基于粒子群算法的電磁頻率分配方法研究

摘 要： 在分析戰場電磁頻譜管控的意義、作用、地位及流程的基礎上，結合參訓部隊用頻裝備的頻率范圍、工作時間和工作區域，在考慮各種約束條件的情況下，提出了基于粒子群優化算法的頻率分配方法，對信息對抗訓練中電磁頻譜管控和頻率分配具有一定的指導意義。

關鍵詞： 信息對抗訓練； 頻譜管控； 頻率分配； 粒子群算法

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）17?0005?04

0 引 言

隨著大量依賴于電磁頻譜的電子信息系統被應用到軍事領域中，在提高武器裝備信息化水平的同時，也使得現代戰場的電磁環境越來越復雜。戰場頻譜管理是指在特定的戰場環境中，通過技術的手段或行政的規程對電磁頻譜的使用進行規劃、協調，使無線電設備不產生或不受到有害干擾，使分布在陸、海、潛、空、天各類作戰單元中的電子偵察、無線電通信、信息作戰、精確武器制導等諸多電子信息裝備正常運行，成為有機整體[1?2]，頻譜管理已成為影響戰爭勝負的關鍵因素之一。為了適應現代化戰爭的需要，開展信息對抗訓練是十分必要的，在信息對抗訓練中，為了提高訓練效果，達到提升信息作戰部隊戰斗力的目的，模擬逼真的戰場環境，必須做好電磁頻譜管控和頻率分配工作。

1 頻譜管控流程及頻率分配算法

1.1 頻譜管控在現代戰爭中的地位和作用

在現代作戰中，戰場上頻譜的使用及管控直接影響著作戰指揮的流暢、武器效能的發揮及信息作戰的成敗，是制信息權的決定因素，在現代戰爭中的作用及地位包括以下幾個方面。

（1）頻譜管控是電子信息武器系統效能發揮的關鍵

現代信息化戰爭的重要特點是指揮控制系統、情報偵察系統、通信導航系統、信息作戰系統等電子裝備大量使用，各種情報信息的獲取、控制和利用都將與爭奪電磁頻譜的使用和控制密切相關，任何無線電裝備使用不當都可能影響軍事電子信息系統效能的發揮，也將直接影響到作戰的成敗。

（2）頻譜管控是制“信息權”的基礎

現代戰爭中爭奪制電磁權已成為獲取信息優勢、爭奪戰場制空權、制海權以至整個戰場主動權的先導，而靈敏高效的電磁頻譜管控手段，則是降低敵方電子信息系統作戰效能、保證己方C4IRS系統穩定運行進而奪取制電磁權的重要保證。

頻譜管控主要體現在：一是通過對電磁頻譜的變化情況進行監測分析，及時調整己方各個層次通信、指揮控制系統的使用頻率，保證作戰指揮的順暢；二是根據電磁環境的變化，及時準確地捕捉敵方電磁信息，為己方實施電磁攻擊提供信息；三是通過戰場頻譜管理系統實時動態的管控，掌握電磁頻譜使用情況，提出制信息權的方案。

（3）頻譜管控是軍隊信息化建設的可靠保障

未來信息化軍隊是以信息化武器裝備為主要手段，以能夠最有效地發揮信息能力的體制編制，以信息化人才為主題，用信息網絡把各作戰要素連為一體，能充分開發利用信息資源，實現信息化、小型化、知識化、高效化的軍隊。軍隊信息化建設的主要任務是通過強化信息技術應用，加大信息基礎設施投入，深入開發利用信息資源，不斷提高網絡及武器裝備信息化水平。頻譜管控及頻率分配是軍隊信息化建設的重要組成部分，涉及到信息化建設的各個方面，直接影響到信息化武器裝備建設，是推動軍隊現代化建設的可靠保障。

1.2 頻譜管控特點

隨著高新技術的不斷發展，特別是信息技術在軍事領域的廣泛應用，使得現代戰場的電磁環境越來越復雜，這也給頻譜管控帶來了巨大困難，使頻譜管控呈現出一些新特點，主要包括以下幾個方面：無線業務種類繁多，頻譜管控組織十分復雜；各類電子裝備高度密集，頻譜管控異常困難；電子頻譜爭奪異常激烈，頻譜管控任務極為艱巨；軍民電磁頻譜相互交融，頻譜管理協調尤為繁重。

1.3 頻譜管控流程

無線電頻譜管控是通過電磁環境監測手段，監督和管理無線電用頻設備的設置和使用[3]，采用統一規劃和頻率分配的措施來維護頻譜使用秩序，保證各種無線電業務的正常進行；其實現過程包括：建立大縱深、全方位、立體化的頻譜感知網絡，對無線電頻率的使用情況進行監測；構建分布式、智能化頻譜信息處理決策網絡；采用最優化的頻率分配方法實現頻譜的動態分配和頻譜信息注入，實現為各類無線電通信系統、雷達系統、定位系統、導航系統、遙測系統、定向能量武器系統、多譜傳感器系統等提供有效頻譜接入和全域頻譜信息支撐。

通過頻譜管控可以有效利用頻譜資源，協調各部門的業務關系，消除己方電子裝備的相互干擾。

頻譜管控流程如圖1所示。

1.3.1 電磁環境監測

電磁環境（頻譜）監測作為頻譜管理系統的一部分，主要通過選擇先進的頻譜監測設備及監測天線，合理配置監測站的分布，并構建監測網，對信號進行監測、計算信號的帶寬、頻偏和載頻，統計頻率的占用情況，查找干擾源位置；分析電離層斜測儀和監測網的短波數據，為干擾診斷和頻率分配提供依據。

頻譜監測的主要數據包括：實際頻譜占用度與核準占用度數據；非法發射源的位置和發射參數；信號之間與內部的干擾數據，偏離核準發射參數；信號出現時間及樣式等。

1.3.2 電磁兼容性分析

電磁兼容性（EMC）[4?5]分析是指從頻率、時間和空間三維角度分析考察無線電臺間的電磁隔離度，計算干擾的大小和影響范圍，評價干擾的危害程度，為頻譜管控和頻率分配提供依據。

EMC分析是頻譜管控的必要技術手段，貫穿于頻譜管理的全過程。進行科學的EMC分析必須完成三項工作：建立頻譜管理數據庫；建立涵蓋主要頻段、適用于不同無線電業務的電波傳播模型；構筑適當精度和圖層的專用地理信息系統平臺。EMC分析也是分析產生干擾、 排查干擾的重要手段。

1.3.3 制定電磁頻譜管控方案

頻譜管控方案是信息化訓練、演練組織者制定作戰訓練、演練計劃的重要依據之一。電磁頻譜管控方案包括頻譜管理計劃、 頻率使用計劃和頻譜處置預案等。其制定過程包括三步：

（1）對訓練、演練地域電磁環境情況進行分析，對電磁態勢進行評估；

（2）收集并確認頻譜需求，擬制頻譜管理建議；

（3）制定各種計劃。其內容必須與訓練、演練方案相協調。頻率使用計劃包括頻段分配、使用時間、地域、保護頻率及限制頻率等內容。

1.3.4 頻率分配方法

頻率規劃之前首先要對兩種資源進行統計分析，一是全部用頻裝備的頻率使用要求；二是頻率資源，包括所有可使用頻率，扣除保護頻率、上級已使用頻率及強干擾頻率后的頻率。然后，按工作種類不同確定出優先級，對級別高的首先分給頻率，以保證主要通信線路使用。最后使用最優化算法對頻率進行分配，確定各設備、網絡的頻率使用方案，常用的頻率分配技術[6]主要有遺傳算法、蟻群算法、圖的邊著色法、模擬退火算法、多Agent算法等。

2 信息對抗訓練中頻譜管控及頻率分配方法

2.1 信息對抗訓練頻譜管控措施

（1）對訓練地域進行電磁環境監測，弄清頻率使用情況。

（2）建立參訓裝備、設備性能數據庫，包括設備種類和性能參數，其中性能參數包括：頻率、帶寬、功率以及接收機自動增益控制門限、接收機降靈門限、接收機三級互調參數等。

（3）建立可用頻譜池，頻譜池中的頻率包括可用無線電頻域減去保護頻率、已占用頻率后的頻率，作為備選頻率使用。

（4）選擇高效的頻率指配算法進行頻率分配，頻率分配遵循以下原則：選擇合適的工作頻段和頻點；控制頻點的數量；按照頻譜的三維特性，采取頻率、空間、時間分割的方法指配和使用頻率，提高頻譜的利用率；采用先進的組網方式和先進的設備及技術，提高頻率的利用率。

（5）在訓練期間，與地方無線電管理部門合作，對不在我方備選范圍內，但容易對我方造成干擾頻率的使用，進行時間、空間、功率有限度的控制，以免對我方訓練造成影響。

2.2 基于粒子群算法的頻率分配方法

2.2.1 粒子群優化算法

美國心理學家James Kennedy和電氣工程Russell Eberhart在研究鳥群、魚群和人類社會的行為規律時得到啟發，于1995年提出了粒子群優化（PSO）算法[7]，該算法是一種基于群體智能的隨機尋優優化算法，它將所求問題的搜索空間類比于鳥類的飛行空間，將每只鳥抽象為一個無體積、無質量的粒子，用以表征所求問題的一個候選解，優化所需要尋找的最優解則等同于鳥類要尋找的食物。

2.2.2 目標函數確定

頻率分配的目標函數主要有：

（1）帶寬最小：用來減少所分配的最高頻率和最低頻率之間的頻率間隔度；

（2）占用頻率資源最少：以使得所分配的頻率總數量盡可能少；

（3）干擾度最低：以減少所分配頻率之間的相互干擾；

（4）干擾優先次序：用來對優先權的基站/網絡分配頻率，使得低干擾得以實現；

（5）同址干擾：在進行陣列間干擾的分析計算時，主要針對所選的干擾方式進行頻率分配；

（6）通信效果最優：頻率分配使所有的設備通信效果最佳；

頻率分配的目的是對選定的發射機采用盡可能少的頻率來避免他們之間的相互干擾。

2.2.3 頻率分配粒子群算法步驟

3 結 語

頻譜管控在現代戰爭中的地位和作用，決定了其 是信息化部隊訓練中一項非常重要的工作，結合信息對抗訓練，在分析無線電頻譜管控的基礎上，對信息對抗訓練的頻譜管控和頻率分配進行了初步的探討，其結果對部隊訓練、演練中的頻譜管控和頻率分配具有一定的指導作用，但頻譜管控和頻率分配是一項非常復雜的工作，還需要從各個方面進行更加深入的研究。

參考文獻

[1] 董慶生.電波與信息化[M].北京：航空工業出版社，2009.

[2] 王先義，陳丹俊，劉斌，等.復雜電磁環境戰場頻譜管理[J].中國電子科學研究院學報，2008，3（4）：338?344.

[3] 張跟全，馬飛，李大艷.國家頻譜管理系統的分析與設計[J].信息系統與網絡，2006，36（10）：14?16.

[4] 李鐵，劉維國，李銳.無線電通信頻譜管理模型研究[J].艦船電子對抗，2005，28（5）：27?30.

[5] MCHENRY M， LIVSICS E， NGUYEN T， et al . XG dynamic spectrum access field test results [J]. IEEE Communications Magazine， 2007， 45（6）： 51?57.

[6] 喻志輝，胡中豫，茍炳勇.短波通信電磁性質分析[J].無線電工程，2004，34（3）：56?57.

[7] 陳自郁.粒子群優化的拓撲結構和算法改進研究[D].重慶：重慶大學，2009.

[8]孫健，劉慧霞，席慶彪.基于改進粒子群算法的多UAV協同偵察任務規劃[J].現代電子技術，2012，35（7）：12?15.

作者簡介：王新增 男，1966年出生，河南舞陽人，博士，工程師。主要研究方向為信息化作戰訓練。