基于大數(shù)據(jù)的海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理技術(shù)研究

任淑婷，吳 巍，馬 亮

(1．中國(guó)人民解放軍91001部隊(duì)，北京 100841；2．中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3．通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081)

0 引言

電磁頻譜管理是電磁頻譜作戰(zhàn)的關(guān)鍵，對(duì)部隊(duì)在動(dòng)態(tài)電磁作戰(zhàn)環(huán)境中奪取勝利至關(guān)重要。在錯(cuò)綜復(fù)雜的海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境中高效利用電磁頻譜，發(fā)揮各系統(tǒng)的最大效能是現(xiàn)代海戰(zhàn)中的一個(gè)重要問(wèn)題[1-3]。為了奪取海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜優(yōu)勢(shì)，海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理技術(shù)將向全域管理、動(dòng)態(tài)管理、網(wǎng)絡(luò)化管理及智能化管理的方向發(fā)展。

復(fù)雜且瞬息萬(wàn)變的海上環(huán)境和大量戰(zhàn)場(chǎng)感知手段的運(yùn)用，使基于電磁頻譜感知的數(shù)據(jù)量呈指數(shù)增長(zhǎng)，且半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)日益增多，導(dǎo)致海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜涉及的相關(guān)信息具備了大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，因此，海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理已迎來(lái)了大數(shù)據(jù)時(shí)代。大數(shù)據(jù)是指規(guī)模巨大，無(wú)法在合理的時(shí)間范圍內(nèi)用常規(guī)工具進(jìn)行捕捉、管理和處理的數(shù)據(jù)集合。面對(duì)海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜數(shù)據(jù)海量、高增長(zhǎng)率和多樣化的特點(diǎn)，海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜信息系統(tǒng)需要新的處理模式才能使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的決策力、洞察發(fā)現(xiàn)力和流程優(yōu)化能力。大數(shù)據(jù)技術(shù)的戰(zhàn)略意義在于對(duì)含有特定意義的數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)化的處理[4-5]。

針對(duì)電磁頻譜管理系統(tǒng)如何處理海量海戰(zhàn)場(chǎng)信息滿足戰(zhàn)場(chǎng)需求，本文提出了基于大數(shù)據(jù)的海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理功能架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)流程，分別從電磁頻譜感知網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、數(shù)據(jù)資源的整合與挖掘、電磁頻譜管理與作戰(zhàn)指揮的融合等角度，展示了海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜大數(shù)據(jù)管理體系的建設(shè)發(fā)展思路。

1 關(guān)于海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理

1.1 海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的特點(diǎn)

未來(lái)海戰(zhàn)將在陸、海、空、天、電磁等多維空間展開(kāi)，主戰(zhàn)場(chǎng)為海洋，又可分水下、海面、?？?。戰(zhàn)場(chǎng)空間廣闊，高新技術(shù)設(shè)備眾多，戰(zhàn)斗單元小型且分散，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境異常復(fù)雜多變。未來(lái)海戰(zhàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境將具有如下特點(diǎn)[6-7]：

(1) 信號(hào)來(lái)源廣且密度大

海戰(zhàn)場(chǎng)的電磁信號(hào)來(lái)自四面八方，除了常規(guī)的各平臺(tái)電子設(shè)備發(fā)出的電磁、光學(xué)信號(hào)，還有來(lái)自太空的各種衛(wèi)星和飛行器的電磁信號(hào)，涉及的范圍會(huì)越來(lái)越大。微波、激光武器及脈沖炸彈等高能武器也日趨成熟并投入作戰(zhàn)，海戰(zhàn)場(chǎng)的電磁信號(hào)環(huán)境密度也將大幅地上升。

(2) 信號(hào)多樣且瞬息萬(wàn)變

海洋環(huán)境中復(fù)雜多變的氣候、海情和水體情況，以及采用相控陣技術(shù)、變頻技術(shù)、雷達(dá)成像技術(shù)、低截獲概率探測(cè)技術(shù)等新技術(shù)的電磁設(shè)備，使得海戰(zhàn)場(chǎng)電磁信號(hào)具有形式多樣、快速、多變、無(wú)規(guī)律及信號(hào)強(qiáng)度參差不齊等多重特點(diǎn)。海戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)瞬息萬(wàn)變，規(guī)律性差，增加了對(duì)電磁態(tài)勢(shì)的預(yù)測(cè)和評(píng)估難度。海戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)時(shí)機(jī)稍縱即逝，要及時(shí)做出正確的指揮決策需實(shí)時(shí)掌握海戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)。

(3) 敵我競(jìng)用且真假難分

在海戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境下，己方與敵方的各種通信、雷達(dá)、偵察等用頻設(shè)備處于同一自然環(huán)境中，敵我雙方競(jìng)用電磁空間，多種電磁攻擊、電磁支援與電磁防護(hù)系統(tǒng)競(jìng)相使用；全面而激烈的電磁頻譜戰(zhàn)造成電磁頻譜混雜，敵我雙方制造的各種欺騙干擾、偽信號(hào)等導(dǎo)致真假信號(hào)混淆，敵我信號(hào)的區(qū)分和識(shí)別尤其困難。

1.2 海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理系統(tǒng)應(yīng)具備的能力

未來(lái)海戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)電磁環(huán)境復(fù)雜，各種作戰(zhàn)平臺(tái)和武器裝備對(duì)電磁頻譜的依賴性高，電磁頻譜資源管理控制系統(tǒng)的地位日益提高。利用、攻擊、防護(hù)和管理電磁作戰(zhàn)環(huán)境對(duì)獲得電磁頻譜優(yōu)勢(shì)、打贏電磁頻譜戰(zhàn)至關(guān)重要。海軍戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)范圍覆蓋敵我雙方部署和活動(dòng)的整個(gè)空間，包括太空、空中、海面、水下以及賽博空間。為保證預(yù)警探測(cè)、情報(bào)偵察及空中指揮等分系統(tǒng)有效、協(xié)調(diào)地工作，海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理系統(tǒng)的功能和組成上要從艦載與岸基系統(tǒng)擴(kuò)展到空基、天基系統(tǒng)和賽博空間，以滿足海戰(zhàn)場(chǎng)全方位作戰(zhàn)指揮的時(shí)空需求[8]。針對(duì)海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的特點(diǎn)，電磁頻譜管理系統(tǒng)應(yīng)具備以下能力[9]：

(1) 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理能力

海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境感知的實(shí)際數(shù)據(jù)可能會(huì)極為孤立、零散、弱關(guān)聯(lián)，甚至是矛盾的，信息時(shí)空跨度大、粒度差異大，需要對(duì)此類數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合、重構(gòu)才能挖掘出有用信息。復(fù)雜的感知信息要求電磁頻譜管理要具有靈活的數(shù)據(jù)挖掘能力和高效的數(shù)據(jù)處理能力。

(2) 輔助分析和決策能力

海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理需要根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)獲取的實(shí)時(shí)信息，綜合其他數(shù)據(jù)，分析出作戰(zhàn)對(duì)象的電磁攻擊和電磁防護(hù)手段，預(yù)測(cè)作戰(zhàn)進(jìn)程中電磁干擾的頻譜范圍、樣式、時(shí)域和信號(hào)強(qiáng)度等，做出電磁態(tài)勢(shì)分析；根據(jù)已方裝備的特點(diǎn)、數(shù)量、地域、電磁環(huán)境等特點(diǎn)，提出電磁頻譜管理方案；根據(jù)作戰(zhàn)對(duì)象的特點(diǎn)提出了頻譜干擾解決方案。

(3) 快速反應(yīng)能力

海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境感知大數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性要求遠(yuǎn)超民用大數(shù)據(jù)，尤其是對(duì)重點(diǎn)區(qū)域、重要頻段的預(yù)警和探測(cè)，不僅需要感知手段具有較高反應(yīng)速度，而且需要感知數(shù)據(jù)的處理分析實(shí)時(shí)完成。因此要求戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理能夠?qū)Νh(huán)境的變化做出快速反應(yīng)。

1.3 大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)于海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理的意義

海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理系統(tǒng)具有對(duì)數(shù)據(jù)的快速處理、辨識(shí)性、實(shí)時(shí)性要求高等特點(diǎn)。大數(shù)據(jù)在非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)融合處理、知識(shí)挖掘等方面的先進(jìn)處理技術(shù)，使得利用海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜感知數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境預(yù)測(cè)、戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)評(píng)估、敵我信號(hào)識(shí)別、頻譜動(dòng)態(tài)管理控制等作戰(zhàn)行動(dòng)越來(lái)越精準(zhǔn)和高效。大數(shù)據(jù)處理技術(shù)用于海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面[10]：

(1) 將關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和分布式并行處理系統(tǒng)進(jìn)行有效結(jié)合，融合半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，可以提高海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境感知數(shù)據(jù)分析效率；

(2) 在數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)、建模、分析方面，采用新的方法來(lái)應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)的不確定性，可以提高戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理數(shù)據(jù)的質(zhì)量和時(shí)效性；

(3) 挖掘海量數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值，在海戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)的評(píng)估和預(yù)測(cè)、戰(zhàn)場(chǎng)頻譜管理等作戰(zhàn)輔助決策方面，可以提高數(shù)據(jù)對(duì)于作戰(zhàn)的價(jià)值。

2 基于大數(shù)據(jù)的海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理體系構(gòu)想

2.1 基于大數(shù)據(jù)的管理體系結(jié)構(gòu)

基于大數(shù)據(jù)的海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理體系通過(guò)各類感知系統(tǒng)采集海量的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)分析處理，將結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)與非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)進(jìn)一步抽取和集中，分析計(jì)算和提取出相互關(guān)系，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)、分析、發(fā)現(xiàn)及預(yù)測(cè)等功能，充分發(fā)揮電磁環(huán)境感知數(shù)據(jù)效能，形成海戰(zhàn)場(chǎng)電頻譜資源的實(shí)時(shí)、有效管理，實(shí)現(xiàn)最大程度的數(shù)據(jù)共享應(yīng)用和作戰(zhàn)指揮支撐[10-12]。

海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理大數(shù)據(jù)體系的功能架構(gòu)如圖1所示。

圖1 海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理大數(shù)據(jù)體系的功能架構(gòu)Fig.1 Functional architecture of the big data system for sea battlefield electromagnetic spectrum management

功能架構(gòu)包括采集層、傳輸層、大數(shù)據(jù)中心層和大數(shù)據(jù)應(yīng)用層，各層的具體功能為：

(1) 采集層：完成海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜資源數(shù)據(jù)的采集，包括各類海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境感知設(shè)備，如移動(dòng)和固定監(jiān)測(cè)設(shè)備、電磁信號(hào)測(cè)向/探測(cè)設(shè)備、電子偵察及通信網(wǎng)元等，組成感知終端進(jìn)行頻譜特性數(shù)據(jù)的采集。

(2) 傳輸層：由岸基有線網(wǎng)、無(wú)線自組網(wǎng)、天基傳輸網(wǎng)和云服務(wù)平臺(tái)組成，支持多種通信協(xié)議的互聯(lián)，移動(dòng)/專用網(wǎng)等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的接入，把采集層得到的信息進(jìn)行高可靠性、高安全性的傳輸。

(3) 大數(shù)據(jù)中心層包括云存儲(chǔ)層和分析層。用云存儲(chǔ)技術(shù)將從采集層獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，建立相應(yīng)的分布式異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)，建立信號(hào)樣本、干擾統(tǒng)計(jì)、臺(tái)站數(shù)據(jù)及裝備數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)改進(jìn)已有的數(shù)據(jù)挖掘和分析算法，開(kāi)發(fā)各種不同用途的新型挖掘技術(shù)(如電磁干擾分析、電磁信號(hào)識(shí)別、頻譜資源挖掘及電磁兼容計(jì)算等)，進(jìn)行數(shù)據(jù)連接和大數(shù)據(jù)云計(jì)算，實(shí)現(xiàn)頻譜資源、監(jiān)測(cè)、檢測(cè)和電波秩序的數(shù)據(jù)挖掘分析。

(4) 大數(shù)據(jù)應(yīng)用層包括輔助決策和作戰(zhàn)應(yīng)用層。從大量的數(shù)據(jù)中進(jìn)行電磁環(huán)境效應(yīng)計(jì)算和頻譜資源挖掘，通過(guò)數(shù)據(jù)的捕捉和分析，完成頻譜場(chǎng)強(qiáng)與覆蓋態(tài)勢(shì)的可靠預(yù)測(cè)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)電磁態(tài)勢(shì)展現(xiàn)、電磁作戰(zhàn)環(huán)境評(píng)估、電磁干擾預(yù)測(cè)、電磁作戰(zhàn)行動(dòng)規(guī)劃、通信頻率預(yù)報(bào)及頻譜資源智能分配等功能。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)頻譜協(xié)調(diào)、頻率管理、電磁戰(zhàn)斗管理及電磁干擾解決等電磁頻譜戰(zhàn)指揮決策。

2.2 基于大數(shù)據(jù)的海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理功能實(shí)現(xiàn)

基于大數(shù)據(jù)的海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理是通過(guò)頻譜信息感知(獲取)、分析處理、輔助決策和應(yīng)用服務(wù)4個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。實(shí)施海戰(zhàn)場(chǎng)頻譜管理的基礎(chǔ)是全方位、大縱深、立體化的頻譜戰(zhàn)場(chǎng)感知網(wǎng)絡(luò)，核心是分布式、智能化頻譜信息大數(shù)據(jù)分析處理網(wǎng)絡(luò)，關(guān)鍵是及時(shí)、準(zhǔn)確的海戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)評(píng)估預(yù)警和戰(zhàn)場(chǎng)頻譜動(dòng)態(tài)管控等輔助決策，實(shí)現(xiàn)為各類無(wú)線電通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)及電磁戰(zhàn)武器系統(tǒng)等提供有效頻譜接入和全域頻譜信息支撐的應(yīng)用[12]。

戰(zhàn)場(chǎng)感知數(shù)據(jù)和其他各類靜態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)處理后，通過(guò)電磁干擾分析、電磁信號(hào)識(shí)別、電磁兼容計(jì)算、頻率占用度計(jì)算及頻譜資源挖掘等分析手段，提取或挖掘出供輔助決策功能塊使用的有價(jià)值信息，實(shí)現(xiàn)電磁態(tài)勢(shì)展示、電磁作戰(zhàn)環(huán)境評(píng)估、干擾預(yù)警、電磁作戰(zhàn)行動(dòng)規(guī)劃、通信頻率預(yù)測(cè)及頻譜資源智能分配等；然后，作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)利用上述結(jié)果進(jìn)行指揮決策，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)頻譜協(xié)調(diào)、戰(zhàn)場(chǎng)頻率指配、電磁干擾解決及電磁戰(zhàn)斗管理等電磁行動(dòng)管控，指揮實(shí)施電磁頻譜作戰(zhàn)行動(dòng)；同時(shí)，作戰(zhàn)行動(dòng)對(duì)電磁空間的作用被各類環(huán)境感知傳感器實(shí)時(shí)獲取并傳送至感知數(shù)據(jù)庫(kù)，形成了基于大數(shù)據(jù)的海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理的閉環(huán)運(yùn)行。系統(tǒng)充分利用了大數(shù)據(jù)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了智能化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化以及準(zhǔn)確、及時(shí)的海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境計(jì)算，為戰(zhàn)場(chǎng)指揮決策提供了技術(shù)支撐。

大數(shù)據(jù)處理需要專業(yè)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，以高效地分析、提取特定有限時(shí)間段內(nèi)海量的數(shù)據(jù)。通常，大數(shù)據(jù)分析的關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)據(jù)采集、分布式存儲(chǔ)、分布式并行計(jì)算、大規(guī)模并行處理數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)挖掘、分布式文件系統(tǒng)、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)、云計(jì)算平臺(tái)、互聯(lián)網(wǎng)及可擴(kuò)展的存儲(chǔ)系統(tǒng)等。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，融合算法的選擇也至關(guān)重要，能夠決定頻譜融合的最終效果，可使用的算法包括統(tǒng)計(jì)方法、卡爾曼濾波估計(jì)方法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能算法。

3 海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理大數(shù)據(jù)體系建設(shè)發(fā)展思考

將大數(shù)據(jù)的理念和技術(shù)應(yīng)用于電磁頻譜管理領(lǐng)域，給海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理提出了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理需要在電磁頻譜感知網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、數(shù)據(jù)資源整合與挖掘以及電磁頻譜管理的作戰(zhàn)應(yīng)用等方面進(jìn)行深入研究和探討。

3.1 電磁頻譜感知網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

建設(shè)完備的電磁頻譜感知網(wǎng)絡(luò)，具備全方位、全天候采集海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境信息的能力，實(shí)現(xiàn)海戰(zhàn)場(chǎng)的無(wú)縫覆蓋，是實(shí)現(xiàn)有效的戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理的基礎(chǔ)[12-14]。

針對(duì)電磁頻譜監(jiān)測(cè)的大數(shù)據(jù)化趨勢(shì)，海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜感知體系需增加原始數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、訪問(wèn)、讀取與控制的維度，實(shí)現(xiàn)不同頻段范圍、陸地、海上、空中、水下等多種場(chǎng)景下的電磁環(huán)境感知能力；實(shí)現(xiàn)基于固定與移動(dòng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的信號(hào)捕捉、識(shí)別、定位、攔截等；實(shí)現(xiàn)不同電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)、探測(cè)網(wǎng)系的融合；實(shí)現(xiàn)各種作戰(zhàn)平臺(tái)、情報(bào)、通信等手段的戰(zhàn)場(chǎng)感知信息的收集；針對(duì)重點(diǎn)區(qū)域，進(jìn)行優(yōu)先覆蓋、無(wú)縫覆蓋、多重覆蓋的監(jiān)測(cè)和探測(cè)[15-16]。

海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜作戰(zhàn)全過(guò)程中，電磁攻擊、電磁支援和電磁防護(hù)等電磁頻譜作戰(zhàn)行動(dòng)無(wú)時(shí)無(wú)刻不在進(jìn)行，因此要求系統(tǒng)的軟、硬件裝備具有抗干擾、抗截獲和隱蔽工作的能力，并且能在惡劣的電磁環(huán)境中正常工作。

3.2 數(shù)據(jù)融合與挖掘

在海戰(zhàn)場(chǎng)頻譜管理中，戰(zhàn)場(chǎng)感知數(shù)據(jù)將來(lái)源于電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)、電磁信號(hào)測(cè)向及電磁環(huán)境探測(cè)等多源傳感器。大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以利用多種傳感器信息的互補(bǔ)性或冗余性，從戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)，從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中獲取環(huán)境特征，同時(shí)挖掘海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的變化規(guī)律，以獲得電磁態(tài)勢(shì)、態(tài)勢(shì)評(píng)估及威脅預(yù)警等作戰(zhàn)信息。

3.2.1 數(shù)據(jù)融合

海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理的信息融合，是對(duì)來(lái)源于多種戰(zhàn)場(chǎng)傳感器的實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)、各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及其他共享數(shù)據(jù)的融合處理，以達(dá)到精確的狀態(tài)估計(jì)和身份識(shí)別，以及完整的態(tài)勢(shì)評(píng)估和威脅預(yù)警[17]。

海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理信息融合的基本步驟如下：① 對(duì)多源信息進(jìn)行原始數(shù)據(jù)級(jí)的融合，從各種感知信息中抽取關(guān)鍵信息，對(duì)信息進(jìn)行注冊(cè)、分類，并統(tǒng)一格式；② 進(jìn)行特征融合，完成電磁環(huán)境場(chǎng)強(qiáng)的分析預(yù)測(cè)、區(qū)域背景電磁環(huán)境態(tài)勢(shì)分析、目標(biāo)特性判定和干擾源查找；③ 進(jìn)行決策級(jí)融合，形成統(tǒng)一的戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)，對(duì)一定條件下的設(shè)備性能進(jìn)行評(píng)估，提出電磁頻譜作戰(zhàn)指導(dǎo)[18]。

海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理信息融合的基本功能架構(gòu)如圖3所示。

圖3 海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理信息融合的基本功能架構(gòu)Fig.3 Basic functional architecture of electromagnetic spectrum management information fusion in sea battlefield

感知庫(kù)是海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境感知數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)了來(lái)源于固定和移動(dòng)監(jiān)測(cè)站、雷達(dá)及各種電子偵察設(shè)備、各種電磁環(huán)境探測(cè)設(shè)備以及其他戰(zhàn)場(chǎng)傳感器的數(shù)據(jù)?；A(chǔ)庫(kù)用于存儲(chǔ)電磁頻譜管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如用頻裝備數(shù)據(jù)、臺(tái)站數(shù)據(jù)、頻率資源數(shù)據(jù)及地理信息數(shù)據(jù)等。共享庫(kù)的數(shù)據(jù)主要包括共享的地理、環(huán)境、氣象數(shù)據(jù)及民用數(shù)據(jù)等。

數(shù)據(jù)處理引擎的主要作用是對(duì)異構(gòu)數(shù)據(jù)、離散數(shù)據(jù)以及各種小片段數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、提取和清洗，使其成為可以進(jìn)行規(guī)范處理的格式化數(shù)據(jù)。智能分析引擎通過(guò)對(duì)整理清洗過(guò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取、識(shí)別、判定等處理，從而完成電磁環(huán)境場(chǎng)強(qiáng)的分析預(yù)測(cè)、電磁環(huán)境態(tài)勢(shì)分析、目標(biāo)特性判定和干擾源查找。數(shù)據(jù)挖掘引擎會(huì)根據(jù)應(yīng)用背景和決策目的，對(duì)進(jìn)行了特征級(jí)融合的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)判，判斷出有價(jià)值的信息或知識(shí)，以進(jìn)行決策級(jí)融合即態(tài)勢(shì)綜合，形成統(tǒng)一的戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)，并對(duì)一定作戰(zhàn)條件下的主戰(zhàn)武器效能、用頻設(shè)備性能進(jìn)行評(píng)估和威脅預(yù)警。

3.2.2 數(shù)據(jù)挖掘

數(shù)據(jù)挖掘是大數(shù)據(jù)處理中的關(guān)鍵部分，可以從大量的數(shù)據(jù)中挖掘出有價(jià)值的信息和知識(shí)，對(duì)電磁環(huán)境感知數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出各種頻譜資源狀態(tài)、趨勢(shì)及空間電磁態(tài)勢(shì)分布等。數(shù)據(jù)挖掘主要通過(guò)關(guān)聯(lián)分析、分類、聚類及離群點(diǎn)檢測(cè)等挖掘數(shù)據(jù)的頻繁模式、分類模式、聚類模式、異常模式及演變規(guī)律等。

電磁環(huán)境變化規(guī)律挖掘處理示意如圖4所示。海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理的數(shù)據(jù)挖掘是從海量歷史和實(shí)時(shí)的時(shí)空數(shù)據(jù)中進(jìn)行信號(hào)特征分析、信號(hào)規(guī)律發(fā)現(xiàn)、干擾信號(hào)統(tǒng)計(jì)、環(huán)境異常定義以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分類識(shí)別、電磁環(huán)境預(yù)測(cè)和電磁環(huán)境信號(hào)異常辨別等功能。

圖4 電磁環(huán)境變化規(guī)律挖掘處理示意Fig.4 Schematic diagram of mining and processing of electromagnetic environment change pattern

3.3 作戰(zhàn)指揮融合

新的電磁頻譜作戰(zhàn)概念從利用、攻擊、防護(hù)和管理4個(gè)維度對(duì)電磁頻譜作戰(zhàn)進(jìn)行描述，涵蓋了電磁頻譜與軍事行動(dòng)相關(guān)的幾乎全部職能。

海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理與電磁戰(zhàn)、情報(bào)、太空和賽博空間緊密結(jié)合構(gòu)成新的海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜作戰(zhàn)領(lǐng)域?；诖髷?shù)據(jù)技術(shù)的海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理，使得來(lái)自多種信息源的戰(zhàn)場(chǎng)感知數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化、智能化的傳輸和處理，為戰(zhàn)場(chǎng)指揮決策提供參考，實(shí)現(xiàn)電磁頻譜管理與軍事通信、有源和無(wú)源感知系統(tǒng)、電磁攻擊系統(tǒng)的深度融合。海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)大大提高了電磁頻譜管理在電磁態(tài)勢(shì)評(píng)估、電磁環(huán)境預(yù)警、作戰(zhàn)決策支持等方面的準(zhǔn)確性、時(shí)效性，能夠更好地服務(wù)于電磁頻譜作戰(zhàn)行動(dòng)。

為了保證預(yù)警探測(cè)、情報(bào)偵察及通信網(wǎng)絡(luò)等分系統(tǒng)有效、協(xié)調(diào)地工作，電磁頻譜管理應(yīng)貫穿于作戰(zhàn)活動(dòng)的全過(guò)程。

3.3.1 作戰(zhàn)準(zhǔn)備階段

海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理以滿足電磁頻譜作戰(zhàn)行動(dòng)需求為目標(biāo)，并對(duì)需求做出快速響應(yīng)。海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理計(jì)劃的制定是作戰(zhàn)準(zhǔn)備階段的重要工作。海戰(zhàn)場(chǎng)電磁空間的指揮協(xié)調(diào)是海戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)指揮中非常重要的一部分，參考美軍的聯(lián)合作戰(zhàn)戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理計(jì)劃流程，海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理計(jì)劃的制定主要包括四部分：態(tài)勢(shì)評(píng)估、擬制頻譜管理方案、確定頻譜要求和制定頻譜使用計(jì)劃。

擬制頻譜方案的前提是態(tài)勢(shì)評(píng)估，以基于戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)等的大數(shù)據(jù)分析結(jié)果為基礎(chǔ)，評(píng)估的準(zhǔn)確性直接影響頻譜管理計(jì)劃的制定。頻譜管理方案的擬制必須結(jié)合相關(guān)的電磁環(huán)境情況以一種連續(xù)支持的方式進(jìn)行。頻譜需求的確定基于編隊(duì)和作戰(zhàn)平臺(tái)的編配情況、電子戰(zhàn)作戰(zhàn)計(jì)劃、電磁兼容分析等。頻譜使用計(jì)劃包括區(qū)域編隊(duì)及作戰(zhàn)平臺(tái)的頻段分配、使用時(shí)間、保護(hù)頻率及限制頻率等。

3.3.2 作戰(zhàn)實(shí)施階段

在作戰(zhàn)實(shí)施階段，海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理的主體由岸基中心轉(zhuǎn)向區(qū)域編隊(duì)中心。區(qū)域編隊(duì)頻譜管理中心根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，基于戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)和作戰(zhàn)、情報(bào)、指控需求，基于大數(shù)據(jù)處理進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)用頻計(jì)劃的動(dòng)態(tài)調(diào)整，并將調(diào)整后的用頻計(jì)劃分發(fā)給作戰(zhàn)平臺(tái)。

基于大數(shù)據(jù)的海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理與作戰(zhàn)指揮示意如圖5所示，其中，未來(lái)海戰(zhàn)場(chǎng)頻譜管理必須是基于大數(shù)據(jù)的海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理系統(tǒng)，將來(lái)源于多維度的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境感知系統(tǒng)和各種支撐系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行處理和分析，對(duì)電磁態(tài)勢(shì)進(jìn)行更加準(zhǔn)確的評(píng)估和預(yù)測(cè)，能夠根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)的變化適時(shí)制定和調(diào)整編隊(duì)或作戰(zhàn)平臺(tái)的頻譜使用計(jì)劃。

圖5 基于大數(shù)據(jù)的海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理與作戰(zhàn)指揮示意Fig.5 Diagram of electromagnetic spectrum management and battle command based on big data in sea battlefield

4 結(jié)束語(yǔ)

海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理作為電磁頻譜作戰(zhàn)行動(dòng)的關(guān)鍵，對(duì)奪取海上電磁頻譜優(yōu)勢(shì)至關(guān)重要。隨著戰(zhàn)場(chǎng)感知手段、數(shù)據(jù)處理和傳輸手段的飛速發(fā)展，海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理引入大數(shù)據(jù)技術(shù)勢(shì)在必行。本文針對(duì)海戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境特點(diǎn)以及未來(lái)電磁頻譜作戰(zhàn)行動(dòng)對(duì)電磁頻譜管理的要求，提出了海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜大數(shù)據(jù)管理體系，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、數(shù)據(jù)融合與挖掘以及與作戰(zhàn)指揮的融合等方面進(jìn)行了論述。海戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜大數(shù)據(jù)管理體系未來(lái)還應(yīng)在數(shù)據(jù)采集和整理、作戰(zhàn)應(yīng)用、輔助決策等方面深入發(fā)展。