从电磁频谱特性看未来电磁频谱战的捷变性

顾黎明，张小林，刘 健

(1.中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江 嘉兴 314033； 2.中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京 100094)

0 引言

电磁频谱领域是现代战争的重要作战领域之一，根据文献[1]的定义，在电磁频谱中执行的所有行动都可视为电磁频谱战的一部分。自无线电台产生以来，电磁频谱战在过去的100多年里发生了翻天覆地的变化，主要可分为三个阶段：第一阶段，20世纪10年代至40年代中期，是“有源网络”与“无源对抗”的较量；第二阶段，20世纪40年代中期至80年代中期，是“有源网络”与“有源对抗措施”的较量；第三阶段，从20世纪80年代中期至今，是“隐身”与“低功率网络”的较量。

当前，电磁频谱战的第三阶段——“隐身”与“低功率网络”之间的较量已初见曙光，低功率到零功率的传感器、通信系统和对抗措施系统的使用将是未来一段时期内电磁频谱战竞争的主题。

1 未来电磁频谱战的特点

为了应对未来电磁频谱战的新阶段，文献[1]提出了“低至无功率”的新型作战理念。该理念的核心思想具体体现在以下2方面：

1)从电磁频谱利用的角度来说，采用低截获概率或低探测概率的传感器和通信方式，以降低被敌方传感器探测的可能性；

2)从电磁频谱对抗的角度来说，采用“低至无功率”的手段去对抗敌方无源和有源传感器，即利用低功率或无源手段，以降低被敌方传感器探测的可能性。

“低至无功率”作战系统需要具备网络化、捷变性、多功能、小型化和自适应五大特点：

1) 网络化是指系统能够利用LPI(低截获概率)/LPD(低检测概率)数据链路与其他系统进行通信协作，通过互联、远控等手段，实现信息共享，及时调整作战策略；

2) 捷变性是指能够在能域、频域、空域、时域等领域内机动以保持不被发现、定位敌方网络、规避敌方对抗措施；

3) 多功能是指利用单一系统完成多种电磁频谱战功能，如通信、有源/无源传感、干扰、欺骗、诱骗；

4) 小型化是指能够大量部署在小型无人运载平台、大型载人平台等多种作战平台，以组建多种不同的电磁频谱战网络；

5) 自适应是指能够描述各种已知、未知辐射源的电磁频谱特征，且能够对敌方可能的利用行动作出响应或者对抗敌方电磁频谱作战行动。

其中，随着新的移动通信和传感技术的商业可用性越来越强，电磁频谱将变得越来越拥挤，军用电磁频谱域不断被侵蚀。对电磁频谱捷变性的研究，可以极大地帮助军事用户开发相关程序和自动控制方法，充分合理地在有限的电磁频谱中挖掘更大的能力，以避免在电磁频谱应用过程中的冲突。

2 未来电磁频谱战的捷变性

对电磁频谱捷变性的研究，需要从电磁频谱的时域、频域、空域、能量域、极化域等多维特征出发，进行全维度的剖析。

2.1 时域捷变性

时域捷变性是指不同时刻在电磁频谱内表现出的不同特性。时域捷变需要与其他域结合起来统一表现，如不同时刻在频域/空域/能量域/极化域的特性变化，具体在下面4个域的分析中进行表述。

2.2 频域捷变性

频域捷变性是指在未受敌方监控的电磁频域内进行操作，主要包括以下2方面的内容：

一是在敌方监控能力无法达到的电磁频域内进行操作，从而实现不被敌方传感器探测。电磁频谱如图1所示。原有电磁频谱战装备对电磁频谱的利用一般集中于低频段，较高频段的通信/通信对抗相关技术/装备的研究不足，监控能力也较弱。因此，未来电磁频谱战中的相关装备，其工作频段将会越来越高，以美军抗干扰通信Milstar/AEHF卫星为例，上下行通信工作频段分别在45GHz/20GHz，星间通信频段甚至已经达到了60GHz[2]。在未来，军用系统还可以使用更广的电磁频谱，包括使用激光、红外、紫外电磁辐射的能力，或者能辐射和探测X射线和伽马射线的设备。

二是在敌方监控能力无法全部覆盖的电磁频域内进行操作，从而降低被敌方传感器探测的可能性。如原有电磁频谱战装备大多采用定频通信，而现在，已经开始采用宽带高速跳频信号进行通信，同样以美军AEHF卫星为例，其上下行通信信号分别在2GHz/1GHz跳频带宽内进行跳频通信。在合作方已知跳频图案的前提下，与定频通信接收类似，对于监控方，使用窄带接收机扫频监控的方式已经无法满足实时无漏跳接收的需求，必须对该2GHz/1GHz跳频带宽进行全频段控守，监控难度大，资源需求高。

2.3 空域捷变性

空域捷变性是指进行电磁频谱操作的空域具备捷变的能力，对需要进行电磁频谱操作的空域进行覆盖，对不需要进行电磁频谱操作的空域进行抑制，从而降低被敌方传感器探测的可能性。

空域捷变性的实现主要依赖于相控阵天线的研制，相比于原有的固定波束天线、可动点波束天线(带伺服转动机构)，相控阵天线可以在平台/天线姿态不变的情况下扫描覆盖不同区域，生成可变形状和功率的多个波束，实现空域的捷变；进一步的，对不需要进行电磁频谱操作的空域进行抑制，可以采用调零天线方式，对非预期方向进行零功率操作，如图2所示。

同样以AEHF卫星为例[3]，其相控阵天线通过电子方式来改变射频波束指向，可以便捷地使用户之间的波束瞬间跳变，卫星的上行相控阵天线可直接接收来自地面终端的信号；星上的“波束形成网络”能使AEHF卫星天线对非合作用户探测干扰的方向进行自动调零，而在波束覆盖范围内的合作用户能够正常使用卫星，如图3所示。

2.4 能量域捷变性

能量域捷变性是指在电磁频谱的操作过程中，发射能量需要根据作战需要调整其发射功率，在保证正常工作的前提下，发射功率水平越低，被敌方传感器探测、利用的可能性也越低。

无线电的传输过程需要考虑复杂的环境因素影响。以通信系统的设计为例，除了必须的链路损耗外，还必须考虑传播路径上可能的大气损耗、雨雾损耗、以及其他一些损耗等。尤其是雨雾损耗，每千米雨雾衰减与雨雾等级、工作频率均有着极大的关联(如表1、图4所示)，因此通信系统的发射功率必须考虑极端情况，留有充足的余量。

[]

雨A0．25mm/hr0．01in/hr细雨B1．0mm/hr0．04in/hr小雨C4．0mm/hr0．16in/hr中雨D16mm/hr0．64in/hr大雨E100mm/hr4．0in/hr特大雨雾F0．032gm/m3能见度大于600mG0．32gm/m3能见度约为120mH2．3gm/m3能见度约为30m

在实际通信过程中，由于环境不同、或环境实时变化的因素，在正常工作后，需要进行能量域的自动调整(捷变)，尽最大可能减少链路的余量，降低被敌方传感器探测、利用的风险。无线通信系统中的自动功率控制作为第三代移动通信的关键技术之一，在CDMA系统中得到了广泛的应用，并被广大学者不断改进优化[5-7]。

2.5 极化域捷变性

极化域捷变性是指在电磁频谱操作过程中，通过改变极化方式来降低被敌方传感器探测的可能性。如原有电磁频谱战装备天线的极化方向较为固定且单一，只能采用一种极化方式，随着技术的发展，未来电磁频谱战装备的天线，必将具备多种极化切换通信的能力。如美国S波段RADAC的极化跟踪雷达采取多种虚拟极化处理，实现了极化抗干扰和极化特征测量功能；美国X波段脉冲内极化捷变雷达(IPAR)，以左旋圆极化和右旋圆极化作为正交极化基，进行极化脉冲压缩，提高了雷达的抗干扰和目标检测能力[8]。

3 结束语

本文根据电磁频谱的特性，从时域、频域、空域、能量域、极化域等多个角度，分析了未来电磁频谱战对于捷变性的需求，以及其发展方向，对研究未来电磁频谱战的作战方式、研制未来电磁频谱战的系统装备具有参考意义。■

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

[2] 郑同良. “军事星”卫星通信系统综述[J]. 航天电子对抗, 2005,21(3): 51-53.

[3] 杨海平，胡向晖，李毅. 卫星通信系列讲座之十三——先进极高频(AEHF)卫星[J]. 数字通信世界，2008(6): 84-87.

[4] Adamy DL. EW103：tactical battlefield communications electronic warfare[M]. 楼才义，等译. 北京：电子工业出版社，2010.

[5] 刘冰，万佑红. CDMA系统中基于博弈论的速率与功率联合控制[J]. 计算机技术与发展，2012，22(11): 53-56.

[6] 钟怀东，徐慨，侯柳英. Ka频段卫星通信上行链路自适应功率控制[J]. 计算机工程，2009，35(5):107-108.

[7] 查建青. 通信系统低辐射能量方案设计与实现[D]. 成都：西南交通大学，2015.

[8] 郭建明，李建勋，吕强. 雷达抗干扰方法及发展趋势综述[J]. 雷达与电子战，2007(2): 1-6.