霍元杰

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都610036)

戰(zhàn)場頻譜態(tài)勢感知及頻譜籌劃系統(tǒng)*

霍元杰**

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都610036)

介紹了戰(zhàn)場頻譜態(tài)勢感知及頻譜籌劃系統(tǒng)的系統(tǒng)功能、組成、工作過程、關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑,通過分析指出頻譜態(tài)勢感知及頻譜籌劃系統(tǒng)與C4ISR系統(tǒng)集成可提高戰(zhàn)場頻譜管理的整體能力。

網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn);賽博戰(zhàn);頻譜管理;戰(zhàn)場頻譜;態(tài)勢感知;戰(zhàn)場頻譜籌劃;C4ISR

1 引 言

在“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”和“賽博戰(zhàn)”中,電磁頻譜是唯一能支持機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)、分散作戰(zhàn)和高強(qiáng)度作戰(zhàn)的重要媒質(zhì),是未來作戰(zhàn)的搏殺重心。在“電磁作戰(zhàn)空間”[1]的概念下,電磁頻譜成為可以與火力、機(jī)械動(dòng)力相提并論的新型戰(zhàn)斗力和戰(zhàn)爭資源,影響甚至決定著戰(zhàn)爭的進(jìn)程和結(jié)局[2]。一方面,隨著作戰(zhàn)模式的轉(zhuǎn)變,作戰(zhàn)對電磁頻譜資源的需求激增。美國國防部調(diào)查報(bào)告顯示,其軍事頻譜帶寬需求正以每5年5～10倍的速度增長,2010年美國防部的帶寬接入需求較伊拉克和阿富汗戰(zhàn)爭時(shí)期增長了10倍,尤其是無人機(jī)的通信帶寬和頻譜需求是1998年的6 000倍[3]。另一方面,傳統(tǒng)的靜態(tài)、集中式的頻譜管理模式已不能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的需要[4],現(xiàn)有的戰(zhàn)場頻譜籌劃過程依賴于多種非標(biāo)準(zhǔn)的、相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫、工具和處理程序,導(dǎo)致頻譜籌劃往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力。戰(zhàn)場頻譜態(tài)勢感知及頻譜籌劃系統(tǒng)成為目前軍事理論研究及系統(tǒng)建設(shè)的重點(diǎn)。

2 功 能

戰(zhàn)場頻譜態(tài)勢感知及頻譜籌劃系統(tǒng)的功能包括以下幾方面:

(1)滿足戰(zhàn)場頻譜管理對信息的需求,收集、分配和處理動(dòng)態(tài)頻譜管理所需的頻譜使用數(shù)據(jù),并將這些信息融合處理后生成頻譜作戰(zhàn)圖;

(2)為信息戰(zhàn)與電子戰(zhàn)計(jì)劃提供足夠的信息,頻譜態(tài)勢信息與其他情報(bào)互為印證;

(3)遵照戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)或行政規(guī)程,匹配作戰(zhàn)任務(wù)用頻需求,進(jìn)行統(tǒng)一分配和指配裝備用頻;

(4)對已指配的頻率進(jìn)行用頻沖突檢測,并按照頻譜規(guī)則進(jìn)行用頻沖突消解,保證關(guān)鍵任務(wù)及裝備用頻;

(5)輔助網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及任務(wù)規(guī)劃。

3 系統(tǒng)組成及工作原理

戰(zhàn)場頻譜態(tài)勢感知及頻譜籌劃系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 戰(zhàn)場頻譜態(tài)勢感知及頻譜籌劃系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Diagram of a battlefield electromagnetic spectrum situation awareness and planning system

3.1 頻譜態(tài)勢感知

3.1.1 系統(tǒng)組成及工作原理

戰(zhàn)場上,有關(guān)頻譜使用情況的信息是可獲取的,但目前尚未被有效地用于頻譜管理。構(gòu)建能力時(shí),需要收集設(shè)備所用無線電的特征數(shù)據(jù),包括使用平臺、部署的戰(zhàn)斗序列,民用頻譜與敵方頻譜的使用情況也是有效頻譜態(tài)勢感知的關(guān)鍵。為了實(shí)現(xiàn)有效的頻譜利用,上述信息的收集和使用都將在同一個(gè)框架內(nèi)完成,對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求將更加嚴(yán)格,數(shù)據(jù)的更新周期也將變短。頻譜態(tài)勢感知系統(tǒng)主要完成態(tài)勢數(shù)據(jù)搜集處理和頻譜態(tài)勢可視化兩個(gè)功能。

(1)態(tài)勢數(shù)據(jù)搜集處理

構(gòu)建頻譜態(tài)勢感知圖的信息是由來自不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)融合生成的,戰(zhàn)場的頻譜使用數(shù)據(jù)來源有以下幾個(gè)。

部署計(jì)劃:記錄了與每個(gè)戰(zhàn)斗序列有關(guān)的作戰(zhàn)單元和平臺的裝備數(shù)據(jù)。

戰(zhàn)場作戰(zhàn)圖:戰(zhàn)場作戰(zhàn)圖(如通用作戰(zhàn)圖等)可提供很多準(zhǔn)確且近實(shí)時(shí)的位置數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)與頻譜管理數(shù)據(jù)相結(jié)合可生成更加準(zhǔn)確的頻譜使用圖。通過這張融合的頻譜圖,可更加準(zhǔn)確地評估發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的頻率覆蓋范圍,進(jìn)而提供更有效的頻譜利用,實(shí)現(xiàn)頻譜的重復(fù)利用。

電子偵察:戰(zhàn)場電子偵察設(shè)備可顯示輻射源的地理位置,可為頻譜態(tài)勢感知提供支持。電子偵察系統(tǒng)與頻譜態(tài)勢感知系統(tǒng)可相互印證,使昂貴且有限的感知平臺得到更有效的利用。然而,戰(zhàn)場上各類設(shè)備都有自己的主要任務(wù),應(yīng)盡可能使電子偵察為頻譜態(tài)勢感知提供重要的支持,但不可能特別地用于頻譜管理。

情報(bào):有關(guān)頻譜使用情況的另一個(gè)數(shù)據(jù)來源是一般軍事情報(bào)。通常情況下,從互聯(lián)網(wǎng)就可獲得民用無線電發(fā)射機(jī)的部署情況。

頻譜監(jiān)測系統(tǒng):由于某些區(qū)域的特殊性,需要在這些區(qū)域安裝頻譜監(jiān)控與維護(hù)系統(tǒng),希望未來這些系統(tǒng)可直接部署到戰(zhàn)場以支援頻譜管理。部署的區(qū)域可以是有頻譜擁堵問題的區(qū)域(如戰(zhàn)術(shù)司令部周圍)或由于技術(shù)原因很難實(shí)施頻譜管理的區(qū)域(如城市),部署到無人機(jī)等升空平臺上的頻譜監(jiān)控系統(tǒng)可顯著提高覆蓋范圍。

(2)頻譜態(tài)勢可視化

頻譜態(tài)勢可視化實(shí)現(xiàn)將融合后的頻譜態(tài)勢數(shù)據(jù)組織展現(xiàn)成頻譜作戰(zhàn)圖,可用紅色、藍(lán)色和白色(民用)來標(biāo)記頻譜單元,實(shí)施電子戰(zhàn)時(shí)可避免頻譜的誤傷。在非軍事行動(dòng)中(如維穩(wěn)和維和行動(dòng)),這些標(biāo)記可保護(hù)非政府機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵民用服務(wù)免受傷害。

3.1.2 功能及作用

(1)輔助頻譜籌劃及管理

頻譜態(tài)勢感知的作用是識別戰(zhàn)場上無線電設(shè)備的用頻變化與移動(dòng)情況。有了足夠的信息,頻譜態(tài)勢感知能力可使頻譜得到有效的重復(fù)利用。隨著戰(zhàn)場環(huán)境的不斷變化以及網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的網(wǎng)絡(luò)使能能力的引入,頻譜態(tài)勢感知將成為一個(gè)關(guān)鍵的使能工具。

(2)輔助網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

為保障戰(zhàn)場動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)成功運(yùn)轉(zhuǎn)并且發(fā)揮最大的效用,在制定規(guī)劃時(shí)就應(yīng)充分考慮頻譜的效用問題。對網(wǎng)絡(luò)和頻譜能力來說,動(dòng)態(tài)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)需求變化和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的頻譜利用計(jì)劃與重新計(jì)劃能力是關(guān)鍵,這種能力由頻譜態(tài)勢感知能力來實(shí)現(xiàn)。頻譜態(tài)勢感知可捕獲每個(gè)特殊發(fā)射機(jī)的“行為”特征并顯示在頻譜感知圖上,還可描述發(fā)射機(jī)對頻譜管控的響應(yīng)情況。

(3)輔助作戰(zhàn)籌劃

未來作戰(zhàn)中,隨著頻譜擁堵情況的加劇,制定作戰(zhàn)計(jì)劃時(shí),需要謹(jǐn)慎選擇戰(zhàn)斗序列單元,使其在可用的頻譜范圍內(nèi)得到有效利用。特別是在缺少足夠信息情況下制定保守想定計(jì)劃時(shí),頻譜問題將是重要的約束條件。

3.2 頻譜籌劃

3.2.1 典型的頻譜籌劃系統(tǒng)簡介

美軍陸續(xù)研制出的作戰(zhàn)人員使用的頻譜規(guī)劃工具、戰(zhàn)場頻譜籌劃系統(tǒng)或工具有頻譜21世紀(jì)(Spectrum XXI)、聯(lián)合自動(dòng)化通信電子操作指令系統(tǒng)(JACS)、改進(jìn)型戰(zhàn)場電子作業(yè)指令系統(tǒng)(RBECS)、水面艦艇電磁頻譜操作指令(AESOP)、海軍陸戰(zhàn)隊(duì)系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、評估(SPEED)、聯(lián)盟/聯(lián)合頻譜管理和規(guī)劃工具(CJSMPT)。從以上系統(tǒng)可總結(jié)出典型的戰(zhàn)場頻譜籌劃系統(tǒng)包括頻率分配及指配、沖突檢測及沖突消解(含電子戰(zhàn))、用頻效能評估、頻譜籌劃推演可視化、頻譜數(shù)據(jù)庫等功能及能力。

CJSMPT是美國“全球電磁頻譜信息系統(tǒng)(GEMSIS)”計(jì)劃的一部分。2007年,中央指揮部(CENTCOM)在伊拉克實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)了該軟件。其研究者指出:當(dāng)前的作戰(zhàn)及戰(zhàn)術(shù)頻譜規(guī)劃與管理已跟不上作戰(zhàn)節(jié)奏,例如無法減輕電子戰(zhàn)對友軍系統(tǒng)的影響;無人機(jī)系統(tǒng)由于低效的頻率再分配而無法最優(yōu)地使用頻譜;陸基通信系統(tǒng)性能下降;戰(zhàn)斗機(jī)在作戰(zhàn)時(shí)接入頻譜限制嚴(yán)格,很多作戰(zhàn)頻譜管理者不得不采用最壞情況下的頻率請求。CJSMPT正在研究解決上述問題的方法,如自動(dòng)頻譜管理、高效仿真分析及可視化模擬、頻譜優(yōu)化工具。無論對于哪一作戰(zhàn)級別的用戶,這套系統(tǒng)支持完成任務(wù)規(guī)劃和執(zhí)行的所有環(huán)節(jié)。CJSMPT可為用戶提供對作為網(wǎng)絡(luò)或獨(dú)立節(jié)點(diǎn)的所有用頻裝備執(zhí)行頻譜資源管理和規(guī)劃的能力。系統(tǒng)能識別出潛在的射頻系統(tǒng)沖突,并能推導(dǎo)沖突解決措施,隨作戰(zhàn)動(dòng)態(tài)變化而優(yōu)化頻譜資源的使用。本文以CJSMPT為例進(jìn)行系統(tǒng)組成及原理介紹。

3.2.2 系統(tǒng)組成及工作原理

CJSMPT架構(gòu)[5]如圖2所示,由5個(gè)主要的組成部分協(xié)同完成需求分析、頻譜籌劃和RF沖突消解的流程:

(1)所有的系統(tǒng)操作通過用戶界面(見圖3)完成,包括場景及設(shè)備參數(shù)的編輯與查看,部隊(duì)位置及移動(dòng)信息,還生成格式化報(bào)告,如聯(lián)合頻譜干擾消解(JSIR)報(bào)告;

(2)頻譜管理(SM)模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)系統(tǒng)的總體運(yùn)行,并執(zhí)行沖突消解算法;

(3)通信效能仿真器(CES)對規(guī)劃的任務(wù)進(jìn)行仿真,預(yù)測可能存在的沖突。CES模型的參數(shù)包括功率、波形、天線特征(即高度、極化方式、方向性、地形影響),并預(yù)測在規(guī)劃場景下是否存在設(shè)備間的干擾;

(4)頻譜規(guī)劃建議器(SPA)對頻率修改提供建議,以減少CES預(yù)測的干擾。SPA還提供一個(gè)初始頻率分配計(jì)劃(頻率池)。用戶可以根據(jù)任務(wù)QoS要求來具體指定網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先權(quán),SPA在不影響關(guān)鍵的任務(wù)網(wǎng)條件下解決干擾問題;

(5)觀測器(VIZ)通過2D/3D地圖來顯示部隊(duì)位置和移動(dòng)狀況,以及頻譜使用情況,包括電子戰(zhàn)(EW)效果;

(6)頻譜知識庫(SKR)包含任務(wù)仿真用的關(guān)鍵的場景數(shù)據(jù),如部隊(duì)結(jié)構(gòu)、輻射特性、頻譜使用等數(shù)據(jù)。

圖2 CJSMPT組成架構(gòu)Fig.2 Architecture of CJSMPT

圖3 CJSMPT的用戶界面Fig.3 User interface of CJSMPT

4 關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑

4.1 總體集成技術(shù)

總體集成技術(shù)對戰(zhàn)場頻譜態(tài)勢感知與籌劃系統(tǒng)至關(guān)重要,是需要研究解決的一項(xiàng)難點(diǎn)。戰(zhàn)場頻譜態(tài)勢感知與籌劃系統(tǒng)集成對提高戰(zhàn)場頻譜管理的整體能力具有重要的作用和影響,通過集成可以把戰(zhàn)場C4I系統(tǒng)與有關(guān)戰(zhàn)場頻譜管理的硬/軟件平臺、臺站設(shè)備、數(shù)據(jù)與信息、各類技術(shù)功能子系統(tǒng)、人和組織機(jī)構(gòu)等各個(gè)分離部分或子系統(tǒng)綜合成為一個(gè)大系統(tǒng),從而更加靈活地進(jìn)行頻譜監(jiān)測和分析,科學(xué)合理地規(guī)劃、分配和指配頻率,及時(shí)查處、協(xié)調(diào)和消除電磁干擾,達(dá)成各系統(tǒng)與裝備間的電磁兼容能力。

系統(tǒng)總體技術(shù)中主要有系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面:

(1)加強(qiáng)總體設(shè)計(jì),如加強(qiáng)體系結(jié)構(gòu)研究,加強(qiáng)開放式和標(biāo)準(zhǔn)化工作;

(2)系統(tǒng)集成可采用分系統(tǒng)、分設(shè)備均可以獨(dú)立運(yùn)行的設(shè)計(jì)思想,以大大減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度,把設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在系統(tǒng)的互聯(lián)上。

戰(zhàn)場頻譜態(tài)勢感知與籌劃系統(tǒng)涉及用頻裝備特性數(shù)據(jù)庫、頻譜業(yè)務(wù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、頻譜感知背景數(shù)據(jù)庫(協(xié)同、非協(xié)同)、頻譜資源數(shù)據(jù)庫(頻譜規(guī)劃、頻譜分配、管控準(zhǔn)則)、聯(lián)合用頻計(jì)劃數(shù)據(jù)庫,以及敵方裝備特征數(shù)據(jù)庫等大大小小各類型數(shù)據(jù)庫十幾種,要使這些異構(gòu)分布多源數(shù)據(jù)庫的資源共享,靈活調(diào)用,必須采用多數(shù)據(jù)庫的集成技術(shù)對它們進(jìn)行綜合集成,而集成的關(guān)鍵是解決集成的機(jī)制問題。目前,這樣的集成機(jī)制主要有全局模式多數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)兩種。

4.2 頻率規(guī)劃和頻譜沖突消解

頻譜規(guī)劃是包括空間、時(shí)間、頻率、功率等其他維度在內(nèi)的多維優(yōu)化的難題。圖論是頻率規(guī)劃和頻譜沖突消解的有用模型,見圖4。

(1)頂點(diǎn)表示一個(gè)節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)可以是一個(gè)通信子網(wǎng));

(2)節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽(類似于著色)包括頻率、工作方式等信息;

(3)節(jié)點(diǎn)間連線表示節(jié)點(diǎn)之間存在用頻沖突,用箭頭表示干擾方向。分析規(guī)則中規(guī)定同一網(wǎng)系內(nèi)的相同頻率不存在用頻沖突。

圖4 基于圖論的頻率規(guī)劃Fig.4 Spectrum planning based on graph theory

如圖5所示,CJSMPT通過將可視化的頻譜規(guī)劃、用頻沖突分析檢測、用頻沖突消解等流程迭代實(shí)現(xiàn)頻譜規(guī)劃的優(yōu)化[5],具體步驟如下:

(1)從SKR加載場景想定;

(2)通過CES和可視化沖突報(bào)告對場景進(jìn)行分析;

(3)通過SPA解決沖突;

(4)將修改的頻譜規(guī)劃反饋到CES;

(5)如有需要經(jīng)過多次迭代來修改頻譜規(guī)劃。

圖5 沖突消解迭代流程Fig.5 Flowchart of conflict resolution iteration

5 結(jié)束語

傳統(tǒng)的靜態(tài)、集中式的頻譜管理模式已不能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的需要,基于標(biāo)準(zhǔn)化頻譜數(shù)據(jù)的戰(zhàn)場頻譜態(tài)勢感知和籌劃系統(tǒng)與戰(zhàn)場C4ISR系統(tǒng)集成可提高戰(zhàn)場頻譜管理的整體能力。本文僅拋磚引玉,希望能為相關(guān)人員開展研究提供參考。

[1] CJCSM 3320.01B,Joint Operations in the Electromagnetic Battlespace[S].

[2] Joint Publication 3-09,Doctrine for Joint Fire Support[S].

[3] Spectrum Management Task Group.A Review of Spectrum Management[R].Washington DC:Defense Business Board,2010:34-35.

[4] Assistant Secretary of Defense.Department of Defense Net-Centric Spectrum Management Strategy[R].Washington DC:Defense Pentagon,2006,8.

[5] Heisey W,Kline W,Zebrowitz H,et al.Automated Spectrum Plan Advisor for On-The-Move Networks[C]// Proceedings of 2006 IEEE Military Communications Conference.Washington DC:IEEE,2007:1-5.

HUO Yuan-jie was born in Wuhan,Hubei Province,in 1970.He is now a senior engineer. His research interests include aviation communication and electromagnetic compatibility.

Email:acuteleopard@qq.com

Battlefield Electromagnetic Spectrum Situation Awareness and Planning Systems

HUO Yuan-jie
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

The battlefield spectrum situation awareness and planning system is presented in this paper.System functions,composition,operation and key techniques of the system are also discussed.Through analysis, it is pointed out that the system integrated with C4ISR systems can improve the whole capability of battlefield spectrum management.

net-centric war;cyber war;spectrum management;battlefield spectrum;situation awareness; battlefield spectrum planning;C4ISR

date:2013-08-02;Revised date:2013-10-10

**通訊作者:acuteleopard@qq.com Corresponding author:acuteleopard@qq.com

TN97

A

1001-893X(2013)10-1265-04

霍元杰(1970—),男,湖北武漢人,高級工程師,主要研究方向?yàn)楹娇胀ㄐ排c電磁兼容。

10.3969/j.issn.1001-893x.2013.10.002

2013-08-02;

2013-10-10