基于粒子群算法的電磁頻率分配方法研究

摘 要： 在分析戰(zhàn)場電磁頻譜管控的意義、作用、地位及流程的基礎(chǔ)上，結(jié)合參訓(xùn)部隊用頻裝備的頻率范圍、工作時間和工作區(qū)域，在考慮各種約束條件的情況下，提出了基于粒子群優(yōu)化算法的頻率分配方法，對信息對抗訓(xùn)練中電磁頻譜管控和頻率分配具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞： 信息對抗訓(xùn)練； 頻譜管控； 頻率分配； 粒子群算法

中圖分類號： TN911.7?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）17?0005?04

0 引 言

隨著大量依賴于電磁頻譜的電子信息系統(tǒng)被應(yīng)用到軍事領(lǐng)域中，在提高武器裝備信息化水平的同時，也使得現(xiàn)代戰(zhàn)場的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜。戰(zhàn)場頻譜管理是指在特定的戰(zhàn)場環(huán)境中，通過技術(shù)的手段或行政的規(guī)程對電磁頻譜的使用進(jìn)行規(guī)劃、協(xié)調(diào)，使無線電設(shè)備不產(chǎn)生或不受到有害干擾，使分布在陸、海、潛、空、天各類作戰(zhàn)單元中的電子偵察、無線電通信、信息作戰(zhàn)、精確武器制導(dǎo)等諸多電子信息裝備正常運行，成為有機(jī)整體[1?2]，頻譜管理已成為影響戰(zhàn)爭勝負(fù)的關(guān)鍵因素之一。為了適應(yīng)現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的需要，開展信息對抗訓(xùn)練是十分必要的，在信息對抗訓(xùn)練中，為了提高訓(xùn)練效果，達(dá)到提升信息作戰(zhàn)部隊?wèi)?zhàn)斗力的目的，模擬逼真的戰(zhàn)場環(huán)境，必須做好電磁頻譜管控和頻率分配工作。

1 頻譜管控流程及頻率分配算法

1.1 頻譜管控在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的地位和作用

在現(xiàn)代作戰(zhàn)中，戰(zhàn)場上頻譜的使用及管控直接影響著作戰(zhàn)指揮的流暢、武器效能的發(fā)揮及信息作戰(zhàn)的成敗，是制信息權(quán)的決定因素，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的作用及地位包括以下幾個方面。

（1）頻譜管控是電子信息武器系統(tǒng)效能發(fā)揮的關(guān)鍵

現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭的重要特點是指揮控制系統(tǒng)、情報偵察系統(tǒng)、通信導(dǎo)航系統(tǒng)、信息作戰(zhàn)系統(tǒng)等電子裝備大量使用，各種情報信息的獲取、控制和利用都將與爭奪電磁頻譜的使用和控制密切相關(guān)，任何無線電裝備使用不當(dāng)都可能影響軍事電子信息系統(tǒng)效能的發(fā)揮，也將直接影響到作戰(zhàn)的成敗。

（2）頻譜管控是制“信息權(quán)”的基礎(chǔ)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中爭奪制電磁權(quán)已成為獲取信息優(yōu)勢、爭奪戰(zhàn)場制空權(quán)、制海權(quán)以至整個戰(zhàn)場主動權(quán)的先導(dǎo)，而靈敏高效的電磁頻譜管控手段，則是降低敵方電子信息系統(tǒng)作戰(zhàn)效能、保證己方C4IRS系統(tǒng)穩(wěn)定運行進(jìn)而奪取制電磁權(quán)的重要保證。

頻譜管控主要體現(xiàn)在：一是通過對電磁頻譜的變化情況進(jìn)行監(jiān)測分析，及時調(diào)整己方各個層次通信、指揮控制系統(tǒng)的使用頻率，保證作戰(zhàn)指揮的順暢；二是根據(jù)電磁環(huán)境的變化，及時準(zhǔn)確地捕捉敵方電磁信息，為己方實施電磁攻擊提供信息；三是通過戰(zhàn)場頻譜管理系統(tǒng)實時動態(tài)的管控，掌握電磁頻譜使用情況，提出制信息權(quán)的方案。

（3）頻譜管控是軍隊信息化建設(shè)的可靠保障

未來信息化軍隊是以信息化武器裝備為主要手段，以能夠最有效地發(fā)揮信息能力的體制編制，以信息化人才為主題，用信息網(wǎng)絡(luò)把各作戰(zhàn)要素連為一體，能充分開發(fā)利用信息資源，實現(xiàn)信息化、小型化、知識化、高效化的軍隊。軍隊信息化建設(shè)的主要任務(wù)是通過強(qiáng)化信息技術(shù)應(yīng)用，加大信息基礎(chǔ)設(shè)施投入，深入開發(fā)利用信息資源，不斷提高網(wǎng)絡(luò)及武器裝備信息化水平。頻譜管控及頻率分配是軍隊信息化建設(shè)的重要組成部分，涉及到信息化建設(shè)的各個方面，直接影響到信息化武器裝備建設(shè)，是推動軍隊現(xiàn)代化建設(shè)的可靠保障。

1.2 頻譜管控特點

隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是信息技術(shù)在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使得現(xiàn)代戰(zhàn)場的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，這也給頻譜管控帶來了巨大困難，使頻譜管控呈現(xiàn)出一些新特點，主要包括以下幾個方面：無線業(yè)務(wù)種類繁多，頻譜管控組織十分復(fù)雜；各類電子裝備高度密集，頻譜管控異常困難；電子頻譜爭奪異常激烈，頻譜管控任務(wù)極為艱巨；軍民電磁頻譜相互交融，頻譜管理協(xié)調(diào)尤為繁重。

1.3 頻譜管控流程

無線電頻譜管控是通過電磁環(huán)境監(jiān)測手段，監(jiān)督和管理無線電用頻設(shè)備的設(shè)置和使用[3]，采用統(tǒng)一規(guī)劃和頻率分配的措施來維護(hù)頻譜使用秩序，保證各種無線電業(yè)務(wù)的正常進(jìn)行；其實現(xiàn)過程包括：建立大縱深、全方位、立體化的頻譜感知網(wǎng)絡(luò)，對無線電頻率的使用情況進(jìn)行監(jiān)測；構(gòu)建分布式、智能化頻譜信息處理決策網(wǎng)絡(luò)；采用最優(yōu)化的頻率分配方法實現(xiàn)頻譜的動態(tài)分配和頻譜信息注入，實現(xiàn)為各類無線電通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、遙測系統(tǒng)、定向能量武器系統(tǒng)、多譜傳感器系統(tǒng)等提供有效頻譜接入和全域頻譜信息支撐。

通過頻譜管控可以有效利用頻譜資源，協(xié)調(diào)各部門的業(yè)務(wù)關(guān)系，消除己方電子裝備的相互干擾。

頻譜管控流程如圖1所示。

1.3.1 電磁環(huán)境監(jiān)測

電磁環(huán)境（頻譜）監(jiān)測作為頻譜管理系統(tǒng)的一部分，主要通過選擇先進(jìn)的頻譜監(jiān)測設(shè)備及監(jiān)測天線，合理配置監(jiān)測站的分布，并構(gòu)建監(jiān)測網(wǎng)，對信號進(jìn)行監(jiān)測、計算信號的帶寬、頻偏和載頻，統(tǒng)計頻率的占用情況，查找干擾源位置；分析電離層斜測儀和監(jiān)測網(wǎng)的短波數(shù)據(jù)，為干擾診斷和頻率分配提供依據(jù)。

頻譜監(jiān)測的主要數(shù)據(jù)包括：實際頻譜占用度與核準(zhǔn)占用度數(shù)據(jù)；非法發(fā)射源的位置和發(fā)射參數(shù)；信號之間與內(nèi)部的干擾數(shù)據(jù)，偏離核準(zhǔn)發(fā)射參數(shù)；信號出現(xiàn)時間及樣式等。

1.3.2 電磁兼容性分析

電磁兼容性（EMC）[4?5]分析是指從頻率、時間和空間三維角度分析考察無線電臺間的電磁隔離度，計算干擾的大小和影響范圍，評價干擾的危害程度，為頻譜管控和頻率分配提供依據(jù)。

EMC分析是頻譜管控的必要技術(shù)手段，貫穿于頻譜管理的全過程。進(jìn)行科學(xué)的EMC分析必須完成三項工作：建立頻譜管理數(shù)據(jù)庫；建立涵蓋主要頻段、適用于不同無線電業(yè)務(wù)的電波傳播模型；構(gòu)筑適當(dāng)精度和圖層的專用地理信息系統(tǒng)平臺。EMC分析也是分析產(chǎn)生干擾、 排查干擾的重要手段。

1.3.3 制定電磁頻譜管控方案

頻譜管控方案是信息化訓(xùn)練、演練組織者制定作戰(zhàn)訓(xùn)練、演練計劃的重要依據(jù)之一。電磁頻譜管控方案包括頻譜管理計劃、 頻率使用計劃和頻譜處置預(yù)案等。其制定過程包括三步：

（1）對訓(xùn)練、演練地域電磁環(huán)境情況進(jìn)行分析，對電磁態(tài)勢進(jìn)行評估；

（2）收集并確認(rèn)頻譜需求，擬制頻譜管理建議；

（3）制定各種計劃。其內(nèi)容必須與訓(xùn)練、演練方案相協(xié)調(diào)。頻率使用計劃包括頻段分配、使用時間、地域、保護(hù)頻率及限制頻率等內(nèi)容。

1.3.4 頻率分配方法

頻率規(guī)劃之前首先要對兩種資源進(jìn)行統(tǒng)計分析，一是全部用頻裝備的頻率使用要求；二是頻率資源，包括所有可使用頻率，扣除保護(hù)頻率、上級已使用頻率及強(qiáng)干擾頻率后的頻率。然后，按工作種類不同確定出優(yōu)先級，對級別高的首先分給頻率，以保證主要通信線路使用。最后使用最優(yōu)化算法對頻率進(jìn)行分配，確定各設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)的頻率使用方案，常用的頻率分配技術(shù)[6]主要有遺傳算法、蟻群算法、圖的邊著色法、模擬退火算法、多Agent算法等。

2 信息對抗訓(xùn)練中頻譜管控及頻率分配方法

2.1 信息對抗訓(xùn)練頻譜管控措施

（1）對訓(xùn)練地域進(jìn)行電磁環(huán)境監(jiān)測，弄清頻率使用情況。

（2）建立參訓(xùn)裝備、設(shè)備性能數(shù)據(jù)庫，包括設(shè)備種類和性能參數(shù)，其中性能參數(shù)包括：頻率、帶寬、功率以及接收機(jī)自動增益控制門限、接收機(jī)降靈門限、接收機(jī)三級互調(diào)參數(shù)等。

（3）建立可用頻譜池，頻譜池中的頻率包括可用無線電頻域減去保護(hù)頻率、已占用頻率后的頻率，作為備選頻率使用。

（4）選擇高效的頻率指配算法進(jìn)行頻率分配，頻率分配遵循以下原則：選擇合適的工作頻段和頻點；控制頻點的數(shù)量；按照頻譜的三維特性，采取頻率、空間、時間分割的方法指配和使用頻率，提高頻譜的利用率；采用先進(jìn)的組網(wǎng)方式和先進(jìn)的設(shè)備及技術(shù)，提高頻率的利用率。

（5）在訓(xùn)練期間，與地方無線電管理部門合作，對不在我方備選范圍內(nèi)，但容易對我方造成干擾頻率的使用，進(jìn)行時間、空間、功率有限度的控制，以免對我方訓(xùn)練造成影響。

2.2 基于粒子群算法的頻率分配方法

2.2.1 粒子群優(yōu)化算法

美國心理學(xué)家James Kennedy和電氣工程Russell Eberhart在研究鳥群、魚群和人類社會的行為規(guī)律時得到啟發(fā)，于1995年提出了粒子群優(yōu)化（PSO）算法[7]，該算法是一種基于群體智能的隨機(jī)尋優(yōu)優(yōu)化算法，它將所求問題的搜索空間類比于鳥類的飛行空間，將每只鳥抽象為一個無體積、無質(zhì)量的粒子，用以表征所求問題的一個候選解，優(yōu)化所需要尋找的最優(yōu)解則等同于鳥類要尋找的食物。

2.2.2 目標(biāo)函數(shù)確定

頻率分配的目標(biāo)函數(shù)主要有：

（1）帶寬最小：用來減少所分配的最高頻率和最低頻率之間的頻率間隔度；

（2）占用頻率資源最少：以使得所分配的頻率總數(shù)量盡可能少；

（3）干擾度最低：以減少所分配頻率之間的相互干擾；

（4）干擾優(yōu)先次序：用來對優(yōu)先權(quán)的基站/網(wǎng)絡(luò)分配頻率，使得低干擾得以實現(xiàn)；

（5）同址干擾：在進(jìn)行陣列間干擾的分析計算時，主要針對所選的干擾方式進(jìn)行頻率分配；

（6）通信效果最優(yōu)：頻率分配使所有的設(shè)備通信效果最佳；

頻率分配的目的是對選定的發(fā)射機(jī)采用盡可能少的頻率來避免他們之間的相互干擾。

2.2.3 頻率分配粒子群算法步驟

3 結(jié) 語

頻譜管控在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的地位和作用，決定了其 是信息化部隊訓(xùn)練中一項非常重要的工作，結(jié)合信息對抗訓(xùn)練，在分析無線電頻譜管控的基礎(chǔ)上，對信息對抗訓(xùn)練的頻譜管控和頻率分配進(jìn)行了初步的探討，其結(jié)果對部隊訓(xùn)練、演練中的頻譜管控和頻率分配具有一定的指導(dǎo)作用，但頻譜管控和頻率分配是一項非常復(fù)雜的工作，還需要從各個方面進(jìn)行更加深入的研究。

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作者簡介：王新增 男，1966年出生，河南舞陽人，博士，工程師。主要研究方向為信息化作戰(zhàn)訓(xùn)練。