复杂电磁环境战场频谱管理

第4期
2008年8月
Journal of C AE I T
Vol .3No .4Aug .2008
收稿日期:2008206202 修订日期:2008206218
电磁信息控制专题
复杂电磁环境战场频谱管理
王先义,陈丹俊,刘　斌,朱允锋
(中国电波传播研究所,山东青岛　266107)
摘　要:在现代战争中,电磁领域已成为与地面、海洋、空间和太空并存的第五维战场,制电磁频谱权成为制信息权的核心,战场频谱管理是夺取制电磁频谱权的重要保障。

阐述了战场频谱管理基
本概念,重点介绍了外军研究现状,并针对当前战场频谱管理的热点问题,论述了复杂电磁环境下联合作战战场频谱管理面临的技术挑战和发展趋势。

关键词:复杂电磁环境;频谱管理;新技术中图分类号:O441.4 文献标识码:A 文章编号:167325692(2008)042338207
Ba ttlef i eld Spectru m Manage men t i n Co m plex
Electro magneti c Env i ronm en t
WANG Xian 2yi,CHE N Dan 2jun,L I U B in,Z HU Yun 2feng
(China Research I nstitute of Radi owave Pr opagati on,Shandong Q ingdao 266107,China )
Abstract:I n the modern war,electr omagnetic domain has become t o be the fifth battlefield besides the land,the sea,the sky,and the s pace .The key t o contr ol infor mati on in the war is t o contr ol electr omag 2netic s pectru m ,which is achieved by battlefield s pectru m manage ment .I n this paper,the basic concep 2ti on of battlefield s pectrum manage ment is exp lained .Then the p resent situati on of the manage ment of m ilitary electr omagnetic s pectrum abr oad is s pecially intr oduced .And in the vie w of current hot t op ics about battlefield s pectru m manage ment,the technol ogical challenge and trend of s pectru m manage ment faced in j oint operati ons in comp lex electr omagnetic envir on ment are discussed .
Key words:comp lex electr omagnetic envir on ment;s pectru m manage ment;ne w technol ogy
0　引　言
电磁环境(E ME,electr omagnetic envir on ment )
一般是指存在于给定场所的所有电磁现象的总和[1,2]。

文献[3]中将战场电磁环境定义为:在特定的行动环境里军队、系统或者平台执行其规定的任务时可能遇到的,在各种频率范围内由辐射或传导的电磁发射(水平)功率和时间分布的结果。

它是由电磁骚扰,电磁脉冲,电磁辐射对人员、军械和挥发性材料危害,以及雷电和沉积静电等自然现象的综合,包括人为电磁辐射、自然电磁辐射和电磁波传播环境3个部分。

军事行动是在越来越复杂的电磁
环境中实施的[4]。

由于战场电磁环境受参战地域
装备的分布状况、工作频率、辐射功率、辐射方式、所处地理地物环境、气象条件等多种影响,因而,战场电磁环境是由时域、频域、能域和空域上分布密集、数量繁多、样式复杂、动态随机的多种电磁信号交叠而成的复杂环境。

复杂电磁环境已经成为信息化战场区别于传统战场最突出的标志。

信息时代,电磁频谱是惟一能支持机动作战、分散作战和高强度作战的重要媒质。

外军评论认为:“频谱是一种无形战斗力,并且可以与火力、机械动力相提并论的新型战斗力。

”电磁领域成为“第五维战场”,电磁频谱成为重要战争资源,影响甚至决定着战争的进程和结局。

高技术条件下的现代战争就
　2008年第4期王先义等:复杂电磁环境战场频谱管理339
是频谱战,制电磁频谱权成为制电磁信息权的核心,战场频谱管理是夺取“制信息权”和“制电磁权”的重要保障。

20世纪80年代英阿马岛战争,谢菲尔德号驱逐舰因为电磁频谱不兼容导致被击沉;20世纪90年代的海湾战争,以美国为首的多国部队激烈争夺电磁频谱的控制权,使频谱战扩展到“全频域、全时域、全空域”。

在电子技术日新月异并日益广泛地应用于军事领域的今天,它就像一把双刃剑,在推动武器装备和指挥现代化的同时,也使战场电磁环境日趋复杂,电磁斗争日益激烈,现代高技术战争需要电磁频谱管理。

1　战场频谱管理及相关概念
1.1　基本概念
(军事)频谱管理(MS M,m ilitary s pectrum man2 age ment)是指军队领导机关和电磁频谱管理机构制定电磁频谱管理政策、规定,划分、规划、分配、指配频率和航天器轨道资源,以及对电磁频谱和轨道资源使用情况进行监督、检查和协调处理等活动统称[5]。

战场频谱管理(BS M,battlefield s pectru m manage ment)是指在特定的军事行动中通过作战的、技术的或行政的手段和规程,实施的(军事)频谱管理。

其主要任务是:统一划分和指配频率,监督和管理无线电设备设置和使用;监测战场电磁环境,维护无线电设备工作秩序;实施战场无线电管制,协调各部门的业务关系,消除己方相互干扰等。

BS M在复杂战场电磁环境下发挥着信息战中“频谱警察”的作用。

1.2　工作流程
战场频谱管理是通过频谱信息感知(获取)、分析决策、管理控制和应用服务四个环节实现。

四个环节共同实现频谱信息的闭环处理,如图1所示,其中建立全方位、大纵深、立体化的频谱感知网络是实施战场频谱管理的基础;构建分布式、智能化频谱信息处理决策网络是核心;实现频谱的动态分配和频谱信息注入等管理控制是关键;最后实现为战场各类无线电通信系统、定位系统、雷达系统、遥测系统、导航系统、多谱传感器系统、定向能量武器系统等提供有效频谱接入和全域频谱信息支撑的管理目标。

在闭环处理过程中,可接收外部状态激励输入信息、需求输入信息,并可对外输出共享频谱管理决策信息。

图1　战场频谱管理处理流程
制定电磁频谱管理方案是实施战场频谱管理的基础,是战场频谱管理系统的主要和核心功能,同时,电磁频谱管理方案也是联合作战部门制定作战计划的重要依据之一。

电磁频谱管理方案的制定由作战地域电磁情况分析、电磁态势评估,拟制频谱管理决心建议,收集并确认频谱需求和制定频谱使用计划等四个主要过程组成,其流程如图2所示。

电磁频谱管理方案包括频谱管理计划、频谱使用计划和频谱处置预案等。

频谱管理计划包括联合作战力量对电磁频谱的协调、控制和使用,其内容必须与作战行动计划相协调;频谱使用计划包括联合作战各部队的频段分配、使用时间、地域、保护频率及限制频率等内容。

340
2008年第4期
图2　频谱管理方案制定流程
2　美军频谱管理现状与发展趋势
2.1　美军频管发展概况
美军在研制战场频谱管理系统方面起步较早,从20世纪70年代起,就陆续开发了一系列的频谱管理系统。

1999年,美军在《联合频谱构想2010》(JS V2010,j oint s pectru m visi on 2010)中,提出全方位、全频段频率管理,要求为无线电导航、定位系统、雷达系统、遥测系统、通信系统、多谱传感器系统、定向能量武器系统等提供有效的频谱接入。

在《联合
构想2020》(j oint visi on 2020)中指出,“解决频谱管理问题是实现实时、可靠、整合的GI G 能力,实现主宰机动、精确打击、聚焦后勤和全维防护的关键……可有效消解国内、国际、民用频谱需求对军事信息系统频谱接入的严重威胁和频谱冲突”。

随后,又发布和修改了一系列的纲领性文件,提出了其21世纪频谱管理的指导方针和全方位、全频段频率管理的需求。

2002年,美国防部提出了增强军事频谱管理能
力的四大战略措施,其中重要的两个措施包括改进频谱管理业务过程和通过技术革新改进频谱利用,具体目标包括开发综合的电磁频谱管理体系结构,以支持联合作战环境对电磁频谱的需求,提升动态环境下电磁频谱管理决策支持的能力,提高电磁频谱管理的效率和自动化能力等。

2006年8月,美军发布了《网络中心频谱管理战
略》
(Do D net 2centric s pectru m manage ment strategy )。

提出了“网络中心战”
(NC W ,net w ork centric warfare )概念来概括信息化时代军事领域涌现出来的各种新变化。

NC W 对部队网络化和信息共享及协作的高度依赖,使得在恶劣的战场电磁环境中对电磁频谱的有效利用和控制成为成功实施NC W 的前提条件,同时也导致战场频谱管理面临前所未有的挑战,传统的静态、集中式的频谱管理模式已不能适应NC W 的需要。

2007年5月,美国防部发布修改的《电磁频谱
管理战略计划》
(depart m ent of defense electr omagnet 2ic s pectrum manage ment strategic p lan ),提出了美国防部电磁频谱管理和E3控制的目标和相关的战略与目标,强调进行国防部频谱管理变革。

国防部频谱管理体系结构(DS MA ,defense s pectru m manage ment architecture )是依据美国国防部体系架构框架(DoDAF,depart m ent of defense ar 2chitecture fra me work )而开发的,对国防部频谱管理变革进行清晰描述。

DS MA 给出了网络中心环境下频谱管理的未来视图,并详细描述了目前和未来的业务过程及期望的频谱管理能力,其最终的目标是实现GE MSI S,为美军提供从传感器到射手的实时无冲突的频谱接入。

截止2007年底,美国防部不断对DS MA 进行的调整,以反映频谱管理的发展方向并提出相关的支撑技术。

在其最新的3.0版本中,将频谱管理发展划分为四个阶段,如图3所示。

　2008年第4期王先义等:复杂电磁环境战场频谱管理341
图3　DS MA(v3.0)频谱管理演进
目前,美军已研制试用的频谱管理工具主要有:联合自动通信电子操作指令系统(JACS)、自动通信工程软件(ACES)、改进型战场电子作业指令系统(RBECS)、Spectru m XX I、水面舰艇电磁频谱操作指令(AES OP)、海军陆战队系统规划、设计、评估(SPEED)等。

为实现DS MA第一阶段的目标,美军在现有的频谱管理工具的基础上,有计划地开展或计划开展一系列的基础技术研究和开发项目,包括:基于W eb Services的频谱管理技术、标准的网络中心频谱管理数据共享服务技术、战场移动环境下的频谱冲突消解技术、频谱管理作战计划能力研究、海军频谱管理系统(DON S MS)、Spectru m XX I(下一代, NG)、联盟/联合频谱管理计划工具(CJS MPT)等。

2.2　频管技术发展趋势与特点
资料分析表明,频谱管理系统在美军的信息化武器系统建设中占据重要的位置,频谱管理系统装备与技术发展呈现出如下四个特点和趋势。

(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联合作战全维频谱管理发展。

(2)动态管理。

从集中、静态管理模式向分布式、动态管理模式发展,最终实现战场频谱的自适应战术规划。

(3)网络化管理。

实现战场频谱信息的自适应共享、频谱使用协作和频谱管理的全域服务。

(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,最终目标将是实现在自动化基础上的智能化管理。

目前人工智能领域研究取得的成果及其在网络管理领域的应用,将被逐步应用于频谱智能化管理领域。

3　频谱管理新技术
电磁频谱管理作为信息系统优先发展领域,得到各军事大国的高度重视,由此极大地推动了频谱管理需求研究和新技术开发,涌现出很多新概念和研究领域,并展示出广阔的发展前景。

下面就对一些热点研究技术进行简单介绍。

3.1　多智能体技术
3.1.1智能体定义与基本属性
自20世纪80年代起,智能体(Agent)一直是分布式人工智能研究的热点。

虽然智能体已被广泛使用,但迄今还没有形成一个统一的、确定的定义。

一般认为它是一种基于某种场景,并具有灵活、自主的行为能力,以满足设计目标的计算机系统。

具有如下四个主要特性。

(1)自治性(Aut onomy)。

能够自主地采取行动以达到自己的目标,而不需要人的介入或干预,并能
342
2008年第4期
对其自身行为及内部状态进行某种控制。

(2)社会性(Social Ability )。

能够通过某种通信语言,与其他Agent 进行通信,以达到自己的目标,包括协作、协调和协商。

(3)应激性(Reactivity )。

能够感知它们所处环境的变化,并通过行为改变环境,对环境施加控制和影响,同时能对外界的刺激做出反应,并能对环境的变化及时做出反应。

(4)主动性(Pr o 2activeness )。

Agent 的行为应该是主动的,不但能对环境作出反应,而且还能够积极主动地做出使其目标得以实现的行为,能感知周围环境的变化,并做出反应。

其基本结构包括6个部分,由环境感知模块、执行模块、通信模块、信息处理模块、决策与智能控制模块,以及知识库和任务表组成,如图4所示。

图4　智能体基本结构
多Agent 系统(MAS,multi 2agent syste m )是由多
个在功能上独立、具有逻辑推理能力和通信能力的Agent 组成。

正是由于Agent 具有这些特点,所以它特别适合用来解决具有模块化、分散化、可变性、复杂性和不良结构等特征的问题,因此在分析复杂电磁环境下频谱管理问题时具有优势,可以采用基于Agent 的方法来分析复杂电磁环境,并利用基于Agent 技术对频谱管理系统进行建模。

3.1.2　基于MAS 的频谱管理系统体系结构
在战场环境中,根据各级指挥所、各军兵种在地
理上的分散性、各用频系统在功能上的差异性等特点,每一管理机构或功能领域都可抽象为一个代表其职能的智能Agent 。

各个Agent 有自主的管理策略、组织模式和业务模式。

这些管理策略、组织模式和业务模式完全根据各管理业务或功能领域自身需要而设置,可以实现各局部领域或局部目标的高效、优化管理。

所有与频谱管理有关的个体Agent 之间,通过处于主控地位或称为功能领域合作者的服务Agent 统一协调下,完成频谱资源的统一管理规划配置和管理,这就构成了一个多Agent 的频谱管理系统模型。

典型的多Agent 频谱管理系统概念框
架如图5所示。

图中每个圆圈代表MAS 中的一个由多个个体Agent 组成的具有完整频谱管理功能的子系统节点。

图5　基于MAS 的频谱管理系统概念框架
图6给出了基于多Agent 的频谱管理子系统结
构。

其中,应用Agent 是频谱管理系统与用户和用频系统之间的界面,提供频谱管理应用,实现用户和用频系统的需要的功能。

频谱信息服务Agent 是应用Agent 和各功能Agent 之间的中介。

其职能是建立应用Agent 和功能Agent 之间的连接,并履行相关的管理职能。

图6　多Agent 频谱管理子系统结构示意图
功能Agent 包括频谱传感Agent,频谱监测A 2
gent,频谱探测Agent,空间电磁环境预测Agent,频谱信息融合Agent,频谱管理辅助决策Agent 和频谱管理控制Agent 等七种,分别执行频谱传感功能,频谱监测功能,频谱探测功能,空间电磁环境预测功能,频谱信息融合功能,频谱管理辅助决策功能和频谱管理控制功能。

各功能Agent 首先要向服务A 2gent 声明自己的能力,并进行相应的服务注册,以便服务Agent 进行管理和查询。

对应图5中的频谱管理系统概念框架,总部级指挥机构的多Agent 频谱管理系统的频谱信息服务Agent 充当了主控Agent 的角色,其对应的功能A 2gent 执行相应的频谱管理职责;这些功能Agent 可能需要向下级指挥机构的多Agent 频谱管理子系统的频谱信息服务Agent 提出频谱信息服务请求(此时,上级功能Agent 充当了下级“应用Agent ”的用户
　2008年第4期王先义等:复杂电磁环境战场频谱管理343
角色),依次类推,构成了多层次、混合式的多Agent 频谱管理体系结构。

3.2　基于认知的频谱共享技术
认知无线电[6](CR,cognitive radi o)是软件无线电技术的演化,是一种新的智能无线通信技术。

它可以感知到无线电传输的环境特征,通过无线电知识表述语言与通信网络进行智能交流,对无线环境的分析、理解和判断,自适应地调整系统的通信参数,在不影响授权用户通信的前提下,智能的利用空闲的频谱为认知用户提供随时随地、高可能性的接入以提高频谱利用率。

CR作为一种智能的频谱共享技术,能够依靠人工智能的支持,感知无线通信环境,根据一定的学习和决策算法,实时自适应地改变系统工作参数,动态地检测和有效地利用空闲频谱。

认知的实现主要包括以下三个基本过程,如图7所示。

(1)频谱感知-监测可用频段,检测频谱空洞。

(2)频谱分析-估计频谱感知获取的频谱空洞的特性。

(3)频谱判决-根据频谱空洞的特性和用户需求选择合适的频段传输数据。

图7　认知的基本过程
涉及的关键技术有合作式网内频谱共享算法、频谱空洞质量评估算法、频率容量估计算法及无线电知识表述方法等多方面。

由于CR网络中用户对带宽的需求、可用信道的数量和位置都是随时变化的,传统的话音和无线网络的DS A方法不完全适用。

另外要实现完全动态频谱分配(Fully DS A)受到很多政策、标准及接入协议的限制。

因此目前基于CR的DS A的研究主要基于频谱共享池(Spectru m Pooling)这一策略。

频谱共享池的基本思想是将一部分分配给不同业务的频谱合并成一个公共的频谱池,并将整个频谱池划分为若干个子信道,因此信道是频谱分配的基本单位。

基于频谱共享池策略的DS A实质上是一个受限的信道分配问题,以最大化信道利用率为主要目标的同时考虑干扰的最小化和接入的公平性。

在DS A基础上,发展了动态频谱管理(DS M,dyna m ic s pectru m manage ment)的概念,首先确定并描述可用频谱、该频谱的可用时段,再按一定的规则将该频谱分配使用,用户在使用结束后释放该频谱。

美国国防高级研究计划局(DARP A,defense advanced research p r ojects agency)开展了下一代无线(XG,neXt Generati on)通信项目的研发,设计了自适应频谱系统原型,目标是使频谱的利用率增加10倍,目前该项目已完成了样机研制,并开展了外场测试,试验结果显示样机设备能较大地提高频谱使用效率[7];M I TRE公司研发了自适应频谱无线电(ASR,adap tive s pectrum radi o)实验床,成功验证了自适应频谱接入的可行性;维吉尼亚无线通信技术中心研究并设计了CR仿真实验椅和硬件实验床,基于生物启发的CR引擎节点正在研发中;伯克利大学建立了伯克利仿真平台(BEE2,berkeley e mu2 lati on engine),对各种频谱侦听技术和算法进行了实验仿真和性能分析等。

3.3　多传感器信息融合
在现代战场中,形成战场统一电磁态势是频谱管理的主要任务之一。

然而,传统的依靠单一手段获取战场频谱信息的模式已无法满足需要,必须运用多种手段对战场多源频谱信息进行收集、组合和综合处理。

信息融合就是这样一种多层次多方面的处理过程,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[8],如图8所示。

图8　信息融合处理的基本模型
信息融合处理主要分为三级:一级为目标提取,包括目标优化,定位和识别,可采用的方法有H I S变换、PCA变换等;二级为态势评估,接收来自一级处理及数据库提供的信息构建战场态势,并作出一定
344
2008年第4期
的预测,采用较多的方法有D -S 方法、表决法等;三级处理为威胁评估,对二级处理结果及来自数据库的信息进行处理,分析各种可行行为的优缺点。

过程优化是一个反复的过程,可采用的方法有贝叶斯估计法、专家系统、神经网络法等。

在战场频谱管理中,多源信息融合系统将广泛收集频管监测测向、探测、通信网元、雷达、侦察等多源传感器数据,充分利用多种传感器信息的互补性或冗余性,实时进行综合处理获得电磁态势、态势评估、威胁估计等作战信息。

基本步骤:多源信息先经过像素级融合,从感知信息中抽取关键的信息,如频率、时间、场强等,对多源异构信息进行注册、分类,并统一格式;再进行特征级融合,完成电磁环境场强的分析预测、区域背景电磁环境态势分析、目标特性判定和干扰源查找;最后进行决策级融合,即态势综合,形成统一的战场电磁态势,并对一定作战条件下的主战武器效能、用频设备性能进行评估和威胁评估,如图9所示。

图9　频谱管理信息融合的功能体系结构此外,还有动态频谱分配技术、频谱管理辅助决策技术、网格技术及面向服务的频谱管理技术等等,这些技术的进步必将对未来频谱管理带来长足发展,以最终实现战场频谱的按需分配、自适应共享和自同步使用。

4　结　语
未来的联合作战,必将是一场全方位、大纵深、多层次、快节奏的电子信息综合战。

战场电磁频谱管理将贯穿于联合作战的全过程,且对战役胜负起着极其重要的作用。

因此,加强战场电磁频谱管理
是做好军事斗争准备的重要内容,也是打赢未来高技术条件下战争的必然要求。

研究复杂电磁环境战场频谱管理,以最大限度地保障我方电子信息系统的频谱接入,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,进而掌握战争的主动权将具有十分重要的意义。

参考文献:
[1]刘尚合.武器装备的电磁环境效应及其发展趋势[J ].
装备指挥技术学院学报,2005,16(1):126.
[2]国军标GJB 72A 22002,电磁干扰与电磁兼容性术语
[S].北京:总装备部军标出版发行部,2002.
[3]ANON.Depart m ent of Defense D icti onary of M ilitary and
A ss ociated Ter m s [E
B /OL ].(2007210217)[20072122
10].htt p://www .dtic .m il/doctrine /jel/ne w_puba /j p 12
02.pdf .
[4]ANON.Joint Doctrine for Electr onic W arfare [E B /OL ].
(2000204207)[2007212211].
htt p://www .dtic .m il/
doctrine /jel/ne w_puba /j p 3251.pdf .
[5]陈东.军事电磁频谱管理概论[M ].北京:解放军出
版社,2007.
[6]M I T OLA J.Cognitive Radi o:Making Soft w are Radi o
More Pers onal [J ].I EEE Pers onal Communicati ons,
1999,6(4):48252.
[7]MARK MCHE NRY,E UGE NE L I V SI CS,et al .XG Dy 2
na m ic S pectru m Access Field Test Results [J ].I EEE
Communicati onsM agazine,2007:51257.
[8]袁爱平,杨万全.电子装备组网系统中的信息融合技
术的研究[C ]//四川省通信学会2005年学术年会论文集,2005:2222226.
作者简介
王先义(1966-),男,安徽石台人,研究员,主要从事电磁干扰、复杂电磁环境效应、频谱管理等方面的研究;
陈丹俊(1980-),女,浙江东阳人,工程师,主要从事频谱管理辅助决策技术研究;
刘　斌(1980-),女,吉林吉林人,工程师,主要从事频谱管理共性基础技术研究;
朱允锋(1976-),男,山东济南人,工程师,主要从事军品装备的质量控制和管理。