航空机载超短波电台效能评估研究

作为效能评估指标，综合利用 ADC 法、层次分析法和云理论建立了航空机载超短波电台效能评估模型。对模型中的各指标分
类进行归一化处理，并基于云模型确定各层指标之间的隶属度函数，实现了建立有效评估机载超短波电台效能模型的目标。
【关键词】通信；超短波；效能评估；云模型
【中图分类号】TP302.7
【文献标识码】A
超短波电台效能
可用性
可信性
固有能力
备 件 数 量
机 内 自 检
模 块 化 设 无扰
控
故能
制
障力
能
时
力
间
频波 率道 范数 围
预 置灵 波敏 道度 数
发 射 功 率
波收 道发 转转 换换 时时
工 作 方 式
间间
2.1 指标的归一化
图 1 超短波电台效能模型 “熵（Entropy）”； He 是“熵”值所服从的正态分布的 σ 值，
⎛ ⎜
En1
⎞2 ⎟
+
⎛ ⎜
En 2
⎞2 ⎟
；
⎝ Ex1 ⎠ ⎝ Ex2 ⎠
He = Ex1Ex2 ×
⎛ ⎜
H e1
⎞2 ⎟
+
⎛ ⎜
He2
⎞2 ⎟
;
⎝ Ex1 ⎠ ⎝ Ex2 ⎠
其加法运算可表示为：
Ex = Ex1 + Ex2 ； En =
En21 + En22 ； He =
H
2 e1
+
H
2 e2
。
【Key words】communication；VHF；effectiveness evaluation；cloud model
0 引言
超短波电台是航空通信、作战指挥的重要设备，主要用于 飞机与地面台站、飞机与飞机之间的双向话音和数据通信联 络[1]。自二战中期英国战斗机装备的 VHF 4 频道电台开创地空 通信使用超短波频段的先河，上世纪 60 年代美国空军装备了 AN/ARC-164UHF 单频段标准通用电台，到了 80 年代，美国研 制的 AN/ARC-182 4 频段机载电台以及覆盖了陆海空三军战术 电台使用的工作频段，当前为了实现三军协同通信，多频段、 多功能和一机多用的软件无线电成为机载电台追求的目标。
具备云的正向、逆向生成算法和云的加权和算法以后，
就可以利用云模型理论对超短波电台进行效能的评估。
3 评估算例
选取四种超短波电台，对图1中“可用性”指标及所属 下级指标进行计算。专家对四个指标“备件数量”、“机内自 检”、“模块化设计”、“兼容能力”的权重分别赋值为“0.2”、 “0.2”、“0.4”、“0.2”（某一指标的下级指标集权重和为1）， 将其转换为云的数字特征，同样，专家对其中一个电台给出 评价语，转换为云数字特征如表1所示。
为了充分评估航空通信系统的效能[2-4]，建立准确反映通 信设备效能的评估体系是评估效能的基础和关键，以机载超 短波电台为例建立评估模型是本文研究的重点。
1 评估指标
影响超短波电台效能的因素包括：频率范围、波道数、
收稿日期：2009-04-14。 作者简介：史彦斌（1980-），男，博士研究生，讲师，主要研究方向为
2010 年第 02 期，第 43 卷 总第 218 期
通信技术 Communications Technology
Vol.43，No.02,2010 No.218,Totally
航空机载超短波电台效能评估研究
史彦斌， 高宪军
(空军航空大学 电子工程系，吉林 长春 130022)
【摘 要】通信效能是军事通信装备通信能力的有效度量。以机载超短波电台为评价对象，选择具有代表性的指标体系
所属元素满足的正态分布的 σ 值参数的中心值，因此它可以 用来衡量定性概念模糊程度，并且由于正态分布的“3σ”性， 所以它可以用来作为定性概念可被接受的数值范围，称之为
同理，权值也可采用云模型来确定，不同的是权值一般 采用九标度法，也就是将［0，1］区间化为九个标度，即 0.1， 0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，表示的重要程 度依次递增，重要性也可以通过熵值的确定予以调整，下页 图 4 所示为权值的云图。 2.4 云的四则运算
【Abstract】The effectiveness is the most virtual measure of military communication equipment. By taking the airborne VHF radio as the evaluation target, choosing the representative index system as the effectiveness index, and comprehensively using ADC law, analytic hierarchy process and cloud theory, the effectiveness evaluation model of airborne VHF radio is established. The index in model is normalized, and the degree of membership between the indexes based on the cloud theory determined. And the goal for establishing airborne VHF radio evaluation model is finally achieved.
( ) ⎧⎪1 − ⎡⎣ xiL − xij ηi ⎤⎦ ,(xij < xiL ),
对于区间型指标： yij = ⎪⎨1,(xij ∈ ⎡⎣ xiL , xiU ⎤⎦),
( ) ⎪
⎪⎩1 − ⎡⎣ xij − xiU ηi ⎤⎦ , (xij > xiU ), 其中， i = 1, 2,", m （ m 为指标数）， j = 1, 2,", n （ n 为待评
指标
权重值
权重云
评价云
备件数量
0.2
(0.2, 0.04, 0.005) (0.9, 0.04, 0.005)
机内自检
0.2
(0.2, 0.02, 0.005) (0.4, 0.02, 0.005)
模块化设计
0.4
(0.4, 0.08, 0.005) (0.3, 0.02, 0.005)
兼容能力
0.2
无量纲化方法的确定应根据指标类型、实际问题特点以及 它反映了“熵”的不确定性，体现了云的离散程度，称之为
决策者的要求进行，一般评估指标可分为效益型（如波道转换 时间、收发转换时间等）、成本型（如电台质量、电台体积等）、
“超熵（Hyper Entropy）”，反映云厚度变化规律的方差服从 两个半正态分布。通过 (Ex , En , He ) 的定义，就可以用“云”
(0.2, 0.02, 0.005) (0.2, 0.01, 0.005)
根据上述数值和云的加权和运算方法，通过计算可以得
出，图1所示的评价体系中对于某种电台在四种电台中，“可
用性”指标的云数字特征为：(0.42, 0.0458, 0.0058) ，其云
图如图5所示。
图 3 定性描述向定量描述转换的云图
云的四则运算是将基云向虚云转换的算法[8-9]。所谓虚云 是指将已给定的某些云的数字特征进行某种运算，得到新的
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数字特征所构造的云。这些给定的、用来计算虚云的云称为 基云。因为在机载超短波电台效能的评估研究中，只用到加 权和算法，所以这里只介绍云的加法和乘法。
表1 “可用性”下级指标评价权重及评价值的云
【文章编号】1002-0802(2010)02-0051-03
Effectiveness Evaluation of the Airborne VHF Radio
SHI Yan-bin, GAO Xian-jun
(Department of Aviation Electronic Engineering, Aviation University of Air Force, Changchun Jilin 130022, China)
根据 WSEIAC 评价武器系统使用的 ADC 法[5]对上述指 标进行分类。电台的可用性描述其在开始工作时所处的状 态，即是否能正常工作，它受电台的可靠性、维修性、测试 性、人为因素以及保障资源的影响；电台的可信性描述电台 在工作时所处的状态，即能否连续工作，它受电台的任务可 靠性、任务维修性、安全性和生存性等因素的影响；电台的 固有能力描述在规定的内在条件下，满足设计指标的能力。 根据上述描述建立如下页图 1 所示的评估模型。
航空系统理论与应用及复杂系统建模、仿真与性能评估；高 宪军（1965-），男，博士，教授，主要研究方向为航空通信 导航系统。
工作方式、通信距离、数据率、接收机灵敏度、发射功率、 波道转换时间、收发转换时间等性能指标；其次还包括可 维护性指标，包括是否采用模块化设计、是否具有机内自 检；另外采用的设计方案对效能也有重要影响，如采用高 中频二次变频技术方案对提高电台的抗干扰能力有重要 作用。
固定型（越接近于某个固定值越好型，如备件数量等）和区间 来表示定性概念的自然语言值。
型（在某个固定区间范围内为好型，如频率范围等）等 4 种[6]。 若将所有指标 fi (i = 1, 2,", m) 的下标组成的集合记为指
标集 Φ = {1, 2,", m} ， xij 为原指标值， yij 为归一化值，无量
纲化方法可按照如下方法进行： 对于效益型指标： yij = xij max xij ； 对于成本型指标： yij = min xij xij ；
对于固定型指标：
{ yij
=
⎧⎪1, (xij = ⎨ ⎪⎩1 − xij
xi* ), − xi*
( )} max
1≤ j ≤n
xij − xi*
,(xij ≠ xi*);
对象数）；xi* 为固定性指标事先给定的第 i 个指标的最优值，； 闭区间 ⎡⎣xiL , xiU ⎤⎦ 为区间型指标给定的第 i 个指标的最佳区间 值，且 ηi = max(xiL − min xij , max xij − xiu ) 。
2.2 指标的定性——定量转换
图 2 正态云模型及其数字特征 根据人自然语言的习惯，定性描述事物的性能一般用五 标度法，即“好”，“较好”，“一般”，“较差”和“差”。利用 云模型表示这五个表述，期望值 Ex 可分别取为：1，0.75，0.5， 0.25，0；这样的区分方法过于粗略，可以通过熵值的确定予 以调整，在这里将熵值取得较大，因为期望值之间相差为 0.25，所以熵值均取为 0.04，这样云滴就可以涵盖整个［0， 1］区间；超熵值均取为 0.005，其云图如下页图 3 所示。 2.3 权值的数量化确定
图 5 “可用性”指标云图
图 4 九标度法表示的权值云图 假 设 存 在 着 给 定 论 域 上 的 云 C1(Ex1, En1, He1) 、 C2 (Ex2 , En2 , He2 ) ，C1 和 C2 算术运算的结果为 C(Ex , En , He ) 。
则其乘法运算可表示为：
Ex = Ex1 × Ex2 ； En = Ex1Ex2 ×
2 指标量化及权值计算
如下页图 1 所示，所建立的超短波电台效能评估模型属 于多指标评估问题，多指标评估的一个显著特点是指标没有 统一的度量标准，其原始数据取值范围和度量单位各不相
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同，无法进行相互比较。因此，对于一个已知指标属性值的 取值范围内。在评估模型中，大部分指标有着明确的数值， 多指标评估问题，在确定指标权重及进行综合评估之前，必 对这些值可以利用归一化的方法将其统一为无量纲、分布在 须对指标属性值进行无量纲化处理(规范化或标准化)，其实 [0,1]空间的数。但是也有部分指标只能用定性的方法用语 质是利用一定的数学变换把量纲、性质各异的属性值转化为 言来描述，如电台的“自动控制能力”、“兼容能力”等，这 可以综合处理的“量化值”，一般是把各属性值统一变换到 样的指标可以利用“云模型”来进行定性向定量的良好转换。
指标的定性——定量转换采用正态云[7]完成。正态云数 学模型通常表示为 (Ex , En , He ) ，如图 2 所示。
图 2 中 Ex 是定性概念的期望值（Expected Value），可
以理解成中心值或者理想值，它其实就是“云”的分布中心， 反映模糊概念云的期望曲线服从正态分布； En 是定性概念