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

(北京機電工程研究所，北京 100074)

·工程應用·

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

(北京機電工程研究所，北京 100074)

射頻資源優化管理與實時控制是飛行器平臺遂行偵/干/探/通一體化的關鍵技術之一。分析了飛行平臺射頻資源管控的設計原則，提出了一種基于模塊化飛行平臺射頻資源閉環管控模型，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

在信息技術飛快發展的當代，武器裝備的信息化是現代軍事變革的實質和核心，適應復雜戰場電磁環境的需求已成為武器裝備信息化發展的原則。戰場環境“復雜性”的根源在于戰場環境的“全域性”或“多域性”，各種戰爭要素在空間域、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組合是戰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對戰場環境“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的體系角度出發，針對復雜戰場環境和任務使命等變化適時快速優化管控有限的飛行器平臺的射頻資源，充分發揮與挖掘飛行器平臺射頻系統的潛能，已成為當前飛行器平臺的綜合射頻系統迫切需要解決的一個關鍵問題。

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

1 信息化裝備面臨的挑戰和發展趨勢

1.1 復雜戰場環境的挑戰

隨著電子技術和信息技術的飛速發展，戰爭模式已由陸/海/空的單獨作戰向陸、海、空、天、電的聯合體系作戰轉變，戰場環境向全空間、全過程、全頻段、全天候等為主要特征的復雜戰場環境轉變，如何正確解讀戰場環境的“復雜性”是武器裝備應對復雜戰場環境威脅的前提。

全域的復雜戰場環境可分解為空間域、能量域、時間域、頻率域、極化域、速度域、天氣域等，相應地可由空間函數、能量函數、時間函數、頻率函數、極化函數、速度函數以及天氣候函數等分別表征。

在復雜戰場環境中，“全域”戰場環境的復雜性并不等價于戰場環境在“空間、能量、時間、頻譜、極化、速度、天氣”等“單域”的投影亦是復雜的，這是“降維/域”解決戰場環境“復雜性”的理論基礎，也是武器裝備的技戰術指標須隨機而變的理論依據。

1.2 柔性構造的趨勢

DARPA于2014年4月的SOSITE(體系綜合技術和試驗)項目通過體系方法(System-of-System)發展新的、開放式體系架構，根據戰場態勢，實時對各種武器進行“動態”任務分配，將精確打擊鏈的各環節功能“分布”到多個平臺上，可使得作戰資源的配置更加優化，提升交戰的有效性，提升戰術應用的靈活性、提升系統整體性能的魯棒性。

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

1.3 柔性構造的準則

信息化裝備的柔性構造應至少滿足所有射頻組件的可任意調配；射頻功能、射頻性能參數可被編程體現；信息化裝備的模塊組件的組分結構為柔性化等三個條件中的兩個條件。

1)射頻組件的可調配準則：可實時動態調配平臺裝備上的天線、功放、低噪放、變頻等各種射頻資源，改變射頻系統的構成，實現在時間域、空間域、極化域、頻譜域、能量域等多維最優復用；

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

3)射頻結構的柔性化準則：可實現天線等射頻模塊組件的柔性化并可與載體實現共形。美國國防部2015年成立柔性混合電子學制造創新機構，以通過集成超薄硅組件的柔性混合技術，創造出更輕、或延展至物體或結構表面的新型傳感器。

1.4 柔性構造的系統

傳統的信息化裝備中的雷達、通信、電子對抗等射頻系統與射頻功能是一一對應的，射頻資源利用率較低，難以適應復雜戰場環境的需求。偵/干/探/通一體化已成為信息化裝備提升對復雜戰場環境適應能力的主要方法，信息化裝備的柔性構建是實現偵/干/探/通一體化的最優途徑。

射頻系統柔性構造研究的基礎在于電子偵察、電子干擾、探測、通信等射頻系統在信號體制、基礎信道與處理模型基本上是具有同構化特性，如圖2所示，這一同構化特性決定了組成雷達、通信、電子對抗等不同射頻系統的天線、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調配的基礎；同構化特性更是基于一套射頻系統，通過軟件加載，實現雷達、通信、電子對抗等不同的射頻功能的基礎。

2 柔性射頻系統的資源管控模型及算法

2.1 資源管控設計原則

飛行器平臺柔性射頻系統的射頻資源管控應遵循的原則是：

1)管控結構分級化。資源管控涉及到的內容主要包括：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、射頻任務優先級的排序、射頻硬件和軟件資源的調配、射頻功能模式與參數設置、射頻任務執行等?？砂垂芸厣漕l功能層次來進行分級管控。

2)任務管理預案化。飛行器面臨的戰場環境瞬息萬變，進行態勢分析與飛行器平臺射頻資源管控調整的時間及其有限，因此應該根據不同射頻任務的應用場景，設置進行飛行器平臺射頻資源管控的多種應用預案。

3)具體實施動態化。飛行器對射頻資源進行實時控制與調整主要針對的是射頻資源管控預案的應用與調整，即根據任務使命，選擇射頻任務管控預案，并根據突發情況對射頻資源管控預案進行實時性調整。在對射頻資源管控預案進行調整的策略中，應優先考慮射頻資源管控微調方案，如確有必要才謹慎采用大幅度調整方案。

4)事后完善閉環化。飛行器在遂行完偵/干/探/通的任務使命后，修改完善飛行器射頻資源的管理預案，主要是對實際應用經驗進行總結分析，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案庫與應用指導方針，提升應對復雜戰場環境的魯棒性。

圖3概括了飛行器平臺射頻資源管控在預案編制、預案實際應用和應用后階段的分析工作。預案編制分析工作主要是進行計劃，預案實際應用分析工作面向數據質量保證，應用后工作是從數據中提取信息。數據分析產品的目的是從試驗數據中提取信息，以對這些信息進行評估和理解，最終充實和完善飛行器平臺資源管控數據庫。

2.2 威脅等級評估模型

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

wi=μ1Ri+μ2Pi+μ3Qi

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

在威脅等級表達式中無論是雷達信號類型威脅因子P的確定還是雷達工作狀態威脅因子Q的確定，都與雷達距離威脅因子R緊密耦合，具體來講，飛行平臺在進行威脅等級因子確定時，當飛行平臺與威脅目標的距離遠大于火控雷達的作用距離時，應以預警和目指雷達為主要威脅對象；一旦飛行平臺與威脅目標的距離與火控雷達的作用距離相當或小于火控雷達的作用距離時，應以制導雷達和火控雷達為主要威脅對象。

飛行器的威脅對象包括彈載末制導雷達、機載火控雷達、地面制導雷達、炮瞄雷達、機載預警雷達、地面目標指示雷達和遠程預警雷達，威脅目標信號類型及用途可以根據外部威脅信號載頻、重頻、脈寬和方位等參數與威脅源數據庫比較得出：

威脅目標的工作狀態可以劃分為搜索、跟蹤和制導等工作狀態。通常根據雷達的用途、波束掃描的時空特性、信號形式及其變化特性等進行工作狀態的確定，一般跟蹤數據率(脈沖數/秒)大于搜索數據率，用于目標搜索和跟蹤的雷達波形設計亦有差異。如雷達進入制導狀態，其跟蹤數據率會明顯增大，信號多采用準連續波的形式。

2.3 任務優先級評估模型

飛行器平臺要執行的雷達、通信、電子對抗等射頻任務可以用以下數學模型表示：

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

式中，pi表示每項任務的優先級，tai表示每個任務請求事件的到達時刻；Li表示每個任務請求事件需要的執行時間長度；(αi，βi，γi，ηi)表示每項具體任務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。

任務優先級應是在射頻任務能力范圍內的射頻任務優先級的排序，射頻任務能力范圍表達為：

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

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

射頻任務隊列M=[M1,M2,…,MN]，其中：

飛行平臺的任務可粗分為預案任務、外界突發任務和內部突發任務。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、通信、干擾等多種軟件資源，由于飛行器平臺在任務剖面中遂行的雷達、通信、電子對抗等射頻任務屬性多樣，在不同時刻遂行各種射頻任務的射頻硬件資源和軟件資源的數量、配置、作用范圍也不同，決定了射頻任務與射頻資源不一定是一對一的關系。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請求的前提下，只能根據任務優先級和時間緊迫級順序響應相應的任務請求，未被執行的任務等待有剩余資源時再被調度執行。威脅等級評估是進行任務優先級評估的依據之一，在無內部突發任務和內部預設任務前提下，則威脅等級高的應當先占用射頻資源，威脅等級低的則放在后面處理。

依據飛行器平臺在任務剖面的作戰特點，確立飛行器平臺硬件和軟件資源的分配原則如下：

1) 內部臨時緊急任務，最先響應原則。對于內部臨時緊急任務，其任務優先級應高于預案任務和外部突發任務。應最先對其任務要求進行響應。

2) 重點任務，優先響應原則。對于預案內的重要任務或者外界突發且威脅程度大的任務要優先進行響應。

3) 資源鎖定動態解鎖原則。飛行器平臺資源的利用是依據任務而來的，而任務的優先級在飛行器平臺的飛行剖面中是動態可變的，飛行器平臺資源的配置因任務興而鎖定，因任務衰而解鎖。

具體的調度算法如下：

假設某時刻t有N個任務請求M=[M1,M2,…,MN]，根據每個任務的優先級和任務到達時間(同等優先級，先到則排前)生成一個任務請求鏈表，同時初始化任務執行鏈表和任務刪除鏈表。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表示系統當前占用的飛行器平臺資源。

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

Step2：將送入待執行列表的K個任務進行任務優先級排序，令k=1。

Step3：如果(αk，βk，γk，ηk)≤(αcur，βcur，γcur，ηcur)，則將此待執行任務轉移到任務執行列表中，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，否則進入Step5。

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

3 結束語

模塊化、開放式體系架構是多功能一體化發展的技術基礎，而如何提高武器射頻系統的應變能力和靈活性、發展動態重構能力、提高系統生存能力和整體效能等是偵/干/探/通一體化技術取得突破的關鍵?！?/p>

[1] 王向暉，袁健全，路軍杰. 偵察對抗打擊一體化系統研究[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對對抗技術的需求初探[C]∥航天電子對抗會議文集，2015.

[3] 趙玉，吳華，程嗣怡，宋海方.先進戰機射頻集成系統干擾資源管控[J]. 電光與控制，2013(6):7-10.

[4] 綦文超，楊瑞娟，李曉柏，等. 多功能一體化雷達任務調度算法研究[J]. 雷達科學與技術，2012(2):150-155.

[5] 葉朝謀，丁建江，金江，等. 雷達組網資源管控模型與流程研究[J]. 軍事運籌與系統工程，2012(2):36-44.

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。

TN97

A