張月霞 楊瑞琪 張玉宣

(北京信息科技大學(xué) 北京 100101)

基于模糊綜合評價的衛(wèi)星干擾效果評估

張月霞 楊瑞琪 張玉宣

(北京信息科技大學(xué) 北京 100101)

針對通信對抗中的衛(wèi)星干擾效果評估問題，提出了一種基于模糊綜合評價的衛(wèi)星干擾效果評估方法，該方法以模糊綜合評價模型為核心，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算出評價集，在對每個評價指標(biāo)進(jìn)行分析的同時整合了所有指標(biāo)的分析結(jié)果，系統(tǒng)性地對干擾效果進(jìn)行評估。仿真結(jié)果表明該方法可以得到一個較為全面、準(zhǔn)確的評估結(jié)果。

模糊綜合評價；干擾效果；評估

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

目前在衛(wèi)星干擾效果評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價準(zhǔn)則衡量干擾效果、依據(jù)誤碼率對干擾效果進(jìn)行定量計算、構(gòu)建評估指標(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價準(zhǔn)則來評估低軌衛(wèi)星通信對抗的干擾效果，博遠(yuǎn)等[2]依據(jù)誤碼率指標(biāo)對干擾效果進(jìn)行定量計算通過劃分的評估等級分析來得出結(jié)論，王淵等[3]以導(dǎo)航接收機(jī)信號處理的不同層次構(gòu)建的干擾效果評估指標(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價準(zhǔn)則與因素進(jìn)行評估，雖然可以有效的對干擾效果進(jìn)行評估，但都是對每個因素分別進(jìn)行分析計算得出結(jié)論，沒有一個全面、系統(tǒng)性的評估結(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價的衛(wèi)星干擾效果評估方法，該方法以模糊綜合評價模型為核心，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)建綜合評價模型。仿真結(jié)果表明該方法所得出的結(jié)果可以較為準(zhǔn)確與全面的評估衛(wèi)星干擾中的干擾效果。

1 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法是模糊數(shù)學(xué)中的一種具體應(yīng)用方法，針對受多個因素影響的事物做出全面評價。該方法所評價的結(jié)果綜合性較強(qiáng)，考慮了問題的各個因素，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)星干擾效果評估這一具有模糊性特點的問題。

采用模糊綜合評價法的衛(wèi)星干擾效果評估步驟：

a)選取模糊綜合評價指標(biāo)：通過分析對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應(yīng)的隸屬函數(shù)。

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

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

2 評價指標(biāo)

在衛(wèi)星干擾中有多種影響衛(wèi)星干擾效果的因素，在分析時無法涵蓋所有的因素，需要選取影響較大的因素作為評價指標(biāo)。郝東方[5]分析了衛(wèi)星導(dǎo)航干擾效果評估中常用的評價指標(biāo)，在構(gòu)建實際模型的因素集時需要在多個指標(biāo)中篩選出作用相對明顯、完備的指標(biāo)。結(jié)合衛(wèi)星干擾效果評估的問題，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)，針對衛(wèi)星干擾需要對多個頻段進(jìn)行瞄準(zhǔn)，在干擾時中心頻偏越小對衛(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)頻率范圍時即

覆蓋度為1，半包含時即

覆蓋度為0，干擾機(jī)頻率范圍完全包含衛(wèi)星頻率范圍時即

覆蓋度為1，半包含時即

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的頻譜寬度寬一些，即

一般在某些短時間出現(xiàn)的通信信號的場合使用。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主要因素，將實際的干擾功率與接收靈敏度相比較來評估干擾效果。當(dāng)干擾功率大于接收靈敏度時，則對衛(wèi)星信號有明顯的干擾效果，反之則沒有干擾效果，因此可用兩者的大小關(guān)系來表示評估結(jié)果。

接收靈敏度的計算公式為：

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

誤碼率是評估信號完整性的一個重要指標(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)記錄一段時間的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計數(shù)據(jù)得誤碼率Qa。加入干擾信號，采用與上述相同的方法，統(tǒng)計得到誤碼率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

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

運用博弈論的相關(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種干擾樣式同時衛(wèi)星采用第j種抗干擾樣式時的干擾效果[8]。可定義R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 模糊綜合評價模型

模糊綜合評價模型主要有三個部分：因素集、權(quán)重集和評價集[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)

對于權(quán)重集，可以記為：

A={a1，a2，a3，a4，a5}

(11)

評價集由因素集與權(quán)重集進(jìn)行模糊合成運算得出，記為：

V={v|0≤v≤1}

(12)

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

U°A=∨(U∧A)

(13)

但這種運算得到的結(jié)果會忽略部分信息，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)星干擾效果評估中，干擾因素都是在實際衛(wèi)星干擾中主要的影響因素中選取的，均對評價結(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)行模糊合成運算，在這種方法中參與運算的所有因素按照對應(yīng)的權(quán)重值都有涉及，適合有多個因素進(jìn)行評價的情況，因此評價值為：

(14)

4 仿真

仿真實驗中，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，如表1所示。干擾機(jī)信號的覆蓋半徑為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)頻與跳時擴(kuò)頻。

表1 三種衛(wèi)星導(dǎo)航通信頻點分布表

4.1 單因素評價與因素集

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)受到干擾時記錄下接收機(jī)10分鐘的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計數(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 模糊合成運算

選取加權(quán)平均型運算作為因素集與權(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)對衛(wèi)星信號檢測下降的程度，其綜合評價值為0.9491。評價值的取值范圍為(0，1)，結(jié)果表明干擾機(jī)對干擾目標(biāo)的干擾效果良好。

5 結(jié)論

解決衛(wèi)星干擾效果的評估問題可以有效的提高通信對抗與電子戰(zhàn)中的作戰(zhàn)效果，對戰(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價的衛(wèi)星干擾效果評估方法以干擾頻率、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價集，評價集的值可作為在所設(shè)的干擾因素下干擾效果的評估結(jié)果。仿真結(jié)果表明，使用該方法進(jìn)行干擾效果的評估可以得出一個系統(tǒng)性的整合結(jié)果，能全面、準(zhǔn)確的說明干擾效果的好壞。

[1] 趙海燕，楊云飛，吳建磊.低軌衛(wèi)星通信干擾效果評估[J].儀器儀表學(xué)報，2006，27(6)增刊：1402-1405.

[2] 博遠(yuǎn)，朱衛(wèi)綱，楊君等.跳擴(kuò)頻衛(wèi)星通信干擾效果分析[J].艦船電子工程，2014，34(11)：60-63.

[3] 王淵，王婭，孫旭.衛(wèi)星導(dǎo)航干擾效果評估指標(biāo)體系研究[J].通信對抗，2013，32(2)：33-37.

[4] 周鑫，黃維江. 基于模糊評價法的信息系統(tǒng)實施效果評估方法研究[J]. 電腦知識與技術(shù)，2014(13)：3117-3118.

[5] 郝東方.衛(wèi)星通信干擾技術(shù)的研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2012.

[6] 肖聰. 無線電信號壓制性干擾研究與驗證[D]. 電子科技大學(xué)，2010.

[7] 曾勇.基于博弈論的無線通信抗干擾關(guān)鍵技術(shù)的研.究[D].成都：電子科技大學(xué)，2014.

[8] 宋玉珍，劉煉，張斌. 基于模糊處理的雷達(dá)干擾效果評估[J]. 艦船電子對抗，2013，36(6)：95-99.

[9] 惠曉鷺.基于模糊集和粗糙集對的綜合評價模型研究[D].重慶：重慶師范大學(xué)，2012.

[10] 張院，寇文杰.模糊數(shù)學(xué)綜合評判法中指標(biāo)權(quán)重和算法的優(yōu)選[J].人民黃河，2015，37(7)：64-67.

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)計劃項目(No.CIT&TCD201504058)；國家自然科學(xué)基金(No.51334003,No. 61473039)

張月霞(1990-)，女，碩士研究生。研究方向為衛(wèi)星通信技術(shù)。