基于作战流程的战场电磁频谱管理系统设计方法

高俊光郭杰王肖洋胡军军

（中国洛阳电子装备试验中心洛阳471000）

基于作战流程的战场电磁频谱管理系统设计方法

高俊光郭杰王肖洋胡军军

（中国洛阳电子装备试验中心洛阳471000）

信息化战争中，敌我双方争夺电磁频谱使用权和控制权的斗争将异常激烈，战场电磁频谱管理是夺取制电磁频谱权的重要保障。在分析电磁频谱管理系统发展的基础上，研究了战场频谱管理系统的功能需求及关键技术，提出一种基于作战流程的战场电磁频谱管理系统总体设计方法，可为相应地频谱管理系统建设提供参考。

频谱管理；战术通信；总体设计；动态规划

Class NumberO44

1 引言

在信息化战争中，区域有限的战场上用频设备将达到成千上万套，这些设备辐射大量的各种波段的电磁波，空间交错、频率交叠，设备之间的干扰不可避免。如何对这些装备实施有效的管理是摆在各级指挥官面前的严峻课题。如果没有有效的管理措施，很容易使己方陷入混乱之中，造成通信不畅、命令不能及时传达等情况，对战役的顺利进行造成极大的影响，严重时甚至会造成己方火力对己方人员造成误伤。然而，现代战场频谱管理将不同于以往战争中只有少量用频装备的管理，需要处理大量的设备数据、电磁背景数据等，传统人工的凭经验的管理方式已不可行，必须适应信息化战争的要求，建设电磁频谱管理系统，实现战场电磁频谱管理的规范化、科学化和自动化［1］。

2 美军战场频谱管理系统建设情况

美军战场电磁频谱管理研究大致经历了四个阶段：1）将频谱管理与通信装备相结合，使设备拥有“频率管理功能”［2］；2）实现短波（HF）频段实施战术频谱管理，能实时监测HF频段频谱，预报最佳频率；3）解决联合作战中战场频率的指配问题；4）研究全频段频谱管理，解决各种频率管理工具的兼容性问题［3］。目前美军已进入了第四阶段的研究开发，其各阶段的研究成果主要有：

1）AN/TRQ系列产品：美军20世纪80年代初、中期的第一代（AN/TRP-35（V））和第二代（AN/ TRQ-35（V）-2）战术频谱管理系统［4］。该系列产品具有实时探测短波（HF）频率，预报最佳通信频率的功能，适用于集团军以下战术单位。

2）RBECS系统（Revised Battlefield electronic CEOI System）：美军采用的第三代战场频谱管理软件，于1994年3月公布。该系统能够自动完成联合作战频率指配，并生成联络文件，使得战场指挥官产生频率分配的能力大幅度提高，从而大大地提高了战场快速反应能力。RBECS系统主要给基础单位的指挥官在制定呼号和频率分配方面提供有效的自主性，从根本上摆脱了从前那种硬性控制通信频率的方法。美军在海湾战争中使用RBECS系统效果良好。

3）陆军密钥管理系统（AKMS）：美军着力发展的第四代自动化频谱管理系统。该系统可自动进行频率管理和保密通信管理操作，自动通信工程软件（ACES）是AKMS的频率管理部分，ACES取代了原有的RBECS（修订型战场电子通信-电子作战指令系统），并成为全频谱管理、ISYSCON BSM（综合系统控制战场频谱管理）、21世纪频谱、RBECS、作战任务指挥、飞行任务指令（ATO）和空间ATO工作站的联合电子接口。

3 战场频谱管理系统功能需求及关键技术

3.1 功能需求

未来战场将配备大量的无线通信、雷达、导航以及各种电台设备，具备装备数量多、种类全、密度大、电磁环境变化快等特点，战场电磁频谱管理系统需要完成电磁信号全频段的信号频谱分配和电磁信号监测任务，应具有以下功能：

1）能够提供功能强大的电磁频谱参数数据库。电磁频谱参数数据库是指挥员战场电磁态势分析、实施频谱管控、制定用频计划、部署用频装备和产生辅助方案等的基础。

2）能够辅助分析战场电磁态势。能够根据战时获取的电磁信息和电磁频谱参数数据库的信息等，综合分析出各种作战样式下和作战规模下，作战对象可能采用电磁攻击和防御的手段，作战进程中电磁干扰的样式、频谱范围、时域、空域和信号强度等，形成电磁态势分析报告，为指挥员科学用频提供参考［5］。

3）辅助生成电磁频谱管控方案。能够根据电磁态势分析结论，已方参展装备电磁频谱的特点、数量、配置地域、作战地域内电磁环境的特点等，分配各装备的频谱使用范围、使用时段、相互协同等电磁频谱管控方案，为指挥员进行电磁筹划提供参考。

4）能实时形成干扰与反干扰措施。能够根据作战对象的干扰样式和种类、频率范围、作用时域和空域、各武器装备的干扰和反干扰性能等，分析判断出武器装备应采用的战术、技术措施，为指挥员实施正确的作战指挥提供参考［6］。

3.2 关键技术

1）无线信号的传播模型

电波在实际环境下的传播具有反射、绕射、散射等多种传播方式，并且在传播路径上还存在多种影响［7］，如高山、地面建筑以及地球曲面的影响，这就需要一种通过理论与实际测试的方法归纳出的无线传播损耗与频率、距离、环境、天线高度等变量的数学关系式，这一数学关系式就是传播模型。频谱管理中的传播覆盖范围预测、干扰分析和频率分配均受到传播模型精度的影响。无线信号传播模型主要包括自由空间传播模型、Okumura-Hata模型、COST-231 Hata模型等。

2）频率分配时的干扰分析

战场上的无线电干扰主要包括大气噪声、人为噪声和用频设备干扰等。通常，大气噪声、人为噪声和宇宙噪声可以通过加大最小信号功率的办法来减轻它们对设备的影响。而用频设备之间和内部的干扰是必须考虑的。根据干扰的类型，频率分配时的干扰分析主要有以下几种：互调干扰分析、邻频干扰分析、同频干扰分析和同址干扰分析。

3）频率分配技术

用频设备之间通过相互发射电磁波达成信息沟通，设备之间使用特定的频率（信道）构成无线链路。由于电磁波的自然特性，无线设备发射的电磁波可能对位于附近、满足一定功率和频率条件的其他设备形成干扰。频率分配（FAP）的目的就是给工作在一定地域内的无线工作设备指定使用的工作频率（信道），使所有设备都以尽可能小的概率被干扰，从而使整个网络的可用性得到优化。

4）多传感器信息融合技术

现代战场中，依靠单一手段获取战场频谱信息的模式已无法满足需求，必须运用多种手段对战场电磁频谱信息进行收集、组合和综合处理［8］。信息融合就是这样一种多层次多方面处理的过程，这个过程是对多源数据进行检测、互联、相关、估计和组合以达到精确的状态估计和身份识别，以及完整的态势评估和威胁评估。

4 作战流程分析及系统工作过程

4.1 作战流程分析

战场频谱管理系统的基本职能就是根据战区战术作战指令，采用频率工程、频率分配和频率监测的方法完成战区/战术范围内多兵种协同的联合作战用频装备的频率指配［9］。战场频谱管理系统作战流程就是完成用频装备工作频率的预测、预报、规划、预分配、频率实时指配和动态调整，实现频率的统一规划和管理，使各装备系统及系统内部相互之间不干扰，保障用频装备在密集的电磁环境下正常工作。战场频谱管理系统作战流程如图1所示。

4.2 系统工作过程

战场电磁频谱管理系统的工作过程为：首先获取战场的电子地图，建立无线电设备传输特性数据库；在此基础上，根据各种传播模型进行电波传播预测；其次，通过无线监测系统探测到的战区的固定干扰源信息（如某些固定使用的频率），从而建立战区内干扰源信息数据库；根据上述数据库和模型，考虑多种可能的方式，利用特定的优化算法，进行频率与规划，生成通信网中所有无线电传输设备无干扰工作的主要及备用频率，以文档的形式下发；在战役展开后，由网络管理中心或探测系统监视无线链路的运行情况，一旦无线链路受到严重干扰，不能工作，应立即启动动态频率管理系统［10］。在不影响现有正常工作频率的基础上，根据剩余频率资源及干扰详细信息，自动生成网络频率的局部调整方案，以实现实时频谱管理。战场实施频谱管理具体流程如图2所示。

5 战场电磁频谱管理系统功能设计

5.1 系统功能设计

通过频谱管理系统的工作流程看，频谱管理系统要完成频率指配工作，最起码要具有的功能有：传播预测分析，实现战场全频段不同传播模型的传播预测；电磁干扰分析，实现战场通信设备的同频干扰、邻频干扰、互调干扰的预测；频率指配，要能够在计划配置的通信系统以前，对拟投放作战地域的整个电磁频谱进行总体规划［11］，在布置通信系统设备时，对通信网络中的各具体站点进行频率指配。需要的数据库信息要有：地理信息系统数据库，提供战区地形、地貌及地物状况数据；战场用频装备数据库，要包含战区内各种通信、导航、雷达和电子战等设备型号、工作频率、发射/接受参数、台站位置、天线型号、天线架设高度、无线工作参数及组网等数据；频谱资源数据库，要包含战区频率范围、保护频率、业务划分等情况。再考虑到通信网台站需要初始规划及网络拓扑，系统还需要有台站规划功能。通过分析，按功能划分，频谱管理系统应包括数据库查询分系统、台站规划分系统、传播预测分系统、干扰分析分系统和频率指配分系统等五个分系统，如图3所示。

5.2 分系统功能设计

5.2.1 数据库查询分系统

主要功能是根据作战需要，给指挥员提供以下三方面数据库信息，即地理信息系统数据库、战场用频装备数据库、频谱资源数据库，如图4所示。

1）地理信息系统数据库。应覆盖整个战区，GIS地理信息系统数据库使用MapInfo或Arcinfo格式，除原有的地理信息图层外，还应包括阵地图层、城市3D图层、作战规划或作战单元预定/实际行进路线图层、用频装备图层、有线基础设施图层、无线传输覆盖图层、电磁干扰分析图层、微波中继链路质量图层及未知信号源图层［12］。

2）背景无线电设备及电磁信号数据库。应包含尽可能多的无线站点及其信号类型，各种无线站点参数可以分为标准参数和高级参数两部分。标准参数包括布站情况、设备类型、设备体制、发射功率、信号带宽等；高级参数包括载波调制参数、脉冲调制参数、数据流程参数等。

3）战区作战单元用频装备数据库。应指明作战单元配属用频装备的型号、数量、服役年限、设备使用状况等：作战单元内部通联方式及工作参数等。

4）敌方用频装备数据库。包括敌方用频设备、干扰设备的信息，以便用于进行电磁干扰分析。参数应尽可能包含发射功率及功率、设备类型、设备体制、调制方式、信号带宽、数据流量参数、传输业务信息等。

5）频率资源数据库。应包括ITU或国家无委规定无线频率业务划分情况；战区内民用无线设备的频率划分与使用情况；用于实现战区应急通信保障的保护频率。保护频率包括：导航台站频率、雷达频率和电子干扰设备工作频率等。

5.2.2 台站规划分系统

主要功能是根据当前的电磁环境，对台站进行有关频率、组网方案、站址选择、发射机功率、天线调整等台站规划设计。

1）网络拓扑规划。根据作战指令和各作战单元的通信装备情况，使用无线覆盖预测、微波中继链路分析、卫星通信链路分析、机载中继通信链路分析等网络分析模块来建立网络拓扑规划，确定组网方案。

2）选择站点位置。主要考虑站点周围是否有造成电波反射的障碍物，通过频谱测量调查站点和天线周围的电磁环境是否良好，此外还要调查天线和设备的安装条件以及自然环境。

3）选择频率复用方式。主要考虑战场电磁环境下可用频段，可采取的抗干扰的措施，站点密集程度等。

4）初步确定台站有关参数。根据监测系统提供的可用频段，选择天线类型。根据通信的话务密度，确定发射功率和天线高度。

5.2.3 传播预测分系统

主要功能是根据无线设备布站的规划，结合地理信息系统和大气、气象信息等，采用合适的预测模型对无线传输覆盖进行预测，根据测试的结果判断链路的可通性，并根据预测结果对无线设备布站进行再规划。

1）场强计算与前向覆盖预测。对于战区移动通信系统，网络设备投放初步位置初步确定后，根据地物环境，采用传播预测模型计算站点覆盖的场强。

2）反向覆盖范围分析计算。对于战区移动通信系统，网络设备投放初步位置初步确定后，根据地物环境，采用传播预测模型分析从手持机/车载台到移动通信基站的反向链路覆盖。

3）覆盖区域传输余量计算。根据接收机的接收灵敏度和典型天线参数，给出覆盖区域内的传输余量。

5.2.4 干扰分析分系统

主要功能是在先验数据库和实时更新数据库数据的基础上，进行电子设备和台站之间的同频干扰、邻频干扰、互调干扰等电磁干扰分析，形成在可忍受干扰程度（干扰上限）下节点间的频率保护容限和保护间隔（距离），建立战场干扰源数据库，为频率指配算法提供模型的参数。

1）同址干扰分析计算。对于多个信道情况，大信号发射会在本地接收端产生的交调干扰相对显著，因此需要计算同址干扰。

2）镜像干扰和交调干扰分析。分析不同频点之间的相互串绕问题。结合通信设备内部的调制解调体制和器件参数对镜像干扰和交调干扰进行分析。

3）欺骗干扰分析。结合辅助测向信息，对欺骗干扰源进行分析，分析欺骗干扰信号的调制体制。

4）越区交界性能分析。对于战区栅格通信网络，分析移动站点越区切换性能。

5.2.5 频率指配分系统

主要功能是根据无线电频谱划分方案和对战场电磁频谱模型兼容性分析结果，为战场通信网络中的各具体站点进行最佳频率指配。

1）获得可用的频率列表。最后可用的频率表中应当不包括受到干扰的频率和重点保护或强制指定的频率。

2）对每一个通信网络产生一个“有效频率范围”，有效频率范围内的频点对于信息的传输具有达到预定一定传输质量所需的足够的信噪比。

3）对每一个网络产生一个“有效频率池”，频率池包括各个频率列表或跳频电台使用的多个频点的集合，频率分配算法（Frequency Assignment Algorithm，FAA）判定使用频率池中频率的网络之间的干扰代价

4）通过干扰代价序贯分析来分配频点使网络实现最佳化。最佳化准则包括干扰代价函数最小化、最特定频率的硬性指配和高优先级或重点的链路通信频率的保护，如战略性全局性的通信链路将首先给予分配并保证可靠的链路传输质量，并且这些重要的频率可以在后续的频率分配过程中一直给予重点的保护。

5）从“频率池”中选择多个频率或频率集分配给某个通信网络，通过分析确定最佳的频率分配规划。最佳化的准则包括：超过信噪比的准则、产生最小干扰的准则或受其他网络影响最小的准则。

6）对所有的频点分配完成后，如果需要对分配方案进行更改，可以重新再次启动分配的过程，搜索更好的分配方案。

6 结语

加快战场电磁频谱管理系统建设是打赢未来

信息化战争的必然要求，通过战场电磁频谱管理，最大限度地保障信息系统的频谱利用率，并最大程度地限制敌方信息系统对频谱的使用，对夺取战场的制电磁权具有重要的意义。基于作战流程分析战场频谱管理系统的功能需求，基于功能分解分析各分系统的构成要素，为相应地频谱管理系统的设计开发提供了一种思路。但在基于需求的动态频谱管理机制、频谱管理数据的结构标准等重要问题上还未涉及，后续研究上需着力加强。

［1］徐惕.频谱管理应纳入军事电子信息系统一体化建设［J］.军事通信技术，2005，26（3）：33-36.

［2］陈自卫，程善政，周密.网络中心战中的电磁频谱管理［J］.舰船电子工程，2010，30（4）：9-12.

［3］丁浩，孙翠娟，詹明东.军地电磁频谱管理资源共享技术［J］.四川兵工学报，2010，31（5）：116-118.

［4］张健美，柳永祥，邱永红.美军电磁频谱管理体系概述［J］.安全与电磁兼容，2007，30（2）：13-16.

［5］于江，范万水，秦爱祥，沈刘平，张磊.电磁频谱管理系统需求模型［J］.兵工自动化，2012，31（8）：86-89.

［6］陈勇，赵杭生，曹裕忠.电磁频谱管理体系建设探讨与建议［J］.河北科技大学学报，2011（S2）：214-217.

［7］李新生，宋博，唐红，谢信通.复杂电磁环境下联合作战战场电磁频谱管理研究［J］.河北科技大学学报，2011（S2）：5-8.

［8］李袁柳.电磁频谱管理技术发展研究［J］.舰船电子工程，2010，30（7）：22-24.

［9］陈自卫，陈华东.基于MAS的分布式战场电磁频谱管理系统［J］.兵工自动化，2009，28（6）：35-37.

［10］陈国冲，李寒梅.海军信息战中的战场电磁频谱管理［J］.舰船电子对抗，2007，30（1）：8-11.

［11］于江，沈刘平，张磊，范万水，贾瑞鹏.战场电磁频谱管理辅助决策系统构建研究［J］.兵工自动，2011，30（7）：42-44.

［12］孙彦杰，孙宇军.辅助电磁环境下美军战场频谱管理［J］.装备学院学报，2009，20（3）：14-17.

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，硕士，高级工程师，研究方向：光学工程。