基于大数据的海战场电磁频谱管理技术研究

任淑婷，吴 巍，马 亮

(1．中国人民解放军91001部队，北京 100841；2．中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；3．通信网信息传输与分发技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081)

0 引言

电磁频谱管理是电磁频谱作战的关键，对部队在动态电磁作战环境中夺取胜利至关重要。在错综复杂的海战场电磁环境中高效利用电磁频谱，发挥各系统的最大效能是现代海战中的一个重要问题[1-3]。为了夺取海战场电磁频谱优势，海战场电磁频谱管理技术将向全域管理、动态管理、网络化管理及智能化管理的方向发展。

复杂且瞬息万变的海上环境和大量战场感知手段的运用，使基于电磁频谱感知的数据量呈指数增长，且半结构化和非结构化数据日益增多，导致海战场电磁频谱涉及的相关信息具备了大数据的特点，因此，海战场电磁频谱管理已迎来了大数据时代。大数据是指规模巨大，无法在合理的时间范围内用常规工具进行捕捉、管理和处理的数据集合。面对海战场电磁频谱数据海量、高增长率和多样化的特点，海战场电磁频谱信息系统需要新的处理模式才能使系统具有更强的决策力、洞察发现力和流程优化能力。大数据技术的战略意义在于对含有特定意义的数据进行专业化的处理[4-5]。

针对电磁频谱管理系统如何处理海量海战场信息满足战场需求，本文提出了基于大数据的海战场电磁频谱管理功能架构和实现流程，分别从电磁频谱感知网络建设、数据资源的整合与挖掘、电磁频谱管理与作战指挥的融合等角度，展示了海战场电磁频谱大数据管理体系的建设发展思路。

1 关于海战场电磁频谱管理

1.1 海战场电磁环境的特点

未来海战将在陆、海、空、天、电磁等多维空间展开，主战场为海洋，又可分水下、海面、海空。战场空间广阔，高新技术设备众多，战斗单元小型且分散，战场环境异常复杂多变。未来海战场的电磁环境将具有如下特点[6-7]：

(1) 信号来源广且密度大

海战场的电磁信号来自四面八方，除了常规的各平台电子设备发出的电磁、光学信号，还有来自太空的各种卫星和飞行器的电磁信号，涉及的范围会越来越大。微波、激光武器及脉冲炸弹等高能武器也日趋成熟并投入作战，海战场的电磁信号环境密度也将大幅地上升。

(2) 信号多样且瞬息万变

海洋环境中复杂多变的气候、海情和水体情况，以及采用相控阵技术、变频技术、雷达成像技术、低截获概率探测技术等新技术的电磁设备，使得海战场电磁信号具有形式多样、快速、多变、无规律及信号强度参差不齐等多重特点。海战场电磁态势瞬息万变，规律性差，增加了对电磁态势的预测和评估难度。海战场作战时机稍纵即逝，要及时做出正确的指挥决策需实时掌握海战场电磁态势。

(3) 敌我竞用且真假难分

在海战场复杂电磁环境下，己方与敌方的各种通信、雷达、侦察等用频设备处于同一自然环境中，敌我双方竞用电磁空间，多种电磁攻击、电磁支援与电磁防护系统竞相使用；全面而激烈的电磁频谱战造成电磁频谱混杂，敌我双方制造的各种欺骗干扰、伪信号等导致真假信号混淆，敌我信号的区分和识别尤其困难。

1.2 海战场电磁频谱管理系统应具备的能力

未来海战场作战电磁环境复杂，各种作战平台和武器装备对电磁频谱的依赖性高，电磁频谱资源管理控制系统的地位日益提高。利用、攻击、防护和管理电磁作战环境对获得电磁频谱优势、打赢电磁频谱战至关重要。海军战场作战范围覆盖敌我双方部署和活动的整个空间，包括太空、空中、海面、水下以及赛博空间。为保证预警探测、情报侦察及空中指挥等分系统有效、协调地工作，海战场电磁频谱管理系统的功能和组成上要从舰载与岸基系统扩展到空基、天基系统和赛博空间，以满足海战场全方位作战指挥的时空需求[8]。针对海战场电磁环境的特点，电磁频谱管理系统应具备以下能力[9]：

(1) 强大的数据管理能力

海战场电磁环境感知的实际数据可能会极为孤立、零散、弱关联，甚至是矛盾的，信息时空跨度大、粒度差异大，需要对此类数据进行聚合、重构才能挖掘出有用信息。复杂的感知信息要求电磁频谱管理要具有灵活的数据挖掘能力和高效的数据处理能力。

(2) 辅助分析和决策能力

海战场电磁频谱管理需要根据战场获取的实时信息，综合其他数据，分析出作战对象的电磁攻击和电磁防护手段，预测作战进程中电磁干扰的频谱范围、样式、时域和信号强度等，做出电磁态势分析；根据已方装备的特点、数量、地域、电磁环境等特点，提出电磁频谱管理方案；根据作战对象的特点提出了频谱干扰解决方案。

(3) 快速反应能力

海战场电磁环境感知大数据处理的实时性要求远超民用大数据，尤其是对重点区域、重要频段的预警和探测，不仅需要感知手段具有较高反应速度，而且需要感知数据的处理分析实时完成。因此要求战场电磁频谱管理能够对环境的变化做出快速反应。

1.3 大数据技术对于海战场电磁频谱管理的意义

海战场电磁频谱管理系统具有对数据的快速处理、辨识性、实时性要求高等特点。大数据在非结构化数据融合处理、知识挖掘等方面的先进处理技术，使得利用海战场电磁频谱感知数据实现战场电磁环境预测、战场电磁态势评估、敌我信号识别、频谱动态管理控制等作战行动越来越精准和高效。大数据处理技术用于海战场电磁频谱管理的优势主要表现在以下3个方面[10]：

(1) 将关系数据库系统和分布式并行处理系统进行有效结合，融合半结构化和非结构化数据，可以提高海战场电磁环境感知数据分析效率；

(2) 在数据的收集、存储、建模、分析方面，采用新的方法来应对数据的不确定性，可以提高战场电磁频谱管理数据的质量和时效性；

(3) 挖掘海量数据的潜在价值，在海战场电磁态势的评估和预测、战场频谱管理等作战辅助决策方面，可以提高数据对于作战的价值。

2 基于大数据的海战场电磁频谱管理体系构想

2.1 基于大数据的管理体系结构

基于大数据的海战场电磁频谱管理体系通过各类感知系统采集海量的原始数据，经过分析处理，将结构化的数据与非结构化的数据进一步抽取和集中，分析计算和提取出相互关系，实现统计、分析、发现及预测等功能，充分发挥电磁环境感知数据效能，形成海战场电频谱资源的实时、有效管理，实现最大程度的数据共享应用和作战指挥支撑[10-12]。

海战场电磁频谱管理大数据体系的功能架构如图1所示。

图1 海战场电磁频谱管理大数据体系的功能架构Fig.1 Functional architecture of the big data system for sea battlefield electromagnetic spectrum management

功能架构包括采集层、传输层、大数据中心层和大数据应用层，各层的具体功能为：

(1) 采集层：完成海战场电磁频谱资源数据的采集，包括各类海战场电磁环境感知设备，如移动和固定监测设备、电磁信号测向/探测设备、电子侦察及通信网元等，组成感知终端进行频谱特性数据的采集。

(2) 传输层：由岸基有线网、无线自组网、天基传输网和云服务平台组成，支持多种通信协议的互联，移动/专用网等异构网络的接入，把采集层得到的信息进行高可靠性、高安全性的传输。

(3) 大数据中心层包括云存储层和分析层。用云存储技术将从采集层获得的数据进行存储，建立相应的分布式异构数据库。通过大数据技术，建立信号样本、干扰统计、台站数据及装备数据等数据库。通过改进已有的数据挖掘和分析算法，开发各种不同用途的新型挖掘技术(如电磁干扰分析、电磁信号识别、频谱资源挖掘及电磁兼容计算等)，进行数据连接和大数据云计算，实现频谱资源、监测、检测和电波秩序的数据挖掘分析。

(4) 大数据应用层包括辅助决策和作战应用层。从大量的数据中进行电磁环境效应计算和频谱资源挖掘，通过数据的捕捉和分析，完成频谱场强与覆盖态势的可靠预测结果，实现电磁态势展现、电磁作战环境评估、电磁干扰预测、电磁作战行动规划、通信频率预报及频谱资源智能分配等功能。利用大数据技术，可以实现战术频谱协调、频率管理、电磁战斗管理及电磁干扰解决等电磁频谱战指挥决策。

2.2 基于大数据的海战场电磁频谱管理功能实现

基于大数据的海战场电磁频谱管理是通过频谱信息感知(获取)、分析处理、辅助决策和应用服务4个环节实现，如图2所示。实施海战场频谱管理的基础是全方位、大纵深、立体化的频谱战场感知网络，核心是分布式、智能化频谱信息大数据分析处理网络，关键是及时、准确的海战场电磁态势评估预警和战场频谱动态管控等辅助决策，实现为各类无线电通信系统、雷达系统、导航系统及电磁战武器系统等提供有效频谱接入和全域频谱信息支撑的应用[12]。

战场感知数据和其他各类静态数据经过大数据处理后，通过电磁干扰分析、电磁信号识别、电磁兼容计算、频率占用度计算及频谱资源挖掘等分析手段，提取或挖掘出供辅助决策功能块使用的有价值信息，实现电磁态势展示、电磁作战环境评估、干扰预警、电磁作战行动规划、通信频率预测及频谱资源智能分配等；然后，作战指挥系统利用上述结果进行指挥决策，实现战术频谱协调、战场频率指配、电磁干扰解决及电磁战斗管理等电磁行动管控，指挥实施电磁频谱作战行动；同时，作战行动对电磁空间的作用被各类环境感知传感器实时获取并传送至感知数据库，形成了基于大数据的海战场电磁频谱管理的闭环运行。系统充分利用了大数据技术的优势，实现了智能化、网络化、自动化以及准确、及时的海战场电磁环境计算，为战场指挥决策提供了技术支撑。

大数据处理需要专业的数据处理技术，以高效地分析、提取特定有限时间段内海量的数据。通常，大数据分析的关键技术包括数据采集、分布式存储、分布式并行计算、大规模并行处理数据库、数据挖掘、分布式文件系统、分布式数据库、云计算平台、互联网及可扩展的存储系统等。在数据处理过程中，融合算法的选择也至关重要，能够决定频谱融合的最终效果，可使用的算法包括统计方法、卡尔曼滤波估计方法及神经网络等人工智能算法。

3 海战场电磁频谱管理大数据体系建设发展思考

将大数据的理念和技术应用于电磁频谱管理领域，给海战场电磁频谱管理提出了新的挑战和机遇。海战场电磁频谱管理需要在电磁频谱感知网络建设、数据资源整合与挖掘以及电磁频谱管理的作战应用等方面进行深入研究和探讨。

3.1 电磁频谱感知网络建设

建设完备的电磁频谱感知网络，具备全方位、全天候采集海战场电磁环境信息的能力，实现海战场的无缝覆盖，是实现有效的战场电磁频谱管理的基础[12-14]。

针对电磁频谱监测的大数据化趋势，海战场电磁频谱感知体系需增加原始数据采集、存储、访问、读取与控制的维度，实现不同频段范围、陆地、海上、空中、水下等多种场景下的电磁环境感知能力；实现基于固定与移动监测相结合的信号捕捉、识别、定位、拦截等；实现不同电磁环境监测、探测网系的融合；实现各种作战平台、情报、通信等手段的战场感知信息的收集；针对重点区域，进行优先覆盖、无缝覆盖、多重覆盖的监测和探测[15-16]。

海战场电磁频谱作战全过程中，电磁攻击、电磁支援和电磁防护等电磁频谱作战行动无时无刻不在进行，因此要求系统的软、硬件装备具有抗干扰、抗截获和隐蔽工作的能力，并且能在恶劣的电磁环境中正常工作。

3.2 数据融合与挖掘

在海战场频谱管理中，战场感知数据将来源于电磁环境监测、电磁信号测向及电磁环境探测等多源传感器。大数据处理系统可以利用多种传感器信息的互补性或冗余性，从战场电磁环境实时感知数据，从基础数据中获取环境特征，同时挖掘海战场电磁环境的变化规律，以获得电磁态势、态势评估及威胁预警等作战信息。

3.2.1 数据融合

海战场电磁频谱管理的信息融合，是对来源于多种战场传感器的实时感知数据、各种基础数据以及其他共享数据的融合处理，以达到精确的状态估计和身份识别，以及完整的态势评估和威胁预警[17]。

海战场电磁频谱管理信息融合的基本步骤如下：① 对多源信息进行原始数据级的融合，从各种感知信息中抽取关键信息，对信息进行注册、分类，并统一格式；② 进行特征融合，完成电磁环境场强的分析预测、区域背景电磁环境态势分析、目标特性判定和干扰源查找；③ 进行决策级融合，形成统一的战场电磁态势，对一定条件下的设备性能进行评估，提出电磁频谱作战指导[18]。

海战场电磁频谱管理信息融合的基本功能架构如图3所示。

图3 海战场电磁频谱管理信息融合的基本功能架构Fig.3 Basic functional architecture of electromagnetic spectrum management information fusion in sea battlefield

感知库是海战场电磁环境感知数据库，存储了来源于固定和移动监测站、雷达及各种电子侦察设备、各种电磁环境探测设备以及其他战场传感器的数据。基础库用于存储电磁频谱管理的基础数据，如用频装备数据、台站数据、频率资源数据及地理信息数据等。共享库的数据主要包括共享的地理、环境、气象数据及民用数据等。

数据处理引擎的主要作用是对异构数据、离散数据以及各种小片段数据进行整理、提取和清洗，使其成为可以进行规范处理的格式化数据。智能分析引擎通过对整理清洗过的数据进行特征提取、识别、判定等处理，从而完成电磁环境场强的分析预测、电磁环境态势分析、目标特性判定和干扰源查找。数据挖掘引擎会根据应用背景和决策目的，对进行了特征级融合的数据进行分析评判，判断出有价值的信息或知识，以进行决策级融合即态势综合，形成统一的战场电磁态势，并对一定作战条件下的主战武器效能、用频设备性能进行评估和威胁预警。

3.2.2 数据挖掘

数据挖掘是大数据处理中的关键部分，可以从大量的数据中挖掘出有价值的信息和知识，对电磁环境感知数据进行分析，得出各种频谱资源状态、趋势及空间电磁态势分布等。数据挖掘主要通过关联分析、分类、聚类及离群点检测等挖掘数据的频繁模式、分类模式、聚类模式、异常模式及演变规律等。

电磁环境变化规律挖掘处理示意如图4所示。海战场电磁频谱管理的数据挖掘是从海量历史和实时的时空数据中进行信号特征分析、信号规律发现、干扰信号统计、环境异常定义以实现信号的分类识别、电磁环境预测和电磁环境信号异常辨别等功能。

图4 电磁环境变化规律挖掘处理示意Fig.4 Schematic diagram of mining and processing of electromagnetic environment change pattern

3.3 作战指挥融合

新的电磁频谱作战概念从利用、攻击、防护和管理4个维度对电磁频谱作战进行描述，涵盖了电磁频谱与军事行动相关的几乎全部职能。

海战场电磁频谱管理与电磁战、情报、太空和赛博空间紧密结合构成新的海战场电磁频谱作战领域。基于大数据技术的海战场电磁频谱管理，使得来自多种信息源的战场感知数据通过网络化、智能化的传输和处理，为战场指挥决策提供参考，实现电磁频谱管理与军事通信、有源和无源感知系统、电磁攻击系统的深度融合。海战场电磁频谱大数据管理系统大大提高了电磁频谱管理在电磁态势评估、电磁环境预警、作战决策支持等方面的准确性、时效性，能够更好地服务于电磁频谱作战行动。

为了保证预警探测、情报侦察及通信网络等分系统有效、协调地工作，电磁频谱管理应贯穿于作战活动的全过程。

3.3.1 作战准备阶段

海战场电磁频谱管理以满足电磁频谱作战行动需求为目标，并对需求做出快速响应。海战场电磁频谱管理计划的制定是作战准备阶段的重要工作。海战场电磁空间的指挥协调是海战场作战指挥中非常重要的一部分，参考美军的联合作战战场电磁频谱管理计划流程，海战场电磁频谱管理计划的制定主要包括四部分：态势评估、拟制频谱管理方案、确定频谱要求和制定频谱使用计划。

拟制频谱方案的前提是态势评估，以基于战场实时感知数据等的大数据分析结果为基础，评估的准确性直接影响频谱管理计划的制定。频谱管理方案的拟制必须结合相关的电磁环境情况以一种连续支持的方式进行。频谱需求的确定基于编队和作战平台的编配情况、电子战作战计划、电磁兼容分析等。频谱使用计划包括区域编队及作战平台的频段分配、使用时间、保护频率及限制频率等。

3.3.2 作战实施阶段

在作战实施阶段，海战场电磁频谱管理的主体由岸基中心转向区域编队中心。区域编队频谱管理中心根据战场的实际情况，基于战场实时感知数据和作战、情报、指控需求，基于大数据处理进行战场用频计划的动态调整，并将调整后的用频计划分发给作战平台。

基于大数据的海战场电磁频谱管理与作战指挥示意如图5所示，其中，未来海战场频谱管理必须是基于大数据的海战场电磁频谱管理系统，将来源于多维度的战场电磁环境感知系统和各种支撑系统的数据采用大数据技术进行处理和分析，对电磁态势进行更加准确的评估和预测，能够根据战场电磁态势的变化适时制定和调整编队或作战平台的频谱使用计划。

图5 基于大数据的海战场电磁频谱管理与作战指挥示意Fig.5 Diagram of electromagnetic spectrum management and battle command based on big data in sea battlefield

4 结束语

海战场电磁频谱管理作为电磁频谱作战行动的关键，对夺取海上电磁频谱优势至关重要。随着战场感知手段、数据处理和传输手段的飞速发展，海战场电磁频谱管理引入大数据技术势在必行。本文针对海战场电磁环境特点以及未来电磁频谱作战行动对电磁频谱管理的要求，提出了海战场电磁频谱大数据管理体系，对基础设施建设、数据融合与挖掘以及与作战指挥的融合等方面进行了论述。海战场电磁频谱大数据管理体系未来还应在数据采集和整理、作战应用、辅助决策等方面深入发展。