频谱动态管理解决战场电磁兼容问题

张祖峰，李修和，徐 英

(国防科技大学，安徽 合肥 230037)

0 引 言

随着电子信息技术的快速发展和在军事领域的广泛应用，武器装备的作战运用大都离不开电子信息设备的正常运行和支撑，作战信息和数据的传输主要依靠电磁空间完成，电磁频谱已经成为影响战争进程和结局的关键因素。信息化条件下联合作战，复杂电磁环境对我作战行动和武器装备带来了严重的电磁威胁和影响，战场电磁干扰严重，战场电磁频谱管理任务艰巨。因此，加强对电磁频谱的动态规划管理，充分利用有限的频谱资源满足战场用频装备的需求，实现信息化条件下联合作战的战场电磁兼容，不仅关系到武器装备作战效能的发挥，还是夺取战场制电磁权、掌握战场主动权的基本前提。

1 频谱动态管理概述

1.1 频谱动态管理概念

频谱动态管理，是通过感知某一区域持续一段时间的频谱利用情况，实现频谱动态调整和管理，是提高频谱资源利用率的一种方法[1]。战场频谱动态管理就是在作战中，通过感知战场某一阶段、区域过去和现在的频谱资源使用情况，掌握和分析战场电磁态势，进行战场电磁兼容预测，实现频谱实时动态共享，对电磁频谱采用时空频能多域综合动态调整管理，使得战场空间内的各种电磁活动有序进行且兼容共存，进而形成可以充分发挥武器系统作战效能的战场电磁态势。

战场频谱动态管理内容包括：感知战场电磁频谱使用情况，监测和分析战场电磁环境及态势，预测分析战场电磁兼容问题，建立动态频谱池或数据库实现数据共享，实施战场电磁频谱动态管理[2]。

1.2 外军频谱动态管理现状

为了提高电磁频谱管理能力，美军高度关注电磁频谱管理转型研究并大力推进能力转型。美陆军2014年2月发布的《网络电磁行动条令》提出电磁频谱战是“军事行动中成功控制电磁频谱的所有行动，由电子战和频谱管理两部分组成”。2016年10月，美参联会颁布的JDN3-16《联合电磁频谱作战》详细阐述了电磁频谱利用和管控等内容，对思想、体制和结构等进行了创新。同时，美国进行了多次频谱动态管理的相关研究，对原有的一些频谱管理标准进行了修订和完善，在若干频段进行了频谱共享、频谱动态接入的试验，其电磁频谱管理部门也已在多个频段积累了频谱动态管理的经验。

2 频谱动态管理的主要内容

2.1 战场电磁频谱感知

战场电磁频谱感知是为了感知和掌握电磁环境的状态，获取战场电磁态势。利用各类战场感知设备构成覆盖战场空间的监测网络，识别各种用频设备的使用频率、工作时间、部署移动、能量大小和电磁干扰情况，是实现指挥决策和资源调度的前提和基础。

当前认知技术日趋成熟，但具备认知能力的新型装备成本高昂，无法在短时间内大规模装备部队。这就需要利用现有的专用监测设备及其他设备中的传感单元对战场电磁环境进行感知，并充分利用网络化的优势，通过战场组网将获取的信息迅速收集、整理，传送存储到联合频谱数据库中，经进一步的预测、分析、计算、判断形成战场电磁态势，供指挥员判断和分析战场态势，为其定下指挥决策提供直接有效的用频参考，图1为战场电磁频谱感知的组成框图。

图1 战场电磁频谱感知组成

战场电磁频谱感知的作用是获取和掌握战场上电子信息设备的用频情况。掌握足够的电磁频谱信息，可以进行战场电磁兼容预测和频谱动态管理，实现频谱的有效利用和战场电磁兼容。随着战场电磁环境的复杂化和动态化以及电磁频谱作战的引入，战场电磁频谱感知将成为信息化作战的关键环节。

2.2 战场电磁兼容预测分析

战场电磁兼容预测分析是解决战场电磁兼容问题的前提和基础。在频谱感知的基础上进行战场电磁兼容性分析，综合考虑收发装备特性、传播损耗、地理地形特征、自然电磁环境、时间、空间和能量等因素，分析计算产生干扰的大小及影响范围，评价干扰的危害程度，确保装备系统间不会产生超过允许值的有害干扰，为电磁资源管理提供可靠的技术依据。

战场装备系统间电磁兼容预测分析采用优化的四级预测模型，通过比较潜在干扰源的干扰有效功率与敏感设备敏感度门限，两者之差用干扰余量(IM)表示：

IM(f,t,d,p)=Pt(f)+Gt(f,t,d,p)+Gr(f,t,d,p)-L(f,t,d,p)-Ps(f,t)-FC

(1)

式中：Pt为干扰设备的发射功率；Gt为干扰设备的发射天线在受扰设备方向上的增益；Gr为受扰设备的接收天线对着干扰设备发射天线方向上的增益；L为干扰设备发出的干扰信号通过各种传播途径产生的损耗；Ps为受扰设备接收机的敏感度门限；FC为修正系数，与两者工作带宽和响应时的频率间隔相关。

由计算结果判断是否存在电磁干扰及严重程度。电磁干扰预测的基本流程如图2如示。

图2 电磁兼容预测流程图

战场电磁兼容性预测每次选取不同装备系统的干扰源和敏感设备组成发射-响应对，按照高优先级到低优先级的顺序，用四级预测分析方法判断次优先级用户相对于主优先级用户是否形成干扰[3]。

2.3 战场电磁频谱共享

信息化战争中，建立实时完备的信息作战资源数据库，并通过技术手段进行战场电磁信息的共享和实时处理，是指挥员实现对电磁频谱的科学谋划，从而实现战场电磁兼容的重要保证。

当前，战场基础数据库内容未融合战场多种数据库信息，且数据不能实现全部实时更新和充分共享，制约了频谱管理的效率和战场电磁兼容的实施。同时，大多的数据记录仍采用EXCEL表格等传统方式，对电磁频谱管理对象的各种信息记载无法做到详细具体，使得数据的可用性不强，对电磁频谱分析支持有限。随着认知技术投入使用，对数据库的准确性、可靠性和实时性提出了更高的要求。频谱管理部门必然对数据库的更新频率、数据来源的可靠性、电波传播模型、数据的融合方式等做出详细规定，才能基于该数据库实现准确、可靠的动态频谱管理。为确保频谱的使用需求和管理能够适应战场的瞬息万变，应当根据战场特点，建立面向用户的数据全面、更新实时、共享充分、处理快速的战场电磁频谱管理数据库系统，并针对需要分别采用“定时共享、按需共享、实时共享”等共享方式实现战场电磁频谱共享。

2.4 战场频谱动态管理

战场电磁频谱动态管理的主要任务是根据战场引起频谱使用变化的因素，实施电磁频谱多域综合动态分配和调整，努力营造和竭力维持有利于己而不利于敌的战场电磁环境，实现己方战场电磁兼容和频谱的高效利用，确保武器装备作战效能的发挥。

2.4.1 时域复用分配

频带占用时间是指用频装备从使用某一频段开始到结束的持续时间，通过合理划分各装备对使用频带所申请的用频占用时间，可以提高频谱的利用率并且实现电磁兼容。时域上的共享即利用频带占用时间的间隔来实现电磁兼容的方法[4]。战场上部分装备虽然工作频段相同或者相近，但对于产生的电磁干扰来说，只有干扰辐射源的工作时间与接收装备的工作时间相同或相等时才可能出现干扰，因此，可以利用相互间工作间隙时间实现战场电磁兼容。通常依据各作战行动的优先级进行工作时间区分，重点保障整体作战指挥和作战行动，以及对整个作战进程起关键作用的行动。由于电子信息技术的特点和电磁空间作战的瞬时性，频谱时域复用突出高效分配和利用信号传输的时隙完成各自的电磁作战任务，特别是面对用频设备工作频率相同、天线工作方向大体一致的情况时，更需要强调运用这种方法来搞好己方各种作战力量的电磁协同，保持有限战场区域内的大量电子信息设备工作的有序协调，实现战场电磁兼容。

2.4.2 空域优化部署

信息化条件下，作战节奏加快，使用电子信息系统的各作战力量包括武器平台都处在高速机动之中，出现电磁干扰的机率大大增加，因此需要及时对各用频设备部署和天线作战方向进行优化调整，实现装备间电磁兼容才能确保作战效能的充分发挥。空域优化部署是在相同或相近频谱上，通过调整控制装备的天线辐射方位和部署位置来实现电磁兼容的方法。根据不同时节重点任务的变化，以执行该任务时的关键用频装备为部署基准点，其他相关装备都以与该装备实现电磁兼容为要求进行合理部署[5]。三维地理信息系统内详细的战场地形数据、频谱资源数据库和台站数据库的信息是实现优化布站的关键，利用电磁波在不同地形地貌上传播的损耗和天线的方向性特点来进行部署调整从而实现战场电磁兼容。

2.4.3 频域动态规划

战场电磁频谱资源与需求矛盾日益突出，用频装备数量的增加、规模的扩大等问题也使得有限战场空间内频谱使用和协调更加困难。如果不严格管控，任由各用频装备随意使用频率，势必会增加战场电磁环境的复杂性，导致更严重的电磁干扰。因此，对战场用频装备的频率进行动态规划调整是实现战场电磁兼容的重要措施。其原则是根据作战任务需要，在尽可能满足重点任务、重要方向的用频需求的前提下逐级进行频率动态规划分配。频域上主要是利用频段使用的偏移来实现战场电磁兼容[5]，通过分析低优先级用户对高优先级用户的干扰情况，可以指导用频装备合理调整其发射频率，以达到战场电磁兼容的目的。同时，在遵循频谱规划的前提下，通过频谱感知、频谱共享、频谱切换等认知无线电技术，动态分配频谱，实现频谱使用与需求的动态最优搭配，达到频谱资源的高效利用和实现战场电磁兼容。

2.4.4 能域适度均衡

实际作战运用中，能域动态调度的方法与空域调度密切相关，而通过对电磁干扰三要素的分析可知，造成电磁干扰的根本原因就是到达敏感设备接收端的信号能量超过有用信息的能量和设备的敏感度。随着人工智能等技术的发展，电磁干扰总的趋势是在传统大功率压制干扰基础上，向低功率的灵巧、诱骗和认知等精确干扰发展，大功率压制干扰和低功率精确干扰共存。根据作战需求，选择适度的发射功率，达成作战目的并兼顾战场电磁兼容，确保己方其他电子信息系统的效能发挥不受影响。执行不同作战任务的各类装备，随着任务的变化，满足相应任务需求的功率即可。在各个作战阶段，通常需要根据战场情况变化对电磁辐射能量进行针对性调整和变化，从而避免用频装备集中工作的频段能量过于集中，确保战场空间内电磁辐射能量的均衡。

3 结束语

引用美军《21世纪复杂电磁环境下的军事作战》报告中的一句话作为结束语[6]：“美军克敌制胜的关键在很大程度上依赖其信息优势；但是，若对手的电子战能力让美军在战场上失去了感知、通信、导航、协同等能力，那么这种优势也将不复存在……。”立足打赢未来信息化战争的现实需求，面对日益复杂严峻的战场电磁环境，为了取得制电磁权进而掌握战争主动权，需要借鉴外军先进频谱管理思想和技术并结合我国实情和现状，以军事应用促进基于认知无线电技术的动态频谱管理研究与发展，高度重视战场电磁兼容问题，对频率使用进行精细化、动态化、智能化管理。