從偵干探通一體化角度初探飛行平臺的射頻資源管控

王向暉，李忠亮，張華棟

(北京機(jī)電工程研究所，北京 100074)

·工程應(yīng)用·

從偵干探通一體化角度初探飛行平臺的射頻資源管控

王向暉，李忠亮，張華棟

(北京機(jī)電工程研究所，北京 100074)

射頻資源優(yōu)化管理與實時控制是飛行器平臺遂行偵/干/探/通一體化的關(guān)鍵技術(shù)之一。分析了飛行平臺射頻資源管控的設(shè)計原則，提出了一種基于模塊化飛行平臺射頻資源閉環(huán)管控模型，并分析了實施控制流程，為飛行平臺更好地遂行偵/干/探/通提供技術(shù)支撐。

偵/干/探/通一體化；資源管控；功能模型；管控流程

0 引言

在信息技術(shù)飛快發(fā)展的當(dāng)代，武器裝備的信息化是現(xiàn)代軍事變革的實質(zhì)和核心，適應(yīng)復(fù)雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境的需求已成為武器裝備信息化發(fā)展的原則。戰(zhàn)場環(huán)境“復(fù)雜性”的根源在于戰(zhàn)場環(huán)境的“全域性”或“多域性”，各種戰(zhàn)爭要素在空間域、能量域、時間域、頻譜域、極化域、速度域、天氣域等各種子域的隨機(jī)組合是戰(zhàn)爭不確定性的根本原因。具有偵/干/探/通的全部特征的飛行平臺已成為應(yīng)對戰(zhàn)場環(huán)境“全域性”的根本要求，這帶來了飛行器射頻資源需求的暴增與飛行器可供射頻系統(tǒng)安裝空間有限之間的尖銳沖突。如何從飛行器平臺射頻系統(tǒng)的體系角度出發(fā)，針對復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境和任務(wù)使命等變化適時快速優(yōu)化管控有限的飛行器平臺的射頻資源，充分發(fā)揮與挖掘飛行器平臺射頻系統(tǒng)的潛能，已成為當(dāng)前飛行器平臺的綜合射頻系統(tǒng)迫切需要解決的一個關(guān)鍵問題。

本文分析了復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境中武器裝備面臨的挑戰(zhàn)，給出了國外信息化裝備的發(fā)展趨勢以及信息化裝備柔性構(gòu)造的可行性，建立了復(fù)雜電磁信號威脅等級評估模型，在此基礎(chǔ)上建立了平臺資源分配模型，并對平臺資源管控策略進(jìn)行了研究。[1-5]

1 信息化裝備面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢

1.1 復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境的挑戰(zhàn)

隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，戰(zhàn)爭模式已由陸/海/空的單獨作戰(zhàn)向陸、海、空、天、電的聯(lián)合體系作戰(zhàn)轉(zhuǎn)變，戰(zhàn)場環(huán)境向全空間、全過程、全頻段、全天候等為主要特征的復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境轉(zhuǎn)變，如何正確解讀戰(zhàn)場環(huán)境的“復(fù)雜性”是武器裝備應(yīng)對復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境威脅的前提。

全域的復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境可分解為空間域、能量域、時間域、頻率域、極化域、速度域、天氣域等，相應(yīng)地可由空間函數(shù)、能量函數(shù)、時間函數(shù)、頻率函數(shù)、極化函數(shù)、速度函數(shù)以及天氣候函數(shù)等分別表征。

在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境中，“全域”戰(zhàn)場環(huán)境的復(fù)雜性并不等價于戰(zhàn)場環(huán)境在“空間、能量、時間、頻譜、極化、速度、天氣”等“單域”的投影亦是復(fù)雜的，這是“降維/域”解決戰(zhàn)場環(huán)境“復(fù)雜性”的理論基礎(chǔ)，也是武器裝備的技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)須隨機(jī)而變的理論依據(jù)。

1.2 柔性構(gòu)造的趨勢

DARPA于2014年4月的SOSITE(體系綜合技術(shù)和試驗)項目通過體系方法(System-of-System)發(fā)展新的、開放式體系架構(gòu)，根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢，實時對各種武器進(jìn)行“動態(tài)”任務(wù)分配，將精確打擊鏈的各環(huán)節(jié)功能“分布”到多個平臺上，可使得作戰(zhàn)資源的配置更加優(yōu)化，提升交戰(zhàn)的有效性，提升戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的靈活性、提升系統(tǒng)整體性能的魯棒性。

MBDA公司推出的FLEXIS模塊化導(dǎo)彈系統(tǒng)具有可調(diào)配、可控制、可復(fù)制的特點，包含180mm、350mm和450mm三種彈徑，其中180mm彈徑的導(dǎo)彈涉及中程打擊、反裝甲、超近程空空、近程空空和遠(yuǎn)程空空等五種類型空射導(dǎo)彈。所有子系統(tǒng)的通用無接觸接口實現(xiàn)共用導(dǎo)彈電源和通信總線，簡化系統(tǒng)架構(gòu)并實現(xiàn)構(gòu)型靈活配置。以提供最大的作戰(zhàn)靈活性和最低的后勤保障需求。

1.3 柔性構(gòu)造的準(zhǔn)則

信息化裝備的柔性構(gòu)造應(yīng)至少滿足所有射頻組件的可任意調(diào)配；射頻功能、射頻性能參數(shù)可被編程體現(xiàn)；信息化裝備的模塊組件的組分結(jié)構(gòu)為柔性化等三個條件中的兩個條件。

1)射頻組件的可調(diào)配準(zhǔn)則：可實時動態(tài)調(diào)配平臺裝備上的天線、功放、低噪放、變頻等各種射頻資源，改變射頻系統(tǒng)的構(gòu)成，實現(xiàn)在時間域、空間域、極化域、頻譜域、能量域等多維最優(yōu)復(fù)用；

2)射頻功能的可編程準(zhǔn)則：可對雷達(dá)、通信、電子對抗等射頻功能實現(xiàn)在線可編程，并可對射頻系統(tǒng)的特征(極化、頻率、功率等)實現(xiàn)可編程；

3)射頻結(jié)構(gòu)的柔性化準(zhǔn)則：可實現(xiàn)天線等射頻模塊組件的柔性化并可與載體實現(xiàn)共形。美國國防部2015年成立柔性混合電子學(xué)制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，以通過集成超薄硅組件的柔性混合技術(shù)，創(chuàng)造出更輕、或延展至物體或結(jié)構(gòu)表面的新型傳感器。

1.4 柔性構(gòu)造的系統(tǒng)

傳統(tǒng)的信息化裝備中的雷達(dá)、通信、電子對抗等射頻系統(tǒng)與射頻功能是一一對應(yīng)的，射頻資源利用率較低，難以適應(yīng)復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境的需求。偵/干/探/通一體化已成為信息化裝備提升對復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境適應(yīng)能力的主要方法，信息化裝備的柔性構(gòu)建是實現(xiàn)偵/干/探/通一體化的最優(yōu)途徑。

射頻系統(tǒng)柔性構(gòu)造研究的基礎(chǔ)在于電子偵察、電子干擾、探測、通信等射頻系統(tǒng)在信號體制、基礎(chǔ)信道與處理模型基本上是具有同構(gòu)化特性，如圖2所示，這一同構(gòu)化特性決定了組成雷達(dá)、通信、電子對抗等不同射頻系統(tǒng)的天線、功放、低噪放、變頻等各種射頻模塊組件具有一定的相似性，這是射頻模塊組件可被動態(tài)調(diào)配的基礎(chǔ)；同構(gòu)化特性更是基于一套射頻系統(tǒng)，通過軟件加載，實現(xiàn)雷達(dá)、通信、電子對抗等不同的射頻功能的基礎(chǔ)。

2 柔性射頻系統(tǒng)的資源管控模型及算法

2.1 資源管控設(shè)計原則

飛行器平臺柔性射頻系統(tǒng)的射頻資源管控應(yīng)遵循的原則是：

1)管控結(jié)構(gòu)分級化。資源管控涉及到的內(nèi)容主要包括：射頻功能的確定、射頻硬件和軟件資源的選擇、射頻硬件和軟件資源的分類、威脅等級的評估、射頻任務(wù)優(yōu)先級的排序、射頻硬件和軟件資源的調(diào)配、射頻功能模式與參數(shù)設(shè)置、射頻任務(wù)執(zhí)行等?？砂垂芸厣漕l功能層次來進(jìn)行分級管控。

2)任務(wù)管理預(yù)案化。飛行器面臨的戰(zhàn)場環(huán)境瞬息萬變，進(jìn)行態(tài)勢分析與飛行器平臺射頻資源管控調(diào)整的時間及其有限，因此應(yīng)該根據(jù)不同射頻任務(wù)的應(yīng)用場景，設(shè)置進(jìn)行飛行器平臺射頻資源管控的多種應(yīng)用預(yù)案。

3)具體實施動態(tài)化。飛行器對射頻資源進(jìn)行實時控制與調(diào)整主要針對的是射頻資源管控預(yù)案的應(yīng)用與調(diào)整，即根據(jù)任務(wù)使命，選擇射頻任務(wù)管控預(yù)案，并根據(jù)突發(fā)情況對射頻資源管控預(yù)案進(jìn)行實時性調(diào)整。在對射頻資源管控預(yù)案進(jìn)行調(diào)整的策略中，應(yīng)優(yōu)先考慮射頻資源管控微調(diào)方案，如確有必要才謹(jǐn)慎采用大幅度調(diào)整方案。

4)事后完善閉環(huán)化。飛行器在遂行完偵/干/探/通的任務(wù)使命后，修改完善飛行器射頻資源的管理預(yù)案，主要是對實際應(yīng)用經(jīng)驗進(jìn)行總結(jié)分析，分析各類情況下飛行器射頻資源管控效能較好的方案，從而不斷修改完善飛行器射頻資源管控預(yù)案庫與應(yīng)用指導(dǎo)方針，提升應(yīng)對復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境的魯棒性。

圖3概括了飛行器平臺射頻資源管控在預(yù)案編制、預(yù)案實際應(yīng)用和應(yīng)用后階段的分析工作。預(yù)案編制分析工作主要是進(jìn)行計劃，預(yù)案實際應(yīng)用分析工作面向數(shù)據(jù)質(zhì)量保證，應(yīng)用后工作是從數(shù)據(jù)中提取信息。數(shù)據(jù)分析產(chǎn)品的目的是從試驗數(shù)據(jù)中提取信息，以對這些信息進(jìn)行評估和理解，最終充實和完善飛行器平臺資源管控數(shù)據(jù)庫。

2.2 威脅等級評估模型

威脅等級評估主要針對的是與預(yù)設(shè)吻合的外部威脅信號和超出預(yù)設(shè)的外部突發(fā)信號，是飛行器進(jìn)行射頻資源分配以遂行雷達(dá)、通信、對抗等某一種或幾種射頻功能的依據(jù)之一。威脅等級主要考慮針對飛行器的威脅目標(biāo)信號類型、威脅目標(biāo)工作狀態(tài)、威脅目標(biāo)與飛行平臺的距離這幾個因素。如飛行平臺面臨的復(fù)雜環(huán)境中的雷達(dá)信號數(shù)目為N，N個雷達(dá)信號的威脅等級為W=[w1,w2,…,wN]，則第i個雷達(dá)信號的威脅等級表達(dá)式為：

wi=μ1Ri+μ2Pi+μ3Qi

式中，Ri為第i部雷達(dá)距離威脅因子，Pi為第i部雷達(dá)信號類型威脅因子，Qi為第i部雷達(dá)工作狀態(tài)威脅因子，μi(i=1,2,3)為各因子所占威脅權(quán)重值。

在威脅等級表達(dá)式中無論是雷達(dá)信號類型威脅因子P的確定還是雷達(dá)工作狀態(tài)威脅因子Q的確定，都與雷達(dá)距離威脅因子R緊密耦合，具體來講，飛行平臺在進(jìn)行威脅等級因子確定時，當(dāng)飛行平臺與威脅目標(biāo)的距離遠(yuǎn)大于火控雷達(dá)的作用距離時，應(yīng)以預(yù)警和目指雷達(dá)為主要威脅對象；一旦飛行平臺與威脅目標(biāo)的距離與火控雷達(dá)的作用距離相當(dāng)或小于火控雷達(dá)的作用距離時，應(yīng)以制導(dǎo)雷達(dá)和火控雷達(dá)為主要威脅對象。

飛行器的威脅對象包括彈載末制導(dǎo)雷達(dá)、機(jī)載火控雷達(dá)、地面制導(dǎo)雷達(dá)、炮瞄雷達(dá)、機(jī)載預(yù)警雷達(dá)、地面目標(biāo)指示雷達(dá)和遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)，威脅目標(biāo)信號類型及用途可以根據(jù)外部威脅信號載頻、重頻、脈寬和方位等參數(shù)與威脅源數(shù)據(jù)庫比較得出：

威脅目標(biāo)的工作狀態(tài)可以劃分為搜索、跟蹤和制導(dǎo)等工作狀態(tài)。通常根據(jù)雷達(dá)的用途、波束掃描的時空特性、信號形式及其變化特性等進(jìn)行工作狀態(tài)的確定，一般跟蹤數(shù)據(jù)率(脈沖數(shù)/秒)大于搜索數(shù)據(jù)率，用于目標(biāo)搜索和跟蹤的雷達(dá)波形設(shè)計亦有差異。如雷達(dá)進(jìn)入制導(dǎo)狀態(tài)，其跟蹤數(shù)據(jù)率會明顯增大，信號多采用準(zhǔn)連續(xù)波的形式。

2.3 任務(wù)優(yōu)先級評估模型

飛行器平臺要執(zhí)行的雷達(dá)、通信、電子對抗等射頻任務(wù)可以用以下數(shù)學(xué)模型表示：

Mi={pi，tai，Li，(αi，βi，γi，ηi)}，i=1,2,3，…，N

式中，pi表示每項任務(wù)的優(yōu)先級，tai表示每個任務(wù)請求事件的到達(dá)時刻；Li表示每個任務(wù)請求事件需要的執(zhí)行時間長度；(αi，βi，γi，ηi)表示每項具體任務(wù)需要占用的射頻資源百分比，其中αi、βi、γi、ηi分別表示每項任務(wù)占用的孔徑、信道、基帶硬件資源以及算法資源的百分比。

任務(wù)優(yōu)先級應(yīng)是在射頻任務(wù)能力范圍內(nèi)的射頻任務(wù)優(yōu)先級的排序，射頻任務(wù)能力范圍表達(dá)為：

Ω=[Rmin,Rmax]?[fmin,fmax]?[θmin,θmax]?[tmin,tmax]?[Pmin,Pmax]?[Emin,Emax]

式中，Ω為射頻任務(wù)的能力范圍，R，f，θ，t，P，E分別表示射頻任務(wù)的距離維、頻率維、角度維、時間維、極化維、能量維條件；?表示直積運(yùn)算。射頻任務(wù)需求隊列M中，如果Mi∈Ω(i=1,2,…,N)，則保留Mi，否則將Mi從M從剔除。

射頻任務(wù)隊列M=[M1,M2,…,MN]，其中：

飛行平臺的任務(wù)可粗分為預(yù)案任務(wù)、外界突發(fā)任務(wù)和內(nèi)部突發(fā)任務(wù)。飛行器平臺包含天線、功放、低噪放、FPGA、DSP等多種射頻硬件資源和雷達(dá)、通信、干擾等多種軟件資源，由于飛行器平臺在任務(wù)剖面中遂行的雷達(dá)、通信、電子對抗等射頻任務(wù)屬性多樣，在不同時刻遂行各種射頻任務(wù)的射頻硬件資源和軟件資源的數(shù)量、配置、作用范圍也不同，決定了射頻任務(wù)與射頻資源不一定是一對一的關(guān)系。因為飛行平臺射頻資源有限，所以在飛行器射頻資源不滿足所有任務(wù)請求的前提下，只能根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級和時間緊迫級順序響應(yīng)相應(yīng)的任務(wù)請求，未被執(zhí)行的任務(wù)等待有剩余資源時再被調(diào)度執(zhí)行。威脅等級評估是進(jìn)行任務(wù)優(yōu)先級評估的依據(jù)之一，在無內(nèi)部突發(fā)任務(wù)和內(nèi)部預(yù)設(shè)任務(wù)前提下，則威脅等級高的應(yīng)當(dāng)先占用射頻資源，威脅等級低的則放在后面處理。

依據(jù)飛行器平臺在任務(wù)剖面的作戰(zhàn)特點，確立飛行器平臺硬件和軟件資源的分配原則如下：

1) 內(nèi)部臨時緊急任務(wù)，最先響應(yīng)原則。對于內(nèi)部臨時緊急任務(wù)，其任務(wù)優(yōu)先級應(yīng)高于預(yù)案任務(wù)和外部突發(fā)任務(wù)。應(yīng)最先對其任務(wù)要求進(jìn)行響應(yīng)。

2) 重點任務(wù)，優(yōu)先響應(yīng)原則。對于預(yù)案內(nèi)的重要任務(wù)或者外界突發(fā)且威脅程度大的任務(wù)要優(yōu)先進(jìn)行響應(yīng)。

3) 資源鎖定動態(tài)解鎖原則。飛行器平臺資源的利用是依據(jù)任務(wù)而來的，而任務(wù)的優(yōu)先級在飛行器平臺的飛行剖面中是動態(tài)可變的，飛行器平臺資源的配置因任務(wù)興而鎖定，因任務(wù)衰而解鎖。

具體的調(diào)度算法如下：

假設(shè)某時刻t有N個任務(wù)請求M=[M1,M2,…,MN]，根據(jù)每個任務(wù)的優(yōu)先級和任務(wù)到達(dá)時間(同等優(yōu)先級，先到則排前)生成一個任務(wù)請求鏈表，同時初始化任務(wù)執(zhí)行鏈表和任務(wù)刪除鏈表。起始條件下時間指針tp=t，該時刻飛行器平臺射頻資源ηcur=1-ηo，其中ηo表示系統(tǒng)當(dāng)前占用的飛行器平臺資源。

Step1：針對當(dāng)前時刻tp，找出任務(wù)請求鏈表中滿足tai≤tp且tai+Li≥tp的任務(wù)，并將其收入待執(zhí)行任務(wù)集合{Mk}，k=1,2,3，…，K；不滿足條件的任務(wù)由于超出截至期而被刪除送入任務(wù)刪除列表中。

Step2：將送入待執(zhí)行列表的K個任務(wù)進(jìn)行任務(wù)優(yōu)先級排序，令k=1。

Step3：如果(αk，βk，γk，ηk)≤(αcur，βcur，γcur，ηcur)，則將此待執(zhí)行任務(wù)轉(zhuǎn)移到任務(wù)執(zhí)行列表中，同時(αcur，βcur，γcur，ηcur)=(αcur，βcur，γcur，ηcur)-(αk，βk，γk，ηk)，否則不作任何處理。

Step4：k=k+1，如果k≤K且(αcur，βcur，γcur，ηcur)>0，則返回Step3，否則進(jìn)入Step5。

Step6：如果上述K個待處理的射頻任務(wù)都已調(diào)度處理完成，此時從未被安排的任務(wù)中找出仍待執(zhí)行的任務(wù)，如果(αcur，βcur，γcur，ηcur)>0，則執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)，否則不作任何處理，算法結(jié)束。輸出結(jié)果為任務(wù)執(zhí)行鏈表和任務(wù)刪除鏈表。

3 結(jié)束語

模塊化、開放式體系架構(gòu)是多功能一體化發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)，而如何提高武器射頻系統(tǒng)的應(yīng)變能力和靈活性、發(fā)展動態(tài)重構(gòu)能力、提高系統(tǒng)生存能力和整體效能等是偵/干/探/通一體化技術(shù)取得突破的關(guān)鍵?！?/p>

[1] 王向暉，袁健全，路軍杰. 偵察對抗打擊一體化系統(tǒng)研究[J]. 航天電子對抗，2009，25(1):37-39.

[2] 王向暉,李忠亮. 下一代偵察對抗打擊一體化系統(tǒng)對對抗技術(shù)的需求初探[C]∥航天電子對抗會議文集，2015.

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TheRFresourcemanagementoftheaviationplatformfromtheperspectiveofintegratedreconnaissance，interference，detectionandcommunications

Wang Xianghui, Li Zhongliang, Zhang Huadong

(Beijing Research Institute of Machanicaland Electrical Engineering, Beijing 100074, China)

The optimization management and real-time control of RF resources are one of the key technologies in the integrated reconnaissance, interference, detection and communications of the aviation platform. To provide technical support for the reconnaissance/interference/detection/communications of the aviation platform，the design principle of RF resource control of aviation platform is analyzed, a model of RF resource closed-loop control based on modularized aviation platform is proposed, and the implementation control flow is analyzed.

integrated reconnaissance, interference, detection and communications; RF resource management; functional model; control process

2017-06-18；2017-09-17修回。

王向暉(1969-)，男，高工，主要研究方向為天線技術(shù)。

TN97

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