高俊光郭杰王肖洋胡軍軍

（中國洛陽電子裝備試驗中心洛陽471000）

基于作戰(zhàn)流程的戰(zhàn)場電磁頻譜管理系統(tǒng)設計方法

高俊光郭杰王肖洋胡軍軍

（中國洛陽電子裝備試驗中心洛陽471000）

信息化戰(zhàn)爭中，敵我雙方爭奪電磁頻譜使用權和控制權的斗爭將異常激烈，戰(zhàn)場電磁頻譜管理是奪取制電磁頻譜權的重要保障。在分析電磁頻譜管理系統(tǒng)發(fā)展的基礎上，研究了戰(zhàn)場頻譜管理系統(tǒng)的功能需求及關鍵技術，提出一種基于作戰(zhàn)流程的戰(zhàn)場電磁頻譜管理系統(tǒng)總體設計方法，可為相應地頻譜管理系統(tǒng)建設提供參考。

頻譜管理；戰(zhàn)術通信；總體設計；動態(tài)規(guī)劃

Class NumberO44

1 引言

在信息化戰(zhàn)爭中，區(qū)域有限的戰(zhàn)場上用頻設備將達到成千上萬套，這些設備輻射大量的各種波段的電磁波，空間交錯、頻率交疊，設備之間的干擾不可避免。如何對這些裝備實施有效的管理是擺在各級指揮官面前的嚴峻課題。如果沒有有效的管理措施，很容易使己方陷入混亂之中，造成通信不暢、命令不能及時傳達等情況，對戰(zhàn)役的順利進行造成極大的影響，嚴重時甚至會造成己方火力對己方人員造成誤傷。然而，現(xiàn)代戰(zhàn)場頻譜管理將不同于以往戰(zhàn)爭中只有少量用頻裝備的管理，需要處理大量的設備數(shù)據(jù)、電磁背景數(shù)據(jù)等，傳統(tǒng)人工的憑經(jīng)驗的管理方式已不可行，必須適應信息化戰(zhàn)爭的要求，建設電磁頻譜管理系統(tǒng)，實現(xiàn)戰(zhàn)場電磁頻譜管理的規(guī)范化、科學化和自動化［1］。

2 美軍戰(zhàn)場頻譜管理系統(tǒng)建設情況

美軍戰(zhàn)場電磁頻譜管理研究大致經(jīng)歷了四個階段：1）將頻譜管理與通信裝備相結合，使設備擁有“頻率管理功能”［2］；2）實現(xiàn)短波（HF）頻段實施戰(zhàn)術頻譜管理，能實時監(jiān)測HF頻段頻譜，預報最佳頻率；3）解決聯(lián)合作戰(zhàn)中戰(zhàn)場頻率的指配問題；4）研究全頻段頻譜管理，解決各種頻率管理工具的兼容性問題［3］。目前美軍已進入了第四階段的研究開發(fā)，其各階段的研究成果主要有：

1）AN/TRQ系列產(chǎn)品：美軍20世紀80年代初、中期的第一代（AN/TRP-35（V））和第二代（AN/ TRQ-35（V）-2）戰(zhàn)術頻譜管理系統(tǒng)［4］。該系列產(chǎn)品具有實時探測短波（HF）頻率，預報最佳通信頻率的功能，適用于集團軍以下戰(zhàn)術單位。

2）RBECS系統(tǒng)（Revised Battlefield electronic CEOI System）：美軍采用的第三代戰(zhàn)場頻譜管理軟件，于1994年3月公布。該系統(tǒng)能夠自動完成聯(lián)合作戰(zhàn)頻率指配，并生成聯(lián)絡文件，使得戰(zhàn)場指揮官產(chǎn)生頻率分配的能力大幅度提高，從而大大地提高了戰(zhàn)場快速反應能力。RBECS系統(tǒng)主要給基礎單位的指揮官在制定呼號和頻率分配方面提供有效的自主性，從根本上擺脫了從前那種硬性控制通信頻率的方法。美軍在海灣戰(zhàn)爭中使用RBECS系統(tǒng)效果良好。

3）陸軍密鑰管理系統(tǒng)（AKMS）：美軍著力發(fā)展的第四代自動化頻譜管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可自動進行頻率管理和保密通信管理操作，自動通信工程軟件（ACES）是AKMS的頻率管理部分，ACES取代了原有的RBECS（修訂型戰(zhàn)場電子通信-電子作戰(zhàn)指令系統(tǒng)），并成為全頻譜管理、ISYSCON BSM（綜合系統(tǒng)控制戰(zhàn)場頻譜管理）、21世紀頻譜、RBECS、作戰(zhàn)任務指揮、飛行任務指令（ATO）和空間ATO工作站的聯(lián)合電子接口。

3 戰(zhàn)場頻譜管理系統(tǒng)功能需求及關鍵技術

3.1 功能需求

未來戰(zhàn)場將配備大量的無線通信、雷達、導航以及各種電臺設備，具備裝備數(shù)量多、種類全、密度大、電磁環(huán)境變化快等特點，戰(zhàn)場電磁頻譜管理系統(tǒng)需要完成電磁信號全頻段的信號頻譜分配和電磁信號監(jiān)測任務，應具有以下功能：

1）能夠提供功能強大的電磁頻譜參數(shù)數(shù)據(jù)庫。電磁頻譜參數(shù)數(shù)據(jù)庫是指揮員戰(zhàn)場電磁態(tài)勢分析、實施頻譜管控、制定用頻計劃、部署用頻裝備和產(chǎn)生輔助方案等的基礎。

2）能夠輔助分析戰(zhàn)場電磁態(tài)勢。能夠根據(jù)戰(zhàn)時獲取的電磁信息和電磁頻譜參數(shù)數(shù)據(jù)庫的信息等，綜合分析出各種作戰(zhàn)樣式下和作戰(zhàn)規(guī)模下，作戰(zhàn)對象可能采用電磁攻擊和防御的手段，作戰(zhàn)進程中電磁干擾的樣式、頻譜范圍、時域、空域和信號強度等，形成電磁態(tài)勢分析報告，為指揮員科學用頻提供參考［5］。

3）輔助生成電磁頻譜管控方案。能夠根據(jù)電磁態(tài)勢分析結論，已方參展裝備電磁頻譜的特點、數(shù)量、配置地域、作戰(zhàn)地域內(nèi)電磁環(huán)境的特點等，分配各裝備的頻譜使用范圍、使用時段、相互協(xié)同等電磁頻譜管控方案，為指揮員進行電磁籌劃提供參考。

4）能實時形成干擾與反干擾措施。能夠根據(jù)作戰(zhàn)對象的干擾樣式和種類、頻率范圍、作用時域和空域、各武器裝備的干擾和反干擾性能等，分析判斷出武器裝備應采用的戰(zhàn)術、技術措施，為指揮員實施正確的作戰(zhàn)指揮提供參考［6］。

3.2 關鍵技術

1）無線信號的傳播模型

電波在實際環(huán)境下的傳播具有反射、繞射、散射等多種傳播方式，并且在傳播路徑上還存在多種影響［7］，如高山、地面建筑以及地球曲面的影響，這就需要一種通過理論與實際測試的方法歸納出的無線傳播損耗與頻率、距離、環(huán)境、天線高度等變量的數(shù)學關系式，這一數(shù)學關系式就是傳播模型。頻譜管理中的傳播覆蓋范圍預測、干擾分析和頻率分配均受到傳播模型精度的影響。無線信號傳播模型主要包括自由空間傳播模型、Okumura-Hata模型、COST-231 Hata模型等。

2）頻率分配時的干擾分析

戰(zhàn)場上的無線電干擾主要包括大氣噪聲、人為噪聲和用頻設備干擾等。通常，大氣噪聲、人為噪聲和宇宙噪聲可以通過加大最小信號功率的辦法來減輕它們對設備的影響。而用頻設備之間和內(nèi)部的干擾是必須考慮的。根據(jù)干擾的類型，頻率分配時的干擾分析主要有以下幾種：互調(diào)干擾分析、鄰頻干擾分析、同頻干擾分析和同址干擾分析。

3）頻率分配技術

用頻設備之間通過相互發(fā)射電磁波達成信息溝通，設備之間使用特定的頻率（信道）構成無線鏈路。由于電磁波的自然特性，無線設備發(fā)射的電磁波可能對位于附近、滿足一定功率和頻率條件的其他設備形成干擾。頻率分配（FAP）的目的就是給工作在一定地域內(nèi)的無線工作設備指定使用的工作頻率（信道），使所有設備都以盡可能小的概率被干擾，從而使整個網(wǎng)絡的可用性得到優(yōu)化。

4）多傳感器信息融合技術

現(xiàn)代戰(zhàn)場中，依靠單一手段獲取戰(zhàn)場頻譜信息的模式已無法滿足需求，必須運用多種手段對戰(zhàn)場電磁頻譜信息進行收集、組合和綜合處理［8］。信息融合就是這樣一種多層次多方面處理的過程，這個過程是對多源數(shù)據(jù)進行檢測、互聯(lián)、相關、估計和組合以達到精確的狀態(tài)估計和身份識別，以及完整的態(tài)勢評估和威脅評估。

4 作戰(zhàn)流程分析及系統(tǒng)工作過程

4.1 作戰(zhàn)流程分析

戰(zhàn)場頻譜管理系統(tǒng)的基本職能就是根據(jù)戰(zhàn)區(qū)戰(zhàn)術作戰(zhàn)指令，采用頻率工程、頻率分配和頻率監(jiān)測的方法完成戰(zhàn)區(qū)/戰(zhàn)術范圍內(nèi)多兵種協(xié)同的聯(lián)合作戰(zhàn)用頻裝備的頻率指配［9］。戰(zhàn)場頻譜管理系統(tǒng)作戰(zhàn)流程就是完成用頻裝備工作頻率的預測、預報、規(guī)劃、預分配、頻率實時指配和動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)頻率的統(tǒng)一規(guī)劃和管理，使各裝備系統(tǒng)及系統(tǒng)內(nèi)部相互之間不干擾，保障用頻裝備在密集的電磁環(huán)境下正常工作。戰(zhàn)場頻譜管理系統(tǒng)作戰(zhàn)流程如圖1所示。

4.2 系統(tǒng)工作過程

戰(zhàn)場電磁頻譜管理系統(tǒng)的工作過程為：首先獲取戰(zhàn)場的電子地圖，建立無線電設備傳輸特性數(shù)據(jù)庫；在此基礎上，根據(jù)各種傳播模型進行電波傳播預測；其次，通過無線監(jiān)測系統(tǒng)探測到的戰(zhàn)區(qū)的固定干擾源信息（如某些固定使用的頻率），從而建立戰(zhàn)區(qū)內(nèi)干擾源信息數(shù)據(jù)庫；根據(jù)上述數(shù)據(jù)庫和模型，考慮多種可能的方式，利用特定的優(yōu)化算法，進行頻率與規(guī)劃，生成通信網(wǎng)中所有無線電傳輸設備無干擾工作的主要及備用頻率，以文檔的形式下發(fā)；在戰(zhàn)役展開后，由網(wǎng)絡管理中心或探測系統(tǒng)監(jiān)視無線鏈路的運行情況，一旦無線鏈路受到嚴重干擾，不能工作，應立即啟動動態(tài)頻率管理系統(tǒng)［10］。在不影響現(xiàn)有正常工作頻率的基礎上，根據(jù)剩余頻率資源及干擾詳細信息，自動生成網(wǎng)絡頻率的局部調(diào)整方案，以實現(xiàn)實時頻譜管理。戰(zhàn)場實施頻譜管理具體流程如圖2所示。

5 戰(zhàn)場電磁頻譜管理系統(tǒng)功能設計

5.1 系統(tǒng)功能設計

通過頻譜管理系統(tǒng)的工作流程看，頻譜管理系統(tǒng)要完成頻率指配工作，最起碼要具有的功能有：傳播預測分析，實現(xiàn)戰(zhàn)場全頻段不同傳播模型的傳播預測；電磁干擾分析，實現(xiàn)戰(zhàn)場通信設備的同頻干擾、鄰頻干擾、互調(diào)干擾的預測；頻率指配，要能夠在計劃配置的通信系統(tǒng)以前，對擬投放作戰(zhàn)地域的整個電磁頻譜進行總體規(guī)劃［11］，在布置通信系統(tǒng)設備時，對通信網(wǎng)絡中的各具體站點進行頻率指配。需要的數(shù)據(jù)庫信息要有：地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，提供戰(zhàn)區(qū)地形、地貌及地物狀況數(shù)據(jù)；戰(zhàn)場用頻裝備數(shù)據(jù)庫，要包含戰(zhàn)區(qū)內(nèi)各種通信、導航、雷達和電子戰(zhàn)等設備型號、工作頻率、發(fā)射/接受參數(shù)、臺站位置、天線型號、天線架設高度、無線工作參數(shù)及組網(wǎng)等數(shù)據(jù)；頻譜資源數(shù)據(jù)庫，要包含戰(zhàn)區(qū)頻率范圍、保護頻率、業(yè)務劃分等情況。再考慮到通信網(wǎng)臺站需要初始規(guī)劃及網(wǎng)絡拓撲，系統(tǒng)還需要有臺站規(guī)劃功能。通過分析，按功能劃分，頻譜管理系統(tǒng)應包括數(shù)據(jù)庫查詢分系統(tǒng)、臺站規(guī)劃分系統(tǒng)、傳播預測分系統(tǒng)、干擾分析分系統(tǒng)和頻率指配分系統(tǒng)等五個分系統(tǒng)，如圖3所示。

5.2 分系統(tǒng)功能設計

5.2.1 數(shù)據(jù)庫查詢分系統(tǒng)

主要功能是根據(jù)作戰(zhàn)需要，給指揮員提供以下三方面數(shù)據(jù)庫信息，即地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、戰(zhàn)場用頻裝備數(shù)據(jù)庫、頻譜資源數(shù)據(jù)庫，如圖4所示。

1）地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。應覆蓋整個戰(zhàn)區(qū)，GIS地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫使用MapInfo或Arcinfo格式，除原有的地理信息圖層外，還應包括陣地圖層、城市3D圖層、作戰(zhàn)規(guī)劃或作戰(zhàn)單元預定/實際行進路線圖層、用頻裝備圖層、有線基礎設施圖層、無線傳輸覆蓋圖層、電磁干擾分析圖層、微波中繼鏈路質(zhì)量圖層及未知信號源圖層［12］。

2）背景無線電設備及電磁信號數(shù)據(jù)庫。應包含盡可能多的無線站點及其信號類型，各種無線站點參數(shù)可以分為標準參數(shù)和高級參數(shù)兩部分。標準參數(shù)包括布站情況、設備類型、設備體制、發(fā)射功率、信號帶寬等；高級參數(shù)包括載波調(diào)制參數(shù)、脈沖調(diào)制參數(shù)、數(shù)據(jù)流程參數(shù)等。

3）戰(zhàn)區(qū)作戰(zhàn)單元用頻裝備數(shù)據(jù)庫。應指明作戰(zhàn)單元配屬用頻裝備的型號、數(shù)量、服役年限、設備使用狀況等：作戰(zhàn)單元內(nèi)部通聯(lián)方式及工作參數(shù)等。

4）敵方用頻裝備數(shù)據(jù)庫。包括敵方用頻設備、干擾設備的信息，以便用于進行電磁干擾分析。參數(shù)應盡可能包含發(fā)射功率及功率、設備類型、設備體制、調(diào)制方式、信號帶寬、數(shù)據(jù)流量參數(shù)、傳輸業(yè)務信息等。

5）頻率資源數(shù)據(jù)庫。應包括ITU或國家無委規(guī)定無線頻率業(yè)務劃分情況；戰(zhàn)區(qū)內(nèi)民用無線設備的頻率劃分與使用情況；用于實現(xiàn)戰(zhàn)區(qū)應急通信保障的保護頻率。保護頻率包括：導航臺站頻率、雷達頻率和電子干擾設備工作頻率等。

5.2.2 臺站規(guī)劃分系統(tǒng)

主要功能是根據(jù)當前的電磁環(huán)境，對臺站進行有關頻率、組網(wǎng)方案、站址選擇、發(fā)射機功率、天線調(diào)整等臺站規(guī)劃設計。

1）網(wǎng)絡拓撲規(guī)劃。根據(jù)作戰(zhàn)指令和各作戰(zhàn)單元的通信裝備情況，使用無線覆蓋預測、微波中繼鏈路分析、衛(wèi)星通信鏈路分析、機載中繼通信鏈路分析等網(wǎng)絡分析模塊來建立網(wǎng)絡拓撲規(guī)劃，確定組網(wǎng)方案。

2）選擇站點位置。主要考慮站點周圍是否有造成電波反射的障礙物，通過頻譜測量調(diào)查站點和天線周圍的電磁環(huán)境是否良好，此外還要調(diào)查天線和設備的安裝條件以及自然環(huán)境。

3）選擇頻率復用方式。主要考慮戰(zhàn)場電磁環(huán)境下可用頻段，可采取的抗干擾的措施，站點密集程度等。

4）初步確定臺站有關參數(shù)。根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)提供的可用頻段，選擇天線類型。根據(jù)通信的話務密度，確定發(fā)射功率和天線高度。

5.2.3 傳播預測分系統(tǒng)

主要功能是根據(jù)無線設備布站的規(guī)劃，結合地理信息系統(tǒng)和大氣、氣象信息等，采用合適的預測模型對無線傳輸覆蓋進行預測，根據(jù)測試的結果判斷鏈路的可通性，并根據(jù)預測結果對無線設備布站進行再規(guī)劃。

1）場強計算與前向覆蓋預測。對于戰(zhàn)區(qū)移動通信系統(tǒng)，網(wǎng)絡設備投放初步位置初步確定后，根據(jù)地物環(huán)境，采用傳播預測模型計算站點覆蓋的場強。

2）反向覆蓋范圍分析計算。對于戰(zhàn)區(qū)移動通信系統(tǒng)，網(wǎng)絡設備投放初步位置初步確定后，根據(jù)地物環(huán)境，采用傳播預測模型分析從手持機/車載臺到移動通信基站的反向鏈路覆蓋。

3）覆蓋區(qū)域傳輸余量計算。根據(jù)接收機的接收靈敏度和典型天線參數(shù)，給出覆蓋區(qū)域內(nèi)的傳輸余量。

5.2.4 干擾分析分系統(tǒng)

主要功能是在先驗數(shù)據(jù)庫和實時更新數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的基礎上，進行電子設備和臺站之間的同頻干擾、鄰頻干擾、互調(diào)干擾等電磁干擾分析，形成在可忍受干擾程度（干擾上限）下節(jié)點間的頻率保護容限和保護間隔（距離），建立戰(zhàn)場干擾源數(shù)據(jù)庫，為頻率指配算法提供模型的參數(shù)。

1）同址干擾分析計算。對于多個信道情況，大信號發(fā)射會在本地接收端產(chǎn)生的交調(diào)干擾相對顯著，因此需要計算同址干擾。

2）鏡像干擾和交調(diào)干擾分析。分析不同頻點之間的相互串繞問題。結合通信設備內(nèi)部的調(diào)制解調(diào)體制和器件參數(shù)對鏡像干擾和交調(diào)干擾進行分析。

3）欺騙干擾分析。結合輔助測向信息，對欺騙干擾源進行分析，分析欺騙干擾信號的調(diào)制體制。

4）越區(qū)交界性能分析。對于戰(zhàn)區(qū)柵格通信網(wǎng)絡，分析移動站點越區(qū)切換性能。

5.2.5 頻率指配分系統(tǒng)

主要功能是根據(jù)無線電頻譜劃分方案和對戰(zhàn)場電磁頻譜模型兼容性分析結果，為戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡中的各具體站點進行最佳頻率指配。

1）獲得可用的頻率列表。最后可用的頻率表中應當不包括受到干擾的頻率和重點保護或強制指定的頻率。

2）對每一個通信網(wǎng)絡產(chǎn)生一個“有效頻率范圍”，有效頻率范圍內(nèi)的頻點對于信息的傳輸具有達到預定一定傳輸質(zhì)量所需的足夠的信噪比。

3）對每一個網(wǎng)絡產(chǎn)生一個“有效頻率池”，頻率池包括各個頻率列表或跳頻電臺使用的多個頻點的集合，頻率分配算法（Frequency Assignment Algorithm，F(xiàn)AA）判定使用頻率池中頻率的網(wǎng)絡之間的干擾代價

4）通過干擾代價序貫分析來分配頻點使網(wǎng)絡實現(xiàn)最佳化。最佳化準則包括干擾代價函數(shù)最小化、最特定頻率的硬性指配和高優(yōu)先級或重點的鏈路通信頻率的保護，如戰(zhàn)略性全局性的通信鏈路將首先給予分配并保證可靠的鏈路傳輸質(zhì)量，并且這些重要的頻率可以在后續(xù)的頻率分配過程中一直給予重點的保護。

5）從“頻率池”中選擇多個頻率或頻率集分配給某個通信網(wǎng)絡，通過分析確定最佳的頻率分配規(guī)劃。最佳化的準則包括：超過信噪比的準則、產(chǎn)生最小干擾的準則或受其他網(wǎng)絡影響最小的準則。

6）對所有的頻點分配完成后，如果需要對分配方案進行更改，可以重新再次啟動分配的過程，搜索更好的分配方案。

6 結語

加快戰(zhàn)場電磁頻譜管理系統(tǒng)建設是打贏未來

信息化戰(zhàn)爭的必然要求，通過戰(zhàn)場電磁頻譜管理，最大限度地保障信息系統(tǒng)的頻譜利用率，并最大程度地限制敵方信息系統(tǒng)對頻譜的使用，對奪取戰(zhàn)場的制電磁權具有重要的意義?；谧鲬?zhàn)流程分析戰(zhàn)場頻譜管理系統(tǒng)的功能需求，基于功能分解分析各分系統(tǒng)的構成要素，為相應地頻譜管理系統(tǒng)的設計開發(fā)提供了一種思路。但在基于需求的動態(tài)頻譜管理機制、頻譜管理數(shù)據(jù)的結構標準等重要問題上還未涉及，后續(xù)研究上需著力加強。

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Design Method of Battlefield Electromagnetic Spectrum Management System Based on Operational Process

GAO JunguangGUO JieWANG XiaoyangHU Junjun
（Luoyang Electronic Equipment Test Center，Luoyang471000）

In the informat ion-based war，both sides compete for access and control of the electromagnetic spectrum will be fierce struggle，the battlefield electromagnetic spectrum management is the important guarantee to seize the electromagnetic spectrum superiority.On the analysis of the electromagnetic spectrum management system development，the battlefield spectrum management system functional requirements and key technology is researched，a kind of the combat flow of battlefield based electromagnetic spectrum management system's overall design method is put forward.It can provide reference for corresponding spectrum management system construction.

spectrum management，tactical communications，overall design，dynamic planning

O44

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.038

2017年1月8日，

2017年2月29日

高俊光，男，碩士，高級工程師，研究方向：光學工程。