張 鵬，孟祥欣，邊月奎，解伊娜，王 琨

(西北機(jī)電工程研究所, 陜西 咸陽(yáng) 712099)

數(shù)據(jù)傳輸成功率是武器系統(tǒng)信息傳輸能力的基礎(chǔ)性能指標(biāo)之一，它反映了武器系統(tǒng)信息傳輸?shù)恼_性和可靠性。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸成功率試驗(yàn)作為武器系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)，受外界地理環(huán)境和電磁環(huán)境、裝備內(nèi)部電磁環(huán)境、接收機(jī)靈敏度、發(fā)射機(jī)功率、線路插損、天饋線系統(tǒng)增益等多種因素影響，試驗(yàn)涉及裝備多、規(guī)模大，組織困難。為保障試驗(yàn)的順利進(jìn)

行，應(yīng)對(duì)試驗(yàn)準(zhǔn)備、試驗(yàn)方法、試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及問(wèn)題排查進(jìn)行系統(tǒng)性的研究探討。

筆者采用系統(tǒng)分析方法，選用了適合超短波頻段的電波傳播模型進(jìn)行分析驗(yàn)證，剖析了影響武器系統(tǒng)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸成功率試驗(yàn)所涉及的各因素，提出了此類試驗(yàn)的系統(tǒng)性方法。

1 指標(biāo)和影響因素分析

1.1 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸成功率

武器系統(tǒng)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸成功率是指武器系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)之間(指揮裝備節(jié)點(diǎn)與作戰(zhàn)裝備節(jié)點(diǎn)或作戰(zhàn)裝備節(jié)點(diǎn))在規(guī)定距離和環(huán)境中進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的傳輸準(zhǔn)確度。試驗(yàn)中，數(shù)據(jù)傳輸成功率統(tǒng)計(jì)公式為

(1)

式中：η為傳輸成功率；Sp為節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)目；Rp為節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包數(shù)目；i為各節(jié)點(diǎn)。

節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包的數(shù)目主要取決于通信電臺(tái)的接收效果。通常使用信納德SINAD作為評(píng)價(jià)電臺(tái)接收效果的定量參數(shù)，其定義式為

(2)

式中：S為電臺(tái)接收到有用信號(hào)的功率;N為環(huán)境噪聲，包括車內(nèi)環(huán)境噪聲和外界環(huán)境噪聲;D為信號(hào)傳輸過(guò)程中的失真。

因此，武器系統(tǒng)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸成功率與接收信號(hào)的強(qiáng)度、噪音和通信距離有關(guān)，不僅涉及通信系統(tǒng)，還涉及結(jié)構(gòu)安裝設(shè)計(jì)、信息處理系統(tǒng)，以及各分系統(tǒng)電磁兼容性能和武器系統(tǒng)電磁兼容性能，試驗(yàn)時(shí)的地理環(huán)境、電磁環(huán)境等。

1.2 試驗(yàn)傳輸模型

根據(jù)武器系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸成功率試驗(yàn)的過(guò)程、使用設(shè)備及試驗(yàn)環(huán)境，對(duì)通信傳輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)化分析，構(gòu)建點(diǎn)對(duì)點(diǎn)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如圖1所示。

該模型包含試驗(yàn)中影響無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸成功率的被試設(shè)備、外界環(huán)境、裝備內(nèi)部環(huán)境及天線等各種因素，僅將多個(gè)節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化為2個(gè)節(jié)點(diǎn)。

1.3 影響因素分析

從模型中分析得出，影響無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸成功率的因素主要有以下5點(diǎn)：

1)信道設(shè)備狀態(tài)，包括信道設(shè)備功率、接收靈敏度等。電臺(tái)的發(fā)射功率越大，在固定范圍內(nèi)接收到的功率越大，接收靈敏度越小，越易受到環(huán)境噪聲的影響。

2)插入損耗，包括饋線、天線合路器、避雷器等。這些損耗主要降低發(fā)射電臺(tái)的發(fā)射功率和接收電臺(tái)接收到的信號(hào)功率。

3)外界環(huán)境噪聲。這些噪聲會(huì)通過(guò)天線進(jìn)入電臺(tái)，從而影響接收電臺(tái)的接收效果。

4)車內(nèi)環(huán)境噪聲。車內(nèi)噪聲會(huì)通過(guò)輻射和傳導(dǎo)方式進(jìn)入電臺(tái)，從而影響電臺(tái)的接收效果。

5)地理環(huán)境，包括遮擋、天線水平高度等。不同環(huán)境對(duì)電磁波的損耗不同，并會(huì)引起信號(hào)傳輸過(guò)程中的不同失真[1]。

2 建模與計(jì)算

2.1 電磁傳播模型

武器系統(tǒng)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸成功率試驗(yàn)，通常是通過(guò)組織大規(guī)模的試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試、結(jié)果分析、問(wèn)題排查、設(shè)計(jì)改進(jìn)和再試驗(yàn)等多次循環(huán)過(guò)程完成。由于影響該項(xiàng)指標(biāo)的因素錯(cuò)綜復(fù)雜，涉及因素較多，導(dǎo)致費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、費(fèi)資金。因此，構(gòu)建一個(gè)關(guān)于通信傳輸、電磁環(huán)境相關(guān)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過(guò)理論分析和試驗(yàn)結(jié)合，可以達(dá)到事半功倍的作用。

目前常用的電磁波傳播模型中，Egli模型適用VHF和UHF低段工作頻段，且地形起伏不大的場(chǎng)合，只涉及電臺(tái)工作頻率、收發(fā)天線高度參數(shù)，符合武器系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸成功率試驗(yàn)的情況[2]。

Egli 電波傳播模型是一種簡(jiǎn)化的不規(guī)則地形上的無(wú)線傳播模型， 適合于丘陵和鄉(xiāng)村條件，它是基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得出的，電波傳播損耗為

Lm=88+20lgf+40lgd-20lght-20lghr-Kh

(3)

式中:Lm為電波傳播損耗，dB；f為電波頻率， MHz；d為傳播距離，km；hr和ht分別為收發(fā)天線的高度，m；Kh為地形校正因子，dB。

式(3)的實(shí)際適用范圍是：距離在1 km以上至視距范圍內(nèi)，頻率在40～400 MHz之間，當(dāng)頻率低至25 MHz、高至1 000 MHz，距離不超過(guò)60 km時(shí)，其預(yù)測(cè)誤差不大。資料表明，地形校正因子，既與測(cè)試點(diǎn)周圍地形平均起伏高度有關(guān)，又與使用頻率有關(guān)。當(dāng)?shù)匦纹鸱母叨炔淮笥?5 m 時(shí)，Kh可以忽略不計(jì)。

根據(jù)已求出的電磁波傳輸損耗，在綜合考慮移動(dòng)臺(tái)饋線損耗、天線損耗時(shí)，可求出移動(dòng)臺(tái)接收到的信號(hào)功率為

Pr=Pt+Gt-Lt-Lm+Gr-Lr

(4)

式中:Pr為接收機(jī)收到的有用信號(hào)功率，dBm；Pt為發(fā)射機(jī)輸出功率，dBm；Gt為發(fā)射天線增益，dB；Lt為發(fā)射端饋線損耗，dB；Gr為接收天線增益，dB；Lr為接收端饋線損耗，dB[3]。

2.2 計(jì)算與分析

Egli模型所涉及的參數(shù)在武器裝備試驗(yàn)中可具體量化。某型電臺(tái)的工作頻率范圍在30～90 MHz， 電臺(tái)發(fā)射功率為50 W(47 dBm)，電臺(tái)靈敏度為-112 dBm。取f=35 MHz，d=8 km，2個(gè)通信節(jié)點(diǎn)采用3 m中饋天線，指揮車天線底座距地面2 m，戰(zhàn)車天線底座距地面3 m，因而ht=3.5 m，hr=4.5 m，代入式(3)，可得Lm為131 dB。

AT-808、AT-8036天線增益為-6～1 dB，取均值-3 dB，故Gt=Gr=-3 dB；饋線、接插件和避雷器件損耗為1 dB，天線合路器插入損耗4 dB，故發(fā)射天饋系統(tǒng)損耗Lt為5 dB，接收天饋系統(tǒng)損耗Lr為1 dB。

將上述取值代入式(4)，在35 MHz頻率下， 8 km到達(dá)接收端的信號(hào)強(qiáng)度Pr為-96 dBm，信道設(shè)備接收要求為信號(hào)高于背景噪聲3 dBm以上可正常檢測(cè)解碼，故信道設(shè)備某頻點(diǎn)下的背景噪聲應(yīng)小于-99 dBm。

3 試驗(yàn)問(wèn)題分析

某項(xiàng)目通信能力試驗(yàn)過(guò)程中，戰(zhàn)車與指揮車相距8 km布置于試驗(yàn)場(chǎng)，無(wú)線建鏈成功后互相發(fā)送數(shù)據(jù)，記錄發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算判斷數(shù)據(jù)傳輸成功率。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)超短波電臺(tái)工作在頻段30～35 MHz時(shí)通信不達(dá)標(biāo)，結(jié)合上述建模計(jì)算進(jìn)行分析。

3.1 原因分析

3.1.1 設(shè)備狀態(tài)確認(rèn)

進(jìn)行單體設(shè)備性能指標(biāo)檢測(cè)，包括測(cè)量各測(cè)試電臺(tái)天線在該頻點(diǎn)的駐波比是否滿足指標(biāo)：AT-808電壓駐波比≤3.5，個(gè)別點(diǎn)不大于4；AT-8036電壓駐波比≤4。測(cè)量各測(cè)試電臺(tái)在該頻點(diǎn)的發(fā)射功率(50 W±1.5 dB)是否滿足指標(biāo)。測(cè)量各測(cè)試電臺(tái)在該頻點(diǎn)的接收靈敏度是否滿足指標(biāo)。檢測(cè)天線合路器在該頻點(diǎn)的插入損耗是否滿足指標(biāo)：平均≤3.5 dB，最大≤5 dB。

3.1.2 外部環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)

采用頻譜儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)環(huán)境噪聲值，測(cè)量試驗(yàn)場(chǎng)30～35 MHz的環(huán)境背景噪聲，作為試驗(yàn)條件。根據(jù)建模與計(jì)算分析，背景場(chǎng)強(qiáng)大于-99 dBm，則該頻點(diǎn)就難以達(dá)到指標(biāo)要求。

采用頻譜儀連續(xù)多日對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)環(huán)境頻譜場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行了檢測(cè)，測(cè)量了試驗(yàn)場(chǎng)30～90 MHz頻點(diǎn)的環(huán)境背景場(chǎng)強(qiáng)。檢測(cè)結(jié)果表明，試驗(yàn)場(chǎng)環(huán)境下30～35 MHz低頻段存在較大干擾，其環(huán)境場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)-90 dBm，在此條件下，8 km距離無(wú)法正常通信。試驗(yàn)期間試驗(yàn)場(chǎng)環(huán)境場(chǎng)強(qiáng)如圖2所示。

3.1.3 車內(nèi)電磁干擾檢測(cè)

如圖3所示，采用頻譜儀連接在指揮車寬帶天線，檢測(cè)并記錄指揮車上裝各設(shè)備開(kāi)機(jī)后頻譜儀檢測(cè)的場(chǎng)強(qiáng)；再打開(kāi)戰(zhàn)車超短波電臺(tái)，然后依次打開(kāi)裝備內(nèi)各設(shè)備，檢測(cè)并記錄各設(shè)備開(kāi)機(jī)后頻譜儀檢測(cè)的場(chǎng)強(qiáng)。

按此查找裝備上對(duì)電臺(tái)影響最大的設(shè)備及影響強(qiáng)度，尤其是提升背景場(chǎng)強(qiáng)大于-99 dBm的。監(jiān)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)高速有線數(shù)話同傳設(shè)備及車通開(kāi)機(jī)后背景場(chǎng)強(qiáng)提升較大，最高達(dá)15 dB，且主要集中在30～40 MHz以內(nèi)的低頻點(diǎn)。頻譜掃描如圖4所示。

3.2 問(wèn)題定位

尋找良好環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，排除外界環(huán)境干擾后，針對(duì)問(wèn)題現(xiàn)象進(jìn)行分析研究，重點(diǎn)從以下兩個(gè)方面進(jìn)行了故障定位[4]。

3.2.1 干擾源確定

根據(jù)車內(nèi)電磁干擾檢測(cè)，可確定為高速有線數(shù)話同傳設(shè)備及車通為主要干擾源。

3.2.2 干擾點(diǎn)確定

高速有線數(shù)話同傳設(shè)備及數(shù)字式車內(nèi)通話系統(tǒng)工作后，由于其配套的高速有線設(shè)備電源電纜W508、高速有線設(shè)備數(shù)據(jù)電纜W527和車通數(shù)據(jù)電纜W525、W537輻射較大，且靠近AT-808寬帶天線的饋線電纜W550，通過(guò)輻射干擾影響到W550電纜接收到的信號(hào)，導(dǎo)致背景場(chǎng)強(qiáng)提高。

指揮車寬帶天線座至四合一天線合路器的射頻電纜W550(點(diǎn)劃線)與干擾源電纜W508、W527、W525和W537(黑粗實(shí)線)的電纜敷設(shè)，如圖5所示。

3.3 采取措施

對(duì)于上述問(wèn)題，對(duì)車內(nèi)電磁干擾采取降低干擾源干擾強(qiáng)度的同時(shí)，提高受干擾點(diǎn)的抗干擾能力[5]；對(duì)于外界電磁環(huán)境，無(wú)法改變，但進(jìn)行檢測(cè)并記錄，作為試驗(yàn)條件提供。

3.3.1 降低干擾源干擾

對(duì)干擾源進(jìn)行了防護(hù)措施，重新加工W508、W525、W527和W537電纜，做好環(huán)接屏蔽；并增加外層屏蔽套，將單層屏蔽改為雙層屏蔽。

3.3.2 加強(qiáng)抗干擾措施

對(duì)受干擾點(diǎn)采取抗干擾措施，采用彎頭插頭對(duì)W550電纜重新進(jìn)行了加工制作。增加零件“固定夾”(零件號(hào)00-35)，利用車內(nèi)裝飾板安裝螺釘，對(duì)W550電纜按照新電纜敷設(shè)圖重新安裝固定，防止設(shè)備拆卸維護(hù)后W550電纜走向改變，使其遠(yuǎn)離干擾源電纜W527、W525、W537及W508等，減小信號(hào)電纜被干擾的強(qiáng)度。按照敷設(shè)圖電纜走向重新安裝敷設(shè)后的W550電纜(點(diǎn)劃線)，如圖6所示。

3.4 驗(yàn)證情況

在試驗(yàn)場(chǎng)用指揮車和1號(hào)車再次進(jìn)行了8 km通信試驗(yàn)。在背景場(chǎng)強(qiáng)基本良好時(shí)，指揮車全系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后觀察超短波電臺(tái)1的背景場(chǎng)強(qiáng)指示，記錄如表1所示。

表1 重新布置電纜后的背景場(chǎng)強(qiáng) dBm

通過(guò)上述對(duì)比可以看出，在外界環(huán)境良好的情況下，車內(nèi)采取的兩項(xiàng)措施效果良好，超短波電臺(tái)低頻段部分背景場(chǎng)強(qiáng)比改造前下降了大約5 dB，可以滿足8 km通信要求。

指揮車及3輛戰(zhàn)車、3臺(tái)戰(zhàn)車模擬工裝在試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了8 km無(wú)線通信低頻點(diǎn)驗(yàn)證試驗(yàn)。選擇頻率30.025、31、32、33、34、35 MHz進(jìn)行定頻工作。在每一頻點(diǎn)指揮車發(fā)送3 000幀、各車發(fā)送2 000幀，所有裝備均全系統(tǒng)工作，數(shù)據(jù)傳輸成功率均達(dá)98%以上。

4 結(jié)束語(yǔ)

影響無(wú)線通信數(shù)據(jù)傳輸成功率的因素較多，經(jīng)過(guò)分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，形成了系統(tǒng)的測(cè)試排查方法，以便高效地完成試驗(yàn)和排查問(wèn)題。其中車內(nèi)設(shè)備電磁干擾和外界電磁環(huán)境干擾引起的背景噪聲場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)電臺(tái)正常通信背景噪聲為主要因素。通過(guò)建模分析和試驗(yàn)結(jié)合，驗(yàn)證了影響武器系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸成功率的分析和排查方法的系統(tǒng)性和準(zhǔn)確性，可指導(dǎo)武器系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸成功率試驗(yàn)的準(zhǔn)備、組織、試驗(yàn)和故障排查，提高試驗(yàn)效率，保障試驗(yàn)的順利進(jìn)行。