基于大數據的海戰場電磁頻譜管理技術研究

任淑婷，吳 巍，馬 亮

(1．中國人民解放軍91001部隊，北京 100841；2．中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3．通信網信息傳輸與分發技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081)

0 引言

電磁頻譜管理是電磁頻譜作戰的關鍵，對部隊在動態電磁作戰環境中奪取勝利至關重要。在錯綜復雜的海戰場電磁環境中高效利用電磁頻譜，發揮各系統的最大效能是現代海戰中的一個重要問題[1-3]。為了奪取海戰場電磁頻譜優勢，海戰場電磁頻譜管理技術將向全域管理、動態管理、網絡化管理及智能化管理的方向發展。

復雜且瞬息萬變的海上環境和大量戰場感知手段的運用，使基于電磁頻譜感知的數據量呈指數增長，且半結構化和非結構化數據日益增多，導致海戰場電磁頻譜涉及的相關信息具備了大數據的特點，因此，海戰場電磁頻譜管理已迎來了大數據時代。大數據是指規模巨大，無法在合理的時間范圍內用常規工具進行捕捉、管理和處理的數據集合。面對海戰場電磁頻譜數據海量、高增長率和多樣化的特點，海戰場電磁頻譜信息系統需要新的處理模式才能使系統具有更強的決策力、洞察發現力和流程優化能力。大數據技術的戰略意義在于對含有特定意義的數據進行專業化的處理[4-5]。

針對電磁頻譜管理系統如何處理海量海戰場信息滿足戰場需求，本文提出了基于大數據的海戰場電磁頻譜管理功能架構和實現流程，分別從電磁頻譜感知網絡建設、數據資源的整合與挖掘、電磁頻譜管理與作戰指揮的融合等角度，展示了海戰場電磁頻譜大數據管理體系的建設發展思路。

1 關于海戰場電磁頻譜管理

1.1 海戰場電磁環境的特點

未來海戰將在陸、海、空、天、電磁等多維空間展開，主戰場為海洋，又可分水下、海面、?？铡饒隹臻g廣闊，高新技術設備眾多，戰斗單元小型且分散，戰場環境異常復雜多變。未來海戰場的電磁環境將具有如下特點[6-7]：

(1) 信號來源廣且密度大

海戰場的電磁信號來自四面八方，除了常規的各平臺電子設備發出的電磁、光學信號，還有來自太空的各種衛星和飛行器的電磁信號，涉及的范圍會越來越大。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，海戰場的電磁信號環境密度也將大幅地上升。

(2) 信號多樣且瞬息萬變

海洋環境中復雜多變的氣候、海情和水體情況，以及采用相控陣技術、變頻技術、雷達成像技術、低截獲概率探測技術等新技術的電磁設備，使得海戰場電磁信號具有形式多樣、快速、多變、無規律及信號強度參差不齊等多重特點。海戰場電磁態勢瞬息萬變，規律性差，增加了對電磁態勢的預測和評估難度。海戰場作戰時機稍縱即逝，要及時做出正確的指揮決策需實時掌握海戰場電磁態勢。

(3) 敵我競用且真假難分

在海戰場復雜電磁環境下，己方與敵方的各種通信、雷達、偵察等用頻設備處于同一自然環境中，敵我雙方競用電磁空間，多種電磁攻擊、電磁支援與電磁防護系統競相使用；全面而激烈的電磁頻譜戰造成電磁頻譜混雜，敵我雙方制造的各種欺騙干擾、偽信號等導致真假信號混淆，敵我信號的區分和識別尤其困難。

1.2 海戰場電磁頻譜管理系統應具備的能力

未來海戰場作戰電磁環境復雜，各種作戰平臺和武器裝備對電磁頻譜的依賴性高，電磁頻譜資源管理控制系統的地位日益提高。利用、攻擊、防護和管理電磁作戰環境對獲得電磁頻譜優勢、打贏電磁頻譜戰至關重要。海軍戰場作戰范圍覆蓋敵我雙方部署和活動的整個空間，包括太空、空中、海面、水下以及賽博空間。為保證預警探測、情報偵察及空中指揮等分系統有效、協調地工作，海戰場電磁頻譜管理系統的功能和組成上要從艦載與岸基系統擴展到空基、天基系統和賽博空間，以滿足海戰場全方位作戰指揮的時空需求[8]。針對海戰場電磁環境的特點，電磁頻譜管理系統應具備以下能力[9]：

(1) 強大的數據管理能力

海戰場電磁環境感知的實際數據可能會極為孤立、零散、弱關聯，甚至是矛盾的，信息時空跨度大、粒度差異大，需要對此類數據進行聚合、重構才能挖掘出有用信息。復雜的感知信息要求電磁頻譜管理要具有靈活的數據挖掘能力和高效的數據處理能力。

(2) 輔助分析和決策能力

海戰場電磁頻譜管理需要根據戰場獲取的實時信息，綜合其他數據，分析出作戰對象的電磁攻擊和電磁防護手段，預測作戰進程中電磁干擾的頻譜范圍、樣式、時域和信號強度等，做出電磁態勢分析；根據已方裝備的特點、數量、地域、電磁環境等特點，提出電磁頻譜管理方案；根據作戰對象的特點提出了頻譜干擾解決方案。

(3) 快速反應能力

海戰場電磁環境感知大數據處理的實時性要求遠超民用大數據，尤其是對重點區域、重要頻段的預警和探測，不僅需要感知手段具有較高反應速度，而且需要感知數據的處理分析實時完成。因此要求戰場電磁頻譜管理能夠對環境的變化做出快速反應。

1.3 大數據技術對于海戰場電磁頻譜管理的意義

海戰場電磁頻譜管理系統具有對數據的快速處理、辨識性、實時性要求高等特點。大數據在非結構化數據融合處理、知識挖掘等方面的先進處理技術，使得利用海戰場電磁頻譜感知數據實現戰場電磁環境預測、戰場電磁態勢評估、敵我信號識別、頻譜動態管理控制等作戰行動越來越精準和高效。大數據處理技術用于海戰場電磁頻譜管理的優勢主要表現在以下3個方面[10]：

(1) 將關系數據庫系統和分布式并行處理系統進行有效結合，融合半結構化和非結構化數據，可以提高海戰場電磁環境感知數據分析效率；

(2) 在數據的收集、存儲、建模、分析方面，采用新的方法來應對數據的不確定性，可以提高戰場電磁頻譜管理數據的質量和時效性；

(3) 挖掘海量數據的潛在價值，在海戰場電磁態勢的評估和預測、戰場頻譜管理等作戰輔助決策方面，可以提高數據對于作戰的價值。

2 基于大數據的海戰場電磁頻譜管理體系構想

2.1 基于大數據的管理體系結構

基于大數據的海戰場電磁頻譜管理體系通過各類感知系統采集海量的原始數據，經過分析處理，將結構化的數據與非結構化的數據進一步抽取和集中，分析計算和提取出相互關系，實現統計、分析、發現及預測等功能，充分發揮電磁環境感知數據效能，形成海戰場電頻譜資源的實時、有效管理，實現最大程度的數據共享應用和作戰指揮支撐[10-12]。

海戰場電磁頻譜管理大數據體系的功能架構如圖1所示。

圖1 海戰場電磁頻譜管理大數據體系的功能架構Fig.1 Functional architecture of the big data system for sea battlefield electromagnetic spectrum management

功能架構包括采集層、傳輸層、大數據中心層和大數據應用層，各層的具體功能為：

(1) 采集層：完成海戰場電磁頻譜資源數據的采集，包括各類海戰場電磁環境感知設備，如移動和固定監測設備、電磁信號測向/探測設備、電子偵察及通信網元等，組成感知終端進行頻譜特性數據的采集。

(2) 傳輸層：由岸基有線網、無線自組網、天基傳輸網和云服務平臺組成，支持多種通信協議的互聯，移動/專用網等異構網絡的接入，把采集層得到的信息進行高可靠性、高安全性的傳輸。

(3) 大數據中心層包括云存儲層和分析層。用云存儲技術將從采集層獲得的數據進行存儲，建立相應的分布式異構數據庫。通過大數據技術，建立信號樣本、干擾統計、臺站數據及裝備數據等數據庫。通過改進已有的數據挖掘和分析算法，開發各種不同用途的新型挖掘技術(如電磁干擾分析、電磁信號識別、頻譜資源挖掘及電磁兼容計算等)，進行數據連接和大數據云計算，實現頻譜資源、監測、檢測和電波秩序的數據挖掘分析。

(4) 大數據應用層包括輔助決策和作戰應用層。從大量的數據中進行電磁環境效應計算和頻譜資源挖掘，通過數據的捕捉和分析，完成頻譜場強與覆蓋態勢的可靠預測結果，實現電磁態勢展現、電磁作戰環境評估、電磁干擾預測、電磁作戰行動規劃、通信頻率預報及頻譜資源智能分配等功能。利用大數據技術，可以實現戰術頻譜協調、頻率管理、電磁戰斗管理及電磁干擾解決等電磁頻譜戰指揮決策。

2.2 基于大數據的海戰場電磁頻譜管理功能實現

基于大數據的海戰場電磁頻譜管理是通過頻譜信息感知(獲取)、分析處理、輔助決策和應用服務4個環節實現，如圖2所示。實施海戰場頻譜管理的基礎是全方位、大縱深、立體化的頻譜戰場感知網絡，核心是分布式、智能化頻譜信息大數據分析處理網絡，關鍵是及時、準確的海戰場電磁態勢評估預警和戰場頻譜動態管控等輔助決策，實現為各類無線電通信系統、雷達系統、導航系統及電磁戰武器系統等提供有效頻譜接入和全域頻譜信息支撐的應用[12]。

戰場感知數據和其他各類靜態數據經過大數據處理后，通過電磁干擾分析、電磁信號識別、電磁兼容計算、頻率占用度計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值信息，實現電磁態勢展示、電磁作戰環境評估、干擾預警、電磁作戰行動規劃、通信頻率預測及頻譜資源智能分配等；然后，作戰指揮系統利用上述結果進行指揮決策，實現戰術頻譜協調、戰場頻率指配、電磁干擾解決及電磁戰斗管理等電磁行動管控，指揮實施電磁頻譜作戰行動；同時，作戰行動對電磁空間的作用被各類環境感知傳感器實時獲取并傳送至感知數據庫，形成了基于大數據的海戰場電磁頻譜管理的閉環運行。系統充分利用了大數據技術的優勢，實現了智能化、網絡化、自動化以及準確、及時的海戰場電磁環境計算，為戰場指揮決策提供了技術支撐。

大數據處理需要專業的數據處理技術，以高效地分析、提取特定有限時間段內海量的數據。通常，大數據分析的關鍵技術包括數據采集、分布式存儲、分布式并行計算、大規模并行處理數據庫、數據挖掘、分布式文件系統、分布式數據庫、云計算平臺、互聯網及可擴展的存儲系統等。在數據處理過程中，融合算法的選擇也至關重要，能夠決定頻譜融合的最終效果，可使用的算法包括統計方法、卡爾曼濾波估計方法及神經網絡等人工智能算法。

3 海戰場電磁頻譜管理大數據體系建設發展思考

將大數據的理念和技術應用于電磁頻譜管理領域，給海戰場電磁頻譜管理提出了新的挑戰和機遇。海戰場電磁頻譜管理需要在電磁頻譜感知網絡建設、數據資源整合與挖掘以及電磁頻譜管理的作戰應用等方面進行深入研究和探討。

3.1 電磁頻譜感知網絡建設

建設完備的電磁頻譜感知網絡，具備全方位、全天候采集海戰場電磁環境信息的能力，實現海戰場的無縫覆蓋，是實現有效的戰場電磁頻譜管理的基礎[12-14]。

針對電磁頻譜監測的大數據化趨勢，海戰場電磁頻譜感知體系需增加原始數據采集、存儲、訪問、讀取與控制的維度，實現不同頻段范圍、陸地、海上、空中、水下等多種場景下的電磁環境感知能力；實現基于固定與移動監測相結合的信號捕捉、識別、定位、攔截等；實現不同電磁環境監測、探測網系的融合；實現各種作戰平臺、情報、通信等手段的戰場感知信息的收集；針對重點區域，進行優先覆蓋、無縫覆蓋、多重覆蓋的監測和探測[15-16]。

海戰場電磁頻譜作戰全過程中，電磁攻擊、電磁支援和電磁防護等電磁頻譜作戰行動無時無刻不在進行，因此要求系統的軟、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境中正常工作。

3.2 數據融合與挖掘

在海戰場頻譜管理中，戰場感知數據將來源于電磁環境監測、電磁信號測向及電磁環境探測等多源傳感器。大數據處理系統可以利用多種傳感器信息的互補性或冗余性，從戰場電磁環境實時感知數據，從基礎數據中獲取環境特征，同時挖掘海戰場電磁環境的變化規律，以獲得電磁態勢、態勢評估及威脅預警等作戰信息。

3.2.1 數據融合

海戰場電磁頻譜管理的信息融合，是對來源于多種戰場傳感器的實時感知數據、各種基礎數據以及其他共享數據的融合處理，以達到精確的狀態估計和身份識別，以及完整的態勢評估和威脅預警[17]。

海戰場電磁頻譜管理信息融合的基本步驟如下：① 對多源信息進行原始數據級的融合，從各種感知信息中抽取關鍵信息，對信息進行注冊、分類，并統一格式；② 進行特征融合，完成電磁環境場強的分析預測、區域背景電磁環境態勢分析、目標特性判定和干擾源查找；③ 進行決策級融合，形成統一的戰場電磁態勢，對一定條件下的設備性能進行評估，提出電磁頻譜作戰指導[18]。

海戰場電磁頻譜管理信息融合的基本功能架構如圖3所示。

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

感知庫是海戰場電磁環境感知數據庫，存儲了來源于固定和移動監測站、雷達及各種電子偵察設備、各種電磁環境探測設備以及其他戰場傳感器的數據。基礎庫用于存儲電磁頻譜管理的基礎數據，如用頻裝備數據、臺站數據、頻率資源數據及地理信息數據等。共享庫的數據主要包括共享的地理、環境、氣象數據及民用數據等。

數據處理引擎的主要作用是對異構數據、離散數據以及各種小片段數據進行整理、提取和清洗，使其成為可以進行規范處理的格式化數據。智能分析引擎通過對整理清洗過的數據進行特征提取、識別、判定等處理，從而完成電磁環境場強的分析預測、電磁環境態勢分析、目標特性判定和干擾源查找。數據挖掘引擎會根據應用背景和決策目的，對進行了特征級融合的數據進行分析評判，判斷出有價值的信息或知識，以進行決策級融合即態勢綜合，形成統一的戰場電磁態勢，并對一定作戰條件下的主戰武器效能、用頻設備性能進行評估和威脅預警。

3.2.2 數據挖掘

數據挖掘是大數據處理中的關鍵部分，可以從大量的數據中挖掘出有價值的信息和知識，對電磁環境感知數據進行分析，得出各種頻譜資源狀態、趨勢及空間電磁態勢分布等。數據挖掘主要通過關聯分析、分類、聚類及離群點檢測等挖掘數據的頻繁模式、分類模式、聚類模式、異常模式及演變規律等。

電磁環境變化規律挖掘處理示意如圖4所示。海戰場電磁頻譜管理的數據挖掘是從海量歷史和實時的時空數據中進行信號特征分析、信號規律發現、干擾信號統計、環境異常定義以實現信號的分類識別、電磁環境預測和電磁環境信號異常辨別等功能。

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

3.3 作戰指揮融合

新的電磁頻譜作戰概念從利用、攻擊、防護和管理4個維度對電磁頻譜作戰進行描述，涵蓋了電磁頻譜與軍事行動相關的幾乎全部職能。

海戰場電磁頻譜管理與電磁戰、情報、太空和賽博空間緊密結合構成新的海戰場電磁頻譜作戰領域?；诖髷祿夹g的海戰場電磁頻譜管理，使得來自多種信息源的戰場感知數據通過網絡化、智能化的傳輸和處理，為戰場指揮決策提供參考，實現電磁頻譜管理與軍事通信、有源和無源感知系統、電磁攻擊系統的深度融合。海戰場電磁頻譜大數據管理系統大大提高了電磁頻譜管理在電磁態勢評估、電磁環境預警、作戰決策支持等方面的準確性、時效性，能夠更好地服務于電磁頻譜作戰行動。

為了保證預警探測、情報偵察及通信網絡等分系統有效、協調地工作，電磁頻譜管理應貫穿于作戰活動的全過程。

3.3.1 作戰準備階段

海戰場電磁頻譜管理以滿足電磁頻譜作戰行動需求為目標，并對需求做出快速響應。海戰場電磁頻譜管理計劃的制定是作戰準備階段的重要工作。海戰場電磁空間的指揮協調是海戰場作戰指揮中非常重要的一部分，參考美軍的聯合作戰戰場電磁頻譜管理計劃流程，海戰場電磁頻譜管理計劃的制定主要包括四部分：態勢評估、擬制頻譜管理方案、確定頻譜要求和制定頻譜使用計劃。

擬制頻譜方案的前提是態勢評估，以基于戰場實時感知數據等的大數據分析結果為基礎，評估的準確性直接影響頻譜管理計劃的制定。頻譜管理方案的擬制必須結合相關的電磁環境情況以一種連續支持的方式進行。頻譜需求的確定基于編隊和作戰平臺的編配情況、電子戰作戰計劃、電磁兼容分析等。頻譜使用計劃包括區域編隊及作戰平臺的頻段分配、使用時間、保護頻率及限制頻率等。

3.3.2 作戰實施階段

在作戰實施階段，海戰場電磁頻譜管理的主體由岸基中心轉向區域編隊中心。區域編隊頻譜管理中心根據戰場的實際情況，基于戰場實時感知數據和作戰、情報、指控需求，基于大數據處理進行戰場用頻計劃的動態調整，并將調整后的用頻計劃分發給作戰平臺。

基于大數據的海戰場電磁頻譜管理與作戰指揮示意如圖5所示，其中，未來海戰場頻譜管理必須是基于大數據的海戰場電磁頻譜管理系統，將來源于多維度的戰場電磁環境感知系統和各種支撐系統的數據采用大數據技術進行處理和分析，對電磁態勢進行更加準確的評估和預測，能夠根據戰場電磁態勢的變化適時制定和調整編隊或作戰平臺的頻譜使用計劃。

圖5 基于大數據的海戰場電磁頻譜管理與作戰指揮示意Fig.5 Diagram of electromagnetic spectrum management and battle command based on big data in sea battlefield

4 結束語

海戰場電磁頻譜管理作為電磁頻譜作戰行動的關鍵，對奪取海上電磁頻譜優勢至關重要。隨著戰場感知手段、數據處理和傳輸手段的飛速發展，海戰場電磁頻譜管理引入大數據技術勢在必行。本文針對海戰場電磁環境特點以及未來電磁頻譜作戰行動對電磁頻譜管理的要求，提出了海戰場電磁頻譜大數據管理體系，對基礎設施建設、數據融合與挖掘以及與作戰指揮的融合等方面進行了論述。海戰場電磁頻譜大數據管理體系未來還應在數據采集和整理、作戰應用、輔助決策等方面深入發展。