立體式全球電磁環(huán)境感知系統(tǒng)設(shè)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(fā)展部軍代局駐南京地區(qū)第二軍代室，江蘇 南京 210007)

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立體式全球電磁環(huán)境感知系統(tǒng)設(shè)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(fā)展部軍代局駐南京地區(qū)第二軍代室，江蘇 南京 210007)

介紹了立體式全球電磁環(huán)境感知系統(tǒng)的構(gòu)建思路：以高軌衛(wèi)星實現(xiàn)全球瞬時無縫隙電磁環(huán)境覆蓋(瞬時感知)；以低軌衛(wèi)星實現(xiàn)區(qū)域電磁環(huán)境探測(區(qū)域增強探測)；以臨近空間或機載平臺實現(xiàn)電磁環(huán)境識別和重點目標(biāo)定位(分析電磁環(huán)境、識別和定位重點目標(biāo))。立體式全球電磁環(huán)境感知系統(tǒng)以空、天電磁環(huán)境探測為網(wǎng)絡(luò)，建立全球電磁態(tài)勢數(shù)據(jù)庫(含可視化)，實現(xiàn)在任何時間查閱任何區(qū)域內(nèi)的電磁信號分布情況，分級分類為用戶提供全球各區(qū)域?qū)崟r、動態(tài)的電磁環(huán)境分布態(tài)勢。

全球；電磁環(huán)境監(jiān)測；多平臺；關(guān)鍵技術(shù)

0 引言

在信息化戰(zhàn)場上，電磁環(huán)境已經(jīng)成為與氣象環(huán)境、地理環(huán)境、社會環(huán)境等傳統(tǒng)類型的戰(zhàn)場環(huán)境同等重要的環(huán)境因素[1]。及時、動態(tài)地掌握全球電磁態(tài)勢對國防安全、軍事戰(zhàn)略部署、海外軍事活動有著重要意義。隨著信息化技術(shù)的飛躍發(fā)展，各類軍用民用電磁設(shè)備廣泛用于通信、航空、傳感、定位、情報獲取、信息處理等領(lǐng)域，加劇了地表電磁環(huán)境的復(fù)雜性。

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

1 中高軌衛(wèi)星實現(xiàn)全球瞬時無縫隙電磁環(huán)境監(jiān)測覆蓋

天基信息系統(tǒng)由于其得“天”獨厚的地理位置優(yōu)勢，已經(jīng)成為現(xiàn)代作戰(zhàn)信息獲取軍事情報、主宰戰(zhàn)場空間、確保軍事優(yōu)勢的關(guān)鍵因素之一。各國在軌運行航天器中，軍用衛(wèi)星約占總量的三分之二以上。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在近20年美軍發(fā)動的幾次局部戰(zhàn)爭中，天基信息系統(tǒng)提供的信息占到70%以上，而中高軌電子偵察衛(wèi)星是美軍電子偵察衛(wèi)星發(fā)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(yù)算來看，高軌和低軌信號情報衛(wèi)星的預(yù)算比例基本保持在2∶1。

我國目前在軌運行的中高軌衛(wèi)星大多是導(dǎo)航衛(wèi)星、中繼通信衛(wèi)星，根據(jù)美國憂思科學(xué)家網(wǎng)站統(tǒng)計，截至2014年8月1日，我國共有30顆同步軌道衛(wèi)星，包括20顆通信衛(wèi)星和10顆導(dǎo)航衛(wèi)星[2]。中高軌衛(wèi)星研制成本和發(fā)射成本都很高，在非電子偵察類的衛(wèi)星平臺搭載電磁監(jiān)測載荷，是實現(xiàn)大范圍電磁環(huán)境監(jiān)測的有益嘗試。文獻[3]運用STK軟件，研究了基于中軌道衛(wèi)星(MEO)的電磁環(huán)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(huán)境監(jiān)測載荷的衛(wèi)星(監(jiān)測天線波束覆蓋范圍大于±13°)，即可實現(xiàn)全球瞬時無縫隙覆蓋。

基于中高軌衛(wèi)星的電磁環(huán)境監(jiān)測可滿足大范圍、連續(xù)性長時間監(jiān)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(biāo)到達天線口面積的信號功率與偵察距離的平方呈反比關(guān)系。例如，到達低軌衛(wèi)星(600km)的信號能流密度比到達高軌衛(wèi)星(36000km)高35.6dB。因此高軌衛(wèi)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(wèi)星，其傘狀的偵察天線直徑高達100m，折疊后仍不能用火箭發(fā)射，只能搭乘航天飛機升空[2]。天線增益是制約監(jiān)測靈敏度提高的瓶頸。

從定位能力分析，高軌電子偵察衛(wèi)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(gòu)型比較好的情況下，對具備一定高程的空中目標(biāo)定位精度可達50km。工程中較為常見的高軌衛(wèi)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(wèi)星高度增加而遞減。在測向精度0.5°的條件下，中軌道衛(wèi)星只能實現(xiàn)200km左右的定位精度。因此，對輻射源定位不應(yīng)作為中高軌電磁環(huán)境感知系統(tǒng)的主要任務(wù)。

從中高軌衛(wèi)星的特點而言，其主要任務(wù)是實現(xiàn)大范圍、長時間的全球電磁環(huán)境普查。從電磁環(huán)境的變化判斷核爆、局部戰(zhàn)爭等緊急事件的發(fā)生。

2 低軌衛(wèi)星實現(xiàn)區(qū)域增強探測

相對于中高軌衛(wèi)星，低軌衛(wèi)星可以偵收到更高信噪比的信號。在中高軌衛(wèi)星監(jiān)測的基礎(chǔ)上，結(jié)合低軌衛(wèi)星實現(xiàn)重點區(qū)域的增強探測。增強探測主要是指信號層面的精細(xì)化分析以及輻射源的精準(zhǔn)定位。

隨著微電子、微機電、組網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，世界各國都十分重視航天領(lǐng)域的微小型技術(shù)，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(wèi)星群組網(wǎng)進行區(qū)域增強探測是電磁環(huán)境監(jiān)測發(fā)展的趨勢[5]。微納衛(wèi)星群組網(wǎng)由若干個衛(wèi)星群組成，即使無法做到高軌衛(wèi)星的“凝視”觀測，也可實現(xiàn)對重點區(qū)域較短重返周期的感知。微納衛(wèi)星群群內(nèi)衛(wèi)星間距較近，根據(jù)編隊內(nèi)衛(wèi)星的多少及輻射源目標(biāo)信號的特點綜合采用時差定位、頻差定位或時頻差聯(lián)合定位。編隊內(nèi)衛(wèi)星間具有較強的通信能力，如互傳全脈沖或部分中頻數(shù)據(jù)；群間的衛(wèi)星相距較遠(yuǎn)，只進行低速信息交換，如互傳指令或目標(biāo)位置信息等。低軌微納衛(wèi)星組網(wǎng)區(qū)域增強探測如圖1所示。

圖1 低軌微納衛(wèi)星組網(wǎng)區(qū)域增強探測

微納衛(wèi)星群觀測節(jié)點多、定位體制靈活，可獲得較好監(jiān)測效果，甚至具備空中動目標(biāo)的無源定位能力。下面對4顆微納衛(wèi)星實現(xiàn)對空中動目標(biāo)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(gòu)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(tǒng)精度7ns，衛(wèi)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(biāo)位置位于星下點1000km處，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 4星對空中動目標(biāo)定位精度(軌道高度600km)

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

3 機載平臺/臨近空間實現(xiàn)電磁環(huán)境識別和目標(biāo)平臺識別

3.1 機載平臺

相對于其他平臺的監(jiān)測手段，機載電子偵察裝備的發(fā)展最為完善。其技術(shù)水平高、作戰(zhàn)能力強，已成為獲取戰(zhàn)場情報的主要手段。許多軍事大國盡管空間有多個偵察衛(wèi)星，地面有多個偵察臺站，但仍然斥巨資發(fā)展和改進航空電子偵察裝備，推進裝備向著綜合化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。進入新世紀(jì)以來，使用無人機平臺遂行戰(zhàn)場航空電子偵察任務(wù)有了迅速發(fā)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(dǎo)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(qū)域。美軍將空間飛行器作為未來電子戰(zhàn)/信息戰(zhàn)任務(wù)載荷的一個重要平臺，其確定的臨近空間飛行器應(yīng)用方向包括ISR、通信中繼、遠(yuǎn)距離/超視距通信、空中預(yù)警與重點目標(biāo)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(wèi)星平臺相比，機載平臺/臨近空間的電磁環(huán)境感知手段有以下特點：

1)更高的信噪比和更小的觀測區(qū)域

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

2)更強的處理能力

惡劣的空間環(huán)境使得衛(wèi)星平臺有效載荷技術(shù)難度高，導(dǎo)致星上處理能力較弱。星地數(shù)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(shù)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(shè)備資源以實現(xiàn)更復(fù)雜的信號/信息處理。

因此，機載平臺/臨近空間平臺感知系統(tǒng)的功能應(yīng)包括輻射源航跡形成、輻射源型號/平臺識別以及復(fù)雜電磁環(huán)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(guān)注區(qū)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(xiàn)幾個月甚至幾年的駐空時間[9]。長時間的連續(xù)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(shù)與數(shù)據(jù)庫模板特征參數(shù)進行匹配比較，推導(dǎo)出輻射源型號的過程。在輻射源識別設(shè)別的基礎(chǔ)上，結(jié)合其他信息，如目標(biāo)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(shù)存在區(qū)間和殘缺條件下的識別、多功能輻射源識別等復(fù)雜問題。

3)復(fù)雜電磁環(huán)境識別

復(fù)雜電磁環(huán)境識別是指從探測的電磁環(huán)境數(shù)據(jù)中分析其構(gòu)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(nèi)電磁環(huán)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(xiàn)思路是多方面、多渠道掌握電磁環(huán)境的構(gòu)成方式(如國際電信聯(lián)盟公布的用頻規(guī)定、歐洲頻率信息管理系統(tǒng)用頻規(guī)定、中國無線電臺的用頻管理規(guī)定等)，建立先驗頻譜庫。

將監(jiān)測的電磁環(huán)境數(shù)據(jù)與先驗頻譜特征庫進行比對，進行時頻域濾波，進而實現(xiàn)復(fù)雜電磁環(huán)境的識別。

4 立體式全球電磁環(huán)境感知系統(tǒng)構(gòu)成及關(guān)鍵技術(shù)

4.1 系統(tǒng)構(gòu)成和工作模式

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

圖5 立體式全球電磁環(huán)境感知系統(tǒng)組成

立體式全球電磁環(huán)境感知系統(tǒng)的主要工作模式如下：

1)若干顆中高軌電磁環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星實現(xiàn)全球瞬時覆蓋，各顆衛(wèi)星將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過星間鏈路傳輸至高軌中繼通信衛(wèi)星。中繼通信衛(wèi)星將數(shù)據(jù)回傳至地面數(shù)據(jù)處理中心形成全球電磁環(huán)境態(tài)勢。

2)地面數(shù)據(jù)處理中心將全球電磁環(huán)境態(tài)勢作為引導(dǎo)信息，上注至低軌微納衛(wèi)星群，開展區(qū)域增強探測，并將其感知信息回傳至地面數(shù)據(jù)處理中心。

3)低軌微納衛(wèi)星群進一步引導(dǎo)機載平臺/臨近空間電磁環(huán)境感知系統(tǒng)進行監(jiān)測，形成輻射源航跡、輻射源類型/平臺信息、電磁環(huán)境構(gòu)成數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理中心。

5)地面數(shù)據(jù)處理中心開展綜合化處理，完成立體化感知。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)

下面從可視化、數(shù)據(jù)壓縮、載荷小型化設(shè)計等方面，對立體式全球電磁環(huán)境感知系統(tǒng)可能涉及的關(guān)鍵技術(shù)進行闡述。

1)可視化技術(shù)

電磁環(huán)境可視化技術(shù)是通過數(shù)據(jù)融合和挖掘處理技術(shù)，以建立電磁環(huán)境可觀化仿真系統(tǒng)為顯示手段，將各平臺監(jiān)測的電磁環(huán)境數(shù)據(jù)，根據(jù)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(huán)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(shù)據(jù)庫中導(dǎo)出相應(yīng)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(tǒng)(GIS)及一些其他的應(yīng)用系統(tǒng)，來進行電磁環(huán)境可視化的綜合展示。技術(shù)人員可以把地理信息系統(tǒng)所提供的區(qū)域地圖作為背景，而主題數(shù)據(jù)庫中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通過多種形式(如不同的顏色、圖標(biāo)等)加以表示和區(qū)分，并反映到地圖上，以此來形象地展現(xiàn)出特定區(qū)域的特定電磁環(huán)境情況和變化過程；還可以把這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入一些決策分析系統(tǒng)，利用相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，進行線性擬合、回歸分析等計算，來實現(xiàn)對未來電磁環(huán)境變化情況的預(yù)測。

2)數(shù)據(jù)壓縮

電磁環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量極大，特別是對立體式全球電磁環(huán)境感知系統(tǒng)而言。因此在前期對這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行壓縮是非常必要的，可以利用壓縮感知的技術(shù)，對數(shù)據(jù)進行總體的壓縮和解壓，以減少網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量[11]。

若要在較大的頻率范圍內(nèi)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(xiàn)有采樣技術(shù)能達到的性能。壓縮感知技術(shù)的原理在于尋找合適的稀疏域，將信號在此稀疏域內(nèi)壓縮后進行參數(shù)估計?？蓪崿F(xiàn)對信號精確或近似地重構(gòu)。壓縮感知技術(shù)很大程度地減少了測量時間、采樣速率及設(shè)備量，因此非常適合于電磁環(huán)境感知系統(tǒng)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用情景。

3)數(shù)據(jù)查詢技術(shù)

電磁環(huán)境監(jiān)測信息查詢技術(shù)需要利于對監(jiān)測信息進行瀏覽、開發(fā)、挖掘。因此不單單僅呈現(xiàn)頻域、時域、地域、功率域等的監(jiān)測結(jié)果，還要對這些結(jié)果進行取舍、建立關(guān)聯(lián)、融合處理，提供更進一步的、直接對決策提供支撐的電磁環(huán)境監(jiān)測信息，并將它以直觀的視覺形象呈現(xiàn)出來，加強監(jiān)測信息的認(rèn)知。需要拓展電磁環(huán)境監(jiān)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(zhǔn)確程度；要提供更多的結(jié)果生成種類，改善查詢的感知能力[12]。

4)載荷小型化設(shè)計

電磁環(huán)境監(jiān)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(shù)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(tǒng)電磁環(huán)境監(jiān)測載荷的設(shè)計思路是以離散器件組合，即使采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)、微組裝等手段對載荷質(zhì)量體積進行優(yōu)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(fā)展使得小型化載荷的設(shè)計變?yōu)榭赡堋＿@種新型芯片的內(nèi)部集成了模擬濾波器、混頻器、放大器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器等[13]，使得載荷質(zhì)量有望控制在500g以內(nèi)。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(huán)境適應(yīng)性是必須要開展的工作。

5 結(jié)束語

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

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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(shù)研究。

TN97

A