基于通信指揮的頻率指配模塊設計與實現*

陳自衛

(75731部隊 深圳 518000)

基于通信指揮的頻率指配模塊設計與實現*

陳自衛

(75731部隊 深圳 518000)

根據戰場通信指揮的實際需求,設計了通信指揮輔助決策系統的頻率指配模塊。闡述了系統硬件的接收天線、饋線、合路器和接收機等結構,設計了系統輔助決策軟件的全景掃描、新頻和異態分析、頻率指配和數據庫四個重要模塊,最后介紹了系統軟件實現的基本工具和結構。

通信指揮; 頻率指配; 功能框架

Class Number TN975

1 引言

隨著大量通信裝備應用于戰場,現代戰爭的戰場電磁環境日益復雜,如何對戰場通信裝備進行合理的頻率指配,成為打贏現代戰爭的重要技術保證[1～2]。戰場通信指揮輔助決策系統是針對戰場通信設備的特點,設計開發的一款應用于戰場通信指揮的輔助決策系統[3～5]。通信指揮輔助決策系統由戰場電磁頻譜監測分析設備和監測應用軟件組成。系統對部隊所處的戰場電磁環境進行監測和量化分析,得出戰場電磁頻譜的分布狀況,并結合我軍通信裝備數據庫,得出我軍部隊通信裝備使用的輔助決策意見,供指揮員決策時使用,其功能組成框圖如圖1所示。

圖1 通信指揮輔助決策系統組成框圖

由圖1可以看出,該系統由天線、接收機、終端設備組成,其中天線為多波段全向組合天線,接收機由射頻接收模塊和中頻模塊組成,終端設備中處理軟件由通信指揮輔助決策軟件和數據庫組成。系統通過科學的天饋線配置、高性能接收機配合功能強大的應用軟件可以:

1) 在寬帶模式下對整個1.5M～3GHz頻段進行快速全景掃描,快速掌握整個頻段上信號的分布;

2) 通過設置合理的檢測門限還可以對各個業務頻段利用率和信道占用度進行任意時間段內的測量統計;

3) 在信號分析方面可以對空中各種無線電發射信號的基本參數,如頻率、功率和帶寬等指標進行測量,對信號進行監聽,對發射標識進行調制識別;

4) 通過與無線電臺站數據庫和頻率數據庫查詢比對發現敵方無線電信號。

2 系統硬件的設計

通信指揮輔助決策系統硬件部分主要由偵察接收天線、饋線、合路器、偵察接收機四部分組成。

圖2 通信指揮輔助決策系統硬件組成

偵察接收天線的作用是把到達接收點處的電磁波能量轉換為導行電磁波或高頻電流,并由饋線(傳輸線)傳送給接收機,因此接收天線是接收機的信源。在以電磁波的輻射方式傳送信息的無線電系統中,天線是至關重要的環節,天線是輻射或接收電磁波的裝置,因此,天線有完成由場源產生輻射電磁波的發射天線,也有從載有信息的電磁波中還原出原發信息的接收天線,也就是說天線具有發射和接收兩種工作狀態。在無線電頻譜監測與管理系統中,我們所用天線只需具有接收功能即可。目前接收天線種類較多,如鞭狀天線、菱形天線、螺旋天線、陣列天線等。理想的通信信號監測系統的天線部分應該能夠覆蓋全部無線通信頻段,通常來說,由于內部阻抗不匹配,不同頻段電臺的天線是不能混用的[6～7]。而要在很寬的工作頻率范圍內實現無障礙通信,就必須有一種無論電臺在哪一個波段都能與之匹配的天線,為此,我們需要設計使用組合式多頻段天線方案,即把1.5MHz～3000MHz頻段分為1.5MHz～30MHz,30MHz～512MHz,512MHz～3000MHz三段,分為短波、超短波、超高頻三根天線。

在饋線間或饋線與設備之間總是需要連接裝置,沒有這些連接件,傳輸線和天線等都不能很好工作,連接裝置常稱為連接器,最常用的是離頻插頭和插座。現在大都使用SMA/SMB/BNC三種。無論何種傳輸線,也無論何種連接件,對接收設備影響而言,主要有兩個方面:一是對信號的衰減;二是相移,對信號的衰減,可能導致噪聲系數增加,相移可能影響信號的保真性能。這些是安裝和操作時必須注意的。在有多個大信號時,連接器的非線性也會引起互調產物的產生,這也是值得注意的。隨著應用環境的巨大變化,在選用傳輸線和連接器時,還應注意以下幾點:高性能和小型化、標準化和低成本、組件化和綜合化。

對該系統而言,其核心是偵察接收機。針對通信信號監測頻率范圍1.5MHz～3GHz,以及該接收機的靈敏度和鏡像頻率抑制的要求,在此我們選用頻率分辨率較高、測量速度較快、成本較低的超外差式偵察接收機。

3 系統軟件的設計與實現

3.1 系統軟件功能框架

系統另一個核心部分是終端處理軟件部分,該部分主要包括通信指揮輔助決策軟件及頻譜數據庫等相關數據庫兩大部分。通過靈活的人機交互接口,包括功能選擇、數據錄入、條件設置、值域確定等,以滿足不同的功能需求及操作使用過程中需求約束條件的不同變化。該軟件的主要功能是實現對前端硬件監測到的目標信號的工作頻點、通信體制(定頻/跳頻)、調制樣式與調制參數、信號相對場強、信號帶寬等進行分析,完成全波段頻段搜索、控舊抓新、信道搜索、定頻分析、新頻與異態分析、通信電臺的頻率指配等功能,為戰場通信指揮系統提供輔助決策[8]。

圖3 通信指揮輔助決策軟件框架

因此,通信指揮輔助決策指揮系統軟件主要包括四個功能模塊,具體的軟件功能框架如圖3所示,各功能模塊介紹如下:

1) 戰場電磁頻譜掃描模塊主要實現對戰場全頻段內無線電信號進行快速搜索顯示,全面實時了解掌握作戰區域全頻段范圍內的電磁頻譜分布特性,包括背景信號與各種隨機干擾的分布特性,在此基礎上快速發現新出現的各類目標信號,特別是敵方目標信號,為進一步的分析識別提供快速引導。全景掃描模塊在接到用戶發出的全景掃描指令后,向前端硬件平臺發送掃描指令,由前端硬件平臺完成對戰場全頻段范圍內無線電信號進行掃描,并完成對信號的中頻處理,然后返回數據到全景掃描模塊,掃描模塊在接收到前端返回的掃描數據后,立即對數據進行快速的處理分析,完成繪制面向用戶的戰場全景頻譜圖,并建立戰場電磁頻譜資源數據庫,這樣就完成一次全景掃描過程。在實際使用過程中,全景掃描模塊通過不斷的向前端硬件平臺發送掃描指令,來完成對戰場全頻段范圍內的無線電信號的實時監測。戰場電磁頻譜全景掃描模塊是整個系統硬件部分與軟件部分的“橋梁”,是軟件部分的“前端”,主要實現數據的搜集,并建立相應的資源數據庫,為后續的定頻分析及頻率指配功能服務。

2) 新頻和異態分析模塊是在全景掃描的基礎上,對每次掃描出現的新頻或異常信號,進行定頻分析,通過分析該信號的工作頻點、通信體制(定頻/跳頻)、調制樣式與調制參數、信號相對場強、信號帶寬等,判斷出該信號所屬通信裝備種類,并繪制出該信號的頻譜特性圖,為通信指揮員提供較為直觀的參考依據。同時建立新頻與異態數據庫,與后續掃描所得數據進行比較,用以判斷該信號所屬種類。由此可以看出,新頻和異態模塊是戰場電磁頻譜管理中較為重要的一部分,它能及時捕捉到戰場無線電信號的變化信息,并通過定頻分析,對戰場上出現的異常信號進行分析,為指揮員提供及時的參考數據,便于通信人員及時調整頻率指配方案,以及時應對當前瞬息萬變的信息化戰場。

3) 頻率指配模塊主要實現建立戰場通信裝備數據庫、為指揮員提供直觀簡易的操作界面、對戰場通信裝備進行頻率指配、根據戰場通信裝備變化情況及時調整頻率使用方案[9～10]。通信指揮的主要任務是及時掌握戰場電磁頻譜動態,對戰場電磁頻譜變化情況進行監控,并根據作戰需要,及時調整本方通信裝備頻率使用方案,防止己方通信裝備在工作過程中出現相互干擾或頻率沖突,這正是通信指揮輔助決策終端中頻率指配模塊所要實現的功能。

4) 電磁頻譜管理數據庫,包括頻譜資源數據庫、用頻裝備數據庫、用頻臺站數據庫、電磁頻譜監測數據庫、電磁頻譜探測數據庫、用頻裝備設備檢測數據庫等,為戰場電磁頻譜管理提供重要的數據支持[11]。

3.2 系統軟件工作流程

為實現上述功能需求,該軟件的實現流程為:

步驟1:對各參數進行初始化;

步驟2:對戰場電磁頻譜進行全景掃描,建立戰場全景電磁頻譜資源數據庫;

圖4 通信指揮輔助決策系統軟件實現流程

步驟3:對監測到的重點目標(新頻、異態信號)進行定頻分析,并建立重點目標(新頻、異態)資源數據庫;

步驟4:根據實戰需要對戰場電磁頻譜資源數據庫中通信電臺工作頻率參數,使用優化算法進行頻率指配,并建立戰場通信裝備工作頻率數據庫;

步驟5:判斷是否需要對重點目標進行循環監視,若是,則回到步驟3；

步驟6:判斷是否需要進行循環偵察搜索,若是,則回到步驟2。

軟件的具體實現流程如圖4所示。

4 通信指揮輔助決策系統軟件的實現

通信指揮輔助決策軟件是基于Windows XP操作系統,采用ASP.NET實現Web服務器與數據庫的連接,后臺數據庫為Oracle系統,以Visual Studio.net為系統開發平臺,系統采用B/S的三層架構。

系統利用ASP.NET部署B/S的三層架構,由顯示層、中間層、數據層組成。顯示層就是利用瀏覽器為客戶提供應用服務的圖形界面,負責直接跟用戶進行交互;中間層位于顯示層和數據層之間,由應用服務器和Web服務器實現系統的業務邏輯功能;數據層是三層中的最底層,負責數據的存儲和訪問。每層的功能非常清晰,層與層之間不能跨越,客戶端不直接與數據庫進行交互,而是通過COM/DCOM通訊與中間層建立連接,中間層經過ADO.NET實現對數據層的數據進行訪問,實現了顯示、數據、邏輯的分開,減少了耦合度,更加靈活,適于維護。

ASP.NET在網頁中使用基于事件的處理,顯示層的頁面代碼和后臺的代碼分離,系統采用C#作為后臺代碼的語言。.NET中可以方便地實現組件的裝配,后臺代碼通過命名控件可以方便地使用自己定義的組件。顯示層放在ASP頁面中,數據庫操作和業務邏輯用組件來實現,這樣就很方便實現了三層架構。這樣的結構減少了入口點,減少了由于客戶端被破壞而給數據庫帶來損失的風險,保證了系統的安全。圖5所示為通信指揮輔助決策軟件的實現框架。

圖5 通信指揮輔助決策軟件的實現框架

5 結語

論文根據戰場通信指揮的實際需求,設計了通信指揮輔助決策系統的頻率指配模塊。設計中首先介紹了系統硬件的功能結構,主要包括偵察接收天線、饋線、合路器和偵察接收機等結構;系統的輔助決策軟件主要包括全景掃描、新頻和異態分析、頻率指配和數據庫四個重要模塊;最后基于C#、Oracle數據庫和ASP.NET為開發工具進行了實現,整個系統的建立將大大提高戰場頻率指配的速度。

[1] 翁木云,張其星,謝紹斌.頻譜管理與監測[M].北京:電子工業出版社,2009:47-58.

[2] 王強.美軍海戰場頻率規劃分析[J].艦船電子對抗,2007(6):26-33.

[3] 秦曉萌.短波頻率輔助決策系統軟件設計與實現[D].西安:西安電子科技大學,2012:18-25.

[4] 何志超,王榮.機械化部隊頻譜資源管理與分配系統的設計[J].裝甲兵工程學院學報,2000(3):34-36.

[5] 毛昭軍,李云芝.基于多agent系統的艦艇編隊防空輔助決策系統[J].系統工程與電子技術,2006,28(11):1704-1708.

[6] 李靖.無線電頻率管理系統設計[D].濟南:山東大學,2005:60-88.

[7] 陳自衛,程善政,周密.網絡中心戰中的電磁頻譜管理[J].艦船電子工程,2012,30(4):9-12.

[8] 邵鵬.無線電監測數據管理分析系統中數據統計分析模塊的研發[D].長春:吉林大學,2008:21-33.

[9] 梁強.射頻頻譜分析儀的設計與研究[D].合肥:合肥工業大學,2006:47-56.

[10] 劉維國,張大禹.電磁兼容環境下艦艇通信頻率指配研究[J].艦船電子對抗,2002:11-13.

[11] 張波.海戰場無線頻譜資源管理策略研究[D].武漢:華中科技大學,2010:17-26.

Battlefield Communication and Command Decision Support System Design and Implementation of Frequency Assignment Modules

CHEN Ziwei

(No. 75731 Troops of PLA, Shenzhen 518000)

The frequency assignment module for the communication and command decision support system is designed based on the actual needs of the battlefield command and communication. The structure of the system hardware is described which contains receiving antenna, feeder line, combiners and receivers, etc. The panoramic sweep, new frequency and anomaly analysis, frequency assignment and database four important modules is designed for the decision and support software system. And finally the basic structure of the system tools and software implementation is introduced.

communication command, frequency assignments, functional framework

2014年4月7日,

2014年5月27日

陳自衛,男,博士,研究方向:復雜電磁頻譜管理。

TN975

10.3969/j.issn1672-9730.2014.10.019