基于通信指挥的频率指配模块设计与实现*

陈自卫

(75731部队 深圳 518000)

基于通信指挥的频率指配模块设计与实现*

陈自卫

(75731部队 深圳 518000)

根据战场通信指挥的实际需求,设计了通信指挥辅助决策系统的频率指配模块。阐述了系统硬件的接收天线、馈线、合路器和接收机等结构,设计了系统辅助决策软件的全景扫描、新频和异态分析、频率指配和数据库四个重要模块,最后介绍了系统软件实现的基本工具和结构。

通信指挥; 频率指配; 功能框架

Class Number TN975

1 引言

随着大量通信装备应用于战场,现代战争的战场电磁环境日益复杂,如何对战场通信装备进行合理的频率指配,成为打赢现代战争的重要技术保证[1～2]。战场通信指挥辅助决策系统是针对战场通信设备的特点,设计开发的一款应用于战场通信指挥的辅助决策系统[3～5]。通信指挥辅助决策系统由战场电磁频谱监测分析设备和监测应用软件组成。系统对部队所处的战场电磁环境进行监测和量化分析,得出战场电磁频谱的分布状况,并结合我军通信装备数据库,得出我军部队通信装备使用的辅助决策意见,供指挥员决策时使用,其功能组成框图如图1所示。

图1 通信指挥辅助决策系统组成框图

由图1可以看出,该系统由天线、接收机、终端设备组成,其中天线为多波段全向组合天线,接收机由射频接收模块和中频模块组成,终端设备中处理软件由通信指挥辅助决策软件和数据库组成。系统通过科学的天馈线配置、高性能接收机配合功能强大的应用软件可以:

1) 在宽带模式下对整个1.5M～3GHz频段进行快速全景扫描,快速掌握整个频段上信号的分布;

2) 通过设置合理的检测门限还可以对各个业务频段利用率和信道占用度进行任意时间段内的测量统计;

3) 在信号分析方面可以对空中各种无线电发射信号的基本参数,如频率、功率和带宽等指标进行测量,对信号进行监听,对发射标识进行调制识别;

4) 通过与无线电台站数据库和频率数据库查询比对发现敌方无线电信号。

2 系统硬件的设计

通信指挥辅助决策系统硬件部分主要由侦察接收天线、馈线、合路器、侦察接收机四部分组成。

图2 通信指挥辅助决策系统硬件组成

侦察接收天线的作用是把到达接收点处的电磁波能量转换为导行电磁波或高频电流,并由馈线(传输线)传送给接收机,因此接收天线是接收机的信源。在以电磁波的辐射方式传送信息的无线电系统中,天线是至关重要的环节,天线是辐射或接收电磁波的装置,因此,天线有完成由场源产生辐射电磁波的发射天线,也有从载有信息的电磁波中还原出原发信息的接收天线,也就是说天线具有发射和接收两种工作状态。在无线电频谱监测与管理系统中,我们所用天线只需具有接收功能即可。目前接收天线种类较多,如鞭状天线、菱形天线、螺旋天线、阵列天线等。理想的通信信号监测系统的天线部分应该能够覆盖全部无线通信频段,通常来说,由于内部阻抗不匹配,不同频段电台的天线是不能混用的[6～7]。而要在很宽的工作频率范围内实现无障碍通信,就必须有一种无论电台在哪一个波段都能与之匹配的天线,为此,我们需要设计使用组合式多频段天线方案,即把1.5MHz～3000MHz频段分为1.5MHz～30MHz,30MHz～512MHz,512MHz～3000MHz三段,分为短波、超短波、超高频三根天线。

在馈线间或馈线与设备之间总是需要连接装置,没有这些连接件,传输线和天线等都不能很好工作,连接装置常称为连接器,最常用的是离频插头和插座。现在大都使用SMA/SMB/BNC三种。无论何种传输线,也无论何种连接件,对接收设备影响而言,主要有两个方面:一是对信号的衰减;二是相移,对信号的衰减,可能导致噪声系数增加,相移可能影响信号的保真性能。这些是安装和操作时必须注意的。在有多个大信号时,连接器的非线性也会引起互调产物的产生,这也是值得注意的。随着应用环境的巨大变化,在选用传输线和连接器时,还应注意以下几点:高性能和小型化、标准化和低成本、组件化和综合化。

对该系统而言,其核心是侦察接收机。针对通信信号监测频率范围1.5MHz～3GHz,以及该接收机的灵敏度和镜像频率抑制的要求,在此我们选用频率分辨率较高、测量速度较快、成本较低的超外差式侦察接收机。

3 系统软件的设计与实现

3.1 系统软件功能框架

系统另一个核心部分是终端处理软件部分,该部分主要包括通信指挥辅助决策软件及频谱数据库等相关数据库两大部分。通过灵活的人机交互接口,包括功能选择、数据录入、条件设置、值域确定等,以满足不同的功能需求及操作使用过程中需求约束条件的不同变化。该软件的主要功能是实现对前端硬件监测到的目标信号的工作频点、通信体制(定频/跳频)、调制样式与调制参数、信号相对场强、信号带宽等进行分析,完成全波段频段搜索、控旧抓新、信道搜索、定频分析、新频与异态分析、通信电台的频率指配等功能,为战场通信指挥系统提供辅助决策[8]。

图3 通信指挥辅助决策软件框架

因此,通信指挥辅助决策指挥系统软件主要包括四个功能模块,具体的软件功能框架如图3所示,各功能模块介绍如下:

1) 战场电磁频谱扫描模块主要实现对战场全频段内无线电信号进行快速搜索显示,全面实时了解掌握作战区域全频段范围内的电磁频谱分布特性,包括背景信号与各种随机干扰的分布特性,在此基础上快速发现新出现的各类目标信号,特别是敌方目标信号,为进一步的分析识别提供快速引导。全景扫描模块在接到用户发出的全景扫描指令后,向前端硬件平台发送扫描指令,由前端硬件平台完成对战场全频段范围内无线电信号进行扫描,并完成对信号的中频处理,然后返回数据到全景扫描模块,扫描模块在接收到前端返回的扫描数据后,立即对数据进行快速的处理分析,完成绘制面向用户的战场全景频谱图,并建立战场电磁频谱资源数据库,这样就完成一次全景扫描过程。在实际使用过程中,全景扫描模块通过不断的向前端硬件平台发送扫描指令,来完成对战场全频段范围内的无线电信号的实时监测。战场电磁频谱全景扫描模块是整个系统硬件部分与软件部分的“桥梁”,是软件部分的“前端”,主要实现数据的搜集,并建立相应的资源数据库,为后续的定频分析及频率指配功能服务。

2) 新频和异态分析模块是在全景扫描的基础上,对每次扫描出现的新频或异常信号,进行定频分析,通过分析该信号的工作频点、通信体制(定频/跳频)、调制样式与调制参数、信号相对场强、信号带宽等,判断出该信号所属通信装备种类,并绘制出该信号的频谱特性图,为通信指挥员提供较为直观的参考依据。同时建立新频与异态数据库,与后续扫描所得数据进行比较,用以判断该信号所属种类。由此可以看出,新频和异态模块是战场电磁频谱管理中较为重要的一部分,它能及时捕捉到战场无线电信号的变化信息,并通过定频分析,对战场上出现的异常信号进行分析,为指挥员提供及时的参考数据,便于通信人员及时调整频率指配方案,以及时应对当前瞬息万变的信息化战场。

3) 频率指配模块主要实现建立战场通信装备数据库、为指挥员提供直观简易的操作界面、对战场通信装备进行频率指配、根据战场通信装备变化情况及时调整频率使用方案[9～10]。通信指挥的主要任务是及时掌握战场电磁频谱动态,对战场电磁频谱变化情况进行监控,并根据作战需要,及时调整本方通信装备频率使用方案,防止己方通信装备在工作过程中出现相互干扰或频率冲突,这正是通信指挥辅助决策终端中频率指配模块所要实现的功能。

4) 电磁频谱管理数据库,包括频谱资源数据库、用频装备数据库、用频台站数据库、电磁频谱监测数据库、电磁频谱探测数据库、用频装备设备检测数据库等,为战场电磁频谱管理提供重要的数据支持[11]。

3.2 系统软件工作流程

为实现上述功能需求,该软件的实现流程为:

步骤1:对各参数进行初始化;

步骤2:对战场电磁频谱进行全景扫描,建立战场全景电磁频谱资源数据库;

图4 通信指挥辅助决策系统软件实现流程

步骤3:对监测到的重点目标(新频、异态信号)进行定频分析,并建立重点目标(新频、异态)资源数据库;

步骤4:根据实战需要对战场电磁频谱资源数据库中通信电台工作频率参数,使用优化算法进行频率指配,并建立战场通信装备工作频率数据库;

步骤5:判断是否需要对重点目标进行循环监视,若是,则回到步骤3；

步骤6:判断是否需要进行循环侦察搜索,若是,则回到步骤2。

软件的具体实现流程如图4所示。

4 通信指挥辅助决策系统软件的实现

通信指挥辅助决策软件是基于Windows XP操作系统,采用ASP.NET实现Web服务器与数据库的连接,后台数据库为Oracle系统,以Visual Studio.net为系统开发平台,系统采用B/S的三层架构。

系统利用ASP.NET部署B/S的三层架构,由显示层、中间层、数据层组成。显示层就是利用浏览器为客户提供应用服务的图形界面,负责直接跟用户进行交互;中间层位于显示层和数据层之间,由应用服务器和Web服务器实现系统的业务逻辑功能;数据层是三层中的最底层,负责数据的存储和访问。每层的功能非常清晰,层与层之间不能跨越,客户端不直接与数据库进行交互,而是通过COM/DCOM通讯与中间层建立连接,中间层经过ADO.NET实现对数据层的数据进行访问,实现了显示、数据、逻辑的分开,减少了耦合度,更加灵活,适于维护。

ASP.NET在网页中使用基于事件的处理,显示层的页面代码和后台的代码分离,系统采用C#作为后台代码的语言。.NET中可以方便地实现组件的装配,后台代码通过命名控件可以方便地使用自己定义的组件。显示层放在ASP页面中,数据库操作和业务逻辑用组件来实现,这样就很方便实现了三层架构。这样的结构减少了入口点,减少了由于客户端被破坏而给数据库带来损失的风险,保证了系统的安全。图5所示为通信指挥辅助决策软件的实现框架。

图5 通信指挥辅助决策软件的实现框架

5 结语

论文根据战场通信指挥的实际需求,设计了通信指挥辅助决策系统的频率指配模块。设计中首先介绍了系统硬件的功能结构,主要包括侦察接收天线、馈线、合路器和侦察接收机等结构;系统的辅助决策软件主要包括全景扫描、新频和异态分析、频率指配和数据库四个重要模块;最后基于C#、Oracle数据库和ASP.NET为开发工具进行了实现,整个系统的建立将大大提高战场频率指配的速度。

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Battlefield Communication and Command Decision Support System Design and Implementation of Frequency Assignment Modules

CHEN Ziwei

(No. 75731 Troops of PLA, Shenzhen 518000)

The frequency assignment module for the communication and command decision support system is designed based on the actual needs of the battlefield command and communication. The structure of the system hardware is described which contains receiving antenna, feeder line, combiners and receivers, etc. The panoramic sweep, new frequency and anomaly analysis, frequency assignment and database four important modules is designed for the decision and support software system. And finally the basic structure of the system tools and software implementation is introduced.

communication command, frequency assignments, functional framework

2014年4月7日,

2014年5月27日

陈自卫,男,博士,研究方向:复杂电磁频谱管理。

TN975

10.3969/j.issn1672-9730.2014.10.019