薛仁杰 李修和 徐 珺

(電子工程學(xué)院 合肥 230037)

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戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容輔助決策模型構(gòu)建*

薛仁杰 李修和 徐 珺

(電子工程學(xué)院 合肥 230037)

針對(duì)當(dāng)前戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容難題,提出了基于動(dòng)態(tài)頻譜池管理的戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容輔助決策模型,論述了戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容輔助決策模型中關(guān)鍵的頻譜感知、預(yù)測(cè)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(yīng)用價(jià)值。

電磁兼容; 輔助決策; 模型; 頻譜池

Class Number C934

1 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)電子信息裝備和信息化武器的大量涌現(xiàn)和集中使用,輻射源種類繁多,信號(hào)樣式復(fù)雜,頻譜擁擠,如果不加以控制,將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的自擾、互擾,大大降低裝備的作戰(zhàn)效能。傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容的方法主要是采用靜態(tài)頻譜管理,劃分各個(gè)單位和裝備的用頻頻段,用頻受到較為嚴(yán)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(huì)造成頻譜資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。動(dòng)態(tài)頻譜管理思想在通信領(lǐng)域獲得了快速的發(fā)展,隨著軟件無(wú)線電和認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的成熟,用軟件管理代替人工管理是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì),尤其是基于頻譜池的動(dòng)態(tài)頻譜分配與共享的思想相較于傳統(tǒng)的電磁頻譜管理有著明顯的優(yōu)勢(shì),對(duì)于當(dāng)前日益復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境,單純的依靠靜態(tài)頻譜管理將會(huì)嚴(yán)重制約電子戰(zhàn)裝備作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。因此,將具有自適應(yīng)能力的認(rèn)知無(wú)線電思想引入到戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理之中,建立基于認(rèn)知無(wú)線電的戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容頻譜管理系統(tǒng),對(duì)于提高復(fù)雜電磁環(huán)境下電子對(duì)抗裝備作戰(zhàn)效能具有十分重要的意義[1]。

戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容輔助決策系統(tǒng)需要具備三個(gè)基本能力,即頻譜感知能力,兼容預(yù)測(cè)分析能力,動(dòng)態(tài)頻譜管理能力。本文以這三個(gè)能力為出發(fā)點(diǎn),研究了戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容輔助決策模型的構(gòu)建方法,提出了輔助決策實(shí)施電磁兼容的主要措施和出發(fā)點(diǎn),為解決當(dāng)前戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容輔助決策難題提供了一種新的思路。

2 戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境頻譜感知

由于現(xiàn)階段基于認(rèn)知無(wú)線電的電子對(duì)抗裝備技術(shù)并不成熟,短期內(nèi)很難列裝具備自動(dòng)感知外界電磁環(huán)境能力的新型武器裝備,自適應(yīng)的進(jìn)行電磁環(huán)境頻譜的感知是不現(xiàn)實(shí)的。戰(zhàn)場(chǎng)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(duì)可知和可控的,因此現(xiàn)階段戰(zhàn)場(chǎng)兼容的信號(hào)感知只能通過(guò)各用頻單位的用頻申請(qǐng)來(lái)進(jìn)行獲知[2]。用頻申請(qǐng)是用頻單位根據(jù)作戰(zhàn)部署和計(jì)劃在戰(zhàn)斗實(shí)施前對(duì)本單位裝備的使用計(jì)劃和戰(zhàn)斗實(shí)施過(guò)程中的緊急用頻申請(qǐng),通常以申請(qǐng)報(bào)文的形式發(fā)送到頻譜管理系統(tǒng),按照一定的格式進(jìn)行組織,主要為兼容輔助決策系統(tǒng)的頻譜分析模塊和頻譜池模塊提供依據(jù),申請(qǐng)報(bào)文應(yīng)當(dāng)至少包含以下內(nèi)容[3]:

1) 信號(hào)特征。主要包括使用頻率,帶寬,功率,調(diào)制樣式,重頻,備用頻率等。

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

3) 戰(zhàn)斗特征。主要包括使用優(yōu)先級(jí),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(qiáng)調(diào)或標(biāo)明的特征。

申請(qǐng)報(bào)文是用頻單位用頻需求的數(shù)字載體,是聯(lián)合作戰(zhàn)條件下實(shí)施電磁兼容的基本支撐,報(bào)文的快速形成和快速解析是實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理的基礎(chǔ),要求報(bào)文收發(fā)雙方在報(bào)文的語(yǔ)法和語(yǔ)義上達(dá)成一致性,因此需要制定統(tǒng)一的報(bào)文語(yǔ)法和格式。使用XML語(yǔ)言描述的報(bào)文模板,XML模板包括一個(gè)根節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)子節(jié)點(diǎn)作為對(duì)數(shù)據(jù)的描述。一個(gè)典型的用頻申請(qǐng)報(bào)文的部分描述如下[4～5]:

<信號(hào)特征>

<頻段1 200MHz-300MHz/>

<頻段2 400MHz-600MHz/>

<帶寬 20Hz/>

<功率 200W/>

<戰(zhàn)斗特征>

<優(yōu)先級(jí) I/>

3 戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容預(yù)測(cè)分析

在頻譜感知的基礎(chǔ)上進(jìn)行的戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容性分析是充分考慮裝備的發(fā)射特性、電波傳播損耗、地理地形特征、時(shí)間和空間特性等因素,進(jìn)行電磁干擾的分析和計(jì)算,確保裝備之間不會(huì)產(chǎn)生超過(guò)裝備允許值的有害干擾。

裝備之間電磁兼容性分析采用經(jīng)典的四級(jí)預(yù)測(cè)模型,得到干擾余量,進(jìn)而判斷裝備間是否存在干擾。潛在干擾問(wèn)題的嚴(yán)重程度可由干擾功率與敏感門限之差M(電磁干擾余量)來(lái)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(fā)射功率,G1(f1,t,d,p)為發(fā)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(jī)敏感度門限,CF(B1,B2,Δf)為修正系數(shù),f1和f2為發(fā)射機(jī)的發(fā)射頻率和接收機(jī)的響應(yīng)頻率;B1和B2為發(fā)射機(jī)和接受的帶寬,|f1-f2|。

干擾預(yù)測(cè)的基本流程如圖1所示。

圖1 干擾預(yù)測(cè)流程圖

系統(tǒng)的兼容預(yù)測(cè)以發(fā)射-接收對(duì)為單位,以高優(yōu)先級(jí)向低優(yōu)先級(jí)的順序,按照四級(jí)預(yù)測(cè)分析法判斷次優(yōu)先級(jí)用戶相對(duì)于主優(yōu)先級(jí)用戶是否形成干擾[6～7]。

4 動(dòng)態(tài)頻譜池的建立與組織

頻譜池是一個(gè)邏輯概念,是戰(zhàn)場(chǎng)電磁可用頻譜的物理實(shí)體與對(duì)電磁頻譜進(jìn)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(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜的使用需求密切相關(guān)。頻譜池可以根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)特點(diǎn)使用一個(gè)頻譜池,也可以將多個(gè)頻譜池聯(lián)合進(jìn)行使用。

頻譜池的建立主要包括兩個(gè)方面:首先,在作戰(zhàn)部署階段,各用頻裝備將用頻申請(qǐng)上傳至頻譜管理系統(tǒng),頻譜管理系統(tǒng)對(duì)用頻申請(qǐng)進(jìn)行電磁兼容預(yù)測(cè)分析,并按照優(yōu)先級(jí)確定頻譜的接入時(shí)機(jī)和裝備的部署位置,同時(shí)對(duì)未予以接入的頻譜進(jìn)行參數(shù)調(diào)整分析,給出頻譜使用調(diào)整建議,直到完成頻譜使用劃分,最后,將頻譜池信息進(jìn)行廣播。頻譜池系統(tǒng)要具有快速處理能力,以保證能夠適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)的瞬息萬(wàn)變。

在作戰(zhàn)實(shí)施階段,如果有緊急用頻,需要及時(shí)將用頻計(jì)劃向頻譜管理系統(tǒng)進(jìn)行申報(bào),用頻裝備的每一次變化,包括頻率、方位變化都要及時(shí)更新頻譜池。尤其是應(yīng)當(dāng)調(diào)整用頻優(yōu)先級(jí),防止貽誤戰(zhàn)機(jī)。但為了避免隨意更改優(yōu)先級(jí)帶來(lái)的管理混亂,在作戰(zhàn)想定階段應(yīng)對(duì)將要使用和可能的裝備進(jìn)行嚴(yán)格的論證,作為作戰(zhàn)部署預(yù)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(zhàn)場(chǎng)電磁兼容與輔助決策

戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容輔助決策是根據(jù)電磁兼容性分析的結(jié)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(zhàn)需求。戰(zhàn)場(chǎng)接入用戶不同于民用接入用戶,戰(zhàn)場(chǎng)上每一個(gè)用頻裝備都是按照戰(zhàn)場(chǎng)要求使用的,簡(jiǎn)單的限制用頻裝備不予其分配頻段是不能滿足戰(zhàn)場(chǎng)要求的。而現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)涉及的軍兵種多、用頻裝備類型多,涉及的指揮關(guān)系復(fù)雜,層次多,更需要建立合適的動(dòng)態(tài)分配和共享機(jī)制才能保證裝備作戰(zhàn)效能的正常發(fā)揮。

基于頻譜分配行為的共享技術(shù)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(gè)節(jié)點(diǎn)的感知所得都會(huì)與其他節(jié)點(diǎn)分享,而頻譜分配也會(huì)依據(jù)這些信息進(jìn)行分配。非合作式頻譜共享的非合作方案僅僅考慮本節(jié)點(diǎn)的行為,但能夠減少對(duì)通信的要求。對(duì)于當(dāng)前的戰(zhàn)場(chǎng)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(gè)用頻裝備對(duì)其他用頻裝備的影響,根據(jù)裝備的作戰(zhàn)實(shí)際確立相應(yīng)的優(yōu)先級(jí),按照優(yōu)先級(jí)的順序依次滿足,對(duì)于對(duì)其他造成干擾的發(fā)射,通過(guò)計(jì)算可以給予其頻譜改變建議[9]。

5.1 基于動(dòng)態(tài)分配的時(shí)域共享

頻帶占用時(shí)間是某一用頻裝備對(duì)某一頻段使用的起始和截止時(shí)間,通過(guò)對(duì)用頻申請(qǐng)的頻帶占用時(shí)間進(jìn)行合理劃分,可以為提高頻譜的利用率并且實(shí)現(xiàn)電磁兼容。時(shí)域上的共享即利用頻帶占用時(shí)間的間隔來(lái)實(shí)現(xiàn)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(duì)交錯(cuò)的開機(jī)時(shí)間實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容。為了防止在交替過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)亂,需要頻譜自動(dòng)管理代替人為管理,并且在頻譜使用規(guī)劃階段要進(jìn)行充分的論證和計(jì)算。如果有緊急情況,也需要將緊急用頻申請(qǐng)上報(bào)至頻譜管理系統(tǒng),將需要暫時(shí)關(guān)閉的設(shè)備減小發(fā)射功率或進(jìn)行暫時(shí)關(guān)閉,緊急用頻完畢后要進(jìn)行及時(shí)恢復(fù)。

5.2 基于頻譜規(guī)劃的頻域共享

戰(zhàn)場(chǎng)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(shì)必會(huì)造成嚴(yán)重的電磁干擾。因此,對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)用頻裝備的頻率進(jìn)行劃分和指配是實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容的重要措施。按照用頻裝備的優(yōu)先級(jí),在盡可能滿足高優(yōu)先級(jí)用頻需求的前提下逐級(jí)進(jìn)行頻率分配是戰(zhàn)場(chǎng)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(lái)實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容,通過(guò)對(duì)次優(yōu)先級(jí)用戶對(duì)主優(yōu)先級(jí)用戶干擾的分析,可以指導(dǎo)用頻裝備合理調(diào)整其發(fā)射頻率,以達(dá)到戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容的目的[10]。

5.3 基于優(yōu)化布站的空域共享

在電磁兼容三要素中,通過(guò)控制路徑損耗的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)電磁兼容可以避免對(duì)用頻裝備進(jìn)行過(guò)多的調(diào)整。影響路徑損耗的重要因素有天線的方向圖和發(fā)射-接受對(duì)之間的地理特點(diǎn)。以高優(yōu)先級(jí)裝備為基準(zhǔn)布站點(diǎn),依次確定裝備的合理布站方位是油畫布展的原則?？沼蚬蚕硎窃谙嗤蛳嘟l譜上,通過(guò)控制裝備的方位,即優(yōu)化布站來(lái)實(shí)現(xiàn)電磁兼容的方法。豐富且詳細(xì)的戰(zhàn)場(chǎng)地形數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)優(yōu)化布站的關(guān)鍵,通過(guò)利用不同地形地貌對(duì)電磁波傳播的損耗和天線的方向圖特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容。

6 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合動(dòng)態(tài)頻譜池管理的思想,本文分析了戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容輔助決策模型的構(gòu)建,并從戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用角度就兼容輔助決策中核心的頻譜共享問(wèn)題進(jìn)行了研究。對(duì)于解決戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容難題,創(chuàng)新戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

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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(zhàn)場(chǎng)電磁兼容。李修和,男,教授,研究方向:組網(wǎng)雷達(dá),戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)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