美軍全球電磁頻譜信息系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 *

張 寧，周正廉 ，張祖堯

(海軍指揮學(xué)院 作戰(zhàn)實驗室，南京210016)

0 引 言

隨著依賴電磁頻譜的復(fù)雜系統(tǒng)的便攜性和功能性不斷提高，軍事行動面向的電磁頻譜環(huán)境在未來將變得更加復(fù)雜。為使軍事力量能夠更好地使用電磁頻譜，2013年，美軍參謀長聯(lián)席會議手冊中首次提出聯(lián)合電磁頻譜作戰(zhàn)(Joint Electromagnetic Spectrum Operation,JEMSO)概念，并在2016年的美軍聯(lián)合作戰(zhàn)條令中對其進(jìn)行了全方位的規(guī)范。JEMSO由聯(lián)合電磁頻譜管控和電子戰(zhàn)組成，旨在開發(fā)、攻擊、保護(hù)和管理電磁作戰(zhàn)環(huán)境內(nèi)的頻譜資源，解決電磁干擾(Electromagnetic Interference,EMI)，以實現(xiàn)作戰(zhàn)指揮官的目標(biāo)[1]。

聯(lián)合電磁頻譜作戰(zhàn)行動中必然面臨復(fù)雜的電磁頻譜規(guī)劃與使用情況。經(jīng)過近些年從裝備技術(shù)到作戰(zhàn)理論的深入探索，美軍已逐步健全了電磁頻譜管理的軟硬件條件。美軍不僅構(gòu)建了電磁頻譜管理體系，設(shè)立相應(yīng)職能部門，還持續(xù)深化全球電磁頻譜信息系統(tǒng)(Global Electromagnetic Spectrum Information System,GEMSIS)建設(shè)以實現(xiàn)高效自動的頻譜管理，并在此基礎(chǔ)上實施“低-零功率”、機(jī)動式、認(rèn)知化電磁頻譜作戰(zhàn)樣式。研究和剖析美軍GEMSIS系統(tǒng)的技術(shù)特性與建設(shè)思路，對當(dāng)前電磁頻譜管理系統(tǒng)建設(shè)與電磁頻譜作戰(zhàn)發(fā)展、未來信息戰(zhàn)場與敵制勝具有重要現(xiàn)實意義。

1 GEMSIS發(fā)展現(xiàn)狀

2006年1月23日，美聯(lián)合需求監(jiān)督委員會批準(zhǔn)了GEMSIS初始能力文件，并于2009年啟動開發(fā)。這是美軍為實現(xiàn)以網(wǎng)絡(luò)為中心的電磁頻譜管控戰(zhàn)略而打造的聯(lián)合頻譜管理系統(tǒng)，旨在使電磁頻譜策略由預(yù)先計劃和靜態(tài)分配轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾骱妥赃m應(yīng)的模式。

由美國防部信息系統(tǒng)局(Defense Information System Agency,DISA)歷年財報中梳理的項目開發(fā)進(jìn)程可知[2]，GEMSIS項目開發(fā)共分為三個增量階段：增量1階段確定了服務(wù)架構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)，并接入了一體化聯(lián)合頻譜管理規(guī)劃工具(Coalition Joint Spectrum Management Planning Tool,CJSMPT)和東道國頻譜全球數(shù)據(jù)庫在線(Host Nation Spectrum Worldwide Database Online,HNSWDO)；增量2階段完成了依托于全球信息柵格，基于網(wǎng)絡(luò)中心和Web服務(wù)的頻譜管理工具，集成了聯(lián)合頻譜數(shù)據(jù)倉庫(Joint Spectrum Data Repository,JSDR)、基石(Stepstone)、頻譜XXI(SXXI,Spectrum XXI)、海上電磁頻譜作戰(zhàn)項目(Afloat Electromagnetic Spectrum Operations Program,AESOP)等服務(wù)，實現(xiàn)集成頻譜桌面(Integrated Spectrum Desktop,ISD)并部署升級了2.0版本；增量3階段的主要工作則是在前兩個階段的基礎(chǔ)上進(jìn)行維護(hù)和升級，實現(xiàn)與同盟伙伴的信息交互合作，完善系統(tǒng)功能，最終為作戰(zhàn)能力形成提供可靠支撐。GEMSIS項目的具體發(fā)展進(jìn)程如表1所示。

表1 GEMSIS項目發(fā)展進(jìn)程

經(jīng)過十多年的持續(xù)建設(shè)，GEMSIS已經(jīng)在增量1和增量2階段形成了如圖1所示的功能模塊相對完備的電磁頻譜管理工具體系[3]，下面對各模塊功能進(jìn)行介紹。

圖1 GEMSIS在增量2階段形成的能力結(jié)構(gòu)框圖

1.1 頻譜數(shù)據(jù)模塊——JSDR

JSDR作為國防部權(quán)威的頻譜數(shù)據(jù)庫，收錄了美軍收集的電磁頻譜有關(guān)的數(shù)據(jù)，支持符合美軍事通信電子委員會頒布的Pub 8標(biāo)準(zhǔn)頻譜資源格式的Web服務(wù)[4]。JSDR通過提供綜合的傳輸基線，可以使情報部隊和電子戰(zhàn)部隊更容易深入對手的通信領(lǐng)域，也為其他功能模塊提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)支撐。

1.2 頻譜規(guī)劃模塊——CJSMPT

CJSMPT 能為JEMSO的各個階段提供頻譜規(guī)劃的能力支撐，主要由四部分協(xié)同完成：收集演訓(xùn)任務(wù)兵力態(tài)勢、平臺及其載荷的電磁特征數(shù)據(jù)，通過分析完成對頻譜的有效管控；通過仿真模擬，在行動前計算潛在用頻沖突；可視化組件配合數(shù)字三維地形圖，將電子對抗及通信效能可視化地進(jìn)行展現(xiàn)；采取標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)格式，能夠接入并獲取JSDR的頻譜數(shù)據(jù)。

1.3 頻率分配模塊——SXXI

SXXI是GEMSIS的核心，最早由美國防部開發(fā)，旨在發(fā)展戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下自動化指派無干擾頻率的能力，并曾在阿富汗戰(zhàn)爭中被使用，其功能主要是頻率分配和指派[5]。當(dāng)頻譜管控人員輸入頻譜資源需求清單后，其核心信息系統(tǒng)能夠自動處理并自動生成經(jīng)過校驗的頻率分配方案，指派頻率后還能夠跟蹤頻率分配方案的執(zhí)行情況。此外，還有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、地形數(shù)據(jù)管理、干擾分析、干擾報告、一致性檢查、聯(lián)合限制頻率表生成等功能。

1.4 干擾解決模塊——JSIRO

在線聯(lián)合頻譜干擾消除(Joint Spectrum Interference Resolution Online,JSIRO)項目旨在解決JEMSO中持續(xù)和反復(fù)出現(xiàn)的EMI問題，包括民用系統(tǒng)和國防部系統(tǒng)之間的問題以及電磁入侵和電磁干擾問題[6]。JSIRO能夠在作戰(zhàn)指揮鏈中盡可能低級別地解決EMI問題，即通過將EMI事件輸入其在線門戶網(wǎng)站，協(xié)調(diào)當(dāng)?shù)仡l譜資產(chǎn)或東道國援助尋求解決方案。當(dāng)無法使用協(xié)調(diào)方式解決EMI事件時則將其提交至作戰(zhàn)指揮鏈，由指揮鏈通過其他手段解決。

1.5 頻譜保障模塊——E2ESS

在頻譜保障方面，端到端頻譜支持(End to End Spectrum Supportability,E2ESS)集成了HNSWDO和Stepstone兩個工具。Stepstone主要用于支持國防部用頻裝備的許可流程處理，其規(guī)范了用頻裝備的數(shù)據(jù)格式和許可申請流程，加快了用頻裝備投入使用的過程；HNSWDO是一款Web應(yīng)用，提供了可視化的東道國用頻設(shè)備的態(tài)勢信息，并能夠自動分發(fā)東道國頻譜協(xié)調(diào)和需求請求，降低與東道國發(fā)生用頻沖突的風(fēng)險。

1.6 能力融合模塊——ISD

ISD為用戶提供了可以訪問集成了各種頻譜工具及服務(wù)的通用桌面。該通用桌面促進(jìn)了GEMSIS系統(tǒng)中各類功能的集成與可操作性，提供了指向包括JSIRO在內(nèi)的各種站點(diǎn)的Web鏈接。

美軍目前已經(jīng)完成增量2的研制工作，啟動了增量3階段。

2 GEMSIS的作戰(zhàn)應(yīng)用

電磁頻譜資源的爭奪是電磁頻譜戰(zhàn)的核心，其過程是電磁頻譜管控與電子戰(zhàn)重編程相結(jié)合。圖2是美軍JEMSO的典型實施流程[7]：首先，根據(jù)作戰(zhàn)計劃中涉及的平臺及其載荷的電磁特征參數(shù)、兵力部署態(tài)勢以及行動計劃中對用頻需求的格式化描述形成頻譜的需求清單；其次，根據(jù)戰(zhàn)場東道國頻譜政策、國際要求規(guī)定以及電磁行動環(huán)境，確定可用頻譜資源清單；最后，GEMSIS對聯(lián)合受限頻率表與電子對抗用頻表進(jìn)行分析，提前發(fā)現(xiàn)潛在干擾用頻，考慮局部資源使用沖突、優(yōu)先級序列等問題后，形成最終的用頻規(guī)劃清單，然后被指派給電子戰(zhàn)行動中的各個單位。實際行動中，作戰(zhàn)單位根據(jù)戰(zhàn)場電磁頻譜態(tài)勢的變化，以及與對手之間的用頻沖突或干擾情況實時對系統(tǒng)反饋，系統(tǒng)解決后產(chǎn)生新的規(guī)劃清單重新下發(fā)給各單位。電磁頻譜管控幾乎覆蓋電磁頻譜戰(zhàn)的全流程、全要素。

圖2 美軍JEMSO典型實施流程

另外，由于使用更大功率的有源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對抗不僅越來越難以實現(xiàn)，且大功率也意味著更容易在戰(zhàn)場中被發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前電磁頻譜戰(zhàn)樣式開始向“低-零功率”、智能機(jī)動式作戰(zhàn)發(fā)展[8]，電磁輻射控制與頻譜管控的結(jié)合也更加緊密。在“低-零功率”電磁頻譜戰(zhàn)中，GEMSIS的頻率管控與電磁能量的協(xié)同控制可以實現(xiàn)更好的電磁兼容和電子防護(hù)；而在認(rèn)知化電磁頻譜戰(zhàn)中，自適應(yīng)電子戰(zhàn)行為學(xué)習(xí)(Behavioral Learning for Adaptive Electronic Warfare,BLADE)項目基于GEMSIS提供的頻率規(guī)劃支持，可以實現(xiàn)頻域捷變與頻段控守，以保持其電磁優(yōu)勢。在未來的發(fā)展計劃中，美國國防部將持續(xù)進(jìn)行GEMSIS的項目建設(shè)以增強(qiáng)其對JEMSO的支持能力。

3 GEMSIS的發(fā)展趨勢

圖3是根據(jù)DISA財報梳理出的GEMSIS未來將要形成的能力結(jié)構(gòu)框架，即增量3階段要實現(xiàn)的目標(biāo)能力。增量3階段的目標(biāo)是基于前兩個階段形成的能力，進(jìn)一步增強(qiáng)GEMSIS在JEMSO中的用頻支撐能力，主要在頻譜規(guī)劃和反沖突能力方面以及戰(zhàn)術(shù)頻譜協(xié)調(diào)能力方面。結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與美軍戰(zhàn)略的調(diào)整情況，GEMSIS的發(fā)展主要呈現(xiàn)三方面的特點(diǎn)和趨勢。

圖3 GEMSIS增量3階段能力結(jié)構(gòu)框架

3.1 開放合作的頻譜管理協(xié)作

為適應(yīng)美軍未來“全域作戰(zhàn)”概念，面向范圍更廣闊的戰(zhàn)場，頻譜規(guī)劃不僅需要考慮任務(wù)部隊實際用頻情況，還要綜合考慮多方面因素，包括軍事行動所在東道國的電磁環(huán)境及頻譜政策、國際電磁頻譜政策、軍用與民用、己方軍隊與盟軍用頻設(shè)備用頻協(xié)調(diào)等因素。特別是在他國實施軍事行動時，客場電磁頻譜先驗知識的欠缺使頻譜管理更加困難。

美軍未來將基于全球信息柵格網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施所提供的全球一體化信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，進(jìn)一步加強(qiáng)與地方、同盟國之間的協(xié)同合作，以共建頻譜管理基礎(chǔ)設(shè)施及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建設(shè)為抓手，通過標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范引領(lǐng)，完善合作機(jī)制，推進(jìn)監(jiān)測設(shè)施、信息服務(wù)設(shè)施的共建共享以及頻譜資源數(shù)據(jù)共享，加快形成開放合作的頻譜管理協(xié)作態(tài)勢。

3.2 機(jī)動靈活的戰(zhàn)術(shù)頻譜協(xié)調(diào)

不同任務(wù)生成的頻譜規(guī)劃需求各不相同，加之戰(zhàn)場中用頻裝備的位置、作戰(zhàn)地形、氣象條件等因素都會隨著作戰(zhàn)進(jìn)程推移發(fā)生改變，這些因素都會對用頻裝備的電磁性能產(chǎn)生影響，實現(xiàn)機(jī)動靈活的戰(zhàn)術(shù)級頻譜規(guī)劃將作為美軍電磁頻譜戰(zhàn)制勝目標(biāo)的“最后一公里”。為此，DISA在其2020財年計劃中也指出接下來將與科學(xué)技術(shù)界(包括ASDR&E、Service Lab和DARPA)合作，制定技術(shù)路線和戰(zhàn)略以增強(qiáng)系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)靈活性。

靈活的戰(zhàn)術(shù)頻譜協(xié)調(diào)主要基于對當(dāng)前戰(zhàn)場電磁態(tài)勢的掌控與對下一階段電磁態(tài)勢的預(yù)測。為此，美軍一方面將著力開展電磁環(huán)境數(shù)據(jù)收集能力建設(shè)，即增強(qiáng)電磁態(tài)勢感知能力，豐富GEMSIS的電磁頻譜數(shù)據(jù)資源；另一方面，隨著算力的不斷提高，系統(tǒng)將繼續(xù)提升對電磁環(huán)境的建模仿真能力與預(yù)測精度，并將機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等領(lǐng)域的最新進(jìn)展與軟件無線電不斷擴(kuò)大的能力相結(jié)合[9]，集成智能頻譜管理能力，增強(qiáng)系統(tǒng)在頻譜管理方面的自動化水平，逐步弱化人在頻譜管理回路中的比重。

3.3 智能認(rèn)知的用頻策略生成

美軍在認(rèn)知化電磁頻譜作戰(zhàn)方面一直投入了較多研究，如BLADE、射頻機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)項目等，內(nèi)容涵蓋了雷達(dá)和通信的電磁偵察、進(jìn)攻、防護(hù)等方面，旨在利用機(jī)器學(xué)習(xí)理解無線電信號。

由于戰(zhàn)場中對手信號實際是一種小樣本數(shù)據(jù)，認(rèn)知化的電磁頻譜對抗能力形成主要分為兩個階段。第一階段是電磁頻譜干擾消除能力，可利用頻譜資源數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)及現(xiàn)有的電磁頻譜相關(guān)知識內(nèi)容進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，并在實際的應(yīng)用中不斷進(jìn)行強(qiáng)化學(xué)習(xí)，增強(qiáng)對電磁環(huán)境的認(rèn)知和推理能力，以增強(qiáng)GEMSIS對戰(zhàn)場復(fù)雜電磁干擾及頻譜沖突問題的威脅感知及迅捷優(yōu)化能力。第二階段是電磁進(jìn)攻能力，能夠基于現(xiàn)有知識實現(xiàn)對于已知目標(biāo)的快速對抗策略生成，并能通過作戰(zhàn)過程中的在線學(xué)習(xí)，實現(xiàn)對未知電磁目標(biāo)的識別及對抗策略優(yōu)化，形成對JEMSO的電磁頻譜對抗能力支撐。

4 結(jié)束語

頻譜資源的利用和爭奪是聯(lián)合電磁頻譜戰(zhàn)的核心，最大程度利用頻譜資源及有效解決頻譜沖突的能力是當(dāng)今各國軍隊追求的目標(biāo)。研究美軍GEMSIS的建設(shè)思路、技術(shù)特征及發(fā)展趨勢，對電磁頻譜管理領(lǐng)域的研究與發(fā)展具有重要的參考意義和借鑒價值。未來，電磁頻譜管理問題涵蓋的時空范圍將更為廣闊，電磁頻譜的大數(shù)據(jù)特征及智能化的管控能力發(fā)展趨勢更為明顯，我們應(yīng)當(dāng)重視電磁頻譜管理系統(tǒng)在這些方面的發(fā)展，吸取GEMSIS建設(shè)的經(jīng)驗，才能在未來的電磁頻譜領(lǐng)域斗爭中占據(jù)主導(dǎo)地位。