蔣國(guó)峰，白 紅

（1.空軍工程大學(xué)航空機(jī)務(wù)士官學(xué)校，河南 信陽(yáng) 464000；2.解放軍95696 部隊(duì)，重慶 400039）

0 引言

美國(guó)工業(yè)界武器系統(tǒng)效能咨詢(xún)委員會(huì)對(duì)武器系統(tǒng)效能的定義是：“預(yù)期一個(gè)系統(tǒng)能滿(mǎn)足一組特定任務(wù)要求的程度的量度”，其是系統(tǒng)的有效性（Availability）、可信賴(lài)性（Dependability）和能力（Capability）的函數(shù)。我國(guó)軍標(biāo)中將系統(tǒng)效能定義為“裝備系統(tǒng)在一定的條件下，滿(mǎn)足一組特定任務(wù)要求的可能程度，又稱(chēng)為綜合效能，效能大小的尺度，可用完成一個(gè)任務(wù)的概率表示，或用系統(tǒng)任務(wù)目標(biāo)有關(guān)的期望效果值表示”?？梢钥闯觯苁嵌攘抗δ軕?yīng)用效果的相對(duì)定量值，是功能、性能、應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)用者的函數(shù)。SEA（system effectiveness analysis）是由A.H.Levis 教授于20 世紀(jì)80 年代初提出的效能分析方法，其核心思想是效能應(yīng)能夠反映系統(tǒng)用戶(hù)的需求，并能體現(xiàn)系統(tǒng)技術(shù)、系統(tǒng)環(huán)境和用戶(hù)需求的變化。應(yīng)從系統(tǒng)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)過(guò)程中去考察和分析系統(tǒng)效能，才能全面描述系統(tǒng)、環(huán)境及使命對(duì)系統(tǒng)效能的影響。

航空通信擔(dān)負(fù)著空中與空中、空中與地面間的信息傳輸任務(wù)，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的“中樞神經(jīng)”?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)航空通信的需求和航空通信技術(shù)的發(fā)展相互促進(jìn)，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)要求航空通信系統(tǒng)能夠在復(fù)雜電磁環(huán)境下，對(duì)大容量信息在較大空間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確及時(shí)的傳輸，使得航空通信系統(tǒng)具備多功能、多頻段、多制式和多模式等特點(diǎn)。為充分發(fā)揮航空通信系統(tǒng)的特性，需要結(jié)合航空通信系統(tǒng)擔(dān)負(fù)的任務(wù)和工作環(huán)境，對(duì)航空通信系統(tǒng)在不同狀態(tài)下的效能進(jìn)行評(píng)估。相關(guān)文獻(xiàn)已用多種方法對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，但基本上都是側(cè)重于某一方面的性能，沒(méi)有從通信系統(tǒng)本身的物理特性、擔(dān)負(fù)的任務(wù)和所處的工作環(huán)境等因素去綜合評(píng)估系統(tǒng)的效能。

1 基于ADC 的航空通信系統(tǒng)效能評(píng)估模型

1.1 航空通信系統(tǒng)的組成

航空通信系統(tǒng)是由多個(gè)空中或地面的通信節(jié)點(diǎn)組成的信息傳輸系統(tǒng)，各通信節(jié)點(diǎn)的功能和工作模式相互兼容，設(shè)備組成也基本相似。機(jī)載通信系統(tǒng)作為航空通信系統(tǒng)中的空中通信節(jié)點(diǎn)，一般由電臺(tái)、天線、顯示控制和耳機(jī)話(huà)筒等機(jī)件按照串聯(lián)結(jié)構(gòu)組成，機(jī)載通信系統(tǒng)的典型組成如圖1 所示，由短波收發(fā)機(jī)、超短波收發(fā)機(jī)、L 波段收發(fā)機(jī)和衛(wèi)通收發(fā)機(jī)4 種類(lèi)型的電臺(tái)組成，主要完成各波段信號(hào)的接收和發(fā)射。每種波段的收發(fā)機(jī)可實(shí)現(xiàn)圖中所示的調(diào)制和解調(diào)功能，如短波收發(fā)機(jī)可實(shí)現(xiàn)AM、SSB、CW 和VOC（聲碼話(huà)）功能。兩個(gè)通信控制器相互備份，主要完成各路音頻信號(hào)的選擇與加權(quán)處理；耳機(jī)話(huà)筒主要完成語(yǔ)音信號(hào)和電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換；顯控1 和顯控2 相互備份，用于對(duì)電臺(tái)的功能控制和狀態(tài)指示。

圖1 機(jī)載通信系統(tǒng)組成

1.2 基于ADC 的系統(tǒng)效能評(píng)估模型

ADC 方法綜合考慮了系統(tǒng)的物理性能和任務(wù)執(zhí)行能力對(duì)任務(wù)完成程度的影響，通過(guò)合理確定模型中的指標(biāo)，可以較為準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)的任務(wù)完成概率。ADC 方法的效能評(píng)估模型如式（1）所示：

式中，MTBF 為設(shè)備平均故障間隔時(shí)間，MTTR 為設(shè)備平均修復(fù)時(shí)間。假設(shè)通信系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中不能修理，且故障分布服從指數(shù)定律，則可信性矩陣D 由執(zhí)行任務(wù)時(shí)正常狀態(tài)和失效狀態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)換概率組成，可表示為：

2 基于SEA 的固有能力評(píng)估模型

2.1 固有能力評(píng)估指標(biāo)體系

固有能力表示的是系統(tǒng)處于可用和可信狀態(tài)下，在特定的工作環(huán)境下完成相應(yīng)通信任務(wù)的概率，其性能指標(biāo)體系如圖2 所示，頂層是系統(tǒng)的固有能力，可從通信的準(zhǔn)確性、時(shí)效性和安全性等指標(biāo)表征，準(zhǔn)確性是通信的前提，時(shí)效性和安全性是關(guān)鍵。

圖2 通信系統(tǒng)固有能力指標(biāo)體系

2.2 建立系統(tǒng)映射

2.2.1 通信準(zhǔn)確性的系統(tǒng)映射

通信的準(zhǔn)確性可以用誤碼率表征，為了物理意義的直觀性和數(shù)值計(jì)算的方便性，還需要對(duì)信噪比或誤碼率表示的準(zhǔn)確性作歸一化處理。數(shù)字通信時(shí)的誤碼率與準(zhǔn)確性之間的關(guān)系，對(duì)于話(huà)音業(yè)務(wù)可采用如下所示的映射關(guān)系進(jìn)行非線性轉(zhuǎn)換：

式中，R為語(yǔ)音業(yè)務(wù)的可懂度，P為接收機(jī)輸出信號(hào)的誤碼率。

2.2.2 通信時(shí)效性的系統(tǒng)映射

時(shí)效性反映的是信息的傳輸是否及時(shí)，可用信息從信源到信宿所需的時(shí)間滿(mǎn)足期望時(shí)間的能力或概率表征。根據(jù)航空移動(dòng)通信系統(tǒng)信號(hào)的收發(fā)流程，完成一次信號(hào)收發(fā)所需的時(shí)間，如式（5）所示：

式中，P為通信時(shí)效性的系統(tǒng)性能度量，t為期望時(shí)延的最小值，t為期望時(shí)延的最大值。

2.2.3 通信安全性的系統(tǒng)映射

通信安全性與抗截獲性、抗識(shí)別性與抗入侵性有關(guān)，通信安全性的性能度量如式（7）所示：

式中，P為通信安全性的系統(tǒng)映射，ω為抗截獲性權(quán)重，P為抗截獲性，0 表示被截獲，ω為抗識(shí)別性權(quán)重，P表示抗干擾性，0 表示沒(méi)有抗干擾性，P為抗保密性，0 表示沒(méi)有保密性，ω為抗入侵性權(quán)重，滿(mǎn)足ω+ω+ω=1，P為抗入侵性。

2.3 建立使命映射

2.3.1 通信準(zhǔn)確性的使命映射

通信任務(wù)對(duì)準(zhǔn)確性的使命要求是信息到達(dá)終端后，與發(fā)送端原始信息吻合程度的概率應(yīng)能達(dá)到一定數(shù)值之上，則通信準(zhǔn)確性的使命映射為一區(qū)

式中，M為通信時(shí)效性的使命映射，M為通信時(shí)延滿(mǎn)意度的最小可接受值，M為通信時(shí)延滿(mǎn)意度的最大可接受值。

2.3.3 通信安全性的使命映射

保證己方通信安全的理想情況是敵方不能識(shí)別我方信息，不能入侵我方通信網(wǎng)絡(luò)，通信使命對(duì)通信安全也有最低要求，通信安全性的使命映射可表示為：

式中，M為通信安全性的系統(tǒng)性能度量，M為通信安全性要求的最小概率，M為通信安全性要求的最小概率。

2.4 評(píng)估系統(tǒng)效能

SEA 模型得出的效能值是根據(jù)系統(tǒng)軌跡和使命軌跡的匹配度進(jìn)行計(jì)算的，線性法是常用的匹配度計(jì)算方法，將性能指標(biāo)的系統(tǒng)軌跡值與使命軌跡值的線性比例值作為其匹配度；對(duì)于效益型性能指標(biāo)，匹配度計(jì)算公式如式（11）所示：

式中，E 為航空移動(dòng)通信系統(tǒng)的效能值，P為通信準(zhǔn)確性匹配度，ω為通信準(zhǔn)確性指標(biāo)的權(quán)重，P為通信時(shí)效性匹配度，ω為通信時(shí)效性指標(biāo)的權(quán)重，P為通信安全性匹配度，ω為通信安全性指標(biāo)的權(quán)重。各性能指標(biāo)的匹配度利用式（11）計(jì)算，權(quán)重由專(zhuān)家根據(jù)通信任務(wù)確定，滿(mǎn)足ω+ω+ω=1。

3 航空超短波通信系統(tǒng)效能評(píng)估實(shí)例

3.1 應(yīng)用場(chǎng)景

航空通信系統(tǒng)的典型應(yīng)用場(chǎng)景如圖3 所示，假設(shè)位于J 點(diǎn)的干擾端與位于O 點(diǎn)的通信端在地面，位于U 點(diǎn)的通信端在空中。將整個(gè)空間劃分為3 個(gè)區(qū)域，距O 點(diǎn)的距離分別為d、d和d。兩個(gè)通信終端之間的距離為d，干擾終端與兩通信終端之間的距離分別為d和d，OU 與OJ 之間的夾角為α。

圖3 航空移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景圖

3.2 鏈路設(shè)備可靠性

通信鏈路的可靠性由組成設(shè)備的MTBF 和MTBR 決定；由圖1 可知，超短波通信鏈路設(shè)備包括耳機(jī)話(huà)筒、機(jī)通、顯控、收發(fā)機(jī)和天線，MTBF 和MTBR 參數(shù)如表1 所示。

表1 超短波鏈路設(shè)備可靠性參數(shù)

完成一次信號(hào)的收發(fā)需要發(fā)射端和接收端均能正常工作，圖1 所示的只是一端通信設(shè)備的組成。假設(shè)通信兩端的組成設(shè)備和性能均相同，整個(gè)任務(wù)執(zhí)行時(shí)間為0.5 h，考慮到通信鏈路中各設(shè)備組成的串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，可得超短波鏈路設(shè)備在整個(gè)任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中一直處于正常工作的概率為0.972 2。

3.3 通信鏈路準(zhǔn)確性

3.3.1 假設(shè)條件

干擾端發(fā)射白噪聲調(diào)制類(lèi)型的同頻干擾信號(hào)，干擾和背景噪聲相互獨(dú)立，兩者在接收機(jī)輸入端形成加性噪聲干擾。通信鏈路和干擾鏈路均滿(mǎn)足視距傳輸條件，衰減符合自由空間傳輸特性；干擾鏈路和通信鏈路的增益除了由于距離的不同導(dǎo)致的差別之外，其他參數(shù)均相同。假設(shè)圖3 中U 點(diǎn)為無(wú)線通信信號(hào)接收點(diǎn)，O 點(diǎn)為有用信號(hào)發(fā)射點(diǎn)，J點(diǎn)為干擾信號(hào)發(fā)射點(diǎn)。通信鏈路各參數(shù)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 超短波通信鏈路參數(shù)

3.3.2 U 點(diǎn)通信鏈路的準(zhǔn)確性計(jì)算

假設(shè)干擾站與發(fā)射站相距800 km，通信發(fā)射功率為15 w，接收機(jī)中頻帶寬68 kHz，處理增益為-3 dB，調(diào)制頻率3 kHz，F(xiàn)M 調(diào)制時(shí)頻偏為6 kHz。當(dāng)干擾功率為0 時(shí)，在不同通信距離處，不同調(diào)制方式下的語(yǔ)音通信準(zhǔn)確性如圖4 所示。可以看出，對(duì)于相同的通信準(zhǔn)確度，D8PSK 調(diào)制時(shí)通信距離最近，BPSK時(shí)通信距離最遠(yuǎn)。FM 調(diào)制時(shí)存在門(mén)限效應(yīng)，假設(shè)該門(mén)限值為10 dB，只要接收到的載噪比在門(mén)限值以上，通信準(zhǔn)確度就能較好地滿(mǎn)足要求；否則，通信準(zhǔn)確度迅速下降。

圖4 不同調(diào)制方式下的語(yǔ)音通信準(zhǔn)確性變化

下頁(yè)圖5 表示了干擾功率在500 w 時(shí)，各種調(diào)制方式下的語(yǔ)音通信準(zhǔn)確性變化曲線。可以看出，相同干擾條件下，對(duì)于同樣的通信準(zhǔn)確度，仍然是BPSK 調(diào)制時(shí)的通信距離最遠(yuǎn)；FM 與MSK 調(diào)制時(shí)的抗干擾性能基本相當(dāng)；AM 調(diào)制時(shí)，通信距離具有較大的變化范圍。

圖5 500 w 同頻干擾時(shí)語(yǔ)音準(zhǔn)確性的變化

3.3.3 超短波通信鏈路時(shí)效性

假設(shè)超短波通信各階段時(shí)間和期望時(shí)延如表3所示；空間傳輸時(shí)間由實(shí)際通信路徑距離D 和無(wú)線信號(hào)空間傳播速度C 確定，它們之間的關(guān)系可表示為t=D/C。

表3 超短波通信傳輸時(shí)間（ms）

將表中其他相關(guān)數(shù)據(jù)代入，通信時(shí)效性隨通信距離的變化曲線如圖6 所示；可以看出，通信時(shí)效性隨通信距離的變化較小，發(fā)射時(shí)間和中繼次數(shù)是影響通信時(shí)效性的主要因素。當(dāng)傳輸距離為D=1 000 km 時(shí)，空間傳輸時(shí)間僅為3.33 ms，與發(fā)射和接收階段的時(shí)間相比要小得多，因而，通信時(shí)效性隨通信路徑的距離變化不明顯，數(shù)值基本保持在0.97 左右。

圖6 通信時(shí)效性隨通信距離的變化曲線

3.3.4 超短波通信鏈路安全性

假設(shè)抗截獲性、抗識(shí)別性和抗入侵性的權(quán)重分別為0.5、0.3 和0.2。超短波通信鏈路的安全性P在不同模式下的數(shù)值如表4 所示。抗截獲性、抗識(shí)別性和抗入侵性實(shí)際上相當(dāng)于三級(jí)安全性防范措施，只有被敵方逐級(jí)攻破，己方的安全性才等于最小值。

表4 不同模式下的安全性

3.3.5 超短波通信鏈路效能

如果敵方偵察接收機(jī)與干擾站位于同一位置，對(duì)超短波信號(hào)偵察接收的最大距離為300 km；通信準(zhǔn)確性、時(shí)效性和安全性的權(quán)重和使命映射區(qū)間如表5 所示。發(fā)射端和干擾端位于地面，接收端位于空中，最大飛行高度為20 km。

表5 不同模式下的使命屬性

如果采用常規(guī)調(diào)制、明話(huà)、無(wú)入網(wǎng)密鑰時(shí)，干擾功率為0，其他參數(shù)如上所述；當(dāng)通信距離變化時(shí)，效能值與使命要求匹配度隨通信距離的變化曲線如圖7 所示?？梢钥闯觯苤抵饕赏ㄐ艤?zhǔn)確性決定，當(dāng)己方接收機(jī)處在敵方的偵察范圍之內(nèi)（300 km）時(shí)，通信系統(tǒng)效能將隨著安全性的降低急劇下降。

圖7 系統(tǒng)效能及匹配度隨通信距離的變化

如果其他參數(shù)和場(chǎng)景不變，當(dāng)選擇不同的工作調(diào)制方式時(shí)，通信系統(tǒng)的效能隨距離的變化曲線如下頁(yè)圖8 所示。可以看出，當(dāng)選擇BPSK、DPSK 和MSK 時(shí)，在不同通信距離處的效能值相同；D8PSK效能值滿(mǎn)足要求的距離最短；其次是AM 方式。

圖8 不同模式下的系統(tǒng)效能隨通信距離的變化

4 結(jié)論

基于ADC 的航空通信系統(tǒng)效能評(píng)估模型反映了物理特性和能力特性對(duì)系統(tǒng)效能的影響；利用SEA 方法評(píng)估航空通信系統(tǒng)的固有能力，綜合考慮了通信系統(tǒng)的工作環(huán)境、使命任務(wù)對(duì)固有能力實(shí)現(xiàn)的影響。綜合運(yùn)用ADC 和SEA 模型，評(píng)估航空通信系統(tǒng)的效能，效能值既定性地反映了通信任務(wù)的完成與否，又定量地反映了通信任務(wù)的完成概率，較為全面地反映了航空通信裝備的可靠性、功能差異性和技術(shù)特性對(duì)任務(wù)完成情況的影響，可為航空通信系統(tǒng)在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的使用方案制定和功能模式選擇提供依據(jù)，對(duì)于提高航空通信系統(tǒng)的任務(wù)完成率具有重要的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。