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)

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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

0 引 言

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。

1 艦艇電磁兼容

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]。

2 艦艇電磁兼容輔助決策研究

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

3 結(jié)束語

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.

[2] 梁瑞麟.艦船電子設(shè)備的電磁兼容性技術(shù)實(shí)踐[J].艦船電子對(duì)抗，2004,27(6)：43-46.

[3] 王強(qiáng)，黃暄.艦船電磁環(huán)境對(duì)電子對(duì)抗系統(tǒng)作戰(zhàn)性能的影響[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2007,29(3)：87-90.

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