基于模糊綜合評(píng)價(jià)的衛(wèi)星干擾效果評(píng)估

張?jiān)孪?楊瑞琪 張玉宣

(北京信息科技大學(xué) 北京 100101)

基于模糊綜合評(píng)價(jià)的衛(wèi)星干擾效果評(píng)估

張?jiān)孪?楊瑞琪 張玉宣

(北京信息科技大學(xué) 北京 100101)

針對(duì)通信對(duì)抗中的衛(wèi)星干擾效果評(píng)估問題，提出了一種基于模糊綜合評(píng)價(jià)的衛(wèi)星干擾效果評(píng)估方法，該方法以模糊綜合評(píng)價(jià)模型為核心，選取主要干擾因素構(gòu)建因素集，結(jié)合權(quán)重集通過模糊合成計(jì)算出評(píng)價(jià)集，在對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析的同時(shí)整合了所有指標(biāo)的分析結(jié)果，系統(tǒng)性地對(duì)干擾效果進(jìn)行評(píng)估。仿真結(jié)果表明該方法可以得到一個(gè)較為全面、準(zhǔn)確的評(píng)估結(jié)果。

模糊綜合評(píng)價(jià)；干擾效果；評(píng)估

Abstract: Aiming at effect evaluation issue of satellite jamming in communication countermeasure, a satellite jamming effect evaluation method based on fuzzy comprehensive evaluation is proposed, which takes fuzzy comprehensive evaluation as core to compose factor set by selecting main jamming factor and calculate evaluation set by fuzzy synthesizing and combining weight set. Analysis results of all indexes are integrated while analyzing each evaluation index to evaluate the jamming effect systematically. The simulated result shows that using this method can achieve a comprehensive and accurate evaluation result.

Keywords：fuzzy comprehensive evaluation; jamming effect; evaluation

0 引言

衛(wèi)星干擾效果是衡量通信對(duì)抗與電子戰(zhàn)效果的一項(xiàng)重要指標(biāo)，對(duì)衛(wèi)星干擾效果的評(píng)估成為了通信對(duì)抗中的一個(gè)重要問題。在通信對(duì)抗中為了削弱敵方衛(wèi)星通信系統(tǒng)，需要對(duì)使用衛(wèi)星導(dǎo)航的目標(biāo)進(jìn)行有效的干擾，而掌握實(shí)際的干擾效果有助于戰(zhàn)略決策與戰(zhàn)術(shù)的制定，因此對(duì)衛(wèi)星干擾效果的評(píng)估具有重要的意義。

目前在衛(wèi)星干擾效果評(píng)估方面的研究主要有選取誤碼率與呼叫被清除概率作為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則衡量干擾效果、依據(jù)誤碼率對(duì)干擾效果進(jìn)行定量計(jì)算、構(gòu)建評(píng)估指標(biāo)體系等方法。趙海燕等[1]使用誤碼率與呼叫被清除概率作為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則來評(píng)估低軌衛(wèi)星通信對(duì)抗的干擾效果，博遠(yuǎn)等[2]依據(jù)誤碼率指標(biāo)對(duì)干擾效果進(jìn)行定量計(jì)算通過劃分的評(píng)估等級(jí)分析來得出結(jié)論，王淵等[3]以導(dǎo)航接收機(jī)信號(hào)處理的不同層次構(gòu)建的干擾效果評(píng)估指標(biāo)體系，其中以信息、功率、概率與效率準(zhǔn)則作為體系中選擇的標(biāo)準(zhǔn)。這些方法選取不同的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則與因素進(jìn)行評(píng)估，雖然可以有效的對(duì)干擾效果進(jìn)行評(píng)估，但都是對(duì)每個(gè)因素分別進(jìn)行分析計(jì)算得出結(jié)論，沒有一個(gè)全面、系統(tǒng)性的評(píng)估結(jié)果。

本文通過分析衛(wèi)星干擾中的主要影響因素，結(jié)合模糊數(shù)學(xué)理論，提出了一種基于模糊綜合評(píng)價(jià)的衛(wèi)星干擾效果評(píng)估方法，該方法以模糊綜合評(píng)價(jià)模型為核心，選擇衛(wèi)星干擾中的主要干擾因素組成因素集，并設(shè)定合適的權(quán)重集，構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)模型。仿真結(jié)果表明該方法所得出的結(jié)果可以較為準(zhǔn)確與全面的評(píng)估衛(wèi)星干擾中的干擾效果。

1 模糊綜合評(píng)價(jià)法

模糊綜合評(píng)價(jià)法是模糊數(shù)學(xué)中的一種具體應(yīng)用方法，針對(duì)受多個(gè)因素影響的事物做出全面評(píng)價(jià)。該方法所評(píng)價(jià)的結(jié)果綜合性較強(qiáng)，考慮了問題的各個(gè)因素，適合解決不確定性、模糊的問題[4]，因此可以使用它來進(jìn)行衛(wèi)星干擾效果評(píng)估這一具有模糊性特點(diǎn)的問題。

采用模糊綜合評(píng)價(jià)法的衛(wèi)星干擾效果評(píng)估步驟：

a)選取模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)：通過分析對(duì)干擾效果有影響的因素后進(jìn)行篩選，選擇較為重要的影響因素建立對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)。

b)設(shè)定權(quán)重集：通過實(shí)際干擾效果測試經(jīng)驗(yàn)法構(gòu)建權(quán)重向量。

c)構(gòu)建評(píng)價(jià)集：通過各指標(biāo)的隸屬函數(shù)與權(quán)重集，構(gòu)建評(píng)價(jià)集，通過模糊關(guān)系合成得出評(píng)估結(jié)果。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

在衛(wèi)星干擾中有多種影響衛(wèi)星干擾效果的因素，在分析時(shí)無法涵蓋所有的因素，需要選取影響較大的因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。郝東方[5]分析了衛(wèi)星導(dǎo)航干擾效果評(píng)估中常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)，在構(gòu)建實(shí)際模型的因素集時(shí)需要在多個(gè)指標(biāo)中篩選出作用相對(duì)明顯、完備的指標(biāo)。結(jié)合衛(wèi)星干擾效果評(píng)估的問題，經(jīng)過分析與篩選，本文選取干擾頻率、干擾功率、干信比偏移和干擾樣式作為干擾效果的評(píng)估指標(biāo)。

2.1 干擾頻率

工作頻率與帶寬是衛(wèi)星的重要指標(biāo)，針對(duì)衛(wèi)星干擾需要對(duì)多個(gè)頻段進(jìn)行瞄準(zhǔn)，在干擾時(shí)中心頻偏越小對(duì)衛(wèi)星接收機(jī)的干擾能量就越大，干擾的效果就越好，反之越差。

a)單模干擾

覆蓋度為0，衛(wèi)星頻率范圍完全包含干擾機(jī)頻率范圍時(shí)即

覆蓋度為1，半包含時(shí)即

覆蓋度為0，干擾機(jī)頻率范圍完全包含衛(wèi)星頻率范圍時(shí)即

覆蓋度為1，半包含時(shí)即

b)多模干擾

多模干擾的工作原理較為復(fù)雜，以典型的壓制式干擾[8]為基礎(chǔ)進(jìn)行多模干擾的干擾頻率分析。假設(shè)干擾機(jī)工作帶寬為Bm′(m=1，2，3...)，中心頻率為fm′(m=1，2，3...)，衛(wèi)星的工作帶寬為Bn(n=1，2，3...)，中心頻率為fn。干擾頻率帶寬的覆蓋程度記為Cf。多模干擾有兩種方式：瞄準(zhǔn)式干擾與半瞄準(zhǔn)式干擾[6]。

瞄準(zhǔn)式干擾：干擾頻段較窄，功率集中。干擾的頻譜寬度與壓制信號(hào)的頻譜寬度相當(dāng)，一般為1.5～2倍，即

在沒有頻譜混疊的情況下頻率覆蓋度為1。

半瞄準(zhǔn)式干擾：干擾頻段較寬，功率不集中。干擾的頻譜寬度比壓制信號(hào)的頻譜寬度寬一些，即

一般在某些短時(shí)間出現(xiàn)的通信信號(hào)的場合使用。頻譜重合的部分越多，則頻率覆蓋度越大。

基于上面的分析，可以采用頻率覆蓋率來表示干擾頻率因素的隸屬函數(shù)，定義頻率因數(shù)的隸屬函數(shù)，記為Ef。若干擾信與被壓制信號(hào)的頻譜重疊的部分為Bc，衛(wèi)星的頻帶數(shù)為k，則

(1)

2.2 干擾功率

干擾功率是描述衛(wèi)星干擾性能中的一個(gè)主要因素，將實(shí)際的干擾功率與接收靈敏度相比較來評(píng)估干擾效果。當(dāng)干擾功率大于接收靈敏度時(shí)，則對(duì)衛(wèi)星信號(hào)有明顯的干擾效果，反之則沒有干擾效果，因此可用兩者的大小關(guān)系來表示評(píng)估結(jié)果。

接收靈敏度的計(jì)算公式為：

S=10lg(KTB)+NF+SNR

(2)

式(2)中，S為接收靈敏度，單位是dBm；K為波爾茲曼常數(shù)，單位是J/K；T為絕對(duì)溫度，單位是K；KT就是在當(dāng)前溫度下每Hz的熱噪聲功率；B表示信號(hào)帶寬，單位是Hz；KTB代表帶寬范圍內(nèi)的熱噪聲功率；NF表示系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，單位是dB；SNR表示解調(diào)所需的最小信噪比，單位是dB。

若干擾機(jī)發(fā)出的全向輻射功率為P(dBw)，則干擾功率Pri(dBw)為：

Pri=P-L

(3)

其中，L為干擾目標(biāo)與干擾源之間的路徑損耗，單位為dB。

自由空間中電磁波傳播損耗計(jì)算公式為：

L=32.44+20lgd+20lgf

(4)

其中，d為干擾目標(biāo)與干擾機(jī)之間的距離，單位是km，f為干擾機(jī)發(fā)射信號(hào)頻率，單位是MHz。

根據(jù)上面的分析定義出用來表示干擾功率因素的隸屬函數(shù)，記為Ep。

(5)

2.3 誤碼率影響因子

誤碼率是評(píng)估信號(hào)完整性的一個(gè)重要指標(biāo)。誤碼率影響因子是指目標(biāo)在未受到干擾和受到干擾的情況下誤碼率的差值與受到干擾情況下誤碼率的比值。

在接收機(jī)正常工作后，連續(xù)記錄一段時(shí)間的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得誤碼率Qa。加入干擾信號(hào)，采用與上述相同的方法，統(tǒng)計(jì)得到誤碼率Qb。

根據(jù)上述分析定義出用來表示誤碼率影響因子的隸屬函數(shù)，記為Er。

(6)

2.4 干擾樣式

干擾樣式對(duì)干擾與抗干擾的對(duì)抗效果有較大影響，干擾目標(biāo)采取的抗干擾措施對(duì)干擾機(jī)來說是未知的，同樣干擾機(jī)采用何種干擾樣式對(duì)于干擾目標(biāo)也會(huì)未知的，這實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)博弈的過程，曾勇[7]就采用了博弈論構(gòu)建策略矩陣進(jìn)行干擾效果評(píng)估。

運(yùn)用博弈論的相關(guān)理論，假設(shè)某干擾機(jī)與干擾目標(biāo)為局中人，記為J和T，干擾機(jī)具有m種干擾樣式，則其純策略空間為SJ=(J1，J2，...，Jm)，干擾目標(biāo)具有n種抗干擾措施，則其純策略空間為ST=(T1，T2，...，Tn)，用Rij表示當(dāng)干擾機(jī)采用第i種干擾樣式同時(shí)衛(wèi)星采用第j種抗干擾樣式時(shí)的干擾效果[8]?？啥xR為得益矩陣：

R=[Rij]m×n

(7)

采用樂觀系數(shù)法求解此矩陣，設(shè)α為樂觀系數(shù)，Ci為第i種干擾方式的加權(quán)平均收益，則：

Ci=αmax(Ri)+(1-α)min(Ri)

(8)

取Ci中最大值為決策者的目標(biāo)值干擾樣式的隸屬函數(shù)Eg為：

Eg=max(C)

(9)

3 模糊綜合評(píng)價(jià)模型

模糊綜合評(píng)價(jià)模型主要有三個(gè)部分：因素集、權(quán)重集和評(píng)價(jià)集[9-10]。

其中，因素集中的元素為之前所選取的影響衛(wèi)星干擾效果的因素，可用模糊集的向量表示法表示為：

U={u1，u2，u3，u4，u5}

(10)

對(duì)于權(quán)重集，可以記為：

A={a1，a2，a3，a4，a5}

(11)

評(píng)價(jià)集由因素集與權(quán)重集進(jìn)行模糊合成運(yùn)算得出，記為：

V={v|0≤v≤1}

(12)

在模糊綜合評(píng)價(jià)中，一般使用最大最小法進(jìn)行因素集與權(quán)重集之間的合成運(yùn)算，即M(∧，∨)，則模糊集U與A的合成運(yùn)算可表示為：

U°A=∨(U∧A)

(13)

但這種運(yùn)算得到的結(jié)果會(huì)忽略部分信息，造成分析結(jié)果的片面，因此需要適當(dāng)修改合成方法。

由于在衛(wèi)星干擾效果評(píng)估中，干擾因素都是在實(shí)際衛(wèi)星干擾中主要的影響因素中選取的，均對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果有較大影響，為了獲得較為準(zhǔn)確、全面的分析結(jié)果，采用加權(quán)平均型的M(?，+)方法進(jìn)行模糊合成運(yùn)算，在這種方法中參與運(yùn)算的所有因素按照對(duì)應(yīng)的權(quán)重值都有涉及，適合有多個(gè)因素進(jìn)行評(píng)價(jià)的情況，因此評(píng)價(jià)值為：

(14)

4 仿真

仿真實(shí)驗(yàn)中，干擾機(jī)的干擾頻段為1540～1640MHz，工作頻率覆蓋三種衛(wèi)星導(dǎo)航的通信頻點(diǎn)，如表1所示。干擾機(jī)信號(hào)的覆蓋半徑為3km，全向輻射功率為1200W，增益為0dB，覆蓋半徑為3km，干擾樣式有窄帶瞄準(zhǔn)、寬帶阻攔、擴(kuò)頻匹配與掃頻四種。假設(shè)衛(wèi)星的工作頻段為1602.0～1615.5MHz，干擾目標(biāo)的接收靈敏度為-120dbm，距干擾機(jī)的距離為2km，誤碼率為10-5，抗干擾措施為直接序列擴(kuò)頻、跳頻擴(kuò)頻與跳時(shí)擴(kuò)頻。

表1 三種衛(wèi)星導(dǎo)航通信頻點(diǎn)分布表

4.1 單因素評(píng)價(jià)與因素集

4.1.1 干擾頻率

干擾機(jī)的干擾頻率完全覆蓋三種衛(wèi)星導(dǎo)航的通信頻點(diǎn)的，因此頻率覆蓋度為1，由式(1)得Ep=1。

4.1.2 干擾功率

干擾機(jī)的全向輻射功率為30.8dbw，工作頻率上限為1640MHz，干擾目標(biāo)與干擾機(jī)相距2km，則根據(jù)式(4) 計(jì)算的自由空間衰減為102.8db，由式(3)得干擾功率為-72dbw。干擾目標(biāo)接收靈敏度為-120dbw，Pri>S，則由式(5)得Ep=1。

4.1.3 誤碼率影響因子

在干擾目標(biāo)受到干擾時(shí)記錄下接收機(jī)10分鐘的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得誤碼率為10-3，通過式(6)得出誤碼率影響因子為0.99。

4.1.4 干擾樣式

由博弈雙方不同的干擾與抗干擾樣式得出收益矩陣，如表2所示。

表2 干擾收益

寫成矩陣形式為：

取樂觀系數(shù)α為0.6，由式(8)得四種干擾方式的加權(quán)平均收益為0.54、0.674、0.668、0.516，則由式(9)干擾樣式因素的隸屬度為：

Eg=0.674

4.2 因素集與權(quán)重集

綜合上述各因素隸屬度的計(jì)算結(jié)果，得因素集U為：

U=[1，1，0.99，0.674]

根據(jù)各因素的影響效果選取權(quán)重集A為：

A=[0.3，0.35，0.2，0.15]

4.3 模糊合成運(yùn)算

選取加權(quán)平均型運(yùn)算作為因素集與權(quán)重集的模糊合成方法，由式(16)得

所得結(jié)果即在上述條件下，干擾目標(biāo)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)檢測下降的程度，其綜合評(píng)價(jià)值為0.9491。評(píng)價(jià)值的取值范圍為(0，1)，結(jié)果表明干擾機(jī)對(duì)干擾目標(biāo)的干擾效果良好。

5 結(jié)論

解決衛(wèi)星干擾效果的評(píng)估問題可以有效的提高通信對(duì)抗與電子戰(zhàn)中的作戰(zhàn)效果，對(duì)戰(zhàn)略決策起到一定的指導(dǎo)作用。本文提出的基于模糊綜合評(píng)價(jià)的衛(wèi)星干擾效果評(píng)估方法以干擾頻率、干擾功率、誤碼率影響因子、干擾樣式為因素集構(gòu)建模型，結(jié)合權(quán)重集與加權(quán)平均型模糊合成方法得到評(píng)價(jià)集，評(píng)價(jià)集的值可作為在所設(shè)的干擾因素下干擾效果的評(píng)估結(jié)果。仿真結(jié)果表明，使用該方法進(jìn)行干擾效果的評(píng)估可以得出一個(gè)系統(tǒng)性的整合結(jié)果，能全面、準(zhǔn)確的說明干擾效果的好壞。

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EvaluationofSatelliteJammingEffectBasedonFuzzyComprehensiveEvaluation

Zhang Yuexia， Yang Ruiqi， Zhang Yuxuan

(Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100101)

TN967.1

A

1008-8652(2017)02-022-05

2017-03-21

北京市屬高等學(xué)校高層次人才引進(jìn)與培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(No.CIT&TCD201504058)；國家自然科學(xué)基金(No.51334003,No. 61473039)

張?jiān)孪?1990-)，女，碩士研究生。研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信技術(shù)。