立體式全球電磁環境感知系統設想

夏宇垠，吳一明，吳海斌

(1.中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京 210007；2.裝備發展部軍代局駐南京地區第二軍代室，江蘇 南京 210007)

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立體式全球電磁環境感知系統設想

夏宇垠1，吳一明1，吳海斌2

(1.中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京 210007；2.裝備發展部軍代局駐南京地區第二軍代室，江蘇 南京 210007)

介紹了立體式全球電磁環境感知系統的構建思路：以高軌衛星實現全球瞬時無縫隙電磁環境覆蓋(瞬時感知)；以低軌衛星實現區域電磁環境探測(區域增強探測)；以臨近空間或機載平臺實現電磁環境識別和重點目標定位(分析電磁環境、識別和定位重點目標)。立體式全球電磁環境感知系統以空、天電磁環境探測為網絡，建立全球電磁態勢數據庫(含可視化)，實現在任何時間查閱任何區域內的電磁信號分布情況，分級分類為用戶提供全球各區域實時、動態的電磁環境分布態勢。

全球；電磁環境監測；多平臺；關鍵技術

0 引言

在信息化戰場上，電磁環境已經成為與氣象環境、地理環境、社會環境等傳統類型的戰場環境同等重要的環境因素[1]。及時、動態地掌握全球電磁態勢對國防安全、軍事戰略部署、海外軍事活動有著重要意義。隨著信息化技術的飛躍發展，各類軍用民用電磁設備廣泛用于通信、航空、傳感、定位、情報獲取、信息處理等領域，加劇了地表電磁環境的復雜性。

復雜電磁環境的特性決定了電磁環境監測應采用立體化的手段。主要方式是將不同平臺上的電磁環境監測裝備綜合起來，形成全球海、陸、空、天一體化的電子偵察網[1]。本文按中高軌衛星、低軌衛星、臨近空間、機載等不同層次，提出構建立體式全球電磁環境感知系統的思路。

1 中高軌衛星實現全球瞬時無縫隙電磁環境監測覆蓋

天基信息系統由于其得“天”獨厚的地理位置優勢，已經成為現代作戰信息獲取軍事情報、主宰戰場空間、確保軍事優勢的關鍵因素之一。各國在軌運行航天器中，軍用衛星約占總量的三分之二以上。據有關數據統計，在近20年美軍發動的幾次局部戰爭中，天基信息系統提供的信息占到70%以上，而中高軌電子偵察衛星是美軍電子偵察衛星發展的重要方向之一。從斯諾登披露的近幾年美國“黑色航天”預算來看，高軌和低軌信號情報衛星的預算比例基本保持在2∶1。

我國目前在軌運行的中高軌衛星大多是導航衛星、中繼通信衛星，根據美國憂思科學家網站統計，截至2014年8月1日，我國共有30顆同步軌道衛星，包括20顆通信衛星和10顆導航衛星[2]。中高軌衛星研制成本和發射成本都很高，在非電子偵察類的衛星平臺搭載電磁監測載荷，是實現大范圍電磁環境監測的有益嘗試。文獻[3]運用STK軟件，研究了基于中軌道衛星(MEO)的電磁環境載荷搭載方案。研究表明，在2個MEO軌道面上各布置3顆搭載電磁環境監測載荷的衛星(監測天線波束覆蓋范圍大于±13°)，即可實現全球瞬時無縫隙覆蓋。

基于中高軌衛星的電磁環境監測可滿足大范圍、連續性長時間監測的需求，但靈敏度和定位能力是需要解決的問題。

從靈敏度角度分析，相同輻射源目標到達天線口面積的信號功率與偵察距離的平方呈反比關系。例如，到達低軌衛星(600km)的信號能流密度比到達高軌衛星(36000km)高35.6dB。因此高軌衛星一般采用大型天線，例如美國的“大酒瓶”(Magnum)靜止軌道電子偵察衛星，其傘狀的偵察天線直徑高達100m，折疊后仍不能用火箭發射，只能搭乘航天飛機升空[2]。天線增益是制約監測靈敏度提高的瓶頸。

從定位能力分析，高軌電子偵察衛星的定位方式有多星時差頻差定位、單星的比幅測向法。文獻[4]研究了一種基于高軌星座的四星時差定位方法，在星座構型比較好的情況下，對具備一定高程的空中目標定位精度可達50km。工程中較為常見的高軌衛星定位方法是基于高增益天線的單星二維比幅測向定位。單星測向定位的難點是其定位精度隨衛星高度增加而遞減。在測向精度0.5°的條件下，中軌道衛星只能實現200km左右的定位精度。因此，對輻射源定位不應作為中高軌電磁環境感知系統的主要任務。

從中高軌衛星的特點而言，其主要任務是實現大范圍、長時間的全球電磁環境普查。從電磁環境的變化判斷核爆、局部戰爭等緊急事件的發生。

2 低軌衛星實現區域增強探測

相對于中高軌衛星，低軌衛星可以偵收到更高信噪比的信號。在中高軌衛星監測的基礎上，結合低軌衛星實現重點區域的增強探測。增強探測主要是指信號層面的精細化分析以及輻射源的精準定位。

隨著微電子、微機電、組網技術的飛速發展，世界各國都十分重視航天領域的微小型技術，如“智能卵石”計劃、“新盛世”計劃、“銥星”計劃、GLOBE STAR計劃等。利用低軌的微納衛星群組網進行區域增強探測是電磁環境監測發展的趨勢[5]。微納衛星群組網由若干個衛星群組成，即使無法做到高軌衛星的“凝視”觀測，也可實現對重點區域較短重返周期的感知。微納衛星群群內衛星間距較近，根據編隊內衛星的多少及輻射源目標信號的特點綜合采用時差定位、頻差定位或時頻差聯合定位。編隊內衛星間具有較強的通信能力，如互傳全脈沖或部分中頻數據；群間的衛星相距較遠，只進行低速信息交換，如互傳指令或目標位置信息等。低軌微納衛星組網區域增強探測如圖1所示。

圖1 低軌微納衛星組網區域增強探測

微納衛星群觀測節點多、定位體制靈活，可獲得較好監測效果，甚至具備空中動目標的無源定位能力。下面對4顆微納衛星實現對空中動目標定位進行仿真，其中3顆星同高度軌道面，軌道高度600km，組成正三角構型，基線長度120km，第4顆星軌道高于3顆星，其高度差500km，時差測量精度18ns，時統精度7ns，衛星絕對定址精度15m，相對定址精度5m，測速誤差0.1m/s。選定目標位置位于星下點1000km處，仿真結果如圖2所示。

圖2 4星對空中動目標定位精度(軌道高度600km)

微納衛星技術較好地解決了傳統電子偵察衛星的幾點問題：研制周期短，滿足快速響應需求；大量使用COTS商業貨架產品與器件，降低了研制成本；一顆或幾顆衛星的失效基本不影響系統整體效能，可通過快速發射補充或增強現有偵察能力。

3 機載平臺/臨近空間實現電磁環境識別和目標平臺識別

3.1 機載平臺

相對于其他平臺的監測手段，機載電子偵察裝備的發展最為完善。其技術水平高、作戰能力強，已成為獲取戰場情報的主要手段。許多軍事大國盡管空間有多個偵察衛星，地面有多個偵察臺站，但仍然斥巨資發展和改進航空電子偵察裝備，推進裝備向著綜合化、網絡化發展。進入新世紀以來，使用無人機平臺遂行戰場航空電子偵察任務有了迅速發展。但從總體上看，以有人機為平臺的航空電子偵察仍然占核心主導地位[6]。

3.2 臨近空間平臺

臨近空間是指距離地面20～100km的區域。美軍將空間飛行器作為未來電子戰/信息戰任務載荷的一個重要平臺，其確定的臨近空間飛行器應用方向包括ISR、通信中繼、遠距離/超視距通信、空中預警與重點目標實時跟蹤等。臨近空間平臺包括平流層飛艇、平流層氣球、高空長航時無人機、平流層漂浮平臺等[7-8]，如圖3和圖4所示。

圖3 美國SOUNDER平流層飛艇

圖4 美國“全球觀察者”氫動力無人機

3.3 特點以及作用

與低軌衛星平臺相比，機載平臺/臨近空間的電磁環境感知手段有以下特點：

1)更高的信噪比和更小的觀測區域

機載平臺/臨近空間電磁環境感知系統與目標輻射源間的距離是低軌衛星的1/100～1/10，相同輻射源到達系統天線的功率要比衛星高40～20dB；同時，其觀測區域面積是低軌衛星的1/10000～1/100，面臨的電磁環境復雜程度也更低。更高的信噪比、更低的電磁環境復雜度，意味著系統能更好地實現信號檢測、樣式識別甚至基于細微特征的個體識別。

2)更強的處理能力

惡劣的空間環境使得衛星平臺有效載荷技術難度高，導致星上處理能力較弱。星地數傳同時制約了地面處理的開展。而機載平臺/臨近空間有效載荷技術難度低，載重和載荷安裝空間的限制少，使得其具備更多的設備資源以實現更復雜的信號/信息處理。

因此，機載平臺/臨近空間平臺感知系統的功能應包括輻射源航跡形成、輻射源型號/平臺識別以及復雜電磁環境識別等。

1)航跡形成

對于機載平臺/臨近空間平臺而言，沒有過頂時間的概念。特別是臨近空間飛行器，可對關注區域進行長時間觀測。例如美軍在研的長期駐空平流層飛艇可以實現幾個月甚至幾年的駐空時間[9]。長時間的連續觀測是形成輻射源航跡的前提條件。

2)輻射源與平臺識別

輻射源識別(EID)，是指將測量的輻射源特征參數與數據庫模板特征參數進行匹配比較，推導出輻射源型號的過程。在輻射源識別設別的基礎上，結合其他信息，如目標位置、速度等，可對平臺進行識別。輻射源與平臺識別是涉及綜合化信號/信息處理的過程，需要考慮特征參數存在區間和殘缺條件下的識別、多功能輻射源識別等復雜問題。

3)復雜電磁環境識別

復雜電磁環境識別是指從探測的電磁環境數據中分析其構成(通信信號、雷達信號、光電信號、電子對抗信號、民用電磁信號和自然電磁信號)，從而全方位地掌握空間內電磁環境分布，而不僅僅只局限于了解電磁頻譜的時域、頻域和能量分布。

基本的實現思路是多方面、多渠道掌握電磁環境的構成方式(如國際電信聯盟公布的用頻規定、歐洲頻率信息管理系統用頻規定、中國無線電臺的用頻管理規定等)，建立先驗頻譜庫。

將監測的電磁環境數據與先驗頻譜特征庫進行比對，進行時頻域濾波，進而實現復雜電磁環境的識別。

4 立體式全球電磁環境感知系統構成及關鍵技術

4.1 系統構成和工作模式

天基、空基多觀測站以及地面處理站構成了立體式全球電磁環境感知系統，其組成如圖5所示。

圖5 立體式全球電磁環境感知系統組成

立體式全球電磁環境感知系統的主要工作模式如下：

1)若干顆中高軌電磁環境監測衛星實現全球瞬時覆蓋，各顆衛星將監測數據通過星間鏈路傳輸至高軌中繼通信衛星。中繼通信衛星將數據回傳至地面數據處理中心形成全球電磁環境態勢。

2)地面數據處理中心將全球電磁環境態勢作為引導信息，上注至低軌微納衛星群，開展區域增強探測，并將其感知信息回傳至地面數據處理中心。

3)低軌微納衛星群進一步引導機載平臺/臨近空間電磁環境感知系統進行監測，形成輻射源航跡、輻射源類型/平臺信息、電磁環境構成數據等。

4)臨近空間作為通信中繼，將機載平臺、臨近空間感知信息回傳至地面數據處理中心。

5)地面數據處理中心開展綜合化處理，完成立體化感知。

4.2 關鍵技術

下面從可視化、數據壓縮、載荷小型化設計等方面，對立體式全球電磁環境感知系統可能涉及的關鍵技術進行闡述。

1)可視化技術

電磁環境可視化技術是通過數據融合和挖掘處理技術，以建立電磁環境可觀化仿真系統為顯示手段，將各平臺監測的電磁環境數據，根據頻率，時間、空間、能量等選擇條件，分級分層以二維或三維的視景直觀地顯示出來[10]。電磁環境的可視化最基本的方法是通過各種圖表來進行可視化展示，包括直方圖、曲線圖、雷達圖、三維圖等。利用一些信息化的報表工具，從主題數據庫中導出相應的圖表來進行多種形式的展示。更進一步地，可通過地理信息系統(GIS)及一些其他的應用系統，來進行電磁環境可視化的綜合展示。技術人員可以把地理信息系統所提供的區域地圖作為背景，而主題數據庫中的基礎數據通過多種形式(如不同的顏色、圖標等)加以表示和區分，并反映到地圖上，以此來形象地展現出特定區域的特定電磁環境情況和變化過程；還可以把這些基礎數據導入一些決策分析系統，利用相關的數學模型，進行線性擬合、回歸分析等計算，來實現對未來電磁環境變化情況的預測。

2)數據壓縮

電磁環境基礎數據的數據量極大，特別是對立體式全球電磁環境感知系統而言。因此在前期對這些基礎數據進行壓縮是非常必要的，可以利用壓縮感知的技術，對數據進行總體的壓縮和解壓，以減少網絡傳輸的數據量[11]。

若要在較大的頻率范圍內確定信號的頻譜，按照奈奎斯特定理，所需的采樣率可能會非常高，甚至超過了現有采樣技術能達到的性能。壓縮感知技術的原理在于尋找合適的稀疏域，將信號在此稀疏域內壓縮后進行參數估計。可實現對信號精確或近似地重構。壓縮感知技術很大程度地減少了測量時間、采樣速率及設備量，因此非常適合于電磁環境感知系統大數據的應用情景。

3)數據查詢技術

電磁環境監測信息查詢技術需要利于對監測信息進行瀏覽、開發、挖掘。因此不單單僅呈現頻域、時域、地域、功率域等的監測結果，還要對這些結果進行取舍、建立關聯、融合處理，提供更進一步的、直接對決策提供支撐的電磁環境監測信息，并將它以直觀的視覺形象呈現出來，加強監測信息的認知。需要拓展電磁環境監測信息的查詢種類范圍，提供更多的查詢方式，提高查詢的全面程度和準確程度；要提供更多的結果生成種類，改善查詢的感知能力[12]。

4)載荷小型化設計

電磁環境監測載荷本身不對外輻射電磁信號，與平臺的接口僅為電源和數傳，本身不會影響平臺的工作，是一種理想的搭載載荷。目前傳統電磁環境監測載荷的設計思路是以離散器件組合，即使采用優化結構、微組裝等手段對載荷質量體積進行優化，但對小型化的貢獻依然是很有限的。目前高性能、高集成度軟件定義無線電(SDR)芯片的發展使得小型化載荷的設計變為可能。這種新型芯片的內部集成了模擬濾波器、混頻器、放大器和數模轉換器等[13]，使得載荷質量有望控制在500g以內。對低等級SDR器件進行評估篩選以及輻射屏蔽加固，保證其環境適應性是必須要開展的工作。

5 結束語

本文按中高軌衛星、低軌衛星、臨近空間、機載等不同層次，提出構建立體式全球電磁環境感知系統的思路，并對需要開展研究的關鍵技術進行了梳理，以期形成全球一體化的電子偵察系統。■

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Construction assumption of global electromagnetic environment sensing system

Xia Yuyin1, Wu Yiming1, Wu Haibin2

(1.No.8511 Research Institute of CASIC, Nanjing 210007, Jiangsu，China；2.The Second Representative Office in Nanjing of Equipment Development Department, Nanjing 210007, Jiangsu, China)

The assumption of establishing global electromagnetic environment sensing system is introduced: high-orbit satellites achieve global seamless coverage of electromagnetic environment (instantaneous sensing), low-orbit satellites achieve regional electromagnetic environment detection (regional enhanced detection), and near-space and airborne platforms achieve electromagnetic environment recognition and important target location. The global electromagnetic environment sensing system establishes the global electromagnetic environment situation database (includes visualization). It can look through the electromagnetic signal of any region at any time, and provides real-time and dynamic global electromagnetic environment distribution for users by gradation and classification.

global; electromagnetic environment sensing; multi-platform; key technology

2016-06-15；2016-09-12修回。

夏宇垠(1983-)，男，高工，博士，主要研究方向為電子偵察總體技術研究。

TN97

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