從電磁頻譜特性看未來(lái)電磁頻譜戰(zhàn)的捷變性

顧黎明，張小林，劉 健

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

0 引言

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

當(dāng)前，電磁頻譜戰(zhàn)的第三階段——“隱身”與“低功率網(wǎng)絡(luò)”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(duì)抗措施系統(tǒng)的使用將是未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)電磁頻譜戰(zhàn)競(jìng)爭(zhēng)的主題。

1 未來(lái)電磁頻譜戰(zhàn)的特點(diǎn)

為了應(yīng)對(duì)未來(lái)電磁頻譜戰(zhàn)的新階段，文獻(xiàn)[1]提出了“低至無(wú)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(lái)說(shuō)，采用低截獲概率或低探測(cè)概率的傳感器和通信方式，以降低被敵方傳感器探測(cè)的可能性；

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

“低至無(wú)功率”作戰(zhàn)系統(tǒng)需要具備網(wǎng)絡(luò)化、捷變性、多功能、小型化和自適應(yīng)五大特點(diǎn)：

1) 網(wǎng)絡(luò)化是指系統(tǒng)能夠利用LPI(低截獲概率)/LPD(低檢測(cè)概率)數(shù)據(jù)鏈路與其他系統(tǒng)進(jìn)行通信協(xié)作，通過(guò)互聯(lián)、遠(yuǎn)控等手段，實(shí)現(xiàn)信息共享，及時(shí)調(diào)整作戰(zhàn)策略；

2) 捷變性是指能夠在能域、頻域、空域、時(shí)域等領(lǐng)域內(nèi)機(jī)動(dòng)以保持不被發(fā)現(xiàn)、定位敵方網(wǎng)絡(luò)、規(guī)避敵方對(duì)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(wú)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(wú)人運(yùn)載平臺(tái)、大型載人平臺(tái)等多種作戰(zhàn)平臺(tái)，以組建多種不同的電磁頻譜戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)；

5) 自適應(yīng)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?qū)撤娇赡艿睦眯袆?dòng)作出響應(yīng)或者對(duì)抗敵方電磁頻譜作戰(zhàn)行動(dòng)。

其中，隨著新的移動(dòng)通信和傳感技術(shù)的商業(yè)可用性越來(lái)越強(qiáng)，電磁頻譜將變得越來(lái)越擁擠，軍用電磁頻譜域不斷被侵蝕。對(duì)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(guān)程序和自動(dòng)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(yīng)用過(guò)程中的沖突。

2 未來(lái)電磁頻譜戰(zhàn)的捷變性

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

2.1 時(shí)域捷變性

時(shí)域捷變性是指不同時(shí)刻在電磁頻譜內(nèi)表現(xiàn)出的不同特性。時(shí)域捷變需要與其他域結(jié)合起來(lái)統(tǒng)一表現(xiàn)，如不同時(shí)刻在頻域/空域/能量域/極化域的特性變化，具體在下面4個(gè)域的分析中進(jìn)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(jìn)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(wú)法達(dá)到的電磁頻域內(nèi)進(jìn)行操作，從而實(shí)現(xiàn)不被敵方傳感器探測(cè)。電磁頻譜如圖1所示。原有電磁頻譜戰(zhàn)裝備對(duì)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(duì)抗相關(guān)技術(shù)/裝備的研究不足，監(jiān)控能力也較弱。因此，未來(lái)電磁頻譜戰(zhàn)中的相關(guān)裝備，其工作頻段將會(huì)越來(lái)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(dá)到了60GHz[2]。在未來(lái)，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(cè)X射線和伽馬射線的設(shè)備。

二是在敵方監(jiān)控能力無(wú)法全部覆蓋的電磁頻域內(nèi)進(jìn)行操作，從而降低被敵方傳感器探測(cè)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(hào)進(jìn)行通信，同樣以美軍AEHF衛(wèi)星為例，其上下行通信信號(hào)分別在2GHz/1GHz跳頻帶寬內(nèi)進(jìn)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(duì)于監(jiān)控方，使用窄帶接收機(jī)掃頻監(jiān)控的方式已經(jīng)無(wú)法滿足實(shí)時(shí)無(wú)漏跳接收的需求，必須對(duì)該2GHz/1GHz跳頻帶寬進(jìn)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(jìn)行電磁頻譜操作的空域具備捷變的能力，對(duì)需要進(jìn)行電磁頻譜操作的空域進(jìn)行覆蓋，對(duì)不需要進(jìn)行電磁頻譜操作的空域進(jìn)行抑制，從而降低被敵方傳感器探測(cè)的可能性。

空域捷變性的實(shí)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(dòng)點(diǎn)波束天線(帶伺服轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu))，相控陣天線可以在平臺(tái)/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(gè)波束，實(shí)現(xiàn)空域的捷變；進(jìn)一步的，對(duì)不需要進(jìn)行電磁頻譜操作的空域進(jìn)行抑制，可以采用調(diào)零天線方式，對(duì)非預(yù)期方向進(jìn)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(guò)電子方式來(lái)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(lái)自地面終端的信號(hào)；星上的“波束形成網(wǎng)絡(luò)”能使AEHF衛(wèi)星天線對(duì)非合作用戶探測(cè)干擾的方向進(jìn)行自動(dòng)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(guò)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(cè)、利用的可能性也越低。

無(wú)線電的傳輸過(guò)程需要考慮復(fù)雜的環(huán)境因素影響。以通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jí)、工作頻率均有著極大的關(guān)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(xì)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(shí)際通信過(guò)程中，由于環(huán)境不同、或環(huán)境實(shí)時(shí)變化的因素，在正常工作后，需要進(jìn)行能量域的自動(dòng)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(cè)、利用的風(fēng)險(xiǎn)。無(wú)線通信系統(tǒng)中的自動(dòng)功率控制作為第三代移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，在CDMA系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，并被廣大學(xué)者不斷改進(jìn)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(guò)程中，通過(guò)改變極化方式來(lái)降低被敵方傳感器探測(cè)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(shù)的發(fā)展，未來(lái)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(guó)S波段RADAC的極化跟蹤雷達(dá)采取多種虛擬極化處理，實(shí)現(xiàn)了極化抗干擾和極化特征測(cè)量功能；美國(guó)X波段脈沖內(nèi)極化捷變雷達(dá)(IPAR)，以左旋圓極化和右旋圓極化作為正交極化基，進(jìn)行極化脈沖壓縮，提高了雷達(dá)的抗干擾和目標(biāo)檢測(cè)能力[8]。

3 結(jié)束語(yǔ)

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

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