基于試飛的航空通信系統(tǒng)效能評(píng)估

劉滿堂,周向陽,熊林慶

(1.中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036;2.解放軍94907部隊(duì),南昌 330013)

通信系統(tǒng)是現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)的重要組成,其主要功能是信息收集、傳輸、處理及共享等[1],航空通信系統(tǒng)的價(jià)值是由其技術(shù)特征和使用效能所決定的。通信效能是航空通信系統(tǒng)整體性能的綜合體現(xiàn),復(fù)雜電磁環(huán)境背景下,飛行狀態(tài)效能評(píng)估更重要。本文提出基于試飛的航空通信系統(tǒng)效能評(píng)估方法,工程試飛驗(yàn)證結(jié)果表明,基于試飛的效能評(píng)估方法對(duì)于注重整體效能的現(xiàn)代航空通信系試飛評(píng)估具有很廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)效能定義

美國工業(yè)界武器系統(tǒng)效能咨詢委員會(huì)(WSELS)對(duì)系統(tǒng)效能的定義:系統(tǒng)效能是預(yù)期一個(gè)系統(tǒng)在滿足一組特定任務(wù)要求的程度的量度,是系統(tǒng)可用性、可信性、固有能力的函數(shù)。

系統(tǒng)效能體現(xiàn)完成任務(wù)的整體能力,不同狀態(tài)下通信系統(tǒng)效能有差異,按應(yīng)用環(huán)境分為自身效能和使用效能[2]。前者代表系統(tǒng)基于設(shè)計(jì)和制造具有的能力,屬于靜態(tài)效能。使用效能與環(huán)境和其他外界因素相關(guān)。

2 評(píng)估方法

系統(tǒng)效能評(píng)估方法有指數(shù)法、試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法、ADC模型法等。ADC評(píng)估法是美國工業(yè)界武器系統(tǒng)效能咨詢委員會(huì)定義的[3-4],表達(dá)式為

式中,E代表系統(tǒng)效能;A=(a1,a2,a3,…,an)為可用度向量,ai為開始執(zhí)行任務(wù)時(shí)處于i狀態(tài)的概率,n為系統(tǒng)開始執(zhí)行任務(wù)時(shí)的狀態(tài)數(shù)量;D為可信度矩陣:

式中,dij是系統(tǒng)由初始狀態(tài)i經(jīng)歷任務(wù)期間到任務(wù)結(jié)束時(shí)轉(zhuǎn)移到任務(wù)j的轉(zhuǎn)移概率,且滿足=1,表示系統(tǒng)在規(guī)定的任務(wù)剖面中的任一隨機(jī)時(shí)刻可使用且能完成規(guī)定功能的能力,即系統(tǒng)在可用性給定的情況下的任務(wù)可靠性;C為固有能力向量,即系統(tǒng)處于可用及可用狀態(tài)下能夠達(dá)到任務(wù)目標(biāo)的量度,固有能力矩陣 C之計(jì)算,與系統(tǒng)任務(wù)密切相關(guān),C=(C1,C2,,Cn)T,Ci代表處于狀態(tài)j時(shí)完成任務(wù)的概率。

ADC模型法只適合對(duì)單個(gè)武器系統(tǒng)進(jìn)行效能評(píng)估[4],現(xiàn)代航空通信系統(tǒng)由多種通信鏈路組成,屬于綜合性復(fù)雜航空通信系統(tǒng),各種通信通信方式不同程度影響系統(tǒng)使用效能。采用ADC模型已經(jīng)不能完成這樣的通信系統(tǒng)效能評(píng)估工作,需要先利用ADC模型完成各鏈路效能Ei=(i=1,2,3,…,m)評(píng)估之后,再采用AHP模型,由公式(2)統(tǒng)計(jì)計(jì)算通信系統(tǒng)的整體效能:

式中,ωi為第i條通信鏈路的效能權(quán)重。

AHP模型核心思路如下:

(1)根據(jù)各通信鏈路對(duì)總體效能重要程度構(gòu)建判斷矩陣;

(2)求解判斷矩陣的最大特征值和對(duì)應(yīng)的特征向量,并進(jìn)行歸一化處理;

(3)確定特征向量為權(quán)重W=(ω1,ω2,…,ωm)。

本文僅以超短波通信為例展開航空通信系統(tǒng)效能試飛評(píng)估論述。

3 評(píng)估模型

設(shè)計(jì)評(píng)估模型必須要有正確的指導(dǎo)思想,作者認(rèn)為,關(guān)鍵是研究航空通信系統(tǒng)試飛特點(diǎn)、試飛流程、試飛方法,構(gòu)建與試飛相適應(yīng)的系統(tǒng)效能評(píng)估指標(biāo)體系。我們知道,試飛數(shù)據(jù)是試飛試驗(yàn)結(jié)果,也是評(píng)估的依據(jù),將試飛數(shù)據(jù)按照規(guī)定層次結(jié)構(gòu)匯集就構(gòu)成通信系統(tǒng)效能試飛綜合評(píng)估的指標(biāo)體系。通過數(shù)據(jù)相關(guān)處理分析,完成通信系統(tǒng)功能性能試飛評(píng)估的基礎(chǔ)上,繼續(xù)深化數(shù)據(jù)分析,綜合評(píng)估通信系統(tǒng)實(shí)際使用效能,明確影響系統(tǒng)效能的各種因素,為用戶提供使用建議。

基于試飛的航空通信系統(tǒng)效能評(píng)估體系架構(gòu)如圖1所示。在這個(gè)指標(biāo)體系中所定義的單項(xiàng)效能、系統(tǒng)效能、使用效能[5]恰好與航空通信系統(tǒng)試飛之單項(xiàng)功能試飛、系統(tǒng)試飛、綜合試飛流程相對(duì)應(yīng),有利于結(jié)合試飛開展系統(tǒng)效能評(píng)估。

圖1 通信系統(tǒng)效能試飛評(píng)估體系Fig.1 Communication system test flight effectiveness evaluation

3.1 單項(xiàng)效能

指實(shí)際應(yīng)用中,單一使用目的所能達(dá)到的程度。空地、空空通信獨(dú)立試飛科目實(shí)施中獲得的試飛數(shù)據(jù),是支撐單項(xiàng)效能評(píng)估的主要依據(jù)。

3.2 系統(tǒng)效能

系統(tǒng)效能可以理解為在規(guī)定條件下,滿足試飛任務(wù)規(guī)劃要求的可能程度?？盏亍⒖湛铡⑾到y(tǒng)綜合性能試飛科目試飛試驗(yàn)獲得的試飛數(shù)據(jù)均可以作為系統(tǒng)效能評(píng)估的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),但以系統(tǒng)綜合性能試飛數(shù)據(jù)為主。

3.3 使用效能

在規(guī)定的環(huán)境下,運(yùn)用通信系統(tǒng)執(zhí)行通信任務(wù)所能達(dá)到的預(yù)期目標(biāo)的程度。使用效能試飛評(píng)估,核心是設(shè)置相對(duì)復(fù)雜的環(huán)境,如設(shè)置針對(duì)通信的電磁干擾環(huán)境,檢查考核通信系統(tǒng)在實(shí)際環(huán)境中的通信能力。

4 評(píng)估環(huán)境

前面已經(jīng)論述過,通信系統(tǒng)使用效能與環(huán)境及其他外界因素有關(guān),電磁環(huán)境必然會(huì)對(duì)航空通信系統(tǒng)試飛產(chǎn)生影響,共址干擾(EMI)導(dǎo)致實(shí)際接收靈敏度變化,使通信效能下降;飛機(jī)散射作用使天線輻射各向不一致導(dǎo)致特定狀態(tài)下通信系統(tǒng)效能降低等。既然環(huán)境與系統(tǒng)試飛結(jié)果相關(guān),也與系統(tǒng)試飛效能評(píng)估有關(guān),需要測試分析其影響程度,剔除試飛數(shù)據(jù)中由于環(huán)境影響所致的數(shù)據(jù)野點(diǎn),降低環(huán)境因素導(dǎo)致的評(píng)估誤差,獲得航空通信系統(tǒng)效能客觀、有效的評(píng)估結(jié)論。

4.1 噪聲和干擾

時(shí)空全域性、復(fù)雜多樣性等電磁頻譜特征表明,現(xiàn)代飛機(jī)平臺(tái)屬于復(fù)雜電磁環(huán)境。通信系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的相互影響難以分割,且通信系統(tǒng)是電磁敏感系統(tǒng),系統(tǒng)效能與通信接收機(jī)接收靈敏度相關(guān)。所以,建立相對(duì)于接收機(jī)靈敏度的電磁干擾判決準(zhǔn)則并進(jìn)行機(jī)上地面測試試驗(yàn)甚至空中試驗(yàn)是必要的。實(shí)際試飛中,結(jié)合系統(tǒng)電磁兼容性試驗(yàn)進(jìn)行。

4.2 天線輻射特性

實(shí)現(xiàn)用戶之間信息的交互是通信系統(tǒng)的主要功能,信息傳輸則需要依靠具有一定能力的電磁信號(hào)輻射來完成,電磁信號(hào)能量又與天線特性相關(guān),所以,通信天線輻射特性一定和通信效果密切相關(guān)的。飛機(jī)是復(fù)雜的電磁散射體[6],機(jī)身散射作用使機(jī)載天線方向性圖畸變。就機(jī)載通信天線而言,這種變化是允許的,但準(zhǔn)則要求輻射方向圖在方位面上必須是全方向性的,最弱的方位零值深度不得超過20 dB。顯然,天線輻射增益20 dB變化范圍對(duì)于通信性能的影響是很大的。天線輻射特性與航空通信系統(tǒng)效能試飛評(píng)估相關(guān),所以,建立通信天線輻射特性判決準(zhǔn)則并進(jìn)行試飛測試是必要的。

5 效能評(píng)估

5.1 地面靜態(tài)試驗(yàn)

基于試飛的通信系統(tǒng)效能評(píng)估貫穿試飛任務(wù)全過程,當(dāng)然也包括地面試驗(yàn)。開展地面試驗(yàn)時(shí),參試系統(tǒng)按圖2所示布設(shè)在試飛機(jī)場停機(jī)坪,各試驗(yàn)平臺(tái)之間無遮擋并保持通視,相互間距離200～500 m為宜。

圖2 地面靜態(tài)試驗(yàn)示意圖Fig.2Ground static experiment illustration

5.1.1 電磁環(huán)境測試

通信頻段內(nèi)電磁噪聲和干擾信號(hào)測試是系統(tǒng)電磁兼容性試驗(yàn)一部分。試驗(yàn)中,機(jī)上所有電子設(shè)備處于加電工作狀態(tài),測試通信接收機(jī)天線端口通信頻段內(nèi)噪聲和干擾信號(hào)頻譜。

經(jīng)理論分析可知,當(dāng)航空通信系統(tǒng)多條超短波鏈路同時(shí)工作,按照系統(tǒng)頻率管理規(guī)則完成試飛任務(wù)規(guī)劃,并保證規(guī)劃的通信波道帶內(nèi)電磁干擾(EMI)相對(duì)于接收機(jī)噪聲滿足兼容準(zhǔn)則,即I/N≤-6 dB時(shí),電磁干擾對(duì)評(píng)估的影響較小,反之,依據(jù)試飛數(shù)據(jù)計(jì)算獲得的通信效能將比其真實(shí)性能差。

5.1.2 通信鏈路靈敏度測試

通信鏈路靈敏度測試是地面試驗(yàn)主要科目之一。試驗(yàn)過程中,配試系統(tǒng)和機(jī)載通信系統(tǒng)在規(guī)定波道建立無線通信鏈路,測試機(jī)上各超短波鏈路實(shí)際靈敏度。根據(jù)UHF頻段頻譜圖,通信頻段內(nèi)亂真輻射和EMI信號(hào)較多。理論分析可知,由于電磁噪聲和干擾的存在,鏈路靈敏度將低于實(shí)驗(yàn)室測試的基準(zhǔn)靈敏度,與實(shí)測結(jié)果相符。試飛任務(wù)結(jié)束后,所獲得的通信系統(tǒng)效能試飛評(píng)估結(jié)論與測試的實(shí)際靈敏度相對(duì)應(yīng)。

5.2 試飛試驗(yàn)

通信系統(tǒng)效能試飛評(píng)估即是在飛行狀態(tài)下系統(tǒng)使用效能評(píng)估。航空通信系統(tǒng)空-地、空-空試飛協(xié)同關(guān)系如圖3所示。

圖3 航空通信系統(tǒng)試飛示意圖Fig.3Avionic communication system test flight experiment illustration

5.2.1 天線輻射特性試飛

天線方向性圖試飛采用24次進(jìn)入的梅花瓣航線飛行,試飛航跡圖如圖4所示。地面測量設(shè)備記錄機(jī)上被測天線發(fā)射信號(hào)、時(shí)間,事后載機(jī)貫導(dǎo)數(shù)據(jù)地面測試數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間相關(guān)處理,并依據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果生成天線輻射特性圖。以機(jī)載超短波天線中的一副天線為例,輻射方向性圖如圖5和圖6所示。

圖4 天線輻射特性試飛航跡圖Fig.4 Test flight path diagram

圖5 145.75 MHz方向圖Fig.5 Antenna pattern at 145.74 MHz

圖6 399.25 MHz方向圖Fig.6 Antenna pattern at 399.25 MHz

試飛結(jié)果表明:超短波天線輻射特性隨頻率變化而變化,水平方位、天線輻射增益隨角度變化較大,但在準(zhǔn)則允許的20 dB之內(nèi)。天線增益變化主要由機(jī)身遮擋和散射所導(dǎo)致,實(shí)測值與理論分析相符。同樣,系統(tǒng)最終試飛評(píng)估結(jié)論將與各超短波通信鏈路天線輻射特性相對(duì)應(yīng)。

5.2.2 超短波通信試飛

基于設(shè)計(jì)的系統(tǒng)效能試飛評(píng)估的優(yōu)先順序與試飛流程相匹配,即先單項(xiàng)效能,再系統(tǒng)效能,最后進(jìn)行使用效能。但在試飛任務(wù)規(guī)劃中,在綜合設(shè)計(jì)條件允許條件下,單項(xiàng)試飛科目與系統(tǒng)綜合科目結(jié)合進(jìn)行。通信系統(tǒng)超短波通信鏈路綜合效能分析計(jì)算如下。

多鏈路通信系統(tǒng),根據(jù)鏈路功能和在系統(tǒng)中的重要程度,將其權(quán)重定義為

且滿足條件:

(1)可用度向量A

超短波通信鏈路而言,初始時(shí)刻可能的狀態(tài)概率只有正常和故障兩種概率,a1為正常的概率,a2為故障的概率,即A=(a1,a2),根據(jù)可靠性理論可知:

式中,MTBF為平均故障間隔時(shí)間,MTTR為平均故障修復(fù)時(shí)間。

由組成超短波鏈路的各獨(dú)立設(shè)備平均無故障時(shí)間計(jì)算鏈路平均故障間隔時(shí)間為:MTBF=495.6 h,試驗(yàn)期間,超短波鏈路各種故障維修時(shí)間平均值小于1 h,取 MTTR=1 h。

通過式(3)、(4)計(jì)算得

(2)可信度D

可信度D與系統(tǒng)可靠性和使用過程中的修復(fù)性有關(guān),也與平臺(tái)電磁環(huán)境和試飛操作人員的素質(zhì)有關(guān)。試飛過程中,超短波通信鏈路有正常與故障兩個(gè)可能的狀態(tài),即可信度 D為一個(gè)2×2的矩陣[4]。

式中,T為執(zhí)行空中試飛的時(shí)間,本次試飛試驗(yàn)任務(wù)通信系統(tǒng)空中加電工作時(shí)間共計(jì)T=68 h。

(3)固有能力向量 C

同理,超短波通信鏈路固有能力向量為 C=(C1,C2)T,C1、C2分別代表任務(wù)結(jié)束時(shí),超短波鏈路正常和故障兩種狀態(tài)概率。故障狀態(tài)是無法完成任務(wù)的,即 C2=0。C1由有效性 η1、可靠性 η1及安全性η1各自的相對(duì)重要性對(duì)其進(jìn)行加權(quán)綜合而得。航空電子系統(tǒng)試飛評(píng)估依據(jù)是試飛數(shù)據(jù),所以,采用試飛數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)法獲得任務(wù)完成程度C1值比較合適。

試飛任務(wù)期間,超短波鏈路1隨系統(tǒng)飛行試驗(yàn)多架次,獲得了評(píng)估所需的相關(guān)數(shù)據(jù),其中,因EMI干擾、設(shè)備故障等原因,部分試飛數(shù)據(jù)未能達(dá)到要求值,試飛數(shù)據(jù)達(dá)標(biāo)率為95.5%,即 C1=0.955。所以,固有能力向量為

將A、D、C值代入式(1)計(jì)算得超短波鏈路1效能為

以同樣方法計(jì)算系統(tǒng)其他各超短波鏈路的效能之后,再根據(jù)權(quán)重系數(shù)相加得到超短波通信鏈路綜合效能為

如果通信系統(tǒng)有短波等其他通信鏈路,只要計(jì)算并確認(rèn)其在系統(tǒng)中的權(quán)重系數(shù),就可以采取相同的方法進(jìn)行運(yùn)算,直至獲得通信系統(tǒng)效能試飛評(píng)估結(jié)論為止,這里不再詳述。

6 結(jié)束語

基于試飛的航空通信系統(tǒng)效能評(píng)估,其實(shí)質(zhì)就是基于試飛任務(wù)開展試飛數(shù)據(jù)分析,研究各種數(shù)據(jù)與通信效能的關(guān)系,通過相關(guān)數(shù)據(jù)分析計(jì)算出評(píng)估結(jié)果,最終實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)效能評(píng)估的目的。為用戶提供正確的使用建議,使裝備效能最大發(fā)揮,這正是航空通信系統(tǒng)效能評(píng)估的意義所在。當(dāng)前,由于多種客觀原因,基于試飛的航空通信系統(tǒng)效能評(píng)估技術(shù)還沒有廣泛使用。隨著航空通信系統(tǒng)效能評(píng)估重視程度的提升,評(píng)估方法的逐步完善,基于試飛的航空通信系統(tǒng)效能評(píng)估技術(shù)會(huì)逐步體現(xiàn)出其應(yīng)用價(jià)值。

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