夺取制电磁权成为战争制胜的基础。

影响复杂。

在时间上，从作战准备到实施，复杂电磁环境贯穿于作战的全过程；在空间上，从地面到空中直至太空，从水面到水下，复杂电磁环境渗透于战场每个角落；在指挥上，从兵力运用、火力打击到伪装防护和综合保障，都是在复杂电磁环境中实施；在频谱上，从微波到短波，从长波到超长波，电子对抗几乎涵盖现有电子设备所有频段。

可以肯定，复杂电磁环境不仅仅是通信、电子对抗领域电磁环境的复杂，更是侦获识别、态势感知、火力打击、综合保障等各领域电子信息系统共同作用于电磁环境，并在其全域并存、相互影响的复杂。

同时，复杂电磁环境还是一把“双刃剑”，其影响不仅作用于敌方，也制约已方作战效能的发挥。

管理复杂。

电磁频谱与环境是一维作战空间，也是一种作战资源，和其它作战空间不同的是它的开放性，它无形无像，无界无疆，也就是说在这一维空间里，军地、敌我的占领、使用是交叉交融的；作为一种作战资源，它又具有和其它武
器、弹药不同的共享性，谁都可以用，即使在同一个频段、甚至频点，只要是时间、空间上不冲突或技术上支持，也可以被多个用户同时使用；同时它又具有对抗性，在这一新的作战领域，围绕控制与反控制、利用与反利用，充满了斗争和对抗。

这三个特点决定了电磁频谱管理的复杂性，没有科学有效的管理，必然会导致不兼容、冲突、混乱，甚至产生内耗，致使信息设备无法正常工作，进而丧失作战主动权。

电磁环境具有一般复杂性和特殊复杂性两个方面的内涵。

其中,一般复杂性是用来定量描述特定空间上客观的、共同的、宏观的电磁环境特征,与空间上某个或某些特定的感受体无关;特定复杂性是指特定的个体和群体(一般指在某地域、某时间段的某个设备或某电子系统)所感受的电磁环境的影响程度,由其工作效能的下降推断出电磁环境复杂性的评价结论。

1.2 电磁环境的一般复杂性评估
描述或评估电磁环境,一定是在一定空间Ω、时间段[]12,t t 、频段范围[]12,f f 内来考虑,其中功率、频率、时间之间的关系如图1所示。

电磁环境辐射状况可用场强表示。

空间任意点的场强r E ,在进行时频表达之前,可得到其时变功率谱(),,S r t f 。

(),,S r t f 表示任一空间位置在任一时刻、频率、单位面积上在单位时间、单位带宽流过的电磁环境能量。

1) 空间覆盖率(SO )
空间覆盖率是指电磁环境的平均功率密度谱超过指定的电子系统抗扰度电平门限值0S 所占有的空间与电子系统工作空间范围的比值。

()()()2211021211
1,,f t f t SO U S r t f dfdt S dr V f f t t ΩΩ⎡⎤=
-⎢⎥--⎣⎦⎰⎰⎰ 式中: 1f 、2f 分别为己方可用频率资源的下限和上限值；1t 、2t 为作战起
止时间；Ω为作战空域；V Ω为作战空域体积；(),,S r t f 为电磁信号合成信号的时变功率谱密度；0S 为电子系统的抗扰度电平门限值；[]U *为阶跃函数,表示特定时间、频段范围内对应空间电磁辐射平均功率密度谱的所有可能值。

2） 频谱占有度( FO )
频谱占有度(FO )是指电磁环境的平均功率密度谱超过指定的电子系统抗扰度电平门限值0S 所占有的频带与电子系统可用频率资源的比值,表示在指定抗
扰度电平门限的情况下,可供电子系统使用的频率资源的多少。

()()()22110212111,,f t f t FO U S r t f drdt S df f f t t V ΩΩ⎡⎤=-⎢⎥--⎣⎦
⎰⎰⎰ 式中: []U *为阶跃函数,表示表示特定空间、时间范围内,对应频段电磁辐射平均功率密度谱的所有可能值。

频谱占用度高,表明可供电子设系统使用的频率资源就少,这时占用频率资源较高(工作带宽较宽)的电子设备,如频率捷变雷达或跳频、扩频电台将无法正常工作。

3）时间占有度(TO )
时间占有度( TO)是指电磁环境的平均功率密度谱超过指定的电子系统抗扰度电平门限值0S 所占有的时间与电子系统工作时间的比值,表示局部空间范围内,影响电子系统正常工作的背景电磁环境(干扰环境和噪声环境)所占用时间的多少。

()()()22110212111,,t f t f TO U S r t f drdf S dt t t V f f ΩΩ⎡⎤=-⎢⎥--⎣⎦
⎰⎰⎰ 式中: []U *为阶跃函数,表示特定空间、频段范围内,对应时间电磁辐射平均功率密度谱的所有可能值。

时间占用度大,表明电子系统可正常工作的时间就少。

4）平均功率密度谱( AP)
平均功率密度谱(AP)是指在一定工作时间段、工作空间和工作用频范围内,电磁环境的平均功率密度谱的大小。

平均功率密度谱AP 用于评价电磁环境在功率方面的强弱程度:
()()()22112121,,t f t f S r t f drdf dt
TO V t t f f ΩΩ=--⎰⎰⎰
上述四个基本评价变量一经确定,可利用表1中提供的评价标准描述电磁环境的一般复杂性。

1.3 电磁环境的特定复杂性评估
1.3.1 基于证据理论的复杂电磁环境评估
特定复杂性是指特定的个体和群体(一般指在某地域、某时间段的某个设备或某电子系统)所感受的电磁环境的影响程度。

根据工作效能下降程度i e 的不同取值,可以把电子系统i Q 受电磁环境影响的程度分为若干等级(表2) ,比如微度、轻度、中度、重度四个等级,记为,1,2,3,4j B j =
由于对电子系统工作效能下降的判断是一个定性过程,实际操作中往往采取专家打分法将其量化。

为避免由于专业素质,主观因素等造成较大的电磁环境复杂性划分误差,本文采用模糊数学中的证据理论将定性的问题巧妙地转化为定量描述,可以弥补专家打分法的不足,为电磁环境的特定复杂性判断提供一条新的思路。

这里先对证据理论做一个简单的介绍。

在DS 证据理论中，由互不相容的基本命题（假定）组成的完备集合称为识别框架，表示对某一问题的所有可能答案，但其中只有一个答案是正确的。

该框架的子集称为命题。

分配给各命题的信任程度称为基本概率分配（BPA ，也称m 函数），m(A)为基本可信数，反映着对A 的信度大小。

证据理论就是把来自不同信任源的多组证据的信任值综合考虑后进行重新分配，以得出更加合理的结论。

设1Bel 和1Bel 是同一识别框架U 上的两个信任函数, 1m 和2m 分别是其对应的基本概率赋值,则
K 的值指出了被组合的两个证据之间的相互冲突的程度，K=1时，证据组合后空集的mass 值为1，也就意味着两个证据是完全冲突的，这个时候不能用上式进行
证据组合；当K=0时，两个证据组合后没有空集，即两个证据是完全一致的；当 0<K<1时，表示两个证据部分一致。

表3给出了来自两个专家的不同意见及其组合情况,W 用来表示在电磁环境中受训部队的信息化武器装备和武器装备信息系统的效能可以正常发挥占用的比例；L 表示在电磁环境中完全失去效能的信息化武器装备和武器装备信息系统所占用的比例；P 表示在电磁环境中那部分可能正常发挥效能,也可能使用效能的信息化武器装备和武器装备信息系统所占用比例。

按照组合规则:
()()120.150.120.27=
i j i j A B K m A m A ⋂=∅=+=∑
综合后基本概率赋值:
m (W ) = (0. 20 + 0. 08 + 0. 15) / (1 - 0. 27) = 0. 589
m (L ) = (0. 09 + 0. 06 + 0. 09) / (1 - 0. 27) = 0. 328
m ( P) = 0. 06 / (1 - 0. 27) = 0. 083
综合后结果: W = 58. 9% , L = 32. 8% , P = 8. 3%。

可见,在该电磁环境下,电子信息系统正常发挥其效能的比例占到了58.9% ,无法发挥其效能的比例占到了32.8% ,有可能正常发挥的比例为8.3%。

综合专家1与专家2的意见得出判决:该电磁环境对于电子系统而言属于轻度复杂电磁环境。

若要求评估多个电子系统群共同感受到的电磁环境的特定复杂性,关键是要对群中所有个体的特定感受进行聚合。

事实上对于证据理论的组合规则应用是比较简单的，在实际问题中困扰我们的往往不是怎么样组合，而是如何对得到的战场数据中建立数学模型从而得到置
信函数并得到相应的mass值，从数据到证据的转化目前为止并没有一个明确的方法或体系，往往是要结合实际的工程问题的，所以上述的方法在真正作战时能否有用还有待考证，下面介绍的多元联系数的方法是基于战场实际环境给出的，更加具有实用价值。

1.3.2战场电磁环境复杂性定量评估
1. 多元联系数简介
1)联系数
实际作战中,作战效能指标理想值与实际值之间总存在着一定的联系,可将指标理想值和指标实际值看作一对具有某种联系的集合,那么这种存在联系的两个集合就称之为集对。

集对分析( Set Pair Analysis, 缩写SPA) 是一种研究两个或两个以上的事物同、异、反联系以及相互转化的系统数学方法, 其核心是将确定与不确定视为一个系统进行综合考察。

它将系统的确定性定义为“同一”和“对立”两个方面, 将不确定性定义为“差异”, 三者之间相互联系, 相互制约, 并在一定条件下可以相互转换。

集对分析的基本概念是集对与联系度。

集对联系度是指集对共有属性的相同、相异或相反的程度。

同异反联系数是同异反联系度的数值表示形式。

假设集对中2个集合有N个共有属性,其中它们相同属性有S个,相反属性有P个,那么既不相同也不相反而是相异的属性F就有
N-S-P个。

可以定义:
相同属性联系度(同一度) : A = S/ N；
相异属性联系度(差异度) : B = F/ N；
相反属性联系度(对立度) : C = P/ N；
同异反联系数: U = A + Bi + Cj 。

式中, i为差异标记符号, 其在[- 1, 1] 之间取值；j 为对立标记符号, 规定取值为- 1; 并且A、B、C满足归一化条件A+ B+ C= 1。

2) 多元联系数
多元联系数是根据同异反联系数U = A +Bi + Cj 在Bi 项上的展开式：
1122=+n n U A B i B i B i Cj ++++,从而引伸得到的一种具有层次结构的函数。

取n = 3 ,得5元联系数112233=+U A B i B i B i Cj +++。

为了应用方便,多元联系数可写成形式: U = A + Bi + Cj + Dk + El 。

参照同异反联系数联系分量的概念,多元联 系数中的A 、B 、C 、D 、E 仍称为联系分量,与联系分量相应的i 、j 、k 、l 称为联系分量系数。

通常多元联系数中末项的联系分量系数恒取-1 ,多元联系数 的首项系数取1 ,因此,该项始终为正值；其余各项的系数i 、j 、k 、l 则视不同情况在[ - 1 ,1 ]区间内取不同的值,取值原则分别有“比例取值”、“邻近取值”和“均分取值”以及仅作为分层标记使用等。

若令M = A + B + C + D + E ,将其去除多元联系数等式两边,可得:
U A B C D E i j k l M M M M M M
=++++ ,,,,,U A B C D E u a b c d e M M M M M M
======令，则联系分量满足归一化的5元联系数可记为:u = a + bi + cj + dk + el 。

五元联系数中a, b, c, d, e 一般大小不等, 所以多元联系数是一种具有层次结构的函数, 事实上刻画了被描述对象彼此之间的联系、制约以及相互转化的关系, 值的大小决定和包含了决策评价结果信息的全部。

2．战场电磁环境复杂性综合评估多元联系数模型
战场电磁环境复杂性综合评估的原理是:战场电磁环境的复杂性有其客观性的一面,主要表现在电子装备部署密集、电磁信号密度大、信号样式复杂多样、自然环境变化异常等。

但对战场电磁环境复杂性的评估更主要体现在其主观性。

各个作战部队和指挥机关可以初步评估自身的作战效能,在此基础上将各个作战实体的作战效能指标聚合,得到整个作战行动作战效能的发挥程度。

效能发挥得好,战场电磁环境就不复杂;发挥得不好,则战场电磁环境就复杂。

在此将陆军、空军、海军和信息作战部队作为作战实体,以其在作战中效能的发挥来对战场电
磁环境进行复杂性评估,评估指标有6 个:指挥控制能力、预警探测和监视能力、电子侦察能力、电子进攻能力、电子防御能力和电磁兼容能力。

可根据具体情况将评估指标分为好、较好、中等、较差和差5种状态。

(1) 指挥控制能力主要包括指挥人员对战场情况的掌握程度、指挥人员自身的指挥素质和修养、指挥自动化程度、参谋群体的辅助决策作用、指挥员战略战术的有效性和指挥所与所属部队上传下达的通信畅通能力等;
(2) 预警探测和监视能力主要是指通过地面雷达组网、舰载雷达组网、机载雷达组网和通过地面、海上、空中和卫星等电子对抗侦察手段等组成有源与无源协同侦察的空情感知能力和战场监视能力等;
(3) 电子侦察能力主要包括地面、海上、空中和卫星等电子对抗侦察手段对电磁信号的截获、分选、识别及敌我判别能力等;
(4) 电子进攻能力主要包括电子软杀伤能力(以电子干扰为主) 和硬摧毁能力(以反辐射导弹为主) 等;
(5) 电子防御能力是指采用空域、时域、频域等防护措施使我方电子设备免遭敌方电子进攻手段杀伤和摧毁的能力;
(6) 电磁兼容能力是各军兵种在现代战场电磁环境中的频域管理能力、空域管理能力和能量域管理能力等。

对每一个指标可采用指数法近似得到一个用正实数表示的值,将此数与其最理想状态时的值相除进行归一化处理,从而得到该指标所处的状态。

因此,战场电磁环境复杂性综合评估多元联系数模型可表示为:
[]11111 22222
1234
33333
444441
**
== ME
a b c d e
i
a b c d e
w w w w j
a b c d e
k
a b c d e
l
μ
⎡⎤
⎡⎤⎢⎥
⎢⎥⎢⎥
⎢⎥⎢⎥
⎢⎥⎢⎥
⎢⎥⎢⎥
⎣⎦⎢⎥
⎣⎦W E C
模型中,W = ( w1 , w2 , w3 , w4) 为权系数向量；E为集对多元测度评估矩阵；C 联系分量系数矩阵。

其中权系数向量表征了陆军、海军、空军和信息作战部队在
作战中所“扮演角色”的比重值,哪个军种或部队参战的兵力种类和数量多、担负的任务重,那么,它所占的比重就大。

比如电子防空作战中,陆军和信息作战部队所占的比重较大,相应地其权重值就比较大;在空中进攻作战中,空军和信息作战部队所占的比重较大,其权重值也就比较大。

3．战场电磁环境复杂性综合评估方法步骤
以上是战场电磁环境复杂性综合评估的理论基础和模型,下面给出其分析步骤:
第一步:将各作战能力发挥程度描述指标分成“好、较好、中等、较差和差”5等级划分,并相应地将战场电磁环境复杂度分为“不复杂、一般复杂、中度复杂、较复杂和极其复杂”5个等级,故用5元联系数,其中A ( a) 、B ( b) 、C ( c) 、D ( d) 、E( e) 分别表示好、较好、中等、较差、差的测度,具体使用时需将其进行归一化处理。

第二步:利用战场电磁环境复杂性综合评估多元联系数模型,可得各作战实
体的[ A B C D E]综合评估结果5元联系数模型表示式。

第三步:根据“均分原则”确定5元联系数的联系分量取值并计算联系数的值。

根据集对分析方法对联系数μ= a + bi + cj 的规定, j = -1 , i在[ - 1 ,1 ]之间
视不同情况取值,把联系数扩展到5元联系数μ= a + bi + cj + dk + el后, l = - 1 , i、j 、k 则在[ - 1 ,1 ]区间内取值。

“均分原则”是指i 、j 、k 的取值应位于
区间[ - 1 ,1 ]的三个四等分处,区间长度为2 ,四等分该区间,则得四个子区间: [ -
1 , - 0. 5 ] , [ - 0. 5 ,0 ] , [ 0 ,0. 5 ]和[ 0. 5 ,1 ] ,也就是说, i取值为0.5 , j取值为0, k取值为-0.5。

因此,由第二步得到的5元联系数模型表示式可转化为联系数值。

第四步:根据“均分原则”确定作战能力综合评估“好、较好、中等、较差、差”(对应于战场电磁环境复杂度的“不复杂、一般复杂、中度复杂、较复杂和极其复杂”) 的联系数的取值范围(即确定战场电磁环境的复杂度) ,同时给出战场电磁环境复杂程度的描述。

由于归一化的联系数μ的取值范围限制在区间[ -
1 ,1 ] 内,用“均分原则”确定“好、较好、中等、较差、差”的联系数范围,可将区间[ - 1 ,1 ]均分成5 个子区间,即[ - 1 , - 0. 6 ] , [ - 0. 6 , - 0.
2 ] , [ - 0. 2 ,0. 2 ] ,
[ 0. 2 ,0. 6 ] , [ 0. 6 ,1 ] ,它们分别对应于作战能力“差、较差、中等、较好、好”(对应于战场电磁环境复杂性“极其复杂、较复杂、中度复杂、一般复杂、不复杂”) 5个等级。

由此可以给出战场电磁环境复杂程度的描述。

4．应用实例
例:对空中进攻作战行动的战场电磁环境进行复杂性评估。

参战主体包括空军( P1) 、信息作战部队( P2) 、海军( P3) 和陆军( P4) ,按照其参战的兵种类型和数量以及担负的任务设置其权重系数,分别为空军w1 = 0.45 ,信息作战部队w2 =0.3 ,海军w3 = 0.15 ,陆军w4 = 0.1。

评估指标有6项: I1 = 指挥控制能力, I2 = 预警探测和监视能力, I3 = 电子侦察能力, I4 = 电子进攻能力, I5 = 电子防御能力, I6 = 电磁兼容能力,采用“好、较好、中等、较差、差”对每个参战主体的各个指标作出评估,评估结果如表1所示。

根据上表可得对作战能力的总体评估结果5元联系数:
[]120
003311
11106
266**0.450.30.150.111100623111006230.050.34170.4750.10.0333==+ME i j k l i j k l μ⎡⎤⎢⎥⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎣
⎦
≈+++W E C 由以上分析可知, i = 0. 5 , j = 0 , k = - 0. 5 ,l = - 1代入得联系数值:
μ≈0. 05 +
0. 3417 ×0. 5 + 0. 475 ×0 + 0. 1 ×( - 0. 5) + 0. 0333 ×( - 1) = 0. 13755 根据第四步中的定级标准可知:该联系数值所表示的作战能力的综合评估为中等,即战场电磁
环境的复杂程度为中等复杂。

1.4小结
战场态势瞬息万变,作战双方的战略战术也会随之发生变化,战场电磁环境
也相应地会呈现出不同的态势。

所以战场发杂电磁环境的评估是一个很困难的事，我们只有结合实际作战的情况，灵活的应用多种方法（例如本文未提到的BP神经元网络法、基于云理论和粗集的方法等）经行评估，才有可能得到一个适当的电磁环境复杂程度的描述值，从而制定正确的战略战术，达到预期的作战指标。