姚富強 張余 柳永祥

1.南京電訊技術(shù)研究所江蘇南京210007

電磁頻譜作為電磁空間和指揮控制的重要媒質(zhì),廣泛應用于國家經(jīng)濟、國防建設和社會生活的各個領(lǐng)域,是國家發(fā)展不可再生的重要戰(zhàn)略資源.但電磁頻譜無形無界,具有開放、共享特性,在當前時代背景下,極易形成單向透明不對稱態(tài)勢,使得電磁頻譜成為雙刃劍:既要傳輸指揮控制所需的信息流,同時電磁頻譜安全問題又日益凸顯.如:以色列利用“舒特”系統(tǒng)在頻譜域與網(wǎng)絡域的綜合誘騙能力,其戰(zhàn)機成功突破敘利亞防空網(wǎng)并轟炸其核設施[1];伊朗通過射頻鏈路干擾和欺騙等手段,成功俘獲美軍“RQ-170”無人偵察機.

1 問題的提出

隨著信息技術(shù)的進步,網(wǎng)絡空間作戰(zhàn)[1]正由有線網(wǎng)絡向無線網(wǎng)絡擴展,從而向電磁空間延伸;電磁空間的電子戰(zhàn)正由點目標向網(wǎng)絡目標擴展[2],從而向網(wǎng)絡空間延伸;頻譜管理正由戰(zhàn)前頻管向戰(zhàn)時頻譜控制擴展,從而向頻譜管理作戰(zhàn)延伸.3種作戰(zhàn)行動相互共存、支撐和使能,其交集產(chǎn)生了全新的“網(wǎng)絡電磁行動”概念[3],亦可稱為網(wǎng)絡電子戰(zhàn)[4].美軍在2014年2月新發(fā)布的陸軍野戰(zhàn)手冊FM 3?38《網(wǎng)絡電磁行動》[3]中對網(wǎng)絡電磁行動進行了定義:“在網(wǎng)絡空間和電磁頻譜上奪取、保持并利用對敵人的優(yōu)勢,同時阻止敵人進行上述行動,或降低敵人上述行動的效果,保護任務指揮系統(tǒng)”.該手冊還明確指出:網(wǎng)絡電磁行動包含網(wǎng)絡空間作戰(zhàn)、電子戰(zhàn)和頻譜管理作戰(zhàn),其核心是通過3種作戰(zhàn)行動的集成和同步,實施一體化的網(wǎng)絡電磁行動.FM 3?38是國際上該領(lǐng)域首個形成條令的野戰(zhàn)手冊,具有很好的代表性和示范性,進一步明確了網(wǎng)絡空間、電磁空間和頻譜管理三者之間的關(guān)系和軍民用頻系統(tǒng)面臨威脅的變化.在外部威脅不斷加劇的背景下,應該如何理性地看待、研究和控制電磁頻譜安全問題,以適應我國經(jīng)濟與安全用頻同步發(fā)展的需求,是當前我們面臨的重大現(xiàn)實問題.

2 電磁頻譜安全與控制有關(guān)概念內(nèi)涵

電磁頻譜安全是指各類電磁活動不僅能夠正常擁有和使用電磁頻譜,而且秘密電磁頻譜信息不被竊取和利用的狀態(tài).根據(jù)電磁頻譜存在的威脅,電磁頻譜安全主要包括3個方面:應對頻譜資源爭奪與占用威脅的電磁頻譜戰(zhàn)略性安全、應對電磁干擾與限制威脅的電磁頻譜可用性安全和應對偵察監(jiān)視與利用威脅的電磁頻譜保密性安全.

電磁頻譜安全風險是指在頻譜資源爭奪、規(guī)劃與使用等過程中,產(chǎn)生電磁頻譜安全事件的可能性及其后果.與網(wǎng)絡安全類似,電磁頻譜安全風險的本源是電磁頻譜安全漏洞,即:由于人的惰性和認知的局限性而產(chǎn)生的可被對手利用的缺陷.

電磁頻譜參數(shù)是指各類用頻設備與頻譜使用有關(guān)的參數(shù)或標識,如同用頻設備的“指紋”,主要包括:頻譜特征、使用規(guī)律、作用空間、地理位置、工作方式等,攜帶了用戶意圖、部署位置、設備性能等信息,成為電磁頻譜保密性安全關(guān)注的核心問題,亦即電磁頻譜保密性安全就是電磁頻譜參數(shù)安全[5].

電磁頻譜安全控制是指規(guī)避或降低電磁頻譜安全風險所需的頻譜規(guī)劃、使用、預測、監(jiān)測、評估和處置等控制活動,其內(nèi)涵主要包括電磁頻譜戰(zhàn)略性安全控制、電磁頻譜可用性安全控制和電磁頻譜保密性安全控制等.將電磁頻譜安全控制的逆向行為稱為電磁頻譜安全反控制,是電磁頻譜安全的主動防御手段.

電磁頻譜安全與控制的主要任務是通過對電磁頻譜資源的合理協(xié)調(diào)與調(diào)配、對合法電磁頻譜有效使用和安全使用的有效控制,確保頻譜資源不被爭奪和占用、合法頻譜使用不受干擾和限制、電磁頻譜參數(shù)不被竊取和利用.

電磁頻譜安全與控制涉及到電磁科學、信息科學和控制科學等諸多學科,是無線電應用、電子防御、電磁頻譜管理和電磁環(huán)境效應等領(lǐng)域交叉融合的一種新興學科領(lǐng)域,如圖1所示.

圖2給出了一種基于多徑多環(huán)的無線電應用電磁頻譜安全與控制概念模型,描述了電磁頻譜安全與控制和無線電應用領(lǐng)域的關(guān)系,其中,多徑表述無線電應用的業(yè)務類別,多環(huán)表述各業(yè)務類別的技術(shù)演進.表1給出了電磁頻譜安全控制與傳統(tǒng)電磁頻譜管理的區(qū)別及聯(lián)系.

表1 電磁頻譜安全控制與傳統(tǒng)電磁頻譜管理的區(qū)別及聯(lián)系

綜上所述,電磁頻譜安全與控制的概念內(nèi)涵超越了傳統(tǒng)電磁頻譜管理的范圍,具有典型的多學科、多領(lǐng)域交叉和軍民融合、攻防結(jié)合等特征,已成為新形勢下國家安全戰(zhàn)略的重要組成部分,是國家和軍隊信息化建設面臨的重大現(xiàn)實問題.作為底層手段,電磁頻譜安全與控制可為無線網(wǎng)絡安全和信息安全提供重要支撐.

圖1 電磁頻譜安全與控制涉及的主要交叉領(lǐng)域

圖2 一種基于多徑多環(huán)的無線電應用電磁頻譜安全與控制概念模型

3 電磁頻譜安全與控制的發(fā)展需求

隨著國家和軍隊信息化建設的逐步深入,尤其是新的中國軍事戰(zhàn)略方針確定后[6],國家經(jīng)濟、國防建設和社會生活等活動對電磁頻譜的依賴越來越大,對電磁頻譜安全與控制的發(fā)展需求也越來越迫切.

3.1 確保電磁頻譜資源公平使用和開發(fā)

用頻系統(tǒng)必須擁有足夠的頻譜資源才能運行.世界各國在國際電信聯(lián)盟(ITU)無線電規(guī)則[7]框架下,遵循“先占先得”的原則確定頻譜劃分和使用權(quán)利.西方發(fā)達國家借助技術(shù)優(yōu)勢,較早開發(fā)利用頻譜資源,主導了無線電規(guī)則制訂,成為必須執(zhí)行的國際法規(guī).由于電磁頻譜具有地域不可分割性[8]和不可再生性,需要采取有力措施,提高電磁頻譜資源規(guī)劃前瞻性和國際競爭力,維護我國電磁頻譜戰(zhàn)略性安全.

3.2 確保合法電磁頻譜不受干擾和限制

用頻系統(tǒng)擁有合法使用電磁頻譜的權(quán)利,不等于能正常使用.如何在有意電磁干擾與欺騙以及己方互擾情況下,有效和高效使用電磁頻譜,有很多基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)需要突破,多數(shù)關(guān)系到一個國家的原始創(chuàng)新能力和國家秘密,公開資料看不到.需要采取有力措施,引領(lǐng)抗干擾、頻譜管理、頻譜服務、電磁兼容、高效調(diào)制、高效射頻和新頻段開發(fā)等核心技術(shù)原始創(chuàng)新,不斷向深層次發(fā)展,維護我國電磁頻譜可用性安全.

3.3 確保電磁頻譜信息不被竊取和利用

用頻系統(tǒng)能正常使用電磁頻譜,不等于電磁頻譜信息不被竊取和利用.面對嚴峻的偵察監(jiān)視與利用威脅以及電磁頻譜信息泄漏渠道不易發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)實,需要采取有力措施,深入研究電磁頻譜信息泄露機理以及電磁頻譜安全邊界、安全風險識別和安全控制等理論和技術(shù),構(gòu)建電磁頻譜防泄露控制評價標準和安全防護體系,規(guī)范境內(nèi)外電磁頻譜安全使用秩序,規(guī)避電磁頻譜信息泄露風險,維護我國電磁頻譜保密性安全.

3.4 完善現(xiàn)代指揮與控制學科體系建設

指揮與控制學科綜合利用自然科學和社會科學領(lǐng)域多學科的理論、方法和手段,研究國民經(jīng)濟建設和國防建設等各項實踐活動中存在的指揮與控制活動,揭示指揮與控制的普遍規(guī)律[9].電磁頻譜安全與控制是指揮與控制學科的重要范疇,是現(xiàn)代指揮與控制的重要環(huán)節(jié).需要采取有力措施,加強指揮與控制和電磁頻譜安全與控制及相關(guān)學科領(lǐng)域的結(jié)合,完善我國指揮與控制學科建設,推動指揮與控制學科群的繁榮和發(fā)展.

4 電磁頻譜安全與控制主要關(guān)鍵問題及發(fā)展動態(tài)

根據(jù)電磁頻譜安全與控制的內(nèi)涵,電磁頻譜安全各個方向都有不少關(guān)鍵問題需要成體系研究.

4.1 電磁頻譜戰(zhàn)略性安全與控制方向主要關(guān)鍵問題及發(fā)展動態(tài)

電磁頻譜戰(zhàn)略性安全與控制方向關(guān)鍵問題主要是電磁頻譜資源安全發(fā)展戰(zhàn)略研究,主要內(nèi)容有頻譜和衛(wèi)星軌道資源的規(guī)劃、策略、政策,國際、國內(nèi)無線電規(guī)則等.

隨著國際社會信息化程度的提高,各國在確保其電磁頻譜資源使用優(yōu)先地位的同時,還在不斷推動電磁頻譜用途的重新劃分,如:無人機系統(tǒng)、國際移動通信和短波業(yè)余電臺等增加頻率[10?11],將改變相應頻段劃分的國際格局.近年來,國內(nèi)在國際無線電規(guī)則研究方面投入了大量人力物力,在有些領(lǐng)域邁開了從“話語權(quán)”到“主導權(quán)”轉(zhuǎn)變的步伐,如:改善短波天波通信環(huán)境的技術(shù)與規(guī)則課題提案[8,12]、地面視距鏈路雨衰模型[11]、高速鐵路電波傳播模型[11]和5G信道模型[11]等.但與國際水平相比,國內(nèi)在電磁頻譜資源安全發(fā)展需求論證、研究水平、新頻段開發(fā)和所需人才隊伍建設等方面,還存在差距[13].

4.2 電磁頻譜可用性安全與控制方向主要關(guān)鍵問題及發(fā)展動態(tài)

電磁頻譜可用性安全與控制方向關(guān)鍵問題主要有電磁抗干擾、電磁兼容、頻譜優(yōu)化使用等.

4.2.1 電磁抗干擾

電磁抗干擾主要用于應對人為有意干擾、無意干擾、工業(yè)干擾和自然干擾.典型的電磁抗干擾主要有通信抗干擾和雷達抗干擾等.

在通信抗干擾方面,美國高度重視,在已有技術(shù)水平基礎(chǔ)上,近年又資助了極端頻譜條件下通信等項目[14],其目標是開發(fā)能夠最佳利用信號所有可用域的自適應技術(shù),以實現(xiàn)惡劣干擾環(huán)境下的可靠通信.近些年來,國內(nèi)在自適應擴展頻譜、智能抗干擾、抗智能干擾、抗全壓制干擾和高效編碼研究等方面,取得了不少理論和實用成果[13,15?18].但與國際水平相比,國內(nèi)在基礎(chǔ)研究和物理層與網(wǎng)絡層綜合防御等方面,還存在差距[13].

在雷達抗干擾方面,美國處于該領(lǐng)域的前沿,正在加緊開展新型機載雷達相控陣天線、S和UHF雙波段和數(shù)字波束形成等技術(shù)研究[13],以進一步提高雷達抗干擾能力.近些年來,國內(nèi)在雷達智能抗干擾體系和雷達抗干擾技術(shù)研究等方面,取得了不少新的成果[13,19?21],推動了雷達抗干擾理論和技術(shù)的發(fā)展.但與國際水平相比,國內(nèi)在雷達體系對抗研究、雷達低截獲概率信號設計和應對強對抗復雜電磁環(huán)境等方面,還存在差距[13].

4.2.2 電磁兼容

電磁兼容(EMC)主要用于減小電子設備、系統(tǒng)內(nèi)部或之間的互擾,關(guān)鍵是EMC測試和EMC設計,是確保電子設備可用性的重要環(huán)節(jié).

西方發(fā)達國家的EMC理論與設計及其測試技術(shù)發(fā)展迅速,無論在頂層總體設計、預測、標準、測試,還是在應用方面都已十分成熟,并向自動化、集成化、便攜式方向發(fā)展[13].近些年來,國內(nèi)在EMC試驗室硬件設施建設、EMC規(guī)范化認證、EMC預測試和EMC集成化、自動化測試研究等方面取得了長足進步.但與國際水平相比,國內(nèi)在EMC軟設施建設、標準制訂、認證話語權(quán)和復雜系統(tǒng)EMC設計等方面,還存在差距[13].

4.2.3 電磁頻譜高效利用

電磁頻譜高效利用技術(shù)主要用于提高用頻裝備對授權(quán)頻譜的使用效率.當今,人們已不再將頻譜資源緊缺問題歸咎于有限的頻譜資源,而是尋求頻譜管理策略和頻譜高效利用技術(shù)的突破.

西方發(fā)達國家對該領(lǐng)域的研究較為深入,在動態(tài)頻譜接入[22]、軌道角動量復用[23]和同頻全雙工[24]等頻譜高效利用技術(shù)方面取得了很多理論成果,并向?qū)嵱没l(fā)展.近些年來,國內(nèi)對以上方面的研究也取得了積極進展[13,25?29],并研究提出了一種新的基于高頻譜效率波形編碼理論的多域重疊復用技術(shù)[13,29].但與國際水平相比,國內(nèi)在標準制定、技術(shù)指標和實用化等方面,還存在差距[13].

4.3 電磁頻譜保密性安全與控制方向主要關(guān)鍵問題及發(fā)展動態(tài)

電磁頻譜保密性安全與控制方向關(guān)鍵問題主要有電磁頻譜信號識別與處理、電磁頻譜參數(shù)安全風險評估與控制、電磁干擾以及電磁頻譜保密性安全技術(shù)措施等.

4.3.1 電磁頻譜信號識別與處理

電磁頻譜信號識別與處理技術(shù)是對電磁頻譜信號進行逆向分析的主動防御手段,其結(jié)果可為電磁頻譜參數(shù)安全風險評估與控制提供支持,也可用于反控制.

國外在電磁頻譜信號的檢測、識別及處理方面具有長期的積累和實踐[13],如:法國ZDS公司CSI/CSA產(chǎn)品,具備多種類型信號的寬帶檢測、調(diào)制識別及編碼識別能力;美國從20世紀80年代起,開始整合“射頻測量與特征情報”項目及組織機構(gòu),將輻射源識別等系統(tǒng)廣泛應用于電子偵察衛(wèi)星、電子偵察飛機、反潛機、各種指揮艦和地面固定偵察站.近些年來,國內(nèi)在盲信號處理和多目標信號檢測與識別研究等方面取得了積極的進展和不少理論成果[13,30?32].但與國際先進水平相比,國內(nèi)在實用手段和體系建設等方面,還存在差距[13].

4.3.2 電磁頻譜參數(shù)安全風險評估與控制

電磁頻譜參數(shù)安全風險評估與控制主要解決如何評估電磁頻譜參數(shù)安全風險的大小、風險產(chǎn)生后的危害程度以及如何降低風險等問題.

西方發(fā)達國家關(guān)于電磁頻譜參數(shù)安全領(lǐng)域的研究已經(jīng)涉及陸基、海基和天基等領(lǐng)域,但未見具體成果的公開報道.近些年來,國內(nèi)在電磁頻譜參數(shù)安全及其風險的基本概念、評估與控制方法和分布式信號協(xié)同監(jiān)測技術(shù)研究等方面取得了初步的成果[5,33?35].但由于起步較晚,國內(nèi)在重視程度、標準體系、研究深度和手段建設等方面仍存在諸多不足[13].

4.3.3 電磁干擾

電磁干擾,亦稱為電子干擾,主要通過干擾對手偵察接收機,阻止對手偵察截獲我電磁頻譜參數(shù),是具有進攻性的主動防御手段,屬于反控制的范圍.

西方發(fā)達國家電磁干擾技術(shù)非常先進,尤其是美國在已有技術(shù)水平基礎(chǔ)上,近年還在資助和發(fā)展認知電子戰(zhàn)[36],以提高對抗自適應用頻系統(tǒng)的能力.迫于面臨的嚴峻威脅,近些年來,國內(nèi)在分布式干擾、靈巧干擾、智能干擾和基于混沌的干擾等電子干擾“手段多樣性”研究方面取得了較大發(fā)展[13].但與國際水平相比,國內(nèi)在技術(shù)研究深度和系統(tǒng)綜合效能等方面,還存在差距[13].

5 電磁頻譜安全與控制發(fā)展對策建議

電磁頻譜安全與控制涉及面廣,系統(tǒng)性強,需要在抗干擾、電子防御、電磁頻譜安全與控制遞進發(fā)展技術(shù)路線的框架下[13],把握好電磁頻譜安全與控制的發(fā)展對策和重點方向.

5.1 進一步提高電磁頻譜安全意識,樹立大安全觀念

高度重視電磁頻譜安全在國家安全和用頻系統(tǒng)建設中的地位,強化電磁頻譜安全發(fā)展的理念.根據(jù)新的需求,結(jié)合國家“十三五”和中長期發(fā)展規(guī)劃,做好頂層設計,制定我國電磁頻譜安全的發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃.在大安全觀念指導下,建立健全我國電磁頻譜安全與控制的理論體系、管理體系和技術(shù)體系,理清用頻裝備與電磁頻譜安全的關(guān)系,做到兩者同步發(fā)展.

5.2 加大頻譜資源戰(zhàn)略研究的力度,增強國際主導權(quán)

根據(jù)國家新時期電磁頻譜安全和用頻的戰(zhàn)略需求,加強電磁頻譜國際提案研究的頂層設計,制定近、中、遠期研究規(guī)劃,高度重視頻譜資源戰(zhàn)略研究與電磁頻譜安全的結(jié)合,明確要求和目標,爭取戰(zhàn)略主動.同時,建立健全適合我國國情的國際提案研究的激勵機制,培養(yǎng)專家隊伍,設立專項經(jīng)費,鼓勵自主提交和深入研究提案的積極性,提高研究層次和水平.

5.3 強化頻譜可用性安全原始創(chuàng)新,推進成體系發(fā)展

雖然我國在自適應擴展頻譜和信道編解碼抗干擾以及克服互擾的頻譜管理和電磁兼容等方面,取得了不少實用性成果,但原始創(chuàng)新不多,還存在抗干擾與頻譜資源的突出矛盾,系統(tǒng)間電磁兼容與末端用頻管理等還需要加強,這些也是當前國際上共同面對的重要問題.需要深化電磁頻譜可用性安全研究,尋找新的頻譜共用策略,完善相應技術(shù)體系和理論體系.

5.4 加強安全用頻手段和法規(guī)建設,提高防泄露水平

將電磁頻譜保密性安全擺在突出位置,建立電磁頻譜保密性安全聯(lián)控機制;在相關(guān)保密規(guī)定中增加電磁頻譜保密性安全內(nèi)容;高度重視電磁頻譜保密性安全發(fā)展的體系建設、手段建設及其整體規(guī)劃,制定和完善電磁頻譜參數(shù)防泄露和電磁頻譜安全風險防范規(guī)則;對重點目標和重點用頻裝備采取有效的電磁頻譜安全防護措施,以降低頻譜參數(shù)泄漏的安全風險.

6 結(jié)論

電磁頻譜安全與控制是一個涉及多學科、多領(lǐng)域交叉復雜的重大課題,其焦點是電磁頻譜為誰所用、被誰控制等.本文對其進行了初步研究,介紹了概念內(nèi)涵,分析了發(fā)展需求,闡述了發(fā)展動態(tài),提出了發(fā)展建議等.根據(jù)新時期我國用頻系統(tǒng)發(fā)展和安全用頻的雙重需求,應高度重視電磁頻譜戰(zhàn)略性、可用性和保密性安全與控制理論與方法的體系研究,從管理、技術(shù)、手段等方面尋找有效措施;推動電磁頻譜安全反控制向深層次發(fā)展,提高用頻系統(tǒng)電磁頻譜安全主動防御能力.