复杂电磁环境下的水面舰船频谱管理技术研究
时间：2021-02-09 07:56:26 来源：达达文档网 本文已影响 人 
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【摘 要】随着现代电子信息技术的迅速发展，水面舰船的频谱管理面临严峻的挑战。根据水面舰船频谱管理的使命任务，提出其频谱管理的功能需求。在此基础上，开展水面舰船频谱管理的总体架构研究，提出基于SOA的网络中心分布式体系架构与功能结构，并提出和分析了实现舰船频谱管理的关键技术。最后，指出了频谱管理发展方向与建议，对水面舰船频谱管理技术研究与发展具有参考意义。
【关键词】水面舰船 动态频谱接入 面向服务体系结构 频谱数据服务
1 概述
1.1 美军水面舰船频谱管理发展状况
美军海上频率规划和频谱管理依照传统划成不同功能区域，通信使用通信规划模块（CPM，Communication Planning Module），武器系统使用电磁兼容分析程序（EMCAP，Electromagnetic Compatibility Analysis Program）来规范各自的频率使用。近期由于不同频谱使用冲突的加剧以及为了更有效地使用频谱，在航母战斗群、两栖快反部队、远征战斗群发起了巩固和强化海战场电磁频谱管理的行动，其包括两个方面的协同运作，即操作流程和软件。其中，操作流程指战术备忘录，描述管理过程的执行步骤；软件指其开发的应用软件，允许全部频谱使用人员可以同时看到和更新当前及未来航母战斗群、两栖快反部队、远征战斗群的频谱使用状态。
海上电磁频谱行动程序AESOP（Afloat Elec-tromagnetic Spectrum Operations Program）是美国海军及陆战队主用的自动频率规划和频谱管理软件。这个软件的第1个舰队版本AESOP 1.0发布于2003年12月。AESOP 1.0实现了EM-CAP和CPM的集成以及数据库共享。2.0版本将包括情报、信息战和电子战功能等新内容。2010年后发布了AESOP 3.0。AESOP 软件目前已经分发给了全部美军舰艇，一些海岸作战单位也得到了分发。海上频谱管理由编队指挥官指挥下的N6（通信）、N3（作战）、信息战等指战参谋执行。
AESOP是针对编队雷达及通信规划的软件工具，用于协调海上作战的频谱互操作性。AESOP采用工程设计和监管手段，可提供频谱规划、管控、协调等能力。
1.2 功能需求分析
随着现代信息技术的不断发展、武器信息装备的迅速发展，水面舰船受到来自空中、水面、水下和岸上的威胁不断增多，由于雷达、电子对抗、通信、导航、武器控制等电子信息装备密集地装备于水面舰船，加上对立双方激烈的电子对抗，使海上电磁环境十分复杂并瞬息万变，这给水面舰船的电磁频谱管理提出了更高的要求，也使之面临严峻的挑战。
水面舰船频谱管理主要确保舰船平台及指挥控制、武器制导、电子对抗、情报侦察、预警探测、通信导航等用频系统的频谱可兼容有序工作，并且随海上电磁频谱态势的演变而动态变换，保障武器信息用频系统效能的有效发挥。为此，结合美军海上频谱管理的发展分析以及水面舰船的频谱管理需求，其应具备以下能力要求：
（1）强大的电磁频谱资源筹划、管控与协调能力
水面舰船的频谱使用涉及预警探测、情报侦察、通信、指挥、武器控制、电子对抗等各种业务与系统以及不同平台间、系统间频谱协调，为确保各电子信息用频系统对频率资源的有效与协调使用，水面舰船的电磁频谱管理需具备强大的频谱资源统筹规划、管理、控制与协调能力。
（2）全频段全空间的电磁频谱环境感知能力
水面舰船的联合行动导致大量武器装备与电子信息系统高密度部署于有限的空间，在海、空、天立体空间范围内形成高度复杂的电磁环境。为充分掌握海上空间的电磁环境，水面舰船的频谱管理需具备全频段全空间的电磁频谱环境感知能力。
（3）对电磁环境变化的快速反应能力
水面舰船的联合行动使海上电磁环境极其复杂多变，武器装备与电子信息系统需根据电磁频谱的实时态势，快速调整频谱方案，规避己方、自然界和敌方的电磁频谱干扰，以快速适应电磁环境的变化，保障用频装备的有效工作，实现频率资源动态、高效的使用。
（4）强大的电磁频谱数据综合处理与频谱管理服务能力
水面舰船频谱管理面临的数据将是海量的、不断更新的。在对这些庞大、海量信息的存储与管理、实时处理、数据搜索、数据挖掘与智能处理等的基础上，为频谱用户提供具有所需的、可扩展的频谱服务，实现频谱信息交互与共享是水面舰船频谱管理所必备的能力。
（5）具有隐蔽工作和抗干扰、抗截获能力
水面舰船的行动过程中，电子干扰与反干扰、情报的截获与反截获无时无刻不在进行，因此要求水面舰船电磁频谱管理软件、硬件系统具有抗干扰、抗截获和隐蔽工作的能力，需在恶劣的电磁环境中仍能正常工作。
2 总体架构研究
2.1 基于SOA的网络中心分布式系统架构
面向网络中心战的编队信息传输系统是水面舰船与各系统间的信息共享与互操作的平台。面向服务的体系架构（Service-Oriented Architecture）由于其良好的灵活性、可扩展性与互操作性，已成为服务层面技术实现的体系结构标准。因此，水面舰船的频谱管理可采用基于SOA的网络中心分布式架构，以实现具有可扩展、灵活配置、动态加载的频谱数据服务和信息协同能力。
水面舰船编队由多种负有不同任务使命的舰船组成，其频谱管理由频管中心节点以及单元频管节点组成。频管中心节点是整个舰船编队的频谱指挥管理节点，作为整个编队频谱管理的主导者组织其他单元频管节点完成编队内的频谱管理和控制。各单元频管节点配合频管中心节点完成编队的频谱管控任务以及本单元频谱管控任务。水面舰船编队频谱管理服务是基于编队无线信息传输系统和舰内宽带有线通信网络的跨平台分布式应用，其体系结构如图1所示。
水面舰船的频谱管理服务由频管Web应用服务器、频管数据服务器和频谱服务代理完成。Web应用服务器提供舰船平台频谱管理所需的频谱规划、频谱综合态势、频谱协同与调度、频谱干扰分析仿真等服务，并将其发布到服务代理的一个目录上。当预警探测、电子对抗、情报侦察、武器制导、通信指挥等无线电用频系统需要某些频谱管理服务时，它首先到频谱服务代理提供的目录上去搜索该服务，得到如何调用该服务的信息后，通过绑定即可使用Web应用服务器提供的频谱管理服务。
2.2 功能体系结构
水面舰船频谱管理主要包括频谱规划与协调、频谱感知与态势构建、频谱数据与计算服务、频谱干扰分析预测、频谱动态接入等功能，其功能体系结构如图2所示：
3 关键技术分析
3.1 基于SOA的频谱数据服务技术
水面舰船的频谱管理涉及用频装备特性数据库、频谱业务基础数据库、频谱感知数据库、频谱资源数据库、频谱规划结果数据库以及敌方装备特征数据库等多种异构分布式多源数据库，为实现频谱数据资源共享，灵活调用，需基于编队通信网络，将各分布式多源异构数据进行综合集成，通过统一的频谱管理标准、协议和数据格式、结构进行数据转换，将各种异构频谱数据转化成统一、规范的通用频谱数据，经数据融合和挖掘等综合处理后，形成各种主题、标准、共享的联合频谱数据仓库。基于面向服务（SOA）的体系架构，经数据注册、审核，通过编队通信网络进行发布。采用服务化信息分发机制，通过服务消息订阅、发布和自动推送的方式，为各频谱用户提供具有可扩展、配置灵活、动态加载的频谱数据服务和信息协同能力，具体如图3所示。
3.2 舰船平台电磁干扰预测分析技术
水面舰船用频装备是一个包含预警探测、武器控制、电子对抗、情报侦查、通信等各种专业领域复杂的综合电子信息系统，大量用频装备在一个狭小的作战空间中同时展开。以巡洋舰、导弹驱逐舰为代表的战舰，除了具有体积有限、设备（尤其是无线设备）集中、大功率发射设备与高灵敏度接收设备共存、频谱密集等与其他平台共同的特点外，舰船平台的散射结构更加复杂，甲板及塔桅等上层建筑上布置着大量的雷达、敌我识别系统、导航监测、电子战系统以及HF/VHF/UHF/卫星通信、数据链设备等敏感的通信设备，各设备（尤其是各无线用频设备）之间往往互为潜在的干扰源（或敏感设备），再加上对立双方电子对抗日益激烈，势必造成无线电用频系统间自扰、互扰以及敌方有意干扰情况十分严重，覆盖舰船平台的电磁环境非常复杂。
舰船平台的电磁干扰预测分析需考虑到无线电收发信机的射频特性、天线的辐射特性、设备间耦合干扰模型、平台天线间的耦合模型、平台的结构特性以及各种频段的电波在海面的传播模型等因素。通过舰艇平台的电磁兼容仿真预测分析，可以获取舰艇平台上无线电用频装备间电磁干扰情况，如图4示。为舰船平台的频谱规划、冲突解除等提供依据，是进行舰船平台及编队电磁频谱管理的基础和一项关键技术。
3.3 分布式动态频谱接入技术
随着用频需求的不断增长和海上电磁环境的日益复杂，可用频谱资源日趋饱和，当前的频率管理方式已不能满足将来的发展需求。为满足水面舰船在复杂电磁环境下的频谱需求，确保用频系统与网络的有序工作，需发展动态频谱管理技术，即频谱管理与用频系统和网络紧密结合。
分布式动态频谱接入将频谱的决策从频谱管理中心移至用频设备端，频谱管理系统根据频谱需求和资源情况只给出用频策略，用频设备根据所处的电磁环境和用频策略约束进行具体的用频决策和执行活动。其频谱决策过程采用自主的方式，使频谱决策更加迅速。分布式动态频谱接入技术主要针对未来基于软件无线电技术的通信系统与设备，动态频谱接入实现的主要过程如图5所示。
在感知环节，主要获取节点的位置、时间和策略等信息，同时根据需求对所处的电磁环境进行监测，对链路状态进行监控，收集射频环境和节点链路的实时动态信息。
在分析阶段，对收集节点的位置、时间、策略以及外部电磁干扰感知结果和链路状态信息进行综合分析处理，完成电磁环境特征和链路性能评估，为频谱决策提供依据。
在决策阶段，根据用频策略和电磁环境实时状态以及链路性能的评估结果，进行系统用频的推理决策，决定工作频率、模式以及发射功率等参数，以适应电磁环境的动态变化，保持用频设备的正常工作，同时不对周围的其他用户产生干扰。
最后在执行阶段，根据用频推理产生的结果，进行电台工作频率、模式以及发射功率等参数的设置，使电台可以避开电磁干扰，保持正常通信状态。
4 结束语
水面舰船平台上装载的无线电电子设备种类繁多，涉及通信指挥、预警探测、电子对抗、情报侦察、导航定位、武器制导等多个领域。各种设备工作频段从几十赫兹的超低频到上百吉赫兹的极高频。随着装备信息化的迅猛发展，新型电子设备不断投入使用，使用频装备的种类与数量迅速增加、系统规模日益扩大、复杂程度日益增加。同时，水面舰船的协同作战，导致大量用频装备高密度部署于有限的海上空间，形成高度复杂的电磁环境，引起无线电用频系统间独自扰、互扰现象。另外，由于对立双方制电磁权的争夺日益激烈，有意干扰情况十分严重，导致海上电磁环境极其复杂恶劣，使水面舰船的电磁频谱管理面临严峻的考验，如何实现海上空间的电磁频谱环境感知，并依据时节和态势变化组织实施动态的频谱管控，实现水面舰船联合行动的频谱统一、协调以及动态、高效的使用，这将是水面舰船频谱管理需解决的重大问题。
根据信息化条件下水面舰船的频谱管控需求以及频谱管理系统装备与技术发展特点和趋势，以下几个方面将是水面舰船频谱管理发展提升的方向：
（1）全域管理：频谱管理系统从单一功能向多功能、从单一频段向全频段、从满足某一特殊需求向全维频谱管理发展。
（2）网络化管理：基于编队的通信网络，实现频谱信息的充分共享、提供高度自动化的频谱规划、管控和协同服务能力。
（3）动态管理：从传统集中静态的管理模式向分布式、动态管理模式发展，实现频谱的自适应和高效使用。
（4）智能化管理：频谱管理已经完成了由手工作业到计算机辅助的转变，还需实现自动化基础上的智能化管理，最终目标是实现认知和自同步的频谱使用。
在介绍美军水面舰船电磁频谱管理发展状况的基础上，根据目前水面舰船的频谱管理所面临的问题，提出了水面舰船频谱管理的功能需求，接着展开对水面舰船频谱管理的总体架构研究，对实现水面舰船频谱管理的相关关键技术进行了分析，根据频谱管控需求与技术发展特点和趋势，提出了水面舰船频谱管理技术发展提升的几个方向，为水面舰船频谱管理技术的研究和发展提供了有益的参考。
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