張祖峰，李修和，徐 英

(國防科技大學(xué)，安徽 合肥 230037)

0 引 言

隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展和在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，武器裝備的作戰(zhàn)運(yùn)用大都離不開電子信息設(shè)備的正常運(yùn)行和支撐，作戰(zhàn)信息和數(shù)據(jù)的傳輸主要依靠電磁空間完成，電磁頻譜已經(jīng)成為影響戰(zhàn)爭進(jìn)程和結(jié)局的關(guān)鍵因素。信息化條件下聯(lián)合作戰(zhàn)，復(fù)雜電磁環(huán)境對我作戰(zhàn)行動和武器裝備帶來了嚴(yán)重的電磁威脅和影響，戰(zhàn)場電磁干擾嚴(yán)重，戰(zhàn)場電磁頻譜管理任務(wù)艱巨。因此，加強(qiáng)對電磁頻譜的動態(tài)規(guī)劃管理，充分利用有限的頻譜資源滿足戰(zhàn)場用頻裝備的需求，實(shí)現(xiàn)信息化條件下聯(lián)合作戰(zhàn)的戰(zhàn)場電磁兼容，不僅關(guān)系到武器裝備作戰(zhàn)效能的發(fā)揮，還是奪取戰(zhàn)場制電磁權(quán)、掌握戰(zhàn)場主動權(quán)的基本前提。

1 頻譜動態(tài)管理概述

1.1 頻譜動態(tài)管理概念

頻譜動態(tài)管理，是通過感知某一區(qū)域持續(xù)一段時間的頻譜利用情況，實(shí)現(xiàn)頻譜動態(tài)調(diào)整和管理，是提高頻譜資源利用率的一種方法[1]。戰(zhàn)場頻譜動態(tài)管理就是在作戰(zhàn)中，通過感知戰(zhàn)場某一階段、區(qū)域過去和現(xiàn)在的頻譜資源使用情況，掌握和分析戰(zhàn)場電磁態(tài)勢，進(jìn)行戰(zhàn)場電磁兼容預(yù)測，實(shí)現(xiàn)頻譜實(shí)時動態(tài)共享，對電磁頻譜采用時空頻能多域綜合動態(tài)調(diào)整管理，使得戰(zhàn)場空間內(nèi)的各種電磁活動有序進(jìn)行且兼容共存，進(jìn)而形成可以充分發(fā)揮武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的戰(zhàn)場電磁態(tài)勢。

戰(zhàn)場頻譜動態(tài)管理內(nèi)容包括：感知戰(zhàn)場電磁頻譜使用情況，監(jiān)測和分析戰(zhàn)場電磁環(huán)境及態(tài)勢，預(yù)測分析戰(zhàn)場電磁兼容問題，建立動態(tài)頻譜池或數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，實(shí)施戰(zhàn)場電磁頻譜動態(tài)管理[2]。

1.2 外軍頻譜動態(tài)管理現(xiàn)狀

為了提高電磁頻譜管理能力，美軍高度關(guān)注電磁頻譜管理轉(zhuǎn)型研究并大力推進(jìn)能力轉(zhuǎn)型。美陸軍2014年2月發(fā)布的《網(wǎng)絡(luò)電磁行動條令》提出電磁頻譜戰(zhàn)是“軍事行動中成功控制電磁頻譜的所有行動，由電子戰(zhàn)和頻譜管理兩部分組成”。2016年10月，美參聯(lián)會頒布的JDN3-16《聯(lián)合電磁頻譜作戰(zhàn)》詳細(xì)闡述了電磁頻譜利用和管控等內(nèi)容，對思想、體制和結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了創(chuàng)新。同時，美國進(jìn)行了多次頻譜動態(tài)管理的相關(guān)研究，對原有的一些頻譜管理標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂和完善，在若干頻段進(jìn)行了頻譜共享、頻譜動態(tài)接入的試驗(yàn)，其電磁頻譜管理部門也已在多個頻段積累了頻譜動態(tài)管理的經(jīng)驗(yàn)。

2 頻譜動態(tài)管理的主要內(nèi)容

2.1 戰(zhàn)場電磁頻譜感知

戰(zhàn)場電磁頻譜感知是為了感知和掌握電磁環(huán)境的狀態(tài)，獲取戰(zhàn)場電磁態(tài)勢。利用各類戰(zhàn)場感知設(shè)備構(gòu)成覆蓋戰(zhàn)場空間的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，識別各種用頻設(shè)備的使用頻率、工作時間、部署移動、能量大小和電磁干擾情況，是實(shí)現(xiàn)指揮決策和資源調(diào)度的前提和基礎(chǔ)。

當(dāng)前認(rèn)知技術(shù)日趨成熟，但具備認(rèn)知能力的新型裝備成本高昂，無法在短時間內(nèi)大規(guī)模裝備部隊。這就需要利用現(xiàn)有的專用監(jiān)測設(shè)備及其他設(shè)備中的傳感單元對戰(zhàn)場電磁環(huán)境進(jìn)行感知，并充分利用網(wǎng)絡(luò)化的優(yōu)勢，通過戰(zhàn)場組網(wǎng)將獲取的信息迅速收集、整理，傳送存儲到聯(lián)合頻譜數(shù)據(jù)庫中，經(jīng)進(jìn)一步的預(yù)測、分析、計算、判斷形成戰(zhàn)場電磁態(tài)勢，供指揮員判斷和分析戰(zhàn)場態(tài)勢，為其定下指揮決策提供直接有效的用頻參考，圖1為戰(zhàn)場電磁頻譜感知的組成框圖。

圖1 戰(zhàn)場電磁頻譜感知組成

戰(zhàn)場電磁頻譜感知的作用是獲取和掌握戰(zhàn)場上電子信息設(shè)備的用頻情況。掌握足夠的電磁頻譜信息，可以進(jìn)行戰(zhàn)場電磁兼容預(yù)測和頻譜動態(tài)管理，實(shí)現(xiàn)頻譜的有效利用和戰(zhàn)場電磁兼容。隨著戰(zhàn)場電磁環(huán)境的復(fù)雜化和動態(tài)化以及電磁頻譜作戰(zhàn)的引入，戰(zhàn)場電磁頻譜感知將成為信息化作戰(zhàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.2 戰(zhàn)場電磁兼容預(yù)測分析

戰(zhàn)場電磁兼容預(yù)測分析是解決戰(zhàn)場電磁兼容問題的前提和基礎(chǔ)。在頻譜感知的基礎(chǔ)上進(jìn)行戰(zhàn)場電磁兼容性分析，綜合考慮收發(fā)裝備特性、傳播損耗、地理地形特征、自然電磁環(huán)境、時間、空間和能量等因素，分析計算產(chǎn)生干擾的大小及影響范圍，評價干擾的危害程度，確保裝備系統(tǒng)間不會產(chǎn)生超過允許值的有害干擾，為電磁資源管理提供可靠的技術(shù)依據(jù)。

戰(zhàn)場裝備系統(tǒng)間電磁兼容預(yù)測分析采用優(yōu)化的四級預(yù)測模型，通過比較潛在干擾源的干擾有效功率與敏感設(shè)備敏感度門限，兩者之差用干擾余量(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為干擾設(shè)備的發(fā)射功率；Gt為干擾設(shè)備的發(fā)射天線在受擾設(shè)備方向上的增益；Gr為受擾設(shè)備的接收天線對著干擾設(shè)備發(fā)射天線方向上的增益；L為干擾設(shè)備發(fā)出的干擾信號通過各種傳播途徑產(chǎn)生的損耗；Ps為受擾設(shè)備接收機(jī)的敏感度門限；FC為修正系數(shù)，與兩者工作帶寬和響應(yīng)時的頻率間隔相關(guān)。

由計算結(jié)果判斷是否存在電磁干擾及嚴(yán)重程度。電磁干擾預(yù)測的基本流程如圖2如示。

圖2 電磁兼容預(yù)測流程圖

戰(zhàn)場電磁兼容性預(yù)測每次選取不同裝備系統(tǒng)的干擾源和敏感設(shè)備組成發(fā)射-響應(yīng)對，按照高優(yōu)先級到低優(yōu)先級的順序，用四級預(yù)測分析方法判斷次優(yōu)先級用戶相對于主優(yōu)先級用戶是否形成干擾[3]。

2.3 戰(zhàn)場電磁頻譜共享

信息化戰(zhàn)爭中，建立實(shí)時完備的信息作戰(zhàn)資源數(shù)據(jù)庫，并通過技術(shù)手段進(jìn)行戰(zhàn)場電磁信息的共享和實(shí)時處理，是指揮員實(shí)現(xiàn)對電磁頻譜的科學(xué)謀劃，從而實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場電磁兼容的重要保證。

當(dāng)前，戰(zhàn)場基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫內(nèi)容未融合戰(zhàn)場多種數(shù)據(jù)庫信息，且數(shù)據(jù)不能實(shí)現(xiàn)全部實(shí)時更新和充分共享，制約了頻譜管理的效率和戰(zhàn)場電磁兼容的實(shí)施。同時，大多的數(shù)據(jù)記錄仍采用EXCEL表格等傳統(tǒng)方式，對電磁頻譜管理對象的各種信息記載無法做到詳細(xì)具體，使得數(shù)據(jù)的可用性不強(qiáng)，對電磁頻譜分析支持有限。隨著認(rèn)知技術(shù)投入使用，對數(shù)據(jù)庫的準(zhǔn)確性、可靠性和實(shí)時性提出了更高的要求。頻譜管理部門必然對數(shù)據(jù)庫的更新頻率、數(shù)據(jù)來源的可靠性、電波傳播模型、數(shù)據(jù)的融合方式等做出詳細(xì)規(guī)定，才能基于該數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、可靠的動態(tài)頻譜管理。為確保頻譜的使用需求和管理能夠適應(yīng)戰(zhàn)場的瞬息萬變，應(yīng)當(dāng)根據(jù)戰(zhàn)場特點(diǎn)，建立面向用戶的數(shù)據(jù)全面、更新實(shí)時、共享充分、處理快速的戰(zhàn)場電磁頻譜管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并針對需要分別采用“定時共享、按需共享、實(shí)時共享”等共享方式實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場電磁頻譜共享。

2.4 戰(zhàn)場頻譜動態(tài)管理

戰(zhàn)場電磁頻譜動態(tài)管理的主要任務(wù)是根據(jù)戰(zhàn)場引起頻譜使用變化的因素，實(shí)施電磁頻譜多域綜合動態(tài)分配和調(diào)整，努力營造和竭力維持有利于己而不利于敵的戰(zhàn)場電磁環(huán)境，實(shí)現(xiàn)己方戰(zhàn)場電磁兼容和頻譜的高效利用，確保武器裝備作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。

2.4.1 時域復(fù)用分配

頻帶占用時間是指用頻裝備從使用某一頻段開始到結(jié)束的持續(xù)時間，通過合理劃分各裝備對使用頻帶所申請的用頻占用時間，可以提高頻譜的利用率并且實(shí)現(xiàn)電磁兼容。時域上的共享即利用頻帶占用時間的間隔來實(shí)現(xiàn)電磁兼容的方法[4]。戰(zhàn)場上部分裝備雖然工作頻段相同或者相近，但對于產(chǎn)生的電磁干擾來說，只有干擾輻射源的工作時間與接收裝備的工作時間相同或相等時才可能出現(xiàn)干擾，因此，可以利用相互間工作間隙時間實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場電磁兼容。通常依據(jù)各作戰(zhàn)行動的優(yōu)先級進(jìn)行工作時間區(qū)分，重點(diǎn)保障整體作戰(zhàn)指揮和作戰(zhàn)行動，以及對整個作戰(zhàn)進(jìn)程起關(guān)鍵作用的行動。由于電子信息技術(shù)的特點(diǎn)和電磁空間作戰(zhàn)的瞬時性，頻譜時域復(fù)用突出高效分配和利用信號傳輸?shù)臅r隙完成各自的電磁作戰(zhàn)任務(wù)，特別是面對用頻設(shè)備工作頻率相同、天線工作方向大體一致的情況時，更需要強(qiáng)調(diào)運(yùn)用這種方法來搞好己方各種作戰(zhàn)力量的電磁協(xié)同，保持有限戰(zhàn)場區(qū)域內(nèi)的大量電子信息設(shè)備工作的有序協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場電磁兼容。

2.4.2 空域優(yōu)化部署

信息化條件下，作戰(zhàn)節(jié)奏加快，使用電子信息系統(tǒng)的各作戰(zhàn)力量包括武器平臺都處在高速機(jī)動之中，出現(xiàn)電磁干擾的機(jī)率大大增加，因此需要及時對各用頻設(shè)備部署和天線作戰(zhàn)方向進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)裝備間電磁兼容才能確保作戰(zhàn)效能的充分發(fā)揮?？沼騼?yōu)化部署是在相同或相近頻譜上，通過調(diào)整控制裝備的天線輻射方位和部署位置來實(shí)現(xiàn)電磁兼容的方法。根據(jù)不同時節(jié)重點(diǎn)任務(wù)的變化，以執(zhí)行該任務(wù)時的關(guān)鍵用頻裝備為部署基準(zhǔn)點(diǎn)，其他相關(guān)裝備都以與該裝備實(shí)現(xiàn)電磁兼容為要求進(jìn)行合理部署[5]。三維地理信息系統(tǒng)內(nèi)詳細(xì)的戰(zhàn)場地形數(shù)據(jù)、頻譜資源數(shù)據(jù)庫和臺站數(shù)據(jù)庫的信息是實(shí)現(xiàn)優(yōu)化布站的關(guān)鍵，利用電磁波在不同地形地貌上傳播的損耗和天線的方向性特點(diǎn)來進(jìn)行部署調(diào)整從而實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場電磁兼容。

2.4.3 頻域動態(tài)規(guī)劃

戰(zhàn)場電磁頻譜資源與需求矛盾日益突出，用頻裝備數(shù)量的增加、規(guī)模的擴(kuò)大等問題也使得有限戰(zhàn)場空間內(nèi)頻譜使用和協(xié)調(diào)更加困難。如果不嚴(yán)格管控，任由各用頻裝備隨意使用頻率，勢必會增加戰(zhàn)場電磁環(huán)境的復(fù)雜性，導(dǎo)致更嚴(yán)重的電磁干擾。因此，對戰(zhàn)場用頻裝備的頻率進(jìn)行動態(tài)規(guī)劃調(diào)整是實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場電磁兼容的重要措施。其原則是根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)需要，在盡可能滿足重點(diǎn)任務(wù)、重要方向的用頻需求的前提下逐級進(jìn)行頻率動態(tài)規(guī)劃分配。頻域上主要是利用頻段使用的偏移來實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場電磁兼容[5]，通過分析低優(yōu)先級用戶對高優(yōu)先級用戶的干擾情況，可以指導(dǎo)用頻裝備合理調(diào)整其發(fā)射頻率，以達(dá)到戰(zhàn)場電磁兼容的目的。同時，在遵循頻譜規(guī)劃的前提下，通過頻譜感知、頻譜共享、頻譜切換等認(rèn)知無線電技術(shù)，動態(tài)分配頻譜，實(shí)現(xiàn)頻譜使用與需求的動態(tài)最優(yōu)搭配，達(dá)到頻譜資源的高效利用和實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場電磁兼容。

2.4.4 能域適度均衡

實(shí)際作戰(zhàn)運(yùn)用中，能域動態(tài)調(diào)度的方法與空域調(diào)度密切相關(guān)，而通過對電磁干擾三要素的分析可知，造成電磁干擾的根本原因就是到達(dá)敏感設(shè)備接收端的信號能量超過有用信息的能量和設(shè)備的敏感度。隨著人工智能等技術(shù)的發(fā)展，電磁干擾總的趨勢是在傳統(tǒng)大功率壓制干擾基礎(chǔ)上，向低功率的靈巧、誘騙和認(rèn)知等精確干擾發(fā)展，大功率壓制干擾和低功率精確干擾共存。根據(jù)作戰(zhàn)需求，選擇適度的發(fā)射功率，達(dá)成作戰(zhàn)目的并兼顧戰(zhàn)場電磁兼容，確保己方其他電子信息系統(tǒng)的效能發(fā)揮不受影響。執(zhí)行不同作戰(zhàn)任務(wù)的各類裝備，隨著任務(wù)的變化，滿足相應(yīng)任務(wù)需求的功率即可。在各個作戰(zhàn)階段，通常需要根據(jù)戰(zhàn)場情況變化對電磁輻射能量進(jìn)行針對性調(diào)整和變化，從而避免用頻裝備集中工作的頻段能量過于集中，確保戰(zhàn)場空間內(nèi)電磁輻射能量的均衡。

3 結(jié)束語

引用美軍《21世紀(jì)復(fù)雜電磁環(huán)境下的軍事作戰(zhàn)》報告中的一句話作為結(jié)束語[6]：“美軍克敵制勝的關(guān)鍵在很大程度上依賴其信息優(yōu)勢；但是，若對手的電子戰(zhàn)能力讓美軍在戰(zhàn)場上失去了感知、通信、導(dǎo)航、協(xié)同等能力，那么這種優(yōu)勢也將不復(fù)存在……?！绷⒆愦蜈A未來信息化戰(zhàn)爭的現(xiàn)實(shí)需求，面對日益復(fù)雜嚴(yán)峻的戰(zhàn)場電磁環(huán)境，為了取得制電磁權(quán)進(jìn)而掌握戰(zhàn)爭主動權(quán)，需要借鑒外軍先進(jìn)頻譜管理思想和技術(shù)并結(jié)合我國實(shí)情和現(xiàn)狀，以軍事應(yīng)用促進(jìn)基于認(rèn)知無線電技術(shù)的動態(tài)頻譜管理研究與發(fā)展，高度重視戰(zhàn)場電磁兼容問題，對頻率使用進(jìn)行精細(xì)化、動態(tài)化、智能化管理。