基于通信指揮的頻率指配模塊設(shè)計與實(shí)現(xiàn)*

陳自衛(wèi)

(75731部隊 深圳 518000)

基于通信指揮的頻率指配模塊設(shè)計與實(shí)現(xiàn)*

陳自衛(wèi)

(75731部隊 深圳 518000)

根據(jù)戰(zhàn)場通信指揮的實(shí)際需求,設(shè)計了通信指揮輔助決策系統(tǒng)的頻率指配模塊。闡述了系統(tǒng)硬件的接收天線、饋線、合路器和接收機(jī)等結(jié)構(gòu),設(shè)計了系統(tǒng)輔助決策軟件的全景掃描、新頻和異態(tài)分析、頻率指配和數(shù)據(jù)庫四個重要模塊,最后介紹了系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的基本工具和結(jié)構(gòu)。

通信指揮; 頻率指配; 功能框架

Class Number TN975

1 引言

隨著大量通信裝備應(yīng)用于戰(zhàn)場,現(xiàn)代戰(zhàn)爭的戰(zhàn)場電磁環(huán)境日益復(fù)雜,如何對戰(zhàn)場通信裝備進(jìn)行合理的頻率指配,成為打贏現(xiàn)代戰(zhàn)爭的重要技術(shù)保證[1～2]。戰(zhàn)場通信指揮輔助決策系統(tǒng)是針對戰(zhàn)場通信設(shè)備的特點(diǎn),設(shè)計開發(fā)的一款應(yīng)用于戰(zhàn)場通信指揮的輔助決策系統(tǒng)[3～5]。通信指揮輔助決策系統(tǒng)由戰(zhàn)場電磁頻譜監(jiān)測分析設(shè)備和監(jiān)測應(yīng)用軟件組成。系統(tǒng)對部隊所處的戰(zhàn)場電磁環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測和量化分析,得出戰(zhàn)場電磁頻譜的分布狀況,并結(jié)合我軍通信裝備數(shù)據(jù)庫,得出我軍部隊通信裝備使用的輔助決策意見,供指揮員決策時使用,其功能組成框圖如圖1所示。

圖1 通信指揮輔助決策系統(tǒng)組成框圖

由圖1可以看出,該系統(tǒng)由天線、接收機(jī)、終端設(shè)備組成,其中天線為多波段全向組合天線,接收機(jī)由射頻接收模塊和中頻模塊組成,終端設(shè)備中處理軟件由通信指揮輔助決策軟件和數(shù)據(jù)庫組成。系統(tǒng)通過科學(xué)的天饋線配置、高性能接收機(jī)配合功能強(qiáng)大的應(yīng)用軟件可以:

1) 在寬帶模式下對整個1.5M～3GHz頻段進(jìn)行快速全景掃描,快速掌握整個頻段上信號的分布;

2) 通過設(shè)置合理的檢測門限還可以對各個業(yè)務(wù)頻段利用率和信道占用度進(jìn)行任意時間段內(nèi)的測量統(tǒng)計;

3) 在信號分析方面可以對空中各種無線電發(fā)射信號的基本參數(shù),如頻率、功率和帶寬等指標(biāo)進(jìn)行測量,對信號進(jìn)行監(jiān)聽,對發(fā)射標(biāo)識進(jìn)行調(diào)制識別;

4) 通過與無線電臺站數(shù)據(jù)庫和頻率數(shù)據(jù)庫查詢比對發(fā)現(xiàn)敵方無線電信號。

2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計

通信指揮輔助決策系統(tǒng)硬件部分主要由偵察接收天線、饋線、合路器、偵察接收機(jī)四部分組成。

圖2 通信指揮輔助決策系統(tǒng)硬件組成

偵察接收天線的作用是把到達(dá)接收點(diǎn)處的電磁波能量轉(zhuǎn)換為導(dǎo)行電磁波或高頻電流,并由饋線(傳輸線)傳送給接收機(jī),因此接收天線是接收機(jī)的信源。在以電磁波的輻射方式傳送信息的無線電系統(tǒng)中,天線是至關(guān)重要的環(huán)節(jié),天線是輻射或接收電磁波的裝置,因此,天線有完成由場源產(chǎn)生輻射電磁波的發(fā)射天線,也有從載有信息的電磁波中還原出原發(fā)信息的接收天線,也就是說天線具有發(fā)射和接收兩種工作狀態(tài)。在無線電頻譜監(jiān)測與管理系統(tǒng)中,我們所用天線只需具有接收功能即可。目前接收天線種類較多,如鞭狀天線、菱形天線、螺旋天線、陣列天線等。理想的通信信號監(jiān)測系統(tǒng)的天線部分應(yīng)該能夠覆蓋全部無線通信頻段,通常來說,由于內(nèi)部阻抗不匹配,不同頻段電臺的天線是不能混用的[6～7]。而要在很寬的工作頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無障礙通信,就必須有一種無論電臺在哪一個波段都能與之匹配的天線,為此,我們需要設(shè)計使用組合式多頻段天線方案,即把1.5MHz～3000MHz頻段分為1.5MHz～30MHz,30MHz～512MHz,512MHz～3000MHz三段,分為短波、超短波、超高頻三根天線。

在饋線間或饋線與設(shè)備之間總是需要連接裝置,沒有這些連接件,傳輸線和天線等都不能很好工作,連接裝置常稱為連接器,最常用的是離頻插頭和插座。現(xiàn)在大都使用SMA/SMB/BNC三種。無論何種傳輸線,也無論何種連接件,對接收設(shè)備影響而言,主要有兩個方面:一是對信號的衰減;二是相移,對信號的衰減,可能導(dǎo)致噪聲系數(shù)增加,相移可能影響信號的保真性能。這些是安裝和操作時必須注意的。在有多個大信號時,連接器的非線性也會引起互調(diào)產(chǎn)物的產(chǎn)生,這也是值得注意的。隨著應(yīng)用環(huán)境的巨大變化,在選用傳輸線和連接器時,還應(yīng)注意以下幾點(diǎn):高性能和小型化、標(biāo)準(zhǔn)化和低成本、組件化和綜合化。

對該系統(tǒng)而言,其核心是偵察接收機(jī)。針對通信信號監(jiān)測頻率范圍1.5MHz～3GHz,以及該接收機(jī)的靈敏度和鏡像頻率抑制的要求,在此我們選用頻率分辨率較高、測量速度較快、成本較低的超外差式偵察接收機(jī)。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)軟件功能框架

系統(tǒng)另一個核心部分是終端處理軟件部分,該部分主要包括通信指揮輔助決策軟件及頻譜數(shù)據(jù)庫等相關(guān)數(shù)據(jù)庫兩大部分。通過靈活的人機(jī)交互接口,包括功能選擇、數(shù)據(jù)錄入、條件設(shè)置、值域確定等,以滿足不同的功能需求及操作使用過程中需求約束條件的不同變化。該軟件的主要功能是實(shí)現(xiàn)對前端硬件監(jiān)測到的目標(biāo)信號的工作頻點(diǎn)、通信體制(定頻/跳頻)、調(diào)制樣式與調(diào)制參數(shù)、信號相對場強(qiáng)、信號帶寬等進(jìn)行分析,完成全波段頻段搜索、控舊抓新、信道搜索、定頻分析、新頻與異態(tài)分析、通信電臺的頻率指配等功能,為戰(zhàn)場通信指揮系統(tǒng)提供輔助決策[8]。

圖3 通信指揮輔助決策軟件框架

因此,通信指揮輔助決策指揮系統(tǒng)軟件主要包括四個功能模塊,具體的軟件功能框架如圖3所示,各功能模塊介紹如下:

1) 戰(zhàn)場電磁頻譜掃描模塊主要實(shí)現(xiàn)對戰(zhàn)場全頻段內(nèi)無線電信號進(jìn)行快速搜索顯示,全面實(shí)時了解掌握作戰(zhàn)區(qū)域全頻段范圍內(nèi)的電磁頻譜分布特性,包括背景信號與各種隨機(jī)干擾的分布特性,在此基礎(chǔ)上快速發(fā)現(xiàn)新出現(xiàn)的各類目標(biāo)信號,特別是敵方目標(biāo)信號,為進(jìn)一步的分析識別提供快速引導(dǎo)。全景掃描模塊在接到用戶發(fā)出的全景掃描指令后,向前端硬件平臺發(fā)送掃描指令,由前端硬件平臺完成對戰(zhàn)場全頻段范圍內(nèi)無線電信號進(jìn)行掃描,并完成對信號的中頻處理,然后返回數(shù)據(jù)到全景掃描模塊,掃描模塊在接收到前端返回的掃描數(shù)據(jù)后,立即對數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的處理分析,完成繪制面向用戶的戰(zhàn)場全景頻譜圖,并建立戰(zhàn)場電磁頻譜資源數(shù)據(jù)庫,這樣就完成一次全景掃描過程。在實(shí)際使用過程中,全景掃描模塊通過不斷的向前端硬件平臺發(fā)送掃描指令,來完成對戰(zhàn)場全頻段范圍內(nèi)的無線電信號的實(shí)時監(jiān)測。戰(zhàn)場電磁頻譜全景掃描模塊是整個系統(tǒng)硬件部分與軟件部分的“橋梁”,是軟件部分的“前端”,主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的搜集,并建立相應(yīng)的資源數(shù)據(jù)庫,為后續(xù)的定頻分析及頻率指配功能服務(wù)。

2) 新頻和異態(tài)分析模塊是在全景掃描的基礎(chǔ)上,對每次掃描出現(xiàn)的新頻或異常信號,進(jìn)行定頻分析,通過分析該信號的工作頻點(diǎn)、通信體制(定頻/跳頻)、調(diào)制樣式與調(diào)制參數(shù)、信號相對場強(qiáng)、信號帶寬等,判斷出該信號所屬通信裝備種類,并繪制出該信號的頻譜特性圖,為通信指揮員提供較為直觀的參考依據(jù)。同時建立新頻與異態(tài)數(shù)據(jù)庫,與后續(xù)掃描所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,用以判斷該信號所屬種類。由此可以看出,新頻和異態(tài)模塊是戰(zhàn)場電磁頻譜管理中較為重要的一部分,它能及時捕捉到戰(zhàn)場無線電信號的變化信息,并通過定頻分析,對戰(zhàn)場上出現(xiàn)的異常信號進(jìn)行分析,為指揮員提供及時的參考數(shù)據(jù),便于通信人員及時調(diào)整頻率指配方案,以及時應(yīng)對當(dāng)前瞬息萬變的信息化戰(zhàn)場。

3) 頻率指配模塊主要實(shí)現(xiàn)建立戰(zhàn)場通信裝備數(shù)據(jù)庫、為指揮員提供直觀簡易的操作界面、對戰(zhàn)場通信裝備進(jìn)行頻率指配、根據(jù)戰(zhàn)場通信裝備變化情況及時調(diào)整頻率使用方案[9～10]。通信指揮的主要任務(wù)是及時掌握戰(zhàn)場電磁頻譜動態(tài),對戰(zhàn)場電磁頻譜變化情況進(jìn)行監(jiān)控,并根據(jù)作戰(zhàn)需要,及時調(diào)整本方通信裝備頻率使用方案,防止己方通信裝備在工作過程中出現(xiàn)相互干擾或頻率沖突,這正是通信指揮輔助決策終端中頻率指配模塊所要實(shí)現(xiàn)的功能。

4) 電磁頻譜管理數(shù)據(jù)庫,包括頻譜資源數(shù)據(jù)庫、用頻裝備數(shù)據(jù)庫、用頻臺站數(shù)據(jù)庫、電磁頻譜監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、電磁頻譜探測數(shù)據(jù)庫、用頻裝備設(shè)備檢測數(shù)據(jù)庫等,為戰(zhàn)場電磁頻譜管理提供重要的數(shù)據(jù)支持[11]。

3.2 系統(tǒng)軟件工作流程

為實(shí)現(xiàn)上述功能需求,該軟件的實(shí)現(xiàn)流程為:

步驟1:對各參數(shù)進(jìn)行初始化;

步驟2:對戰(zhàn)場電磁頻譜進(jìn)行全景掃描,建立戰(zhàn)場全景電磁頻譜資源數(shù)據(jù)庫;

圖4 通信指揮輔助決策系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)流程

步驟3:對監(jiān)測到的重點(diǎn)目標(biāo)(新頻、異態(tài)信號)進(jìn)行定頻分析,并建立重點(diǎn)目標(biāo)(新頻、異態(tài))資源數(shù)據(jù)庫;

步驟4:根據(jù)實(shí)戰(zhàn)需要對戰(zhàn)場電磁頻譜資源數(shù)據(jù)庫中通信電臺工作頻率參數(shù),使用優(yōu)化算法進(jìn)行頻率指配,并建立戰(zhàn)場通信裝備工作頻率數(shù)據(jù)庫;

步驟5:判斷是否需要對重點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行循環(huán)監(jiān)視,若是,則回到步驟3；

步驟6:判斷是否需要進(jìn)行循環(huán)偵察搜索,若是,則回到步驟2。

軟件的具體實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

4 通信指揮輔助決策系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

通信指揮輔助決策軟件是基于Windows XP操作系統(tǒng),采用ASP.NET實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫的連接,后臺數(shù)據(jù)庫為Oracle系統(tǒng),以Visual Studio.net為系統(tǒng)開發(fā)平臺,系統(tǒng)采用B/S的三層架構(gòu)。

系統(tǒng)利用ASP.NET部署B(yǎng)/S的三層架構(gòu),由顯示層、中間層、數(shù)據(jù)層組成。顯示層就是利用瀏覽器為客戶提供應(yīng)用服務(wù)的圖形界面,負(fù)責(zé)直接跟用戶進(jìn)行交互;中間層位于顯示層和數(shù)據(jù)層之間,由應(yīng)用服務(wù)器和Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯功能;數(shù)據(jù)層是三層中的最底層,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲和訪問。每層的功能非常清晰,層與層之間不能跨越,客戶端不直接與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互,而是通過COM/DCOM通訊與中間層建立連接,中間層經(jīng)過ADO.NET實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問,實(shí)現(xiàn)了顯示、數(shù)據(jù)、邏輯的分開,減少了耦合度,更加靈活,適于維護(hù)。

ASP.NET在網(wǎng)頁中使用基于事件的處理,顯示層的頁面代碼和后臺的代碼分離,系統(tǒng)采用C#作為后臺代碼的語言。.NET中可以方便地實(shí)現(xiàn)組件的裝配,后臺代碼通過命名控件可以方便地使用自己定義的組件。顯示層放在ASP頁面中,數(shù)據(jù)庫操作和業(yè)務(wù)邏輯用組件來實(shí)現(xiàn),這樣就很方便實(shí)現(xiàn)了三層架構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)減少了入口點(diǎn),減少了由于客戶端被破壞而給數(shù)據(jù)庫帶來損失的風(fēng)險,保證了系統(tǒng)的安全。圖5所示為通信指揮輔助決策軟件的實(shí)現(xiàn)框架。

圖5 通信指揮輔助決策軟件的實(shí)現(xiàn)框架

5 結(jié)語

論文根據(jù)戰(zhàn)場通信指揮的實(shí)際需求,設(shè)計了通信指揮輔助決策系統(tǒng)的頻率指配模塊。設(shè)計中首先介紹了系統(tǒng)硬件的功能結(jié)構(gòu),主要包括偵察接收天線、饋線、合路器和偵察接收機(jī)等結(jié)構(gòu);系統(tǒng)的輔助決策軟件主要包括全景掃描、新頻和異態(tài)分析、頻率指配和數(shù)據(jù)庫四個重要模塊;最后基于C#、Oracle數(shù)據(jù)庫和ASP.NET為開發(fā)工具進(jìn)行了實(shí)現(xiàn),整個系統(tǒng)的建立將大大提高戰(zhàn)場頻率指配的速度。

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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

陳自衛(wèi),男,博士,研究方向:復(fù)雜電磁頻譜管理。

TN975

10.3969/j.issn1672-9730.2014.10.019