倪叢云
(中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所,揚(yáng)州 225001)
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艦艇電磁兼容管理控制輔助決策方法研究
倪叢云
(中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所,揚(yáng)州 225001)
針對(duì)艦艇電子武器裝備的電磁兼容管理現(xiàn)狀,提出了艦艇電磁兼容控制方法的輔助決策原則與過程,用圖論的方法仿真了艦艇電磁兼容輔助決策。
電子設(shè)備;電磁兼容;輔助決策;圖論
艦載電子設(shè)備數(shù)量越來越多,本艦電子武器設(shè)備及編隊(duì)作戰(zhàn)時(shí)電子武器裝備之間的電磁兼容問題也越來越嚴(yán)重,為有效克服潛在的影響,順利完成作戰(zhàn)使命,必須控制本艦電子設(shè)備間和編隊(duì)艦艇武器系統(tǒng)間的電磁干擾,實(shí)現(xiàn)全船、戰(zhàn)區(qū)電磁兼容。
現(xiàn)代艦艇裝備了多種先進(jìn)電子設(shè)備與系統(tǒng),作戰(zhàn)系統(tǒng)中提供了雷達(dá)預(yù)警、電子戰(zhàn)、跟蹤和制導(dǎo)、武器系統(tǒng)控制指揮與決策、通信、數(shù)據(jù)傳輸處理、敵我識(shí)別、導(dǎo)航、水下探測、氣象等技術(shù)手段,對(duì)應(yīng)的電子設(shè)備所產(chǎn)生、接收、傳送、處理、貯存的電信號(hào)中含有大量信息,且眾多電子系統(tǒng)集中裝備在狹窄的空間內(nèi),使得密度日趨增大。為了保證各種電子設(shè)備和武器系統(tǒng)正常工作,順利完成作戰(zhàn)使命,必須控制設(shè)備間的電磁干擾,實(shí)行電磁兼容管理控制[1]。
1.1 艦艇電磁兼容性控制
電磁干擾可能造成設(shè)備功能指標(biāo)降低、誤動(dòng)作、誤爆、誤燃、輻射危險(xiǎn)、電磁暴露與電磁泄密。
電磁兼容性控制技術(shù)分為控制策略與控制技術(shù),主要有傳輸通道抑制、空間分離(空域管理)、時(shí)間分隔(時(shí)域管理)、頻域管理及電氣隔離等。艦艇電磁兼容主要采用電磁干擾控制技術(shù),盡可能消除干擾,通過組織管理措施減少不可避免的危害。具體的方法有:
(1) 抑制干擾源,降低干擾強(qiáng)度;
(2) 提高受干擾設(shè)備的抗干擾能力;
(3) 增加傳輸干擾途徑的衰減,減少相互耦合。
艦船總體設(shè)計(jì)階段對(duì)艦上電子、武器裝備天線安裝位置進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化,并對(duì)關(guān)鍵部位采取屏蔽、絕緣隔離等措施,通過多種抗干擾接收技術(shù)等措施提高各設(shè)備的抗干擾能力;對(duì)電磁干擾危害的管理主要是針對(duì)采用干擾控制方法無法消除的干擾,根據(jù)各電子、武器裝備的功能特性,合理調(diào)度其使用時(shí)機(jī)、使用方法,對(duì)產(chǎn)生全艦安全問題和強(qiáng)干擾問題的設(shè)備的工作頻率、發(fā)射功率、發(fā)射時(shí)機(jī)和發(fā)射方向進(jìn)行優(yōu)化決策、統(tǒng)一管理、合理調(diào)度,從而有效防止或降低電子設(shè)備通過射頻信號(hào)的耦合引起的設(shè)備或系統(tǒng)間的電磁干擾[2]。
干擾管理主要在艦艇服役過程中使用,是靠條例和艦員操作來實(shí)現(xiàn)的,即如何通過管理控制的手段實(shí)現(xiàn)相互干擾的電子、武器裝備之間兼容工作,涉及到技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)的綜合優(yōu)化決策問題,本文試圖通過計(jì)算機(jī)輔助決策的辦法找出一條有效解決途徑。
1.2 艦艇電子武器設(shè)備電磁兼容矩陣方案
根據(jù)艦載電子設(shè)備及武器系統(tǒng)的基本情況,可以列出一個(gè)電磁兼容的矩陣表,根據(jù)專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)在縱橫交匯點(diǎn)上填入可能造成干擾的干擾等級(jí):嚴(yán)重、輕微與基本不干擾。設(shè)計(jì)師必須權(quán)衡系統(tǒng)設(shè)備的功率、靈敏度、空間、時(shí)間和頻譜等要求,使彼此之間的干擾減到最小,以系統(tǒng)和集中的方式使用電磁兼容技術(shù),并通過全艦電磁兼容管理決策,使電磁兼容達(dá)到最佳狀態(tài)[3]。
艦艇通過裝備電磁兼容管理系統(tǒng),從技術(shù)上提供了解決艦艇電磁兼容的手段,電磁兼容管理決策層次高、責(zé)任大,對(duì)作戰(zhàn)指揮甚至戰(zhàn)斗勝負(fù)影響很大。目前在技術(shù)上能對(duì)單艦設(shè)備進(jìn)行電磁管理,但在戰(zhàn)術(shù)使用上仍缺少輔助決策指揮的方法與手段。
2.1 艦艇電磁兼容輔助決策原則
電磁兼容輔助決策原則是將戰(zhàn)術(shù)與電磁兼容技術(shù)相結(jié)合,作戰(zhàn)需求上設(shè)備使用危急程度高者優(yōu)先,使用效能高者優(yōu)先,使用時(shí)間短者優(yōu)先,影響其他電子設(shè)備小者優(yōu)先。同時(shí),還要根據(jù)戰(zhàn)術(shù)條令和戰(zhàn)場態(tài)勢確定電子設(shè)備的使用順序。
2.2 艦艇電磁兼容輔助決策過程
2.2.1 任務(wù)設(shè)定
在戰(zhàn)術(shù)中,作戰(zhàn)任務(wù)不同,其使用原則就不一樣。主要分析3種任務(wù):航渡、反艦和反導(dǎo)防空。這3個(gè)設(shè)定包括了艦艇的日常行為、進(jìn)攻行為和防御行為,具有很強(qiáng)的代表性,尤其是后2個(gè)設(shè)定,直接關(guān)系到艦艇作戰(zhàn)任務(wù)是否完成、本方力量能否幸存。根據(jù)上述戰(zhàn)術(shù)背景,以電磁兼容矩陣表為基礎(chǔ),確定電子設(shè)備的使用優(yōu)先級(jí)序列。
2.2.2 干擾決策
干擾決策的過程就是分析每個(gè)電子、武器設(shè)備的多個(gè)工作狀態(tài),如電子戰(zhàn)有加濾波器和不加濾波器狀態(tài),雷達(dá)有工作在全頻段和工作在保護(hù)頻段狀態(tài)等等,這些電子武器設(shè)備的所有工作狀態(tài)形成一個(gè)大的集合,再根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)需求,找出其中互不干擾的子集合,即實(shí)現(xiàn)了電磁兼容的輔助決策。
2.3 圖論算法
圖論中的圖形通常用來描述某些事物之間的某種特定關(guān)系,用點(diǎn)代表事物,用連接2點(diǎn)的線表示相應(yīng)2個(gè)事物間具有這種關(guān)系。
2.3.1 圖論相關(guān)概念
圖論中的“圖”只是表達(dá)一些確定的事物之間的聯(lián)系的一個(gè)數(shù)學(xué)系統(tǒng)。一個(gè)有序二元組(V,E)稱為一個(gè)圖,記為G= (V,E),其中V稱為G的頂點(diǎn)集,V≠Φ, 其元素稱為點(diǎn);E稱為G的邊集,其元素稱為邊,它連接V中的2個(gè)點(diǎn),如果這2個(gè)點(diǎn)是有序的,則稱為有向邊。如果V是有限非空點(diǎn)集,則稱G為有限圖或n階圖。 如果E的每一條邊都是無向邊, 則稱G為無向圖(如圖1);如果E的每一條邊都是有向邊,則稱G為有向圖(如圖2);否則稱為混合圖。
圖1 無向圖
圖2 有向圖
這里只討論有限簡單圖,即:(1) 頂點(diǎn)個(gè)數(shù)是有限的;(2) 任意一條邊有且只有2個(gè)不同的點(diǎn)與它相互關(guān)聯(lián);(3) 若是無向圖, 則任意2個(gè)頂點(diǎn)最多只有一條邊與之相聯(lián)結(jié);(4) 若是有向圖, 則任意2個(gè)頂點(diǎn)最多只有2條邊與之相聯(lián)結(jié)。當(dāng)2個(gè)頂點(diǎn)有2條邊與之相聯(lián)結(jié)時(shí),這2條邊的方向相反。
設(shè)圖G= (V,E),I?V,如果I中任意2個(gè)頂點(diǎn)在G中都不相鄰, 則稱I是G的一個(gè)獨(dú)立集。若G的一個(gè)獨(dú)立集中,任意添加一個(gè)點(diǎn)后不再是獨(dú)立集,則稱此獨(dú)立點(diǎn)集是G的一個(gè)極大獨(dú)立集。頂點(diǎn)數(shù)最多的獨(dú)立集,稱為G的最大獨(dú)立集。
2.3.2 極大獨(dú)立集求解
求取圖G的極大獨(dú)立集的方法有多種,這里采用數(shù)學(xué)代數(shù)式的解法。
設(shè)有n個(gè)命題變?cè)狿1,P2,…,Pn,則形如Q1∧Q2∧…∧Qn的命題公式稱為由命題變?cè)狿1,P2,…,Pn所產(chǎn)生的極小項(xiàng)。
并作命題表達(dá)式:
(1)
當(dāng)圖G的頂點(diǎn)數(shù)較少時(shí),求圖的極大獨(dú)立集有以下步驟:
(1) 對(duì)于圖G的所有邊,建立邏輯表達(dá)式;
(2) 根據(jù)德·摩根律寫出邏輯表達(dá)式;
(3) 根據(jù)邏輯運(yùn)算法則化簡上面邏輯表達(dá)式為最簡的析取范式;
(4) 寫出所有極大獨(dú)立集。
當(dāng)圖G的頂點(diǎn)數(shù)較多時(shí),算法1 有一定的局限性,需用另一種遞歸算法求得。
2.4 算法說明
將電磁兼容干擾矩陣中的各電子、武器設(shè)備及其各種工作狀態(tài)作為圖G的頂點(diǎn),任意2點(diǎn)存在電磁干擾時(shí),將該2點(diǎn)連線,得到完整的圖G,求出圖G的所有極大獨(dú)立集,再在其中尋找符合任務(wù)設(shè)定要求的極大獨(dú)立集,即為所需要的輔助決策結(jié)果。
算法步驟為:
(1) 確定頂點(diǎn)
在航渡任務(wù)中,需要使用的設(shè)備有雷達(dá)、電子戰(zhàn)、導(dǎo)航雷達(dá)、甚高頻(VHF)/超高頻(UHF)臺(tái)、高頻(HF)臺(tái)、Ku衛(wèi)通,各設(shè)備的工作狀態(tài)分別如下:
電子戰(zhàn)={正常,匿影,匿影、接濾波器}={s0,s1,s2};
導(dǎo)航雷達(dá) ={正常}= {r0};
VHF/UHF臺(tái) ={正常}= {c0};
HF臺(tái) ={正常}= {h0};
Ku衛(wèi)通 ={正常}={k0};
(2) 畫出干擾圖
同一設(shè)備的各個(gè)工作狀態(tài)之間關(guān)系為互斥的,可認(rèn)為是互相干擾的。
G= (V,E),V= {s0,s1,s2,r0,c0,h0,k0},E={e0,e1,e2,e3,e4,e5},其中e0=s0s1,e1=s0s2,e2=s1s2,e3=s0r0,e4=s0k0,e5=s1k0。
(3) 求出所有極大獨(dú)立集
按極大獨(dú)立集求解的算法求出干擾圖的所有極大獨(dú)立集:{s0,c0,h0},{s1,c0,h0},{s2,r0,c0,h0,k0},{s1,r0,c0,h0}。
(4) 得到輔助決策
根據(jù)所求出的干擾圖的所有極大獨(dú)立集,再對(duì)照作戰(zhàn)任務(wù)需求,可得出輔助決策為{s2,r0,c0,h0,k0},即:
雷達(dá)電子戰(zhàn)={匿影、接濾波器}={s2};
導(dǎo)航雷達(dá) ={正常}= {r0};
VHF/UHF臺(tái) ={正常}= {c0};
HF臺(tái) ={正常}= {h0};
Ku衛(wèi)通 ={正常}={k0}。
通過艦艇電磁兼容管理系統(tǒng)發(fā)出相關(guān)指令,即可完成艦艇電磁兼容管理控制。
2.5 艦艇電磁兼容輔助決策仿真
根據(jù)上節(jié)輔助決策算法,進(jìn)行了軟件仿真,仿真軟件流程如圖3所示。
圖3 軟件仿真流程
本文以圖論方法來解決艦艇電磁兼容輔助決策的研究,找出了一種艦艇電子設(shè)備電磁兼容管理控制的有效途徑,該輔助決策方法給出了艦艇電子設(shè)備充分發(fā)揮戰(zhàn)斗力戰(zhàn)術(shù)的流程,減輕了艦艇指揮員的工作壓力。艦艇電磁兼容輔助決策方法可在電磁兼容管理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn),但如何在實(shí)戰(zhàn)中有效地使用,仍有一些難題需要研究。
[1] 倪叢云.艦載雷達(dá)的電磁兼容設(shè)計(jì)[J].艦船電子對(duì)抗,2002,25(1):40-42.
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Research into Assistant Decision-making Methods of Electromagnetic Compatibility Management and Control for Warship
NI Cong-yun
(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)
Aiming at the electromagnetic compatibility management actuality of electronic weapon equipments in the warship,this article puts forward the assistant decision-making rules and course of electromagnetic compatibility control method for ship,simulates the assistant decision-making of electromagnetic compatibility for ship by means of chart theory.
electronic equipment;electromagnetic compatibility;assistant decision-making;chart theory
2015-04-09
TN97
A
CN32-1413(2015)02-0015-04
10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.02.005