王向暉，李忠亮，張華棟

(北京機(jī)電工程研究所，北京 100074)

·工程應(yīng)用·

從偵干探通一體化角度初探飛行平臺(tái)的射頻資源管控

王向暉，李忠亮，張華棟

(北京機(jī)電工程研究所，北京 100074)

射頻資源優(yōu)化管理與實(shí)時(shí)控制是飛行器平臺(tái)遂行偵/干/探/通一體化的關(guān)鍵技術(shù)之一。分析了飛行平臺(tái)射頻資源管控的設(shè)計(jì)原則，提出了一種基于模塊化飛行平臺(tái)射頻資源閉環(huán)管控模型，并分析了實(shí)施控制流程，為飛行平臺(tái)更好地遂行偵/干/探/通提供技術(shù)支撐。

偵/干/探/通一體化；資源管控；功能模型；管控流程

0 引言

在信息技術(shù)飛快發(fā)展的當(dāng)代，武器裝備的信息化是現(xiàn)代軍事變革的實(shí)質(zhì)和核心，適應(yīng)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的需求已成為武器裝備信息化發(fā)展的原則。戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境“復(fù)雜性”的根源在于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的“全域性”或“多域性”，各種戰(zhàn)爭(zhēng)要素在空間域、能量域、時(shí)間域、頻譜域、極化域、速度域、天氣域等各種子域的隨機(jī)組合是戰(zhàn)爭(zhēng)不確定性的根本原因。具有偵/干/探/通的全部特征的飛行平臺(tái)已成為應(yīng)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境“全域性”的根本要求，這帶來(lái)了飛行器射頻資源需求的暴增與飛行器可供射頻系統(tǒng)安裝空間有限之間的尖銳沖突。如何從飛行器平臺(tái)射頻系統(tǒng)的體系角度出發(fā)，針對(duì)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和任務(wù)使命等變化適時(shí)快速優(yōu)化管控有限的飛行器平臺(tái)的射頻資源，充分發(fā)揮與挖掘飛行器平臺(tái)射頻系統(tǒng)的潛能，已成為當(dāng)前飛行器平臺(tái)的綜合射頻系統(tǒng)迫切需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

本文分析了復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中武器裝備面臨的挑戰(zhàn)，給出了國(guó)外信息化裝備的發(fā)展趨勢(shì)以及信息化裝備柔性構(gòu)造的可行性，建立了復(fù)雜電磁信號(hào)威脅等級(jí)評(píng)估模型，在此基礎(chǔ)上建立了平臺(tái)資源分配模型，并對(duì)平臺(tái)資源管控策略進(jìn)行了研究。[1-5]

1 信息化裝備面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢(shì)

1.1 復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的挑戰(zhàn)

隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，戰(zhàn)爭(zhēng)模式已由陸/海/空的單獨(dú)作戰(zhàn)向陸、海、空、天、電的聯(lián)合體系作戰(zhàn)轉(zhuǎn)變，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境向全空間、全過(guò)程、全頻段、全天候等為主要特征的復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境轉(zhuǎn)變，如何正確解讀戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的“復(fù)雜性”是武器裝備應(yīng)對(duì)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境威脅的前提。

全域的復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境可分解為空間域、能量域、時(shí)間域、頻率域、極化域、速度域、天氣域等，相應(yīng)地可由空間函數(shù)、能量函數(shù)、時(shí)間函數(shù)、頻率函數(shù)、極化函數(shù)、速度函數(shù)以及天氣候函數(shù)等分別表征。

在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，“全域”戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性并不等價(jià)于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境在“空間、能量、時(shí)間、頻譜、極化、速度、天氣”等“單域”的投影亦是復(fù)雜的，這是“降維/域”解決戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境“復(fù)雜性”的理論基礎(chǔ)，也是武器裝備的技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)須隨機(jī)而變的理論依據(jù)。

1.2 柔性構(gòu)造的趨勢(shì)

DARPA于2014年4月的SOSITE(體系綜合技術(shù)和試驗(yàn))項(xiàng)目通過(guò)體系方法(System-of-System)發(fā)展新的、開(kāi)放式體系架構(gòu)，根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，實(shí)時(shí)對(duì)各種武器進(jìn)行“動(dòng)態(tài)”任務(wù)分配，將精確打擊鏈的各環(huán)節(jié)功能“分布”到多個(gè)平臺(tái)上，可使得作戰(zhàn)資源的配置更加優(yōu)化，提升交戰(zhàn)的有效性，提升戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的靈活性、提升系統(tǒng)整體性能的魯棒性。

MBDA公司推出的FLEXIS模塊化導(dǎo)彈系統(tǒng)具有可調(diào)配、可控制、可復(fù)制的特點(diǎn)，包含180mm、350mm和450mm三種彈徑，其中180mm彈徑的導(dǎo)彈涉及中程打擊、反裝甲、超近程空空、近程空空和遠(yuǎn)程空空等五種類型空射導(dǎo)彈。所有子系統(tǒng)的通用無(wú)接觸接口實(shí)現(xiàn)共用導(dǎo)彈電源和通信總線，簡(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu)并實(shí)現(xiàn)構(gòu)型靈活配置。以提供最大的作戰(zhàn)靈活性和最低的后勤保障需求。

1.3 柔性構(gòu)造的準(zhǔn)則

信息化裝備的柔性構(gòu)造應(yīng)至少滿足所有射頻組件的可任意調(diào)配；射頻功能、射頻性能參數(shù)可被編程體現(xiàn)；信息化裝備的模塊組件的組分結(jié)構(gòu)為柔性化等三個(gè)條件中的兩個(gè)條件。

1)射頻組件的可調(diào)配準(zhǔn)則：可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)配平臺(tái)裝備上的天線、功放、低噪放、變頻等各種射頻資源，改變射頻系統(tǒng)的構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)在時(shí)間域、空間域、極化域、頻譜域、能量域等多維最優(yōu)復(fù)用；

2)射頻功能的可編程準(zhǔn)則：可對(duì)雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗等射頻功能實(shí)現(xiàn)在線可編程，并可對(duì)射頻系統(tǒng)的特征(極化、頻率、功率等)實(shí)現(xiàn)可編程；

3)射頻結(jié)構(gòu)的柔性化準(zhǔn)則：可實(shí)現(xiàn)天線等射頻模塊組件的柔性化并可與載體實(shí)現(xiàn)共形。美國(guó)國(guó)防部2015年成立柔性混合電子學(xué)制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，以通過(guò)集成超薄硅組件的柔性混合技術(shù)，創(chuàng)造出更輕、或延展至物體或結(jié)構(gòu)表面的新型傳感器。

1.4 柔性構(gòu)造的系統(tǒng)

傳統(tǒng)的信息化裝備中的雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗等射頻系統(tǒng)與射頻功能是一一對(duì)應(yīng)的，射頻資源利用率較低，難以適應(yīng)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的需求。偵/干/探/通一體化已成為信息化裝備提升對(duì)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)能力的主要方法，信息化裝備的柔性構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)偵/干/探/通一體化的最優(yōu)途徑。

射頻系統(tǒng)柔性構(gòu)造研究的基礎(chǔ)在于電子偵察、電子干擾、探測(cè)、通信等射頻系統(tǒng)在信號(hào)體制、基礎(chǔ)信道與處理模型基本上是具有同構(gòu)化特性，如圖2所示，這一同構(gòu)化特性決定了組成雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗等不同射頻系統(tǒng)的天線、功放、低噪放、變頻等各種射頻模塊組件具有一定的相似性，這是射頻模塊組件可被動(dòng)態(tài)調(diào)配的基礎(chǔ)；同構(gòu)化特性更是基于一套射頻系統(tǒng)，通過(guò)軟件加載，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗等不同的射頻功能的基礎(chǔ)。

2 柔性射頻系統(tǒng)的資源管控模型及算法

2.1 資源管控設(shè)計(jì)原則

飛行器平臺(tái)柔性射頻系統(tǒng)的射頻資源管控應(yīng)遵循的原則是：

1)管控結(jié)構(gòu)分級(jí)化。資源管控涉及到的內(nèi)容主要包括：射頻功能的確定、射頻硬件和軟件資源的選擇、射頻硬件和軟件資源的分類、威脅等級(jí)的評(píng)估、射頻任務(wù)優(yōu)先級(jí)的排序、射頻硬件和軟件資源的調(diào)配、射頻功能模式與參數(shù)設(shè)置、射頻任務(wù)執(zhí)行等。可按管控射頻功能層次來(lái)進(jìn)行分級(jí)管控。

2)任務(wù)管理預(yù)案化。飛行器面臨的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境瞬息萬(wàn)變，進(jìn)行態(tài)勢(shì)分析與飛行器平臺(tái)射頻資源管控調(diào)整的時(shí)間及其有限，因此應(yīng)該根據(jù)不同射頻任務(wù)的應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)置進(jìn)行飛行器平臺(tái)射頻資源管控的多種應(yīng)用預(yù)案。

3)具體實(shí)施動(dòng)態(tài)化。飛行器對(duì)射頻資源進(jìn)行實(shí)時(shí)控制與調(diào)整主要針對(duì)的是射頻資源管控預(yù)案的應(yīng)用與調(diào)整，即根據(jù)任務(wù)使命，選擇射頻任務(wù)管控預(yù)案，并根據(jù)突發(fā)情況對(duì)射頻資源管控預(yù)案進(jìn)行實(shí)時(shí)性調(diào)整。在對(duì)射頻資源管控預(yù)案進(jìn)行調(diào)整的策略中，應(yīng)優(yōu)先考慮射頻資源管控微調(diào)方案，如確有必要才謹(jǐn)慎采用大幅度調(diào)整方案。

4)事后完善閉環(huán)化。飛行器在遂行完偵/干/探/通的任務(wù)使命后，修改完善飛行器射頻資源的管理預(yù)案，主要是對(duì)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)分析，分析各類情況下飛行器射頻資源管控效能較好的方案，從而不斷修改完善飛行器射頻資源管控預(yù)案庫(kù)與應(yīng)用指導(dǎo)方針，提升應(yīng)對(duì)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的魯棒性。

圖3概括了飛行器平臺(tái)射頻資源管控在預(yù)案編制、預(yù)案實(shí)際應(yīng)用和應(yīng)用后階段的分析工作。預(yù)案編制分析工作主要是進(jìn)行計(jì)劃，預(yù)案實(shí)際應(yīng)用分析工作面向數(shù)據(jù)質(zhì)量保證，應(yīng)用后工作是從數(shù)據(jù)中提取信息。數(shù)據(jù)分析產(chǎn)品的目的是從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取信息，以對(duì)這些信息進(jìn)行評(píng)估和理解，最終充實(shí)和完善飛行器平臺(tái)資源管控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。

2.2 威脅等級(jí)評(píng)估模型

威脅等級(jí)評(píng)估主要針對(duì)的是與預(yù)設(shè)吻合的外部威脅信號(hào)和超出預(yù)設(shè)的外部突發(fā)信號(hào)，是飛行器進(jìn)行射頻資源分配以遂行雷達(dá)、通信、對(duì)抗等某一種或幾種射頻功能的依據(jù)之一。威脅等級(jí)主要考慮針對(duì)飛行器的威脅目標(biāo)信號(hào)類型、威脅目標(biāo)工作狀態(tài)、威脅目標(biāo)與飛行平臺(tái)的距離這幾個(gè)因素。如飛行平臺(tái)面臨的復(fù)雜環(huán)境中的雷達(dá)信號(hào)數(shù)目為N，N個(gè)雷達(dá)信號(hào)的威脅等級(jí)為W=[w1,w2,…,wN]，則第i個(gè)雷達(dá)信號(hào)的威脅等級(jí)表達(dá)式為：

wi=μ1Ri+μ2Pi+μ3Qi

式中，Ri為第i部雷達(dá)距離威脅因子，Pi為第i部雷達(dá)信號(hào)類型威脅因子，Qi為第i部雷達(dá)工作狀態(tài)威脅因子，μi(i=1,2,3)為各因子所占威脅權(quán)重值。

在威脅等級(jí)表達(dá)式中無(wú)論是雷達(dá)信號(hào)類型威脅因子P的確定還是雷達(dá)工作狀態(tài)威脅因子Q的確定，都與雷達(dá)距離威脅因子R緊密耦合，具體來(lái)講，飛行平臺(tái)在進(jìn)行威脅等級(jí)因子確定時(shí)，當(dāng)飛行平臺(tái)與威脅目標(biāo)的距離遠(yuǎn)大于火控雷達(dá)的作用距離時(shí)，應(yīng)以預(yù)警和目指雷達(dá)為主要威脅對(duì)象；一旦飛行平臺(tái)與威脅目標(biāo)的距離與火控雷達(dá)的作用距離相當(dāng)或小于火控雷達(dá)的作用距離時(shí)，應(yīng)以制導(dǎo)雷達(dá)和火控雷達(dá)為主要威脅對(duì)象。

飛行器的威脅對(duì)象包括彈載末制導(dǎo)雷達(dá)、機(jī)載火控雷達(dá)、地面制導(dǎo)雷達(dá)、炮瞄雷達(dá)、機(jī)載預(yù)警雷達(dá)、地面目標(biāo)指示雷達(dá)和遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)，威脅目標(biāo)信號(hào)類型及用途可以根據(jù)外部威脅信號(hào)載頻、重頻、脈寬和方位等參數(shù)與威脅源數(shù)據(jù)庫(kù)比較得出：

威脅目標(biāo)的工作狀態(tài)可以劃分為搜索、跟蹤和制導(dǎo)等工作狀態(tài)。通常根據(jù)雷達(dá)的用途、波束掃描的時(shí)空特性、信號(hào)形式及其變化特性等進(jìn)行工作狀態(tài)的確定，一般跟蹤數(shù)據(jù)率(脈沖數(shù)/秒)大于搜索數(shù)據(jù)率，用于目標(biāo)搜索和跟蹤的雷達(dá)波形設(shè)計(jì)亦有差異。如雷達(dá)進(jìn)入制導(dǎo)狀態(tài)，其跟蹤數(shù)據(jù)率會(huì)明顯增大，信號(hào)多采用準(zhǔn)連續(xù)波的形式。

2.3 任務(wù)優(yōu)先級(jí)評(píng)估模型

飛行器平臺(tái)要執(zhí)行的雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗等射頻任務(wù)可以用以下數(shù)學(xué)模型表示：

Mi={pi，tai，Li，(αi，βi，γi，ηi)}，i=1,2,3，…，N

式中，pi表示每項(xiàng)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，tai表示每個(gè)任務(wù)請(qǐng)求事件的到達(dá)時(shí)刻；Li表示每個(gè)任務(wù)請(qǐng)求事件需要的執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)度；(αi，βi，γi，ηi)表示每項(xiàng)具體任務(wù)需要占用的射頻資源百分比，其中αi、βi、γi、ηi分別表示每項(xiàng)任務(wù)占用的孔徑、信道、基帶硬件資源以及算法資源的百分比。

任務(wù)優(yōu)先級(jí)應(yīng)是在射頻任務(wù)能力范圍內(nèi)的射頻任務(wù)優(yōu)先級(jí)的排序，射頻任務(wù)能力范圍表達(dá)為：

Ω=[Rmin,Rmax]?[fmin,fmax]?[θmin,θmax]?[tmin,tmax]?[Pmin,Pmax]?[Emin,Emax]

式中，Ω為射頻任務(wù)的能力范圍，R，f，θ，t，P，E分別表示射頻任務(wù)的距離維、頻率維、角度維、時(shí)間維、極化維、能量維條件；?表示直積運(yùn)算。射頻任務(wù)需求隊(duì)列M中，如果Mi∈Ω(i=1,2,…,N)，則保留Mi，否則將Mi從M從剔除。

射頻任務(wù)隊(duì)列M=[M1,M2,…,MN]，其中：

飛行平臺(tái)的任務(wù)可粗分為預(yù)案任務(wù)、外界突發(fā)任務(wù)和內(nèi)部突發(fā)任務(wù)。飛行器平臺(tái)包含天線、功放、低噪放、FPGA、DSP等多種射頻硬件資源和雷達(dá)、通信、干擾等多種軟件資源，由于飛行器平臺(tái)在任務(wù)剖面中遂行的雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗等射頻任務(wù)屬性多樣，在不同時(shí)刻遂行各種射頻任務(wù)的射頻硬件資源和軟件資源的數(shù)量、配置、作用范圍也不同，決定了射頻任務(wù)與射頻資源不一定是一對(duì)一的關(guān)系。因?yàn)轱w行平臺(tái)射頻資源有限，所以在飛行器射頻資源不滿足所有任務(wù)請(qǐng)求的前提下，只能根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級(jí)和時(shí)間緊迫級(jí)順序響應(yīng)相應(yīng)的任務(wù)請(qǐng)求，未被執(zhí)行的任務(wù)等待有剩余資源時(shí)再被調(diào)度執(zhí)行。威脅等級(jí)評(píng)估是進(jìn)行任務(wù)優(yōu)先級(jí)評(píng)估的依據(jù)之一，在無(wú)內(nèi)部突發(fā)任務(wù)和內(nèi)部預(yù)設(shè)任務(wù)前提下，則威脅等級(jí)高的應(yīng)當(dāng)先占用射頻資源，威脅等級(jí)低的則放在后面處理。

依據(jù)飛行器平臺(tái)在任務(wù)剖面的作戰(zhàn)特點(diǎn)，確立飛行器平臺(tái)硬件和軟件資源的分配原則如下：

1) 內(nèi)部臨時(shí)緊急任務(wù)，最先響應(yīng)原則。對(duì)于內(nèi)部臨時(shí)緊急任務(wù)，其任務(wù)優(yōu)先級(jí)應(yīng)高于預(yù)案任務(wù)和外部突發(fā)任務(wù)。應(yīng)最先對(duì)其任務(wù)要求進(jìn)行響應(yīng)。

2) 重點(diǎn)任務(wù)，優(yōu)先響應(yīng)原則。對(duì)于預(yù)案內(nèi)的重要任務(wù)或者外界突發(fā)且威脅程度大的任務(wù)要優(yōu)先進(jìn)行響應(yīng)。

3) 資源鎖定動(dòng)態(tài)解鎖原則。飛行器平臺(tái)資源的利用是依據(jù)任務(wù)而來(lái)的，而任務(wù)的優(yōu)先級(jí)在飛行器平臺(tái)的飛行剖面中是動(dòng)態(tài)可變的，飛行器平臺(tái)資源的配置因任務(wù)興而鎖定，因任務(wù)衰而解鎖。

具體的調(diào)度算法如下：

假設(shè)某時(shí)刻t有N個(gè)任務(wù)請(qǐng)求M=[M1,M2,…,MN]，根據(jù)每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)和任務(wù)到達(dá)時(shí)間(同等優(yōu)先級(jí)，先到則排前)生成一個(gè)任務(wù)請(qǐng)求鏈表，同時(shí)初始化任務(wù)執(zhí)行鏈表和任務(wù)刪除鏈表。起始條件下時(shí)間指針tp=t，該時(shí)刻飛行器平臺(tái)射頻資源ηcur=1-ηo，其中ηo表示系統(tǒng)當(dāng)前占用的飛行器平臺(tái)資源。

Step1：針對(duì)當(dāng)前時(shí)刻tp，找出任務(wù)請(qǐng)求鏈表中滿足tai≤tp且tai+Li≥tp的任務(wù)，并將其收入待執(zhí)行任務(wù)集合{Mk}，k=1,2,3，…，K；不滿足條件的任務(wù)由于超出截至期而被刪除送入任務(wù)刪除列表中。

Step2：將送入待執(zhí)行列表的K個(gè)任務(wù)進(jìn)行任務(wù)優(yōu)先級(jí)排序，令k=1。

Step3：如果(αk，βk，γk，ηk)≤(αcur，βcur，γcur，ηcur)，則將此待執(zhí)行任務(wù)轉(zhuǎn)移到任務(wù)執(zhí)行列表中，同時(shí)(αcur，βcur，γcur，ηcur)=(αcur，βcur，γcur，ηcur)-(αk，βk，γk，ηk)，否則不作任何處理。

Step4：k=k+1，如果k≤K且(αcur，βcur，γcur，ηcur)>0，則返回Step3，否則進(jìn)入Step5。

Step6：如果上述K個(gè)待處理的射頻任務(wù)都已調(diào)度處理完成，此時(shí)從未被安排的任務(wù)中找出仍待執(zhí)行的任務(wù)，如果(αcur，βcur，γcur，ηcur)>0，則執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)，否則不作任何處理，算法結(jié)束。輸出結(jié)果為任務(wù)執(zhí)行鏈表和任務(wù)刪除鏈表。

3 結(jié)束語(yǔ)

模塊化、開(kāi)放式體系架構(gòu)是多功能一體化發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)，而如何提高武器射頻系統(tǒng)的應(yīng)變能力和靈活性、發(fā)展動(dòng)態(tài)重構(gòu)能力、提高系統(tǒng)生存能力和整體效能等是偵/干/探/通一體化技術(shù)取得突破的關(guān)鍵?！?/p>

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TheRFresourcemanagementoftheaviationplatformfromtheperspectiveofintegratedreconnaissance，interference，detectionandcommunications

Wang Xianghui, Li Zhongliang, Zhang Huadong

(Beijing Research Institute of Machanicaland Electrical Engineering, Beijing 100074, China)

The optimization management and real-time control of RF resources are one of the key technologies in the integrated reconnaissance, interference, detection and communications of the aviation platform. To provide technical support for the reconnaissance/interference/detection/communications of the aviation platform，the design principle of RF resource control of aviation platform is analyzed, a model of RF resource closed-loop control based on modularized aviation platform is proposed, and the implementation control flow is analyzed.

integrated reconnaissance, interference, detection and communications; RF resource management; functional model; control process

2017-06-18；2017-09-17修回。

王向暉(1969-)，男，高工，主要研究方向?yàn)樘炀€技術(shù)。

TN97

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