戰(zhàn)場(chǎng)頻譜態(tài)勢(shì)感知及頻譜籌劃系統(tǒng)

戰(zhàn)場(chǎng)頻譜態(tài)勢(shì)感知及頻譜籌劃系統(tǒng)霍元杰【摘要】Thebattlefieldspectrumsituationawarenessandplanningsystemispresentedinthispaper.Sys-temfunctions,composition,operationandkeytechniquesofthesystemarealsodiscussed.Throughanalysis,itispointedoutthatthesystemintegratedwithC4ISRsystemscanimprovethewholecapabilityofbattlefieldspectrummanagement.%介紹了戰(zhàn)場(chǎng)頻譜態(tài)勢(shì)感知及頻譜籌劃系統(tǒng)的系統(tǒng)功能、組成、工作過(guò)程、關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑，通過(guò)分析指出頻譜態(tài)勢(shì)感知及頻譜籌劃系統(tǒng)與C4ISR系統(tǒng)集成可提高戰(zhàn)場(chǎng)頻譜管理的整體能力。【期刊名稱(chēng)】《電訊技術(shù)》【年(卷)，期】2013(000)010【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P1265-1268)【關(guān)鍵詞】網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn);賽博戰(zhàn);頻譜管理;戰(zhàn)場(chǎng)頻譜;態(tài)勢(shì)感知;戰(zhàn)場(chǎng)頻譜籌劃;C4ISR【作者】霍元杰【作者單位】中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】TN97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(lái)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(zhēng)資源，影響甚至決定著戰(zhàn)爭(zhēng)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(duì)電磁頻譜資源的需求激增。美國(guó)國(guó)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(zhǎng),2010年美國(guó)防部的帶寬接入需求較伊拉克和阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期增長(zhǎng)了10倍尤其是無(wú)人機(jī)的通信帶寬和頻譜需求是1998年的6000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(chǎng)頻譜籌劃過(guò)程依賴(lài)于多種非標(biāo)準(zhǔn)的、相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù)、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(chǎng)頻譜態(tài)勢(shì)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)。戰(zhàn)場(chǎng)頻譜態(tài)勢(shì)感知及頻譜籌劃系統(tǒng)的功能包括以下幾方面：滿(mǎn)足戰(zhàn)場(chǎng)頻譜管理對(duì)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；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(shì)信息與其他情報(bào)互為印證；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；⑷對(duì)已指配的頻率進(jìn)行用頻沖突檢測(cè)，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。戰(zhàn)場(chǎng)頻譜態(tài)勢(shì)感知及頻譜籌劃系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。3.1頻譜態(tài)勢(shì)感知3.1.1系統(tǒng)組成及工作原理戰(zhàn)場(chǎng)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(wú)線電的特征數(shù)據(jù),包括使用平臺(tái)、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(shì)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(duì)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(shì)感知系統(tǒng)主要完成態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)搜集處理和頻譜態(tài)勢(shì)可視化兩個(gè)功能。（1） 態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)搜集處理構(gòu)建頻譜態(tài)勢(shì)感知圖的信息是由來(lái)自不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)融合生成的,戰(zhàn)場(chǎng)的頻譜使用數(shù)據(jù)來(lái)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(tái)的裝備數(shù)據(jù)。戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)圖:戰(zhàn)場(chǎng)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(guò)這張融合的頻譜圖，可更加準(zhǔn)確地評(píng)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(chǎng)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(shì)感知提供支持。電子偵察系統(tǒng)與頻譜態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)可相互印證，使昂貴且有限的感知平臺(tái)得到更有效的利用。然而，戰(zhàn)場(chǎng)上各類(lèi)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(shì)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(lái)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(wú)線電發(fā)射機(jī)的部署情況。頻譜監(jiān)測(cè)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(lái)這些系統(tǒng)可直接部署到戰(zhàn)場(chǎng)以支援頻譜管理。部署的區(qū)域可以是有頻譜擁堵問(wèn)題的區(qū)域（如戰(zhàn)術(shù)司令部周?chē)┗蛴捎诩夹g(shù)原因很難實(shí)施頻譜管理的區(qū)域（如城市），部署到無(wú)人機(jī)等升空平臺(tái)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(shì)可視化頻譜態(tài)勢(shì)可視化實(shí)現(xiàn)將融合后的頻譜態(tài)勢(shì)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(lái)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功能及作用輔助頻譜籌劃及管理頻譜態(tài)勢(shì)感知的作用是識(shí)別戰(zhàn)場(chǎng)上無(wú)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(shì)感知能力可使頻譜得到有效的重復(fù)利用。隨著戰(zhàn)場(chǎng)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(shì)感知將成為一個(gè)關(guān)鍵的使能工具。輔助網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃為保障戰(zhàn)場(chǎng)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(wèn)題。對(duì)網(wǎng)絡(luò)和頻譜能力來(lái)說(shuō),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(shì)感知能力來(lái)實(shí)現(xiàn)。頻譜態(tài)勢(shì)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(duì)頻譜管控的響應(yīng)情況。輔助作戰(zhàn)籌劃未來(lái)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(wèn)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(jiǎn)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(chǎng)頻譜籌劃系統(tǒng)或工具有頻譜21世紀(jì)(SpectrumXXI)、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(chǎng)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(píng)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(chǎng)頻譜籌劃系統(tǒng)包括頻率分配及指配、沖突檢測(cè)及沖突消解(含電子戰(zhàn))、用頻效能評(píng)估、頻譜籌劃推演可視化、頻譜數(shù)據(jù)庫(kù)等功能及能力。CJSMPT是美國(guó)〃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(wú)法減輕電子戰(zhàn)對(duì)友軍系統(tǒng)的影響;無(wú)人機(jī)系統(tǒng)由于低效的頻率再分配而無(wú)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(qǐng)求。CJSMPT正在研究解決上述問(wèn)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(wú)論對(duì)于哪一作戰(zhàn)級(jí)別的用戶(hù)，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(hù)提供對(duì)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(shí)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：所有的系統(tǒng)操作通過(guò)用戶(hù)界面(見(jiàn)圖3)完成，包括場(chǎng)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；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；通信效能仿真器(CES)對(duì)規(guī)劃的任務(wù)進(jìn)行仿真，預(yù)測(cè)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(cè)在規(guī)劃場(chǎng)景下是否存在設(shè)備間的干擾；頻譜規(guī)劃建議器(SPA)對(duì)頻率修改提供建議，以減少CES預(yù)測(cè)的干擾。SPA還提供一個(gè)初始頻率分配計(jì)劃(頻率池)。用戶(hù)可以根據(jù)任務(wù)QoS要求來(lái)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(wèn)題；⑸觀測(cè)器(VIZ)通過(guò)2D/3D地圖來(lái)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(shí)庫(kù)(SKR)包含任務(wù)仿真用的關(guān)鍵的場(chǎng)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)。4.1總體集成技術(shù)總體集成技術(shù)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)頻譜態(tài)勢(shì)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(chǎng)頻譜態(tài)勢(shì)感知與籌劃系統(tǒng)集成對(duì)提高戰(zhàn)場(chǎng)頻譜管理的整體能力具有重要的作用和影響,通過(guò)集成可以把戰(zhàn)場(chǎng)C4I系統(tǒng)與有關(guān)戰(zhàn)場(chǎng)頻譜管理的硬/軟件平臺(tái)、臺(tái)站設(shè)備、數(shù)據(jù)與信息、各類(lèi)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(cè)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：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(kāi)放式和標(biāo)準(zhǔn)化工作；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(chǎng)頻譜態(tài)勢(shì)感知與籌劃系統(tǒng)涉及用頻裝備特性數(shù)據(jù)庫(kù)、頻譜業(yè)務(wù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、頻譜感知背景數(shù)據(jù)庫(kù)(協(xié)同、非協(xié)同)、頻譜資源數(shù)據(jù)庫(kù)(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(kù)，以及敵方裝備特征數(shù)據(jù)庫(kù)等大大小小各類(lèi)型數(shù)據(jù)庫(kù)十幾種,要使這些異構(gòu)分布多源數(shù)據(jù)庫(kù)的資源共享，靈活調(diào)用，必須采用多數(shù)據(jù)庫(kù)的集成技術(shù)對(duì)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(wèn)題。目前，這樣的集成機(jī)制主要有全局模式多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫(kù)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(jiàn)圖4。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))；節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽(類(lèi)似于著色)包括頻率、工作方式等信息；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。如圖5所示,CJSMPT通過(guò)將可視化的頻譜規(guī)劃、用頻沖突分析檢測(cè)、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：從SKR加載場(chǎng)景想定；通過(guò)CES和可視化沖突報(bào)告對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行分析；⑶通過(guò)SPA解決沖突；將修改的頻譜規(guī)劃反饋到CES;如有需要經(jīng)過(guò)多次迭代來(lái)修改頻譜規(guī)劃。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(chǎng)頻譜態(tài)勢(shì)感知和籌劃系統(tǒng)與戰(zhàn)場(chǎng)C4ISR系統(tǒng)集成可提高戰(zhàn)場(chǎng)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(kāi)展研究提供參考?；粼?1970—),男，湖北武漢人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹娇胀ㄐ排c電磁兼容?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】CJCSM3320.01B,JointOperationsintheElectromagneticBattlespace[S].JointPublication3-09,DoctrineforJointFireSupport[S].SpectrumManagementTaskGroup.AReviewofSpectrumManagement[R].WashingtonDC:DefenseBusinessBoard,2010:34-35.AssistantSecretaryofDefense.DepartmentofDefenseNet-CentricSpectrumManagementStrategy[R].WashingtonDC:DefensePentagon,2006,8.HeiseyW,KlineW,ZebrowitzH,etal.AutomatedSpectrumPlanAdvisorforOn-The-MoveNetworks