中国指挥与控制学会会刊 
短波通信因其传输距离远、无须中继、抗干扰强且隐蔽性高的特点[1-2],在军事通信中始终占有重要地位[3],是远程通信的重要手段之一。但受到短波天波通信需经高空电离层多次跨时区跳变的固有特性影响,海上短波中远程通信的“用户体验”始终不理想,且现有的短波通信装备选频方法较为单一,组织操作流程复杂,操作应用方面存在诸多限制,无法满足远海通信保障的需求[4]。
为解决当前海上远程短波通信选频难的问题,本文将传统短波通信的组织架构与基于数据挖掘的智能选频技术相结合,设计以数据存储管理为基础、智能辅助决策为核心的海上短波通信频率智能辅助决策应用系统。该系统为海上移动站台与岸上固定站台以及海上移动站台之间提供短波通信频率的辅助决策。相较于现有的选频装备,智能辅助决策应用系统的选频方法更加多样、操作协同更加便捷、使用时机更为广泛,能够为海上中远程通信提供实时的点对点频率预测、区域频率预测及航路用频规划,生成推荐用频报告和频率使用方案并进行可视化呈现,为进一步提升远海短波通信保障能力提供了借鉴。
1 系统总体设计
为减小对短波通信系统原有功能使用的影响,系统使用独立集成的模块化结构方式,可直接安装在现有短波通信系统中的计算机上,计算机再通过串口与通信控制器互联,从而实现短波智能选频的功能需求。系统主要由3部分组成,分别是数据存储管理模块、短波频率智能辅助决策模块以及可视化模块,具体如图1所示。
1.1 数据存储管理模块
数据的存储管理是整个智能辅助决策应用系统运行的基础,数据存储管理模块就是系统各项功能的数据来源。数据存储管理模块主要由数据采集、数据分析、数据存储及数据管理4个部分组成,能够实现对参数、文件、配置、频率等各类数据的存储与管理,通过对各项数据的增加、删除、导入、导出、修改等操作,形成丰富、实时、有效的基础数据库,为智能辅助决策模块及可视化模块提供数据支撑。
(1)数据采集。数据采集主要是对历史实际通信用频数据、系统预测数据、频谱监测数据、频率探测数据等进行收集,包括通信双方的设备属性要素、位置要素、通信过程要素以及其他与通信相关要素等。系统通过与短波频率管理系统、短波电台等设备互联,自动采集数据要素。离线时,采用数据导入的方式更新数据库内容;联网时,可利用北斗短信息发送模式获取最新的频率数据信息,与指定用户或短波通信网实现通信信息共享,达到数据库更新。
(2)数据分析。数据分析主要是对系统采集到的数据进行分析筛选,分析处理的结果直接影响系统的频率预测精度以及推荐用频的优化。为满足辅助决策模块智能选频方法对历史通信频率的质量要求,系统根据链路质量分析结果对实际通信工作频率进行筛选,设定筛选条件,保留符合选择条件的各组通信数据。
(3)数据存储。数据存储主要是对系统内部的各类信息进行规范化存储,便于数据的分类、查询与使用。对于航行计划、用频方案等文本数据,系统使用文本文件进行储存;对于台站配置、电离层参数、通信盲区等信息数据,系统使用单独数据库进行存储,便于增加、修改及删除操作;对于通信频率数据,系统以栅格化技术为基础,建立栅格化存储数据库,将时间、地点位置、通信频率等数据信息按栅格划分规则进行划分。当栅格单元内仅有一个实测值时,栅格的属性值即为点频率值;当栅格单元内有多个实测值时,系统可根据实测值的位置及数量,采用均值法或空间插值法确定栅格属性[5];当栅格单元内无实测值时,栅格属性显示未知。随着数据库的同步更新,系统可根据新获取的实测值重新计算所属栅格单元的属性值。
(4)数据管理。数据管理主要是对系统内的数据库进行监测和维护,确保数据库的安全与数据的完整。系统经过一段时间的运行后,随着数据的不断导入、修改、删除,数据库的性能会逐步下降,研究人员需对数据库进行重新整理,调整存储空间,减少数据的冗余,避免数据的不一致性[6]。研究人员同时监测数据库的动态变化,在发生错误、故障或性能变化较大时,及时采取措施,对数据库进行调整。
1.2 智能辅助决策模块
智能辅助决策模块是整个海上短波通信频率智能辅助决策应用系统的核心,基于数据挖掘的智能选频方法是实现海上短波通信保障的技术支撑。该模块主要包括频率预测软件、智能选频方法和航路用频规划3个部分,辅以频率探测系统和频率监测系统。
(1)频率预测软件:主要是基于ITU模型和亚大模型开发的短波频率长期预报软件;
(2)智能选频方法:主要包括两个部分,一是时间维度的基于BO-CNN-BiLSTM混合神经网络模型的时间频率预测,二是空间维度的基于贝叶斯压缩感知以及低秩矩阵补全的空间频率预测[7];
(3)航路用频规划:根据长期频率预测及智能选频结果,结合数据库的台站信息、移动平台的航行计划,智能生成任务推荐用频方案;
(4)频率探测系统:为该模块的辅助单元,在条件允许的情况下,可通过探测系统为频率预测模型获取丰富、有效、实时的底层数据,提高预测精度;
(5)频率监测系统:通过互联通信干扰检测设备,获得当前通信台站的用频情况及周围区域的电磁环境,对预选可用频率中受干扰较为严重的通信频率进行修正,从而减少通信受损,保证通信质量。
在预测、探测、监测等各项技术的支持下,智能辅助决策模块可实现以下功能:一是优选某一通信路径在指定时段的通信频率;二是生成某区域与某台站在指定时段的通信频率分布图;三是生成某指定任务下选定航线的用频规划方案。
1.3 可视化模块
可视化模块作为数据分析平台中的一个子系统[8],是人机交互的窗口,为整个智能辅助决策系统提供丰富的数据展示形式和直观的数据分析能力。可视化模块将结构化的数据通过图表的方式进行合理的设计、布局,其呈现的数据关系图表不仅可以辅助通信业务人员对当前短波通信的最佳工作频率进行分析、判断与决策,还可以帮助工作人员在海上通信时进行跨专业、跨部门协作,充分发挥人与系统各自的优势。本系统中,该模块主要由配置信息、文件导入、历史查询、参数设置、频率预报、生成报表、自定义功能七个子模块组成,操作人员可通过这七个功能模块,实现对各类存储信息的查询、通信频率的优选以及通信方案的制定。
2 系统主要功能设计
2.1 数据查询功能
基于数据的存储与管理,可实现对各类数据的结构化查询和多条件检索。
(1)岸上台站信息查询。可对岸上各个固定台站的基础信息进行查询,包括各台站通信系统中天线、发射机、功放等具体参数,以及台站短波通信覆盖范围、通信保障能力、可用通信装备等情况。
(2)移动平台信息查询。可对本移动平台的基础信息进行查询,包括移动平台通信系统中可用装备情况以及天线、发射机、功放等具体参数。
(3)岸上台站历次通信保障数据查询。通过输入历史行动时间或名称,对数据库进行查询和检索,可获得固定台站历次通信保障的频点、时间、发射功率、业务种类、通信效果等参数数据。
(4)移动平台通信历史数据查询。可通过查询历史行动时间或名称,获得本移动平台历次通信的频点、时间、发射功率、业务种类、通信效果等历史数据。
(5)自定义数据信息查询。根据任务实际需求定义所需的数据类型,并由各个对应的数据源补充数据,进而生成自定义数据库。例如太阳黑子数、历史通信方案数据、历史典型通信盲区数据、典型短波抗干扰方案数据等。查询时可通过文件导入界面查看历史通信方案数据,通过配置信息界面查看历史太阳黑子数,通过历史查询界面获取相应的方案数据。
2.2 频率数据预选功能
智能辅助决策模块是整个系统的核心,基于该模块可实现频率数据的预选。通信业务人员可根据通信时间、地理经纬度、太阳黑子数、发射功率等信息,预测出指定通信双方的最佳通信路径和最佳工作频率。
(1)最佳通信路径。最佳通信路径是指在双方台站的通信覆盖范围内,选择一个路径作为中继,使通信效果达到最佳,是一种点对面的选择。如图2所示,A、B、C、D、E是通过有线网络链路连接起来的岸上固定台站,R是海上移动台站。岸上所有短波通信台站可看成一个通信网面,海上移动站台则为一个通信点。对于海上移动站台R来说,只要与岸上任一固定台站连通,就相当于与整个通信网都建立了连接,可实现信息的快速通传,这就是点对面通信。
假如当移动台站R要与固定站点A进行通信时,经过历史频率数据库对比及长期频率预测软件计算得知,双方台站并不能进行有效的通信连接,这种情况下就需要对R与B,R与C,R与D,R与E四条路径分别进行数据比对和频率计算,选出一个最佳路径进行通信连接。如果最佳路径为C,那么C将作为中继站,转发通信双方的数据信息,实现移动台站点对面的通信。
(2)最佳工作频率。系统选定最佳通信路径后,需进一步确定当前时刻海上移动台站与岸上固定台站之间的最佳工作频率。本系统可基于历史频率数据库、时间及空间两个维度的智能算法以及长期频率预测软件等多种手段对短波通信频率进行优选。当历史频率数据库存储的数据较为丰富,可以选出满足通信双方在一定时间和地理范围内的高质量频率数据时,优先考虑基于历史数据库的选频;当历史数据库中没有符合条件的优质频率,则采用时间维度的频率预测和空间维度的频率补全来实现对短波通信频率的优选;如果智能选频后依旧无法获取可用频率,则将ITS和亚大算法等长期频率预测软件作为备用手段,生成推荐可用频率。具体选频流程如图3所示。
2.3 生成推荐方案功能
系统生成推荐方案主要包含两个部分:按规划航路生成用频方案以及按通信条件生成推荐航线。
(1)按规划航路生成用频方案。通信业务人员将航行计划导入系统,基于系统内集成的长期频率预测模型、短期频率预测模型、空间频率数据补全模型,系统根据任务规划的航路(具体的时间、地点),自适应调用对应模型,并根据模型预测结果,自动生成推荐用频报告。
(2)按通信条件生成推荐航线。通信业务人员将出发点和抵达点的地理经纬度输入系统,系统根据附近岸站及移动平台自身的短波通信覆盖范围、通信保障能力、可用通信装备等参数信息,综合考虑途经海域的短波通信条件,智能生成最佳通信保障航线,为航线规划的制定提供参考。
3 系统工作流程
系统工作流程包括平台数据管理、频率智能辅助决策以及可视化显示流程,如图4所示。首先,研究人员通过手动输入、离线更新和在线更新的方式,将日常积累的标准通信数据导入系统数据库中,系统对导入数据进行分析筛选,剔除错误和无效数据,将预处理后的数据信息按指定格式存储到数据库中,形成可用频率数据库,并根据后续采集到的实用数据不断更新充实;其次,研究人员在获得频率数据库的基础上,填报台站信息,根据统计的电离层、场强参数,计算台站的通信覆盖区域,并生成可视化图表;再次,综合台站覆盖区的分析结果以及链路具体信息,系统通过比照频率数据库,获得最佳通信链路,并对具体通信链路进行频率优选。频率优选是系统运算的核心部分,需多次调用频率数据库及自适应选择相应预测模型;最后,根据下发的禁用保护频率表,剔除优质频率中的冲突频点,并根据监测结果对优质频率中受干扰较为严重的频率进行修正,最终以图表的方式将优选频率进行可视化呈现。
根据图4的工作流程,系统通过获取不同区域的频率分布情况,实现短波通信频率的智能辅助决策,主要体现在2个方面:一是出航前,系统根据输入的计划航线,辅助频率管理部门制定通信方案;二是出航后,系统在通信中断、干扰严重的情况下,辅助通信业务人员优选更佳工作频率。
4 典型应用场景设计
4.1 通信方案拟制
海上短波通信频率智能辅助决策应用系统能够结合岸站分布、移动平台活动范围,根据计划航线中的时间、地点等信息,通过使用智能选频方法,生成推荐用频报告,辅助通信业务部门制定用频方案。
系统通过可视化模块中的文件导入功能,将移动平台的航行计划输入系统,文件格式如图5所示。系统根据导入的航行计划,在地图上绘制计划航线。假设某移动平台的计划航线如图6中红色标注所示,根据任务要求,航行过程中移动平台需与岸上台站保持通信畅通。系统根据航线的整体位置,结合台站覆盖区分析,选择最佳通信路径,确定固定通信岸站A。系统通过计划航线中的要素信息,可计算出移动平台到达每个栅格海域的大致时间,系统根据时间、位置信息自适应调用相关模型,获取移动平台所经栅格海域相应时段的最佳短波通信频率数据。由于短波通信频率在不同区域、不同时段存在较大差异,系统根据航线所在栅格海域的频率数据变化规律,确定用频时段及对应时段最佳通信频率信息,最终形成如图7所示的推荐用频方案,辅助通信业务部门制定用频方案。
4.2 通信方案频率优化
移动平台出航后,如果遇到干扰无法达成通信互联时,作战人员可利用海上短波通信频率智能辅助决策应用系统对通信频率进行预测,生成频率选择方案表以及区域频率分布图,辅助决策者进行通信指挥决策。航行过程中移动平台与岸站的频率协同通过数据库更新达到同步,离线时通过人工导入进行数据同步,联网时通过北斗信息传送进行数据更新。相较于以往的短波通信选频设备,海上短波通信频率智能辅助决策应用系统操作流程和参数设定更为简便,选频方法更加智能多样,可结合短期外部环境影响得出更为精确的频率预测结果。
频率选择方案表主要是针对当前通信路径,为通信业务人员提供不同通信时段的最高可用频率、最低可用频率和最佳工作频率。频率选择方案表具体格式如图8所示。
区域频率分布图可显示所选海区的实时频率分布信息。选择固定岸站后,通信业务人员移动光标至区域内任意栅格单元,即可将本移动台站的地理位置切换到光标所在栅格点,获取同一时段移动平台附近的用频情况,便于通信业务人员实时掌握航行区域的频率数据信息。区域频率分布效果图如图9所示。
图9中四角星符号表示移动平台位置,假定北京(延庆)站为固定台站,显示海区为北纬5度到北纬30度,东经115度到东经150度,通信时段为2020年1月1日0900-1 000,点击图中任意栅格单元,显示当前栅格点坐标为纬度北纬25度到北纬26度,东经126度到东经127度,该时段内最高可用频率为25.5 MHz,最低可用频率为16.3 MHz,最佳工作频率为21.7 MHz。
5 结束语
针对现有短波选频装备手段单一,组织操作流程复杂,使用时机受限的问题,本文提出构建一种以频率优选为核心的海上短波通信智能辅助决策系统。研究人员根据完备性、可靠性、实用性及易操作性等方面的系统设计原则,对智能辅助决策系统的总体设计、主要功能及工作流程进行了研究与探索,并给出系统的应用策略,为下一步系统的具体实现打下坚实的技术和理论基础。本文对智能辅助决策应用系统进行了初步的探索研究,侧重于整体的设计与功能实现,对于数据存储管理模块的数据处理技术和可视化模块的图表生成技术没有深入展开,同时系统设计与实际使用联系的不够紧密,需进一步细化各功能的实现算法与应用流程,提升智能辅助决策系统与移动平台实际使用的适配度。