頻譜動態管理解決戰場電磁兼容問題

張祖峰，李修和，徐 英

(國防科技大學，安徽 合肥 230037)

0 引 言

隨著電子信息技術的快速發展和在軍事領域的廣泛應用，武器裝備的作戰運用大都離不開電子信息設備的正常運行和支撐，作戰信息和數據的傳輸主要依靠電磁空間完成，電磁頻譜已經成為影響戰爭進程和結局的關鍵因素。信息化條件下聯合作戰，復雜電磁環境對我作戰行動和武器裝備帶來了嚴重的電磁威脅和影響，戰場電磁干擾嚴重，戰場電磁頻譜管理任務艱巨。因此，加強對電磁頻譜的動態規劃管理，充分利用有限的頻譜資源滿足戰場用頻裝備的需求，實現信息化條件下聯合作戰的戰場電磁兼容，不僅關系到武器裝備作戰效能的發揮，還是奪取戰場制電磁權、掌握戰場主動權的基本前提。

1 頻譜動態管理概述

1.1 頻譜動態管理概念

頻譜動態管理，是通過感知某一區域持續一段時間的頻譜利用情況，實現頻譜動態調整和管理，是提高頻譜資源利用率的一種方法[1]。戰場頻譜動態管理就是在作戰中，通過感知戰場某一階段、區域過去和現在的頻譜資源使用情況，掌握和分析戰場電磁態勢，進行戰場電磁兼容預測，實現頻譜實時動態共享，對電磁頻譜采用時空頻能多域綜合動態調整管理，使得戰場空間內的各種電磁活動有序進行且兼容共存，進而形成可以充分發揮武器系統作戰效能的戰場電磁態勢。

戰場頻譜動態管理內容包括：感知戰場電磁頻譜使用情況，監測和分析戰場電磁環境及態勢，預測分析戰場電磁兼容問題，建立動態頻譜池或數據庫實現數據共享，實施戰場電磁頻譜動態管理[2]。

1.2 外軍頻譜動態管理現狀

為了提高電磁頻譜管理能力，美軍高度關注電磁頻譜管理轉型研究并大力推進能力轉型。美陸軍2014年2月發布的《網絡電磁行動條令》提出電磁頻譜戰是“軍事行動中成功控制電磁頻譜的所有行動，由電子戰和頻譜管理兩部分組成”。2016年10月，美參聯會頒布的JDN3-16《聯合電磁頻譜作戰》詳細闡述了電磁頻譜利用和管控等內容，對思想、體制和結構等進行了創新。同時，美國進行了多次頻譜動態管理的相關研究，對原有的一些頻譜管理標準進行了修訂和完善，在若干頻段進行了頻譜共享、頻譜動態接入的試驗，其電磁頻譜管理部門也已在多個頻段積累了頻譜動態管理的經驗。

2 頻譜動態管理的主要內容

2.1 戰場電磁頻譜感知

戰場電磁頻譜感知是為了感知和掌握電磁環境的狀態，獲取戰場電磁態勢。利用各類戰場感知設備構成覆蓋戰場空間的監測網絡，識別各種用頻設備的使用頻率、工作時間、部署移動、能量大小和電磁干擾情況，是實現指揮決策和資源調度的前提和基礎。

當前認知技術日趨成熟，但具備認知能力的新型裝備成本高昂，無法在短時間內大規模裝備部隊。這就需要利用現有的專用監測設備及其他設備中的傳感單元對戰場電磁環境進行感知，并充分利用網絡化的優勢，通過戰場組網將獲取的信息迅速收集、整理，傳送存儲到聯合頻譜數據庫中，經進一步的預測、分析、計算、判斷形成戰場電磁態勢，供指揮員判斷和分析戰場態勢，為其定下指揮決策提供直接有效的用頻參考，圖1為戰場電磁頻譜感知的組成框圖。

圖1 戰場電磁頻譜感知組成

戰場電磁頻譜感知的作用是獲取和掌握戰場上電子信息設備的用頻情況。掌握足夠的電磁頻譜信息，可以進行戰場電磁兼容預測和頻譜動態管理，實現頻譜的有效利用和戰場電磁兼容。隨著戰場電磁環境的復雜化和動態化以及電磁頻譜作戰的引入，戰場電磁頻譜感知將成為信息化作戰的關鍵環節。

2.2 戰場電磁兼容預測分析

戰場電磁兼容預測分析是解決戰場電磁兼容問題的前提和基礎。在頻譜感知的基礎上進行戰場電磁兼容性分析，綜合考慮收發裝備特性、傳播損耗、地理地形特征、自然電磁環境、時間、空間和能量等因素，分析計算產生干擾的大小及影響范圍，評價干擾的危害程度，確保裝備系統間不會產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依據。

戰場裝備系統間電磁兼容預測分析采用優化的四級預測模型，通過比較潛在干擾源的干擾有效功率與敏感設備敏感度門限，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為干擾設備的發射功率；Gt為干擾設備的發射天線在受擾設備方向上的增益；Gr為受擾設備的接收天線對著干擾設備發射天線方向上的增益；L為干擾設備發出的干擾信號通過各種傳播途徑產生的損耗；Ps為受擾設備接收機的敏感度門限；FC為修正系數，與兩者工作帶寬和響應時的頻率間隔相關。

由計算結果判斷是否存在電磁干擾及嚴重程度。電磁干擾預測的基本流程如圖2如示。

圖2 電磁兼容預測流程圖

戰場電磁兼容性預測每次選取不同裝備系統的干擾源和敏感設備組成發射-響應對，按照高優先級到低優先級的順序，用四級預測分析方法判斷次優先級用戶相對于主優先級用戶是否形成干擾[3]。

2.3 戰場電磁頻譜共享

信息化戰爭中，建立實時完備的信息作戰資源數據庫，并通過技術手段進行戰場電磁信息的共享和實時處理，是指揮員實現對電磁頻譜的科學謀劃，從而實現戰場電磁兼容的重要保證。

當前，戰場基礎數據庫內容未融合戰場多種數據庫信息，且數據不能實現全部實時更新和充分共享，制約了頻譜管理的效率和戰場電磁兼容的實施。同時，大多的數據記錄仍采用EXCEL表格等傳統方式，對電磁頻譜管理對象的各種信息記載無法做到詳細具體，使得數據的可用性不強，對電磁頻譜分析支持有限。隨著認知技術投入使用，對數據庫的準確性、可靠性和實時性提出了更高的要求。頻譜管理部門必然對數據庫的更新頻率、數據來源的可靠性、電波傳播模型、數據的融合方式等做出詳細規定，才能基于該數據庫實現準確、可靠的動態頻譜管理。為確保頻譜的使用需求和管理能夠適應戰場的瞬息萬變，應當根據戰場特點，建立面向用戶的數據全面、更新實時、共享充分、處理快速的戰場電磁頻譜管理數據庫系統，并針對需要分別采用“定時共享、按需共享、實時共享”等共享方式實現戰場電磁頻譜共享。

2.4 戰場頻譜動態管理

戰場電磁頻譜動態管理的主要任務是根據戰場引起頻譜使用變化的因素，實施電磁頻譜多域綜合動態分配和調整，努力營造和竭力維持有利于己而不利于敵的戰場電磁環境，實現己方戰場電磁兼容和頻譜的高效利用，確保武器裝備作戰效能的發揮。

2.4.1 時域復用分配

頻帶占用時間是指用頻裝備從使用某一頻段開始到結束的持續時間，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現電磁兼容。時域上的共享即利用頻帶占用時間的間隔來實現電磁兼容的方法[4]。戰場上部分裝備雖然工作頻段相同或者相近，但對于產生的電磁干擾來說，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干擾，因此，可以利用相互間工作間隙時間實現戰場電磁兼容。通常依據各作戰行動的優先級進行工作時間區分，重點保障整體作戰指揮和作戰行動，以及對整個作戰進程起關鍵作用的行動。由于電子信息技術的特點和電磁空間作戰的瞬時性，頻譜時域復用突出高效分配和利用信號傳輸的時隙完成各自的電磁作戰任務，特別是面對用頻設備工作頻率相同、天線工作方向大體一致的情況時，更需要強調運用這種方法來搞好己方各種作戰力量的電磁協同，保持有限戰場區域內的大量電子信息設備工作的有序協調，實現戰場電磁兼容。

2.4.2 空域優化部署

信息化條件下，作戰節奏加快，使用電子信息系統的各作戰力量包括武器平臺都處在高速機動之中，出現電磁干擾的機率大大增加，因此需要及時對各用頻設備部署和天線作戰方向進行優化調整，實現裝備間電磁兼容才能確保作戰效能的充分發揮?？沼騼灮渴鹗窃谙嗤蛳嘟l譜上，通過調整控制裝備的天線輻射方位和部署位置來實現電磁兼容的方法。根據不同時節重點任務的變化，以執行該任務時的關鍵用頻裝備為部署基準點，其他相關裝備都以與該裝備實現電磁兼容為要求進行合理部署[5]。三維地理信息系統內詳細的戰場地形數據、頻譜資源數據庫和臺站數據庫的信息是實現優化布站的關鍵，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來進行部署調整從而實現戰場電磁兼容。

2.4.3 頻域動態規劃

戰場電磁頻譜資源與需求矛盾日益突出，用頻裝備數量的增加、規模的擴大等問題也使得有限戰場空間內頻譜使用和協調更加困難。如果不嚴格管控，任由各用頻裝備隨意使用頻率，勢必會增加戰場電磁環境的復雜性，導致更嚴重的電磁干擾。因此，對戰場用頻裝備的頻率進行動態規劃調整是實現戰場電磁兼容的重要措施。其原則是根據作戰任務需要，在盡可能滿足重點任務、重要方向的用頻需求的前提下逐級進行頻率動態規劃分配。頻域上主要是利用頻段使用的偏移來實現戰場電磁兼容[5]，通過分析低優先級用戶對高優先級用戶的干擾情況，可以指導用頻裝備合理調整其發射頻率，以達到戰場電磁兼容的目的。同時，在遵循頻譜規劃的前提下，通過頻譜感知、頻譜共享、頻譜切換等認知無線電技術，動態分配頻譜，實現頻譜使用與需求的動態最優搭配，達到頻譜資源的高效利用和實現戰場電磁兼容。

2.4.4 能域適度均衡

實際作戰運用中，能域動態調度的方法與空域調度密切相關，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敏感設備接收端的信號能量超過有用信息的能量和設備的敏感度。隨著人工智能等技術的發展，電磁干擾總的趨勢是在傳統大功率壓制干擾基礎上，向低功率的靈巧、誘騙和認知等精確干擾發展，大功率壓制干擾和低功率精確干擾共存。根據作戰需求，選擇適度的發射功率，達成作戰目的并兼顧戰場電磁兼容，確保己方其他電子信息系統的效能發揮不受影響。執行不同作戰任務的各類裝備，隨著任務的變化，滿足相應任務需求的功率即可。在各個作戰階段，通常需要根據戰場情況變化對電磁輻射能量進行針對性調整和變化，從而避免用頻裝備集中工作的頻段能量過于集中，確保戰場空間內電磁輻射能量的均衡。

3 結束語

引用美軍《21世紀復雜電磁環境下的軍事作戰》報告中的一句話作為結束語[6]：“美軍克敵制勝的關鍵在很大程度上依賴其信息優勢；但是，若對手的電子戰能力讓美軍在戰場上失去了感知、通信、導航、協同等能力，那么這種優勢也將不復存在……?！绷⒆愦蜈A未來信息化戰爭的現實需求，面對日益復雜嚴峻的戰場電磁環境，為了取得制電磁權進而掌握戰爭主動權，需要借鑒外軍先進頻譜管理思想和技術并結合我國實情和現狀，以軍事應用促進基于認知無線電技術的動態頻譜管理研究與發展，高度重視戰場電磁兼容問題，對頻率使用進行精細化、動態化、智能化管理。