基于事件的电波环境扰动态势指数评价.pdf

2023 年第 7 期16计算机应用信息技术与信息化基于事件的电波环境扰动态势指数评价刘晓雷1 胡冉冉1LIU Xiaolei HU Ranran 摘要 随着无线电通讯技术的发展，电波环境扰动态势在信息化装备及系统中的应用越来越广泛，构建电波环境扰动态势指数直观地反映无线电环境现状对电波环境预报业务具有重要意义。基于此，基于日常业务中电波环境事件，通过层次分析法构建电波环境扰动态势指数评价指标模型，采用专家打分法建立电波环境扰动态势指数评价表，通过模糊综合评价法形成模糊评价集，并利用选取的业务日志对电波环境扰动态势指数进行了应用验证，结果表明电波环境扰动指数可以有效地表征电波环境态势。关键词 层次分析法；模糊评价法；电波环境事件；专家打分；扰动态势指数 doi：10.3969/j.issn.1672-9528.2023.07.0041.中国电子科技集团公司第二十二研究所 山东青岛 2614000 引 言电波环境信息是各类无线电信息系统规划设计和运行保障的重要基础1,其应用场景十分广泛。能够在电子战作战支持系统中起到重要的保障急需作用2。能够对海上雷达、通信、电子对抗等无线电系统产生严重的影响3。能够对微波遥感技术的研究和应用起到十分重要的作用4。是雷达等测控设备探测精度的最重要误差源5。电波环境通常包括对流层、平流层、中层、电离层、磁层在内的整个地球高层大气环境6。在电波环境预报业务中，通过分析环境中的各类事件参数指标，并根据其中的异常值形成对应的各种电波环境事件通报。现有的电波环境事件通报，目前仅能对各个事件依次进行强度区分，没有统一标准对整体电波环境扰动态势整体状态进行客观平台，无法直观显示当前环境现状。随着电波环境扰动态势在武器装备、导航、信息系统修正等方面的应用越来越广泛，其作用也由最初的辅助决策发展到现在的系统高度依赖。其中电波环境事件通常在电波环境扰动态势中起到决定性因素，因此通过分析基于电波环境事件的电波环境扰动态势指数评价成为电波环境预报业务中的重要研究课题。1 电波环境扰动态势在电波环境预报业务中，常见的电波环境事件包括强大气波导、日凌、强降雨、电离层骚扰、电离层暴、电离层闪烁、地磁活动、磁静日活动、太阳耀斑、太阳质子、高能电子等。各类事件按照强弱分为强、中、弱、无四个指标，由人工根据各类空间环境指标进行人工判定。恶劣的电波环境将极大影响电子信息系统的工作性能，运用综合指数表征电波环境态势对各类电子信息系统设计有重要保障作用。而在以往的电波环境扰动态势中，往往根据应用场景的需求通过罗列出各类事件的强弱来表示电波环境扰动态势现状。这种表示形式所罗列的内容过多，无法直观的表示电波环境扰动态势的综合情况，只能通过分析各类事件再次进行主观判定，现利用历史电波环境事件构建电波环境扰动态势指数，以表征电波环境扰动态势，可有效为信息系统设计及装备应用提供支撑。2 层次分析法和模糊评价法层次分析法是可以把无法直观量化的指标通过定性分层进行指标量化的方法，把需要评价的对象汇总形成一个总体，根据总体所需要达到的评价目标，将评价对象依次解析为不同的无关联因素，并按照因素间的相互关联度及隶属关系，将因素按不同层次聚集组合7，将多因素依照其结构组合成为一个分析系统，把评价对象指标条理化、层次化，并判断各衡量目标之间能否实现的标准之间的相对重要程度8。模糊评价法是考虑具有模糊性质的多因素系统，并综合应用多种方法对其进行总的评价9，通过将评价指标进行细化为评价因素后，对所有的评价因素设定一个多个等级的评语集，并对每个等级的评语设定评价分，通过对评价因素赋权打分的方式进行指标值计算。电波环境扰动态势指数评价过程首先是建立指标模型，并对评价指标建立判断矩阵，对判断矩阵进行一致性检测后，对影响因素进行权重合并计算，求得最终的评价指数10。在构造电波环境扰动态势指标判断矩阵时采用专家打分法，通过对 5 个电波环境预报业务专家打分表进行模糊评价，分别计算每个判断矩阵的指标权重，最后对各级指标权重取平均值进行采用。2023 年第 7 期17计算机应用信息技术与信息化3 构建电波环境扰动态势指数电波环境扰动态势指数评价表通过对影响电波环境扰动态势的几个一级指标进行详细分析，建立二级指标评价体系。一级指标体系包括对流层事件、电离层事件、磁层事件、太阳活动事件 4 个一级指标，其中对流层事件包括大气波导事件、强降雨事件，电离层事件包括电离层骚扰事件、电离层暴事件、电离层闪烁事件，磁层事件包括地磁活动事件、磁静日活动事件，太阳活动事件包括太阳耀斑事件、太阳质子事件、高能电子事件。电波环境扰动态势指数评价指标体系如图 1 所示。3.1 构建电波环境扰动态势指数评价判断矩阵根据已经建立的多层电波环境扰动态势指数评价模型，通过比较同一准则下各个因素之间的比重关系，采用专家打分法构造判断矩阵。其中指标之间的相对重要性采用 1-9 标度法，如表 1 所示。判断矩阵构造完成后，计算其一致性比值 CR，CR 低于 0.1 属于有效判断矩阵11。表 1 1-9 标度法相对重要性定义1同样重要2略微重要3相当重要4明显重要5绝对重要2,4,6,8两个相邻判断的中间值3.1.1 构造电波环境扰动态势指数评价判断矩阵以其中专家 1 的打分表进行计算，构造一级指标电波环境扰动态势指数评价判断矩阵如表 2 所示，计算每个指标的权重，求得一致性比值为 0.011 6，判断矩有效。表 2 电波环境扰动态势指数评价判断矩阵指标对流层电离层磁层太阳活动权重对流层121/31/20.277 6电离层1/211/41/30.466 8磁层34120.095 3太阳活动231/210.160 3 依次计算其他四位专家的打分统计表，形成电波环境扰动态势指数指标权重统计表，对符合一致性比值要求的一级指标权重值进行取平均值计算，最终得到一级指标平均权重值，如表 3 所示。表 3 电波环境扰动态势指数指标权重统计表专家序号对流层电离层磁层太阳活动一致性专家 10.277 60.466 80.095 30.160 30.011 6专家 20.120 60.411 20.106 20.361 90.012 3专家 30.093 40.417 60.100 30.388 60.014 6专家 40.139 10.448 50.125 70.286 60.016 0专家 50.082 70.538 60.123 70.254 80.040 2平均值0.1430.4570.1100.2903.1.2 构造对流层事件指标判断矩阵以其中专家 1 的打分表进行计算，构造对流层事件指标判断矩阵如表 4 所示，计算每个指标的权重，求得一致性比值为 0，判断矩阵有效。表 4 对流层事件指标判断矩阵指标大气波导强降雨权重 Bi大气波导11/20.3333强降雨210.6667依次计算其他四位专家的统计表，形成的对流层事件指标权重统计表，对每个符合一致性比值要求的对流层事件二级指标权重进行取平均值计算，最终得到二级指标对流层事件指标平均权重值，如表 5 所示。表 5 对流层事件指标权重统计表专家序号大气波导强降雨一致性比值专家 10.333 30.666 70专家 20.50.50专家 30.666 70.333 30专家 40.50.50专家 50.80.20平均值 B0.560.443.1.3 构造电离层事件指标判断矩阵构造二级指标电离层事件指标判断矩阵如表 6 所示，计算每个指标的权重，求得一致性比值为 0.013 6，判断矩阵有效。表 6 电离层事件指标判断矩阵指标电离层骚扰电离层暴电离层闪烁权重 Bi电离层骚扰121/50.166 6电离层暴1/211/70.093 8 电离层闪烁5710.739 6图 1 电波环境扰动态势指数评价指标2023 年第 7 期18计算机应用信息技术与信息化依次计算其他四位专家的统计表，形成的电离层事件指标权重统计表，对每个符合一致性比值要求的电离层事件二级指标权重进行取平均值计算，最终得到电离层事件平均权重值，如表 7 所示。表 7 电离层事件指标权重统计表专家序号电离层骚扰电离层暴电离层闪烁一致性比值专家 10.166 60.093 80.739 60.013 6专家 20.240 20.209 80.549 90.017 6专家 30.333 30.333 30.333 30专家 40.250.250.50专家 50.412 60.327 50.259 90.0516平均值0.2810.2430.4763.1.4 构造磁层事件指标判断矩阵构造二级指标磁层事件指标判断矩阵如表 8 所示，计算每个指标的权重，求得一致性比值为 0，判断矩阵有效。表 8 磁层事件指标判断矩阵指标地磁磁静日权重 Bi地磁140.8磁静日1/410.2依次计算其他四位专家的统计表，形成的磁层事件指标权重统计表，对每个符合一致性比值要求的磁层事件二级指标权重进行取平均值计算，最终得到磁层事件平均权重值，如表 9 所示。表 9 磁层事件指标权重统计表专家序号地磁磁静日一致性比值专家 10.80.20专家 20.666 70.333 30专家 30.80.20专家 40.50.50专家 50.750.250平均值 B0.7030.2973.1.5 构造太阳活动事件指标判断矩阵构造二级指标太阳活动事件判断矩阵如表 10 所示，计算每个指标的权重，求得一致性比值为 0.017 6，判断矩阵有效。表 10 太阳活动事件指标判断矩阵指标太阳耀斑太阳质子高能电子权重 Bi太阳耀斑1430.625太阳质子1/311/20.136 5高能电子1/4210.238 5依次计算其他四位专家的统计表，形成的太阳活动事件指标权重统计表，对每个符合一致性比值要求的太阳活动事件二级指标权重进行取平均值计算，最终得到太阳活动事件平均权重值，如表 11 所示。表 11 太阳活动事件指标权重统计表专家序号太阳耀斑太阳质子高能电子一致性比值专家 10.6250.136 50.238 50.017 6专家 20.333 30.333 30.333 30专家 30.50.250.250专家 40.412 60.327 50.259 90.051 6专家 50.333 30.333 30.333 30平均值0.4410.2760.2833.2 权重指标合成将电波环境扰动态势指数各个一级指标和二级指标的平均权重计算完成后，计算得出每个二级指标的合成权重Wi=AiBi，得出电波环境扰动态势指数评价表。计算结果如表 12 所示。表 12 电波环境扰动态势指数评价表指标大气波导强降雨电离层骚扰 电离层暴 电离层闪烁合成权重0.0800.0630.1280.1110.218指标地磁磁静日太阳耀斑太阳质子高能电子合成权重0.0770.0330.1280.0800.0824 计算电波环境扰动态势指数采用模糊评价法对电波环境扰动态势指数进行评价。电波环境扰动态势指数事件在日常业务中按照等级分为强、中、弱、无四个指标，确定模糊评语集 V 强，中，弱，无。针对电波环境扰动态势指数，采用价值分配的方式选取评语集进行量化，得到模糊评语集 V=100,70,40,0，根据模糊评价公式(1)求得评价表如式（2）所示：TBW V=（1）0.0885.63.200.0636.32.5200.12812.88.9600.11110000.2187000.0774000.033000.1280.080.4.415.1211.17.774.4421.8 15.268.727.75.393.083.32.311.3212.88.965 10.282B=085.63.208.25.743.280 （2）5 应用在日常业务中，值班专家会按照事件发生的先后对当天10种环境扰动态势事件进行人工诊断，评价事件的强弱等级。根据以往值班日志，选取其中 3 天电波环境扰动态势事件较多的和 2 天环境态势事件较少以及 1 天未发任何环境扰动态势事件的业务值班日志进行内容进行分析，其中选取的 6 天中各类事件强弱分布如表 13 所示。2023 年第 7 期19计算机应用信息技术与信息化按照环境扰动态势评价表对每天的环境扰动态势指数进行计算，计算结果如表 13 指数所示。可以看到，其中 3 天事件较为频繁的环境扰动态势指数分别为 27.01、28.1 和 42.3，其中 2 天事件较少等级较弱的环境扰动态势指数分别为 7.62和 10.31，其中未发生任何事件的环境扰动态势指数为 0。根据以往专家对环境扰动态势评估经验，前 3 天为环境扰动态势严重，需要重点关注和分析环境状况对无线电系统的影响，后 2 天环境扰动态势情况较为一般，只需要时刻关注环境态势指数的情况变化并分析对特定系统的影响情况，最后一天环境扰动态势情况无，则无需关注环境扰动态势对系统的影响，各频段、各类型的无线电信息系统均能正常运行。从电波环境扰动态势指数和扰动态势严重程度正相关性可以看出，本文设计的基于事件的电波环境扰动态势指数评价体系得出的结果与专家评价十分符合，指数评分越高代表环境态势事件越多、越严重。在实践应用中，环境扰动态势指数能够直观反映当天整体环境情况，选取过去一段长期指数运行结果和专家人工态势判定比较，运用 100 组典型指数评价结果进行分析，得出电波环境扰动态势指数超过 20 即为态势十分严重，指数超过 7 为环境态势一般，指数低于 7 为较为平静，指数为 0 则为环境态势无任何情况。因此按照指数进行电波环境扰动态势判定更为直观、科学，减少了人为分析态势判断环境情况造成的主观错误。6 结语随着通信技术的发展，信息化装备在电子对抗、通信、导航等领域的应用也越来越广泛，电波环境态势分析在信息化设备中的作用也越来越重要，甚至在关键时刻决定了装备的可用性、稳定性和准确性。因此通过研究电波环境扰动态势指数直接、准确地反映电波环境扰动态势状况具有极其重要的意义。结合层次分析法和模糊评价法对电波环境预报业务中的电波环境事件指标进行评价分析，构建电波环境扰动态势指数模型，形成以单一指数数值代表整体电波环境扰动态势的能力，打破了空间天气预报领域以多个事件以及多个参数对环境态势进行表示的现状，在日常业务运行中具有重要的实际应用价值。现有指数评价在指标权重打分的过程中还存在主观过多以及专家意见冲突的情况，在模糊评价过程中存在评语集量化主观性太强等因素，在后续研究中可以向电波环境定性和定量指标相结合的方向进行。参考文献：1 兰依.珍惜频谱资源,保护电磁环境：全球迎来第三个世界无线电日 J.数字通信世界,2014,(2):65.2 吴荣华,田威,侯小阳.电波环境在电子战作战支持系统中的作用研究 J.海军工程大学学报(综合版),2021,66(01):36-39.3 康士峰,曹仲晴,李建儒.海洋无线电装备电波环境信息保障技术 J.装备环境工程,2017,14(07):1-6.4 康士峰,牛虹.电波环境研究在微波遥感中的应用 J.遥感技术与应用,2005,(01):42-48.5 刘 琨,吕 江 涛,朱 庆 林,等.电 波 环 境 水 平 不 均 匀性 对 雷 达 探 测 精 度 影 响 研 究 J.空 军 预 警 学 院 学报,2020,.34(05):335-339.6 赵虎.基于辅助测量系统的多径参数获取方法 D.西安：西安电子科技大学,2019.7 李萌,蔡建飞.基于层次分析法(AHP)的城市创新环境综合评价研究 J.科技管理研究,2012,32;(04):50-53.8 许学芬,徐晓亮.基于层次分析法的线上课程教学效果研究 J.现代医药卫生,2022,38(24):4283-4286.9 王兆卫.基于模糊评价法的城市洪涝灾害评估研究 D.南京：东南大学,2017.10 刘晓雷.大型装备维修备件多级库存模型及其优化算法研究 D.合肥：合肥工业大学,2016.11 楚存坤,孙思琴,韩丰谈.基于层次分析法的高校图书馆学科服务评价模式 J.大学图书馆学报,2014,.32(06):86-90.【作者简介】刘晓雷（1990），男，山东莱州人，中国电子科技集团公司第二十二研究所工程师，研究方向：软件应用。胡冉冉（1992），女，山东聊城人，中国电子科技集团公司第二十二研究所工程师，研究方向：无线电传播效应研究工作。（收稿日期：2022-11-22 修回日期：2022-12-31）表 13 电波环境扰动态势指数计算结果表序号大气波导强降雨电离层骚扰 电离层暴电离层闪烁1强弱无强无2无强无无强3无无无无强4无强无无无5强无无无无6无无无无无表 13 续序号地磁 磁静日 太阳耀斑 太阳质子高能电子指数1中无无无无27.012无无无无无28.13强无强无无42.34无弱无无无7.625无弱无无无10.316无无无无无0