從電磁頻譜特性看未來電磁頻譜戰(zhàn)的捷變性

顧黎明，張小林，劉 健

(1.中國電子科技集團公司第三十六研究所，浙江 嘉興 314033； 2.中國空間技術研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094)

0 引言

電磁頻譜領域是現(xiàn)代戰(zhàn)爭的重要作戰(zhàn)領域之一，根據(jù)文獻[1]的定義，在電磁頻譜中執(zhí)行的所有行動都可視為電磁頻譜戰(zhàn)的一部分。自無線電臺產(chǎn)生以來，電磁頻譜戰(zhàn)在過去的100多年里發(fā)生了翻天覆地的變化，主要可分為三個階段：第一階段，20世紀10年代至40年代中期，是“有源網(wǎng)絡”與“無源對抗”的較量；第二階段，20世紀40年代中期至80年代中期，是“有源網(wǎng)絡”與“有源對抗措施”的較量；第三階段，從20世紀80年代中期至今，是“隱身”與“低功率網(wǎng)絡”的較量。

當前，電磁頻譜戰(zhàn)的第三階段——“隱身”與“低功率網(wǎng)絡”之間的較量已初見曙光，低功率到零功率的傳感器、通信系統(tǒng)和對抗措施系統(tǒng)的使用將是未來一段時期內(nèi)電磁頻譜戰(zhàn)競爭的主題。

1 未來電磁頻譜戰(zhàn)的特點

為了應對未來電磁頻譜戰(zhàn)的新階段，文獻[1]提出了“低至無功率”的新型作戰(zhàn)理念。該理念的核心思想具體體現(xiàn)在以下2方面：

1)從電磁頻譜利用的角度來說，采用低截獲概率或低探測概率的傳感器和通信方式，以降低被敵方傳感器探測的可能性；

2)從電磁頻譜對抗的角度來說，采用“低至無功率”的手段去對抗敵方無源和有源傳感器，即利用低功率或無源手段，以降低被敵方傳感器探測的可能性。

“低至無功率”作戰(zhàn)系統(tǒng)需要具備網(wǎng)絡化、捷變性、多功能、小型化和自適應五大特點：

1) 網(wǎng)絡化是指系統(tǒng)能夠利用LPI(低截獲概率)/LPD(低檢測概率)數(shù)據(jù)鏈路與其他系統(tǒng)進行通信協(xié)作，通過互聯(lián)、遠控等手段，實現(xiàn)信息共享，及時調(diào)整作戰(zhàn)策略；

2) 捷變性是指能夠在能域、頻域、空域、時域等領域內(nèi)機動以保持不被發(fā)現(xiàn)、定位敵方網(wǎng)絡、規(guī)避敵方對抗措施；

3) 多功能是指利用單一系統(tǒng)完成多種電磁頻譜戰(zhàn)功能，如通信、有源/無源傳感、干擾、欺騙、誘騙；

4) 小型化是指能夠大量部署在小型無人運載平臺、大型載人平臺等多種作戰(zhàn)平臺，以組建多種不同的電磁頻譜戰(zhàn)網(wǎng)絡；

5) 自適應是指能夠描述各種已知、未知輻射源的電磁頻譜特征，且能夠對敵方可能的利用行動作出響應或者對抗敵方電磁頻譜作戰(zhàn)行動。

其中，隨著新的移動通信和傳感技術的商業(yè)可用性越來越強，電磁頻譜將變得越來越擁擠，軍用電磁頻譜域不斷被侵蝕。對電磁頻譜捷變性的研究，可以極大地幫助軍事用戶開發(fā)相關程序和自動控制方法，充分合理地在有限的電磁頻譜中挖掘更大的能力，以避免在電磁頻譜應用過程中的沖突。

2 未來電磁頻譜戰(zhàn)的捷變性

對電磁頻譜捷變性的研究，需要從電磁頻譜的時域、頻域、空域、能量域、極化域等多維特征出發(fā)，進行全維度的剖析。

2.1 時域捷變性

時域捷變性是指不同時刻在電磁頻譜內(nèi)表現(xiàn)出的不同特性。時域捷變需要與其他域結合起來統(tǒng)一表現(xiàn)，如不同時刻在頻域/空域/能量域/極化域的特性變化，具體在下面4個域的分析中進行表述。

2.2 頻域捷變性

頻域捷變性是指在未受敵方監(jiān)控的電磁頻域內(nèi)進行操作，主要包括以下2方面的內(nèi)容：

一是在敵方監(jiān)控能力無法達到的電磁頻域內(nèi)進行操作，從而實現(xiàn)不被敵方傳感器探測。電磁頻譜如圖1所示。原有電磁頻譜戰(zhàn)裝備對電磁頻譜的利用一般集中于低頻段，較高頻段的通信/通信對抗相關技術/裝備的研究不足，監(jiān)控能力也較弱。因此，未來電磁頻譜戰(zhàn)中的相關裝備，其工作頻段將會越來越高，以美軍抗干擾通信Milstar/AEHF衛(wèi)星為例，上下行通信工作頻段分別在45GHz/20GHz，星間通信頻段甚至已經(jīng)達到了60GHz[2]。在未來，軍用系統(tǒng)還可以使用更廣的電磁頻譜，包括使用激光、紅外、紫外電磁輻射的能力，或者能輻射和探測X射線和伽馬射線的設備。

二是在敵方監(jiān)控能力無法全部覆蓋的電磁頻域內(nèi)進行操作，從而降低被敵方傳感器探測的可能性。如原有電磁頻譜戰(zhàn)裝備大多采用定頻通信，而現(xiàn)在，已經(jīng)開始采用寬帶高速跳頻信號進行通信，同樣以美軍AEHF衛(wèi)星為例，其上下行通信信號分別在2GHz/1GHz跳頻帶寬內(nèi)進行跳頻通信。在合作方已知跳頻圖案的前提下，與定頻通信接收類似，對于監(jiān)控方，使用窄帶接收機掃頻監(jiān)控的方式已經(jīng)無法滿足實時無漏跳接收的需求，必須對該2GHz/1GHz跳頻帶寬進行全頻段控守，監(jiān)控難度大，資源需求高。

2.3 空域捷變性

空域捷變性是指進行電磁頻譜操作的空域具備捷變的能力，對需要進行電磁頻譜操作的空域進行覆蓋，對不需要進行電磁頻譜操作的空域進行抑制，從而降低被敵方傳感器探測的可能性。

空域捷變性的實現(xiàn)主要依賴于相控陣天線的研制，相比于原有的固定波束天線、可動點波束天線(帶伺服轉動機構)，相控陣天線可以在平臺/天線姿態(tài)不變的情況下掃描覆蓋不同區(qū)域，生成可變形狀和功率的多個波束，實現(xiàn)空域的捷變；進一步的，對不需要進行電磁頻譜操作的空域進行抑制，可以采用調(diào)零天線方式，對非預期方向進行零功率操作，如圖2所示。

同樣以AEHF衛(wèi)星為例[3]，其相控陣天線通過電子方式來改變射頻波束指向，可以便捷地使用戶之間的波束瞬間跳變，衛(wèi)星的上行相控陣天線可直接接收來自地面終端的信號；星上的“波束形成網(wǎng)絡”能使AEHF衛(wèi)星天線對非合作用戶探測干擾的方向進行自動調(diào)零，而在波束覆蓋范圍內(nèi)的合作用戶能夠正常使用衛(wèi)星，如圖3所示。

2.4 能量域捷變性

能量域捷變性是指在電磁頻譜的操作過程中，發(fā)射能量需要根據(jù)作戰(zhàn)需要調(diào)整其發(fā)射功率，在保證正常工作的前提下，發(fā)射功率水平越低，被敵方傳感器探測、利用的可能性也越低。

無線電的傳輸過程需要考慮復雜的環(huán)境因素影響。以通信系統(tǒng)的設計為例，除了必須的鏈路損耗外，還必須考慮傳播路徑上可能的大氣損耗、雨霧損耗、以及其他一些損耗等。尤其是雨霧損耗，每千米雨霧衰減與雨霧等級、工作頻率均有著極大的關聯(lián)(如表1、圖4所示)，因此通信系統(tǒng)的發(fā)射功率必須考慮極端情況，留有充足的余量。

[]

雨A0．25mm/hr0．01in/hr細雨B1．0mm/hr0．04in/hr小雨C4．0mm/hr0．16in/hr中雨D16mm/hr0．64in/hr大雨E100mm/hr4．0in/hr特大雨霧F0．032gm/m3能見度大于600mG0．32gm/m3能見度約為120mH2．3gm/m3能見度約為30m

在實際通信過程中，由于環(huán)境不同、或環(huán)境實時變化的因素，在正常工作后，需要進行能量域的自動調(diào)整(捷變)，盡最大可能減少鏈路的余量，降低被敵方傳感器探測、利用的風險。無線通信系統(tǒng)中的自動功率控制作為第三代移動通信的關鍵技術之一，在CDMA系統(tǒng)中得到了廣泛的應用，并被廣大學者不斷改進優(yōu)化[5-7]。

2.5 極化域捷變性

極化域捷變性是指在電磁頻譜操作過程中，通過改變極化方式來降低被敵方傳感器探測的可能性。如原有電磁頻譜戰(zhàn)裝備天線的極化方向較為固定且單一，只能采用一種極化方式，隨著技術的發(fā)展，未來電磁頻譜戰(zhàn)裝備的天線，必將具備多種極化切換通信的能力。如美國S波段RADAC的極化跟蹤雷達采取多種虛擬極化處理，實現(xiàn)了極化抗干擾和極化特征測量功能；美國X波段脈沖內(nèi)極化捷變雷達(IPAR)，以左旋圓極化和右旋圓極化作為正交極化基，進行極化脈沖壓縮，提高了雷達的抗干擾和目標檢測能力[8]。

3 結束語

本文根據(jù)電磁頻譜的特性，從時域、頻域、空域、能量域、極化域等多個角度，分析了未來電磁頻譜戰(zhàn)對于捷變性的需求，以及其發(fā)展方向，對研究未來電磁頻譜戰(zhàn)的作戰(zhàn)方式、研制未來電磁頻譜戰(zhàn)的系統(tǒng)裝備具有參考意義。■

[1] Clark B，Gunzinger M. Winning the airwaves: regaining America’s dominance in the electromagnetic spectrum[R]. CSBA, 2015.

[2] 鄭同良. “軍事星”衛(wèi)星通信系統(tǒng)綜述[J]. 航天電子對抗, 2005,21(3): 51-53.

[3] 楊海平，胡向暉，李毅. 衛(wèi)星通信系列講座之十三——先進極高頻(AEHF)衛(wèi)星[J]. 數(shù)字通信世界，2008(6): 84-87.

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