數據鏈系統綜合抗干擾性能評估方法研究

馬麗麗 ，孫志成 ，安巧靜 ，董佳新 ，胡愛蘭

(1.中國人民解放軍63861部隊，吉林 白城 137000；2.中國電子信息產業集團有限公司第六研究所，北京 100083)

0 引言

信息化條件下的聯合作戰中，數據鏈的突出作用越加明顯，是基于信息系統的體系作戰能力的力量倍增器[1]，它集綜合通信、導航和識別功能于一體，是一種高保密性、大容量、抗干擾、擴頻/時分多址作的信息分發系統[2]，為參戰人員實時提供相關數據和完整的戰場態勢信息。當前數據鏈通信面臨戰場復雜電磁環境的威脅，信號檢測手段已擴展到多維聯合檢測，實現了多維空間上的通信干擾[3]。所以，數據鏈的抗干擾性能直接影響著數據鏈系統的性能，是其發揮作戰效能的關鍵指標[4-5]，關乎戰爭的成敗。

當前對數據鏈抗干擾性能的評估方法通常只涉及單一干擾樣式的一個性能指標[6-9]，得出的結果也是零散的、不成系統的，缺乏對數據鏈系統綜合的抗干擾性能的評估。但是，戰場環境下，數據鏈通信中需要面臨的干擾樣式并非簡單、單一的，而是各種威脅混合在一起。在這種情況下，數據鏈對某一種干擾信號的獨立抗干擾性能指標無法代表該數據鏈的整體抗干擾性能。所以，需要一種評估方法實現綜合評估數據鏈系統的抗干擾性能。

為了解決上述問題，本文結合數據鏈綜合抗干擾評估目標，建立了層次化結構的指標模型，并在模型的基礎上對數據鏈的綜合抗干擾性能進行定量計算，得到抗干擾性能指標權重，作為評估數據鏈抗干擾性能的基礎。

1 數據鏈抗干擾指標層次模型

數據鏈干擾樣式中，以部分頻帶干擾、寬帶阻塞干擾、轉發式欺騙干擾使用得最為頻繁，也是目前對數據鏈系統影響最大的干擾，所以本文綜合這3種干擾樣式，對數據鏈系統的綜合抗干擾性能進行分析。

1.1 抗干擾性能指標選擇

抗干擾性能的衡量指標有很多，不同的干擾樣式會有不同的表現形式。

(1)誤碼率

誤碼率是指在實際通信中傳輸二進制碼元的出錯概率。誤碼率的概念清晰，理論嚴謹，能夠正確體現數據鏈信息傳輸功能的抗干擾能力。但是，誤碼率并不能全面衡量數據鏈系統的抗干擾能力，所以在建立抗干擾指標層次模型的時候還引入其他抗干擾指標。

(2)誤信率

誤信率是指錯誤接收的指令在傳送信息總量中所占的比例。正常傳輸中，如果指令被干擾，那么數據鏈系統應該檢測出有指令丟失，但是誤信則指系統接收到錯誤的指令或是信息，但是卻認為接收到的是正確的，導致產生誤信。

誤信率尤其反映的是欺騙干擾環境下指令信息執行情況，該指標體現的是數據鏈系統抗欺騙干擾的性能。

(3)功率抑制度

部分頻帶干擾的干擾信號功率通常會大于測控信號，因此在射頻前端會設置信號功率準入限制，對于一些智能化程度較高的數據鏈系統，可根據當前的傳輸距離自適應調整信號功率準入門限，以實現對大功率部分頻帶干擾的有效抑制，因此功率抑制度就是指通過功率準入門限來抑制干擾信號的能力指標。

(4)頻率抑制度

隨著戰場上各類用頻裝備的日益增多，在可用頻段內的電磁信號越來越密集，使得電磁環境日益復雜，頻率抑制度就是指未被干擾占用的頻點與全部可用頻點的比值。

(5)空間抑制度

空間抑制度體現了數據鏈在來波方向上對抗干擾的思路，尤其是數據鏈系統中采用定向天線或者陣列天線時，通過天線波束變換可以在來波方向上實現對干擾的有效抑制，空間抑制度主要用來衡量數量系統抗寬帶阻塞式干擾的能力。

(6)時延抑制度

時延抑制度主要表征接收機允許輸入的最小轉發信號與自身信號的時延差τj。時間延遲τ 是表征一個信號的重要參量，準確、迅速地估計和測定接收端所接收到的地面發射的同源信號之間的時間延遲，可以作為區別有用信號與干擾信號的一個時延指標。該容限反映了數據鏈系統接收同步時容許的自身信號時延窗大?。é?，則數據鏈系統能正常工作的條件是τj＜（τ 。當滿足該條件時，數據鏈系統能夠抵抗住轉發式欺騙干擾的影響進行正常通信。

(7)同步時間

針對數據鏈系統的典型干擾機理，在工作中受到干擾時，信號的同步過程將將會受到影響，可能造成長時間無法進入同步環節。因此，在干擾條件下，數據鏈系統能否在設定時間內實現同步過程是評價抗干擾性能的一項重要指標。

當采用序列相位搜索捕獲同步時，設擴頻碼長度為N，碼元寬度為TC，則周期為T=N×TC，搜索相位該變量TC/2，積分處理時間為TD，則有：

最大捕獲同步時間：TAcmax=2N×TD；

最小捕獲同步時間：TAcmin=TD。

當采用匹配濾波器同步捕獲同步，設本地擴頻碼寄存器長度為M，則有：

最大捕獲同步時間：TAcmax=MTC+(N-1)TC；

最小捕獲同步時間：TAcmin=MTC。

(8)干信分離度

干信分離度是指系統尚能工作時，接收機能夠從干擾環境中分離出有效信息的能力，也就是說：在保證系統正常工作的前提下，即系統輸出信噪比一定，接收機輸入端能夠承受的干擾功率比信號功率高出的分貝數。該指標反映系統在干擾環境中對干擾的耐受能力，其值與干擾方式和樣式、信號形式和接收方法有關。干信分離度主要用于評價寬帶阻塞式干擾。

抗轉發類欺騙干擾通常僅干擾通信信道，不一定需要干擾信息碼，即只需要阻塞系統的相關接收通道。轉發式欺騙干擾是偵察系統接收到的測控信號經過一定的延時和放大后再轉發出去。對數據鏈系統的接收機來說，如果同時接收到同兩個信號，它們之間只是延時不同、幅度不同。由于干擾信號較強，使用它首先被接收機捕獲。在整個受干擾區域內，所有的接收機都將優先捕獲干擾信號?？罐D發式欺騙干擾能力可用時延抑制度、功率抑制度和誤信率等指標來衡量。

1.2 模型的建立

通過對數據鏈抗干擾指標的分析，可以看到，有些指標是針對不同干擾通用的，而有的指標則專門用在某種干擾樣式上，所以數據鏈系統的綜合抗干擾性能評估是一個復雜的系統工程。

本文建立了三級性能評估層次模型，如圖1所示。用A、B、C幾個符號表示圖中所示的三級性能評估指標，如A表示該數據鏈綜合抗干擾能力，B1表示抗寬帶阻塞干擾性能，B2表示抗部分頻帶干擾性能，B3表示抗轉發式欺騙干擾性能。與此類似，第三級的子能力指標可用C表示，分別表示該干擾樣式下單個指標的抗干擾能力。

結合指標層次結構，要獲得A層級的綜合評分，就要得到C層級每個指標的權重，再結合待評估對象在該指標下的表現進行綜合評價。

2 抗干擾性能計算

區別于傳統的層次分析法[10-12]中目標層、準則層、方案層，尋找最優方案的思想。本文是將整個抗干擾性能指標逐層分解，通過比較計算，得出指標的權重排序。

假設已知某型數據鏈，通過試驗或者仿真方式，得到該數據鏈針對圖1中第3層各指標的抗干擾情況。如果想得到它的綜合抗干擾情況，必須有各指標的權重值，在層次模型的基礎上進行指標權重的計算。

圖1 數據鏈系統綜合抗干擾性能評估層次模型

2.1 建立判斷矩陣群

融合多位從事相關工作及相關領域專家的意見，從第2層開始，針對上一層某個元素，對下一層與之相關的元素(即層間有連線的元素)進行兩兩對比，并按其重要程度評定等級。

首先建立A-B的判斷矩陣，分析數據鏈在使用過程對3種干擾樣式中哪種干擾樣式的抗干擾性能要求更好，通過兩兩比較，可以得到第一層的判斷矩陣A。

從矩陣A中可以看出，數據鏈抗寬帶阻塞式干擾的性能最為重要，在數據鏈的實際運用環境中，除了干擾設備專門的寬帶阻塞式干擾，還存在其他設備裝備的使用電磁干擾，這一部分和干擾機信號共同作用，進一步增加了寬帶阻塞式干擾的信號強度和帶寬，如果數據鏈沒有良好的抗寬帶阻塞式干擾性能，在很多情況下則無法正常工作。

矩陣A的數值是根據兩目標對比得出，如果i比j稍微重要，則aij=3，5表示明顯重要，7表示強烈重要[13]。

由于數據鏈的指標之間比較更為復雜，且涉及很多細節，因此，為了清楚表示指標之間的細微的差距，本文將AHP的重要性等級賦值進行了擴充，但無論如何擴充，必須保證判斷矩陣的一致性。建立B-C層的判斷矩陣，同理，采用兩兩比較的方式，得到：

建立的判斷矩陣必須進行一致性檢驗，如果一直性檢驗不通過則證明該矩陣存在矛盾，不能作為計算的基礎數據。SAATY T[14]提出取一致性指標(CI)對隨機指標均值(RI)之比，叫作一致性比率，記為CR，作為一致性檢驗判別式。

(1)首先求取矩陣最大特征根λmax，然后按照式(2)計算CI值：

(2)按照矩陣階數從表1中查出RI值：

表1 矩陣階數為1～9的RI值

(3)按照式(3)計算CR值：

(4)如果CR＜0.1，檢驗通過；否則需對判斷矩陣進行某些調整，再返回步驟(1)。

按照該方法，矩陣A、B1、B2、B3均通過一致性檢驗，可以用來計算。

2.2 計算權重向量

對于一致性矩陣A，本文采用幾何平均法針對每一行計算權重向量，如式(4)所示：

再規范化，得權重向量：

可以求得上述諸判斷矩陣的權重向量：

本文提出利用式(10)計算：

得到指標權重總排序：

其中，“⊕”表示前后兩個向量按順序連接起來，矩陣整體列數增加，不進行其他計算。

得到權重以后可以對某型數據鏈的抗干擾性能進行綜合評價。假設有3種數據鏈α、β、γ，要對其進行抗干擾性能綜合評價。通過真實試驗或者仿真驗證，得到數據鏈在不同干擾樣式下的抗干擾情況，進而針對其各抗干擾指標的表現打分，得到3種數據鏈11個指標(如圖1所示)的抗干擾性能打分矩陣V，總分10分。

矩陣V的第一行元素vlj分別與ωB中的元素對應相乘得到評價矩陣第一行、第二行和第三行，以此計算可以得到評價矩陣R，R=R1⊕R2⊕R3。

對矩陣R的每一行求和計算可以得到3種數據鏈的綜合抗干擾性能評分：R*=[8.110 5，7.035 3，6.617 8]T?？梢娊涍^計算，數據鏈α 的綜合抗干擾性能最優。

3 自適應權重修正

通過上面的計算可以得到抗干擾性能評價結果，但是由于算法本身存在一定的不足，可能得到的最終評價結果并不完美。

在進行數據鏈綜合抗干擾評估中，最終目的是對不同協議、不同類型的數據鏈進行綜合抗干擾評估，由于數據鏈的基本抗干擾技術是相同的，因此不同的數據鏈存在一些指標的打分值變化不大，這類指標對于區分數據鏈的抗干擾性能意義不大，而打分值相差較大的指標才能更好地體現該型數據鏈的特點。所以在評價時應該使被評價指標值相對集中的指標權重有所下降，相對分散的指標權重有所上升[15]。也就是說在評價矩陣中，如果存在某一列的評價值相近，則應該適當降低該列評價值多對應的指標；同理，如果某一列評價值相差較大，應該適當增加該列評價值對應的指標，以體現被評對象之間的不同。

本文提出性能指標自適應權重修正算法使之更能體現關鍵指標的重要作用，稀釋區別不大的指標對整體的影響。自適應算法的核心思想是提高評價值的分散程度，所以選擇評價值的方差，構建非線性規劃問題，如式(19)所示：

式(19)中：

則：

由式(22)可得權重自適應修正算法如下：

自適應修正是在計算得出的權重向量基礎上進行修正的，不能脫離原來重要性關系隨意修正，權重的變化會反映在評價矩陣上，兩者之間通過不斷的反饋，修正了指標權重值，實現對指標的強化或弱化。

通過修正，可以得到另一組權重值，與原權重值作比較，如表2所示。

表2中權重變化為負，表示修正后權重減小了；權重變化為正，表示修正后，權重增加了。其中，第8項指標權重增加得最多，從圖1中查出，該指標為數據鏈抗寬帶阻塞式干擾的誤碼率指標，在評價矩陣R中，該指標的評分相差較大，且該指標更能體現數據鏈的抗干擾能力，所以修正后增加權重有助于更好地作出評價；而第2項指標的權重減少得最多，該指標為抗部分頻帶干擾的頻率抑制度，在評價矩陣中，該指標之間評分差距十分小，所以應該減少該項權重，以突出重要指標。

表2 原權重與修正后權重對比

利用修正后的抗干擾性能指標權重值對3種數據鏈的綜合抗干擾性評分，可以得到：抗干擾性能排名沒有變化，但是評分略有調整，更能體現某些關鍵指標的重要作用，在處理更多、更復雜的待評估對象時，能夠更好地發揮作用。

可見，通過本文的自適應權重修正，可以對初步結算的權重進行自適應調整，針對不同的待評價對象和打分矩陣，可以進行不同的調整，進而獲得更加科學的數據鏈綜合抗干擾性能評估結果。

4 結論

本文構建了數據鏈綜合抗干擾性能評估指標層次模型，綜合考慮抗部分頻帶干擾、抗寬帶阻塞干擾和抗轉發式欺騙干擾這3種主流干擾樣式。通過建立判斷矩陣，獲得各指標的權重，再通過打分矩陣得到數據鏈綜合抗干擾性能的評價矩陣。針對權重無法反映指標稀缺性的問題，本文提出了權重值自適應調整算法，針對得到的評價矩陣自適應對各指標權重進行調整。通過分析，證明權重值的自適應調整算法符合指標稀缺性特點，能夠更加科學地反映各指標在綜合評價中的地位，保證了評估結果的科學性。

在復雜電磁環境下，必須對數據鏈的抗干擾性能有充分的掌握，本文提出的評估方法全面包含了數據鏈在不同干擾樣式、不同指標中的綜合性能，有助于全面掌握作戰效能，且該方法科學可行，是一種實施數據鏈系統綜合抗干擾性能評估的重要手段。