中国指挥与控制学会会刊 
短波通信作为海上大型编队通信的重要手段,在战时卫星无法使用的情况下,将发挥重要作用。短波跳频电台已经大量配备舰艇部队,但是受频率时变性、距离跨度大、方位易侦测等复杂性问题的影响,编队短波跳频电台在实际使用过程中存在着“跳不动,跳不开,跳不远”等情况,处于尴尬境地。
针对短波通信的重要地位以及短波通信存在的问题,论文围绕编队短波跳频组网问题展开研究,以编队短波通信和指挥通信体制特点为依据,构建海上大型编队短波跳频通信网络,以期为提升海战场复杂电磁环境下海上大型编队通信防御的整体作战能力,加快编队短波通信网络抗干扰应用,提供理论支持。
1 网络结构与组网方式
1.1 网络拓扑结构
遂行远海作战任务时,大型编队采取合同作战体制,其综合作战区的范围为半径50~100海里,最大半径可扩至200海里。编队承担对空、对海、对岸、对潜等各方面作战任务,通常设置多个下级指挥所,各指挥所下辖相应的作战力量,并且编队内还存在越级指挥、协同指挥以及编队指挥所与其他编队指挥所协同等情况。基于编队短波通信和指挥通信体制特点,结合文献[2],论文构建了一种树型、星型和准栅格网结合形式的海上大型编队短波跳频通信网络。网络拓扑结构如图1 所示。
如图1 所示,从纵向看,编队短波通信网应当采用分层的树状结构,每一级指挥所成为一个指挥节点,第一个节点是编队指挥所;从横向看,以每一个指挥节点为中心,构成星型结构。为了达成编队协同指挥、越级指挥通信,在树状结构有关节点之间设置互通及迂回路由,在编队指挥所与岸基指挥所以及其他编队指挥所之间也构建相应的短波链路以支持相应的指挥通信与协同通信。
1.2 组网方式
编队短波频段通信可采用地波和天波两种方式,其中,中远程通信依赖天波传播方式,近程通信可采用地波、直射波传播方式。从目前的实验和舰载装备的使用经验来看,由于天波通信可用频率实时变化,通信距离跨度大,使得相同时间内不同通信方向的频率窗口及可用频率的重复性差,不便于形成多方向的公共频率集,即使得到了公共频率集,其中的频率点数也非常少[2]。所以,编队采用短波天波通信时不适宜同时组成多方向、多用户的天波跳频网,也不适宜进行跳频同步组网。采用地波或直射波传播方式时,短波信道近似于恒参信道,故而频率稳定性好。编队内部以及编队离岸较近时,可以使用鞭状天线进行短波地波或直射波跳频通信。此外,当出现编队内短波跳频电台用户之间距离比较近,而编队离岸基指挥所距离远的情况时(在遂行远海作战任务时这种情况非常常见),编队内的跳频电台与编队-岸基指挥所之间的跳频电台不能作为同一个网内的电台进行跳频同步与通信。
基于上述分析结果,针对如图1 所示的编队短波跳频通信网,论文采用的组网方式为,编队指挥所与岸基指挥所、其他编队指挥所之间,由于距离较远,采用天波通信方式,进行点对点天波跳频通信;编队内部,即编队指挥所与各下级指挥所、各下级指挥所之间、下级指挥所与所属作战力量之间,采用地波、直射波方式进行近距离通信,采取高密度正交异步组网。
2 网络特点
2.1 编队天波点对点跳频
编队天波跳频通信,因通信双方距离远,可用频率集的差异大,如果按照常规跳频体制,就会出现“盲跳频”问题。因此,编队短波天波跳频适宜采用实时频率AFH。此外,短波频段窄,电台数量多。若采用当前短波跳频电台普遍采用的常规对称频率表技术,将会造成大量频点浪费。这是舰艇短波天波跳频存在跳频点少,甚至无点可跳问题的重要原因。因此,论文将非对称跳频技术引入编队天波点对点跳频通信中,提出基于非对称频率表的实时频率AFH技术。
1)非对称频率表技术
所谓对称频率表技术就是通信双方使用相同的频率表进行跳频通信。为了保证通信双方均未受扰或干扰很小,只能取通信双方各自可用频率集的交集。如图2 所示,假设编队指挥所与岸基进行远距离天波通信,可用频率集分别为F编队和F岸,频率范围分别为fa~fi、fb~fj。若采用对称频率表,那么为了保证编队指挥所与岸基使用同一个频率表,那么通信时可使用的频率范围为fb~fi,频率范围fa~fb、fi~fj被完全搁置,造成了频率资源的浪费,也限制了短波跳频处理的增益。
非对称频率表技术,即通信双方均采用本端的接收频率表接收信号,采用对端的接收频率表进行发送信号。如图3 所示,假设编队指挥所与岸基指挥所都有同一个原始频率表F,编队指挥所与岸基指挥所各自使用短波频率探测设备对本端所处环境进行探测分析,得到各自可用的接收频率表F编队和F岸,F编队∈F,F岸∈F。采用非对称频率表技术时,编队指挥所采用频率表F岸向岸基指挥所发送信号,岸基指挥所使用F编队向编队指挥所发送信号。fa~fb与fi~fj这两个频段就被纳入了跳频范围内,增加了跳频点数和跳频处理增益。
具体实施时,所有编队点对点跳频用户(编队指挥所、岸基指挥所、其他编队指挥所)在到达指定战位前,先设定一个共有的原始频率表,然后在链路沟通前分别构建各自的接收频率表,并于正式通信前交换接收频率表,最后采用非对称频率表方式使用对方的跳频表进行通信。
2)基于非对称频率表的实时频率AFH
在通信过程中,通信双方的接收频率表可能随时发生变化,需要进行实时频率AFH。图4 为编队天波点对点跳频中实时频率AFH处理过程的示意图,具体流程如下。
①通信双方各自完成受干扰频率的检测与估计,建立己方的接收频率表并进行交互。
②通信双方完成跳频同步,同时进入实时频率自适应处理状态。
③当发生通信中断时,收方对己方接收频率集中受干扰频率进行检测评估,删除受干扰频率,并尝试用无干扰频率或弱干扰频率替代。
④收方和发方在可通频率上进行通知与应答,使发方确认收方受干扰频率以及替换频率。
⑤确认完成后,发方删除、替换收方频率表中的受干扰频率,收方更新己方的接收频率表。
2.2 编队近距离短波跳频网
1)网络结构
在一定作战区域内,跳频电台组网数量影响了干扰方的侦察分选和跟踪干扰概率。为了提高频谱利用效率以及提高反侦察分选性能,编队近距离短波跳频网采取高密度正交异步组网方式。
所谓高密度,是指进一步增加编队近距离短波跳频网中子网的数量,使其由多个跳频子网组成。具体实施时,采取设置佯动跳频子网的方式来提高子网的数量的方法。因此,“高密度”是相对于不设置佯动跳频子网常规跳频网络而言的,设置的佯动子网的数量与编队内的实际电台总数、跳频图案数等有关。
佯动子网内的佯动电台只发射短波跳频信号,不接收信号。佯动电台可以是专设的电台,也可以是编队内当前无通信任务的短波跳频电台。因此,编队近距离短波跳频网包括依据作战指挥关系设置的,承担实际通信任务的通信跳频子网和以提升网络综合反侦察能力为目的设置的佯动跳频子网。编队中跳频电台的身份会在佯动台和通信台之间切换,所属子网也在通信子网和佯动子网之间切换。图5 为编队近距离短波跳频网的拓扑结构示意图。
2)对称交叉正交频率表
编队近距离短波跳频的频率使用情况有以下特点:第一,由于采用地波、直射波传播,通信双方距离较近,收发点可用频率集相同;第二,当前主流短波跳频电台跳频带宽较窄,并多采用中心频率跳频模式。
基于上述情况,编队近距离短波高密度正交异步网中采用对称交叉正交频率表技术进行频率表设置。其中,对称是指通信双方采用对称频率表技术;交叉正交是指在整个短波波段设置一张跳频频率表,然后以其为基础按照如图6 所示的交叉正交方式设置多张正交的分频率表,并且尽量拉大通信子网频率表间隔,佯动子网频率表与通信子网频率表为交叉出现。每部跳频电台设置多张频率表,以供实际通信和佯动时分别使用。
3 结束语
随着反卫星武器的逐步成熟,短波通信重新获取各国青睐,舰艇短波通信发展迅速,新技术、新装备不断出现。通信抗干扰装备的网络化运用能够有效提高网络的整体反侦察、抗干扰能力。论文围绕海上大型编队短波跳频电台通信组网问题展开研究,基于海上大型编队短波跳频通信和指挥通信体制特点,构建了树型、星型和准栅格网结合形式的海上大型编队短波跳频通信网络。网络中中、远程短波跳频通信使用基于非对称频率表技术的实时频率AFH技术,采用点对点天波跳频通信;近距离短波跳频通信,使用对称交叉正交频率表技术,进行高密度正交异步组网。
论文的研究成果将为编队短波跳频通信组网技术发展,提升编队短波通信网络反侦察、抗干扰能力提供理论支持。