戰場電磁兼容輔助決策模型構建*

薛仁杰 李修和 徐 珺

(電子工程學院 合肥 230037)

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戰場電磁兼容輔助決策模型構建*

薛仁杰 李修和 徐 珺

(電子工程學院 合肥 230037)

針對當前戰場電磁兼容難題,提出了基于動態頻譜池管理的戰場電磁兼容輔助決策模型,論述了戰場電磁兼容輔助決策模型中關鍵的頻譜感知、預測分析、頻譜池分配與管理和輔助決策等模型,具有一定的工程應用價值。

電磁兼容; 輔助決策; 模型; 頻譜池

Class Number C934

1 引言

現代戰場電子信息裝備和信息化武器的大量涌現和集中使用,輻射源種類繁多,信號樣式復雜,頻譜擁擠,如果不加以控制,將會導致嚴重的自擾、互擾,大大降低裝備的作戰效能。傳統的實現戰場電磁兼容的方法主要是采用靜態頻譜管理,劃分各個單位和裝備的用頻頻段,用頻受到較為嚴格的限制。隨著用頻裝備的增多,容易造成管理的混亂,并且會造成頻譜資源的嚴重浪費。動態頻譜管理思想在通信領域獲得了快速的發展,隨著軟件無線電和認知無線電技術的成熟,用軟件管理代替人工管理是未來的發展趨勢,尤其是基于頻譜池的動態頻譜分配與共享的思想相較于傳統的電磁頻譜管理有著明顯的優勢,對于當前日益復雜的戰場電磁環境,單純的依靠靜態頻譜管理將會嚴重制約電子戰裝備作戰效能的發揮。因此,將具有自適應能力的認知無線電思想引入到戰場電磁頻譜管理之中,建立基于認知無線電的戰場電磁兼容頻譜管理系統,對于提高復雜電磁環境下電子對抗裝備作戰效能具有十分重要的意義[1]。

戰場電磁兼容輔助決策系統需要具備三個基本能力,即頻譜感知能力,兼容預測分析能力,動態頻譜管理能力。本文以這三個能力為出發點,研究了戰場電磁兼容輔助決策模型的構建方法,提出了輔助決策實施電磁兼容的主要措施和出發點,為解決當前戰場電磁兼容輔助決策難題提供了一種新的思路。

2 戰場電磁環境頻譜感知

由于現階段基于認知無線電的電子對抗裝備技術并不成熟,短期內很難列裝具備自動感知外界電磁環境能力的新型武器裝備,自適應的進行電磁環境頻譜的感知是不現實的。戰場電磁兼容主要考慮我方用頻裝備之間的兼容性,頻譜是相對可知和可控的,因此現階段戰場兼容的信號感知只能通過各用頻單位的用頻申請來進行獲知[2]。用頻申請是用頻單位根據作戰部署和計劃在戰斗實施前對本單位裝備的使用計劃和戰斗實施過程中的緊急用頻申請,通常以申請報文的形式發送到頻譜管理系統,按照一定的格式進行組織,主要為兼容輔助決策系統的頻譜分析模塊和頻譜池模塊提供依據,申請報文應當至少包含以下內容[3]:

1) 信號特征。主要包括使用頻率,帶寬,功率,調制樣式,重頻,備用頻率等。

2) 使用特征。主要包括裝備的經緯度,俯仰角,使用時間,使用方式,部署位置等。

3) 戰斗特征。主要包括使用優先級,干擾裝備的類型,重要程度描述等信息等。

4) 其他特征。其他需要特殊強調或標明的特征。

申請報文是用頻單位用頻需求的數字載體,是聯合作戰條件下實施電磁兼容的基本支撐,報文的快速形成和快速解析是實現戰場電磁頻譜管理的基礎,要求報文收發雙方在報文的語法和語義上達成一致性,因此需要制定統一的報文語法和格式。使用XML語言描述的報文模板,XML模板包括一個根節點和若干個子節點作為對數據的描述。一個典型的用頻申請報文的部分描述如下[4～5]:

<信號特征>

<頻段1 200MHz-300MHz/>

<頻段2 400MHz-600MHz/>

<帶寬 20Hz/>

<功率 200W/>

<戰斗特征>

<優先級 I/>

3 戰場電磁兼容預測分析

在頻譜感知的基礎上進行的戰場電磁兼容性分析是充分考慮裝備的發射特性、電波傳播損耗、地理地形特征、時間和空間特性等因素,進行電磁干擾的分析和計算,確保裝備之間不會產生超過裝備允許值的有害干擾。

裝備之間電磁兼容性分析采用經典的四級預測模型,得到干擾余量,進而判斷裝備間是否存在干擾。潛在干擾問題的嚴重程度可由干擾功率與敏感門限之差M(電磁干擾余量)來表示:

IM(f,t,d,p)=P1(f1)+G1(f1,t,d,p)

-L(f1,t,d,p)+G2(f1,t,d,p)

-P2(f2)+CF(B1,B2,Δf)

式中,P1(f1)為發射功率,G1(f1,t,d,p)為發射天線增益;L(f1,t,d,p)為傳輸損耗,G2(f1,t,d,p)為接受天線增益,P2(f2)為接收機敏感度門限,CF(B1,B2,Δf)為修正系數,f1和f2為發射機的發射頻率和接收機的響應頻率;B1和B2為發射機和接受的帶寬,|f1-f2|。

干擾預測的基本流程如圖1所示。

圖1 干擾預測流程圖

系統的兼容預測以發射-接收對為單位,以高優先級向低優先級的順序,按照四級預測分析法判斷次優先級用戶相對于主優先級用戶是否形成干擾[6～7]。

4 動態頻譜池的建立與組織

頻譜池是一個邏輯概念,是戰場電磁可用頻譜的物理實體與對電磁頻譜進行諸如頻譜劃分,頻譜接入控制,頻譜退出控制等一系列操作的集合[8]。頻譜池并不是固定不變的,它與戰場電磁頻譜的使用需求密切相關。頻譜池可以根據戰場特點使用一個頻譜池,也可以將多個頻譜池聯合進行使用。

頻譜池的建立主要包括兩個方面:首先,在作戰部署階段,各用頻裝備將用頻申請上傳至頻譜管理系統,頻譜管理系統對用頻申請進行電磁兼容預測分析,并按照優先級確定頻譜的接入時機和裝備的部署位置,同時對未予以接入的頻譜進行參數調整分析,給出頻譜使用調整建議,直到完成頻譜使用劃分,最后,將頻譜池信息進行廣播。頻譜池系統要具有快速處理能力,以保證能夠適應戰場的瞬息萬變。

在作戰實施階段,如果有緊急用頻,需要及時將用頻計劃向頻譜管理系統進行申報,用頻裝備的每一次變化,包括頻率、方位變化都要及時更新頻譜池。尤其是應當調整用頻優先級,防止貽誤戰機。但為了避免隨意更改優先級帶來的管理混亂,在作戰想定階段應對將要使用和可能的裝備進行嚴格的論證,作為作戰部署預案的重要組成部分。建立頻譜池的基本流程如圖2所示。

圖2 頻譜池建立流程圖

5 戰場電磁兼容與輔助決策

戰場電磁兼容輔助決策是根據電磁兼容性分析的結果而做出的保證裝備之間電磁兼容性的方法和措施的集合,決策的根本原則是最大化地滿足作戰需求。戰場接入用戶不同于民用接入用戶,戰場上每一個用頻裝備都是按照戰場要求使用的,簡單的限制用頻裝備不予其分配頻段是不能滿足戰場要求的。而現代戰爭涉及的軍兵種多、用頻裝備類型多,涉及的指揮關系復雜,層次多,更需要建立合適的動態分配和共享機制才能保證裝備作戰效能的正常發揮。

基于頻譜分配行為的共享技術分為合作式頻譜共享和非合作式頻譜共享。合作式頻譜共享方案中每個節點的感知所得都會與其他節點分享,而頻譜分配也會依據這些信息進行分配。非合作式頻譜共享的非合作方案僅僅考慮本節點的行為,但能夠減少對通信的要求。對于當前的戰場電磁頻譜管理而言,合作式的頻譜共享能夠大大提高頻譜的利用率,也是電磁兼容輔助決策的根本目的。合作式的頻譜共享要求考慮每個用頻裝備對其他用頻裝備的影響,根據裝備的作戰實際確立相應的優先級,按照優先級的順序依次滿足,對于對其他造成干擾的發射,通過計算可以給予其頻譜改變建議[9]。

5.1 基于動態分配的時域共享

頻帶占用時間是某一用頻裝備對某一頻段使用的起始和截止時間,通過對用頻申請的頻帶占用時間進行合理劃分,可以為提高頻譜的利用率并且實現電磁兼容。時域上的共享即利用頻帶占用時間的間隔來實現電磁兼容的方法。部分裝備雖然占用相同或相近的頻段,但可以利用相對交錯的開機時間實現戰場電磁兼容。為了防止在交替過程中出現錯亂,需要頻譜自動管理代替人為管理,并且在頻譜使用規劃階段要進行充分的論證和計算。如果有緊急情況,也需要將緊急用頻申請上報至頻譜管理系統,將需要暫時關閉的設備減小發射功率或進行暫時關閉,緊急用頻完畢后要進行及時恢復。

5.2 基于頻譜規劃的頻域共享

戰場頻譜電磁頻譜資源是稀缺的,如果任由各用頻裝備隨意使用頻率,勢必會造成嚴重的電磁干擾。因此,對戰場用頻裝備的頻率進行劃分和指配是實現戰場電磁兼容的重要措施。按照用頻裝備的優先級,在盡可能滿足高優先級用頻需求的前提下逐級進行頻率分配是戰場電磁兼容頻率指配的原則。頻域上的共享是利用頻段使用的偏移來實現戰場電磁兼容,通過對次優先級用戶對主優先級用戶干擾的分析,可以指導用頻裝備合理調整其發射頻率,以達到戰場電磁兼容的目的[10]。

5.3 基于優化布站的空域共享

在電磁兼容三要素中,通過控制路徑損耗的方法來實現電磁兼容可以避免對用頻裝備進行過多的調整。影響路徑損耗的重要因素有天線的方向圖和發射-接受對之間的地理特點。以高優先級裝備為基準布站點,依次確定裝備的合理布站方位是油畫布展的原則。空域共享是在相同或相近頻譜上,通過控制裝備的方位,即優化布站來實現電磁兼容的方法。豐富且詳細的戰場地形數據是實現優化布站的關鍵,通過利用不同地形地貌對電磁波傳播的損耗和天線的方向圖特點來實現戰場電磁兼容。

6 結語

結合動態頻譜池管理的思想,本文分析了戰場電磁兼容輔助決策模型的構建,并從戰場應用角度就兼容輔助決策中核心的頻譜共享問題進行了研究。對于解決戰場電磁兼容難題,創新戰場電磁頻譜管理具有很強的現實意義。

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[3] 周賢偉.認知無線電[M].北京:國防工業出版社,2008:47-48.

[4] 劉潔,張勇丁,劉東紅,等.戰術數據報文通用描述模型設計[J].電訊技術,2011(11):17-19.

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Construction of EMC Auxiliary Decision-making Model

XUE Renjie LI Xiuhe XU Jun

(Electronic Engineering Institute, Hefei 230037)

In view of the current battlefield EMC problems, the EMC auxiliary-making model based on dynamic spectrum pool management is put forward, and discusses the EMC auxiliary decision-making model spectrum perception, forecast analysis, frequency spectrum of the pool and auxiliary decision-making and management model are discussed. It proves that the proposed model has certain engineering application value.

EMC, auxiliary decision-making, model, spectrum pool

2014年9月3日,

2014年10月27日

薛仁杰,男,碩士研究生,研究方向:戰場電磁兼容。李修和,男,教授,研究方向:組網雷達,戰場電磁環境。徐珺,女,博士研究生,研究方向:信息處理。

C934

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.039