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(zhēng)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(duì)我作戰(zhàn)行動(dòng)和武器裝備帶來了嚴(yán)重的電磁威脅和影響，戰(zhàn)場(chǎng)電磁干擾嚴(yán)重，戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理任務(wù)艱巨。因此，加強(qiáng)對(duì)電磁頻譜的動(dòng)態(tài)規(guī)劃管理，充分利用有限的頻譜資源滿足戰(zhàn)場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)制電磁權(quán)、掌握戰(zhàn)場(chǎng)主動(dòng)權(quán)的基本前提。

1 頻譜動(dòng)態(tài)管理概述

1.1 頻譜動(dòng)態(tài)管理概念

頻譜動(dòng)態(tài)管理，是通過感知某一區(qū)域持續(xù)一段時(shí)間的頻譜利用情況，實(shí)現(xiàn)頻譜動(dòng)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(chǎng)頻譜動(dòng)態(tài)管理就是在作戰(zhàn)中，通過感知戰(zhàn)場(chǎng)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(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)，進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)頻譜實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)共享，對(duì)電磁頻譜采用時(shí)空頻能多域綜合動(dòng)態(tài)調(diào)整管理，使得戰(zhàn)場(chǎng)空間內(nèi)的各種電磁活動(dòng)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(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)。

戰(zhàn)場(chǎng)頻譜動(dòng)態(tài)管理內(nèi)容包括：感知戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜使用情況，監(jiān)測(cè)和分析戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境及態(tài)勢(shì)，預(yù)測(cè)分析戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容問題，建立動(dòng)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(chǎng)電磁頻譜動(dòng)態(tài)管理[2]。

1.2 外軍頻譜動(dòng)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(dòng)條令》提出電磁頻譜戰(zhàn)是“軍事行動(dòng)中成功控制電磁頻譜的所有行動(dòng)，由電子戰(zhàn)和頻譜管理兩部分組成”。2016年10月，美參聯(lián)會(huì)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(duì)思想、體制和結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了創(chuàng)新。同時(shí)，美國進(jìn)行了多次頻譜動(dòng)態(tài)管理的相關(guān)研究，對(duì)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(dòng)態(tài)接入的試驗(yàn)，其電磁頻譜管理部門也已在多個(gè)頻段積累了頻譜動(dòng)態(tài)管理的經(jīng)驗(yàn)。

2 頻譜動(dòng)態(tài)管理的主要內(nèi)容

2.1 戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜感知

戰(zhàn)場(chǎng)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(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)。利用各類戰(zhàn)場(chǎng)感知設(shè)備構(gòu)成覆蓋戰(zhàn)場(chǎng)空間的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，識(shí)別各種用頻設(shè)備的使用頻率、工作時(shí)間、部署移動(dòng)、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(shí)間內(nèi)大規(guī)模裝備部隊(duì)。這就需要利用現(xiàn)有的專用監(jiān)測(cè)設(shè)備及其他設(shè)備中的傳感單元對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境進(jìn)行感知，并充分利用網(wǎng)絡(luò)化的優(yōu)勢(shì)，通過戰(zhàn)場(chǎng)組網(wǎng)將獲取的信息迅速收集、整理，傳送存儲(chǔ)到聯(lián)合頻譜數(shù)據(jù)庫中，經(jīng)進(jìn)一步的預(yù)測(cè)、分析、計(jì)算、判斷形成戰(zhàn)場(chǎng)電磁態(tài)勢(shì)，供指揮員判斷和分析戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，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(chǎng)電磁頻譜感知的組成框圖。

圖1 戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜感知組成

戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜感知的作用是獲取和掌握戰(zhàn)場(chǎng)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(chǎng)電磁兼容預(yù)測(cè)和頻譜動(dòng)態(tài)管理，實(shí)現(xiàn)頻譜的有效利用和戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容。隨著戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的復(fù)雜化和動(dòng)態(tài)化以及電磁頻譜作戰(zhàn)的引入，戰(zhàn)場(chǎng)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(chǎng)電磁兼容預(yù)測(cè)分析

戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容預(yù)測(cè)分析是解決戰(zhàn)場(chǎng)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(chǎng)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(shí)間、空間和能量等因素，分析計(jì)算產(chǎn)生干擾的大小及影響范圍，評(píng)價(jià)干擾的危害程度，確保裝備系統(tǒng)間不會(huì)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(chǎng)裝備系統(tǒng)間電磁兼容預(yù)測(cè)分析采用優(yōu)化的四級(jí)預(yù)測(cè)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(duì)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(hào)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(shí)的頻率間隔相關(guān)。

由計(jì)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(cè)的基本流程如圖2如示。

圖2 電磁兼容預(yù)測(cè)流程圖

戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容性預(yù)測(cè)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(duì)，按照高優(yōu)先級(jí)到低優(yōu)先級(jí)的順序，用四級(jí)預(yù)測(cè)分析方法判斷次優(yōu)先級(jí)用戶相對(duì)于主優(yōu)先級(jí)用戶是否形成干擾[3]。

2.3 戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜共享

信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中，建立實(shí)時(shí)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(chǎng)電磁信息的共享和實(shí)時(shí)處理，是指揮員實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁頻譜的科學(xué)謀劃，從而實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容的重要保證。

當(dāng)前，戰(zhàn)場(chǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫內(nèi)容未融合戰(zhàn)場(chǎng)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(shí)更新和充分共享，制約了頻譜管理的效率和戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容的實(shí)施。同時(shí)，大多的數(shù)據(jù)記錄仍采用EXCEL表格等傳統(tǒng)方式，對(duì)電磁頻譜管理對(duì)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(duì)電磁頻譜分析支持有限。隨著認(rèn)知技術(shù)投入使用，對(duì)數(shù)據(jù)庫的準(zhǔn)確性、可靠性和實(shí)時(shí)性提出了更高的要求。頻譜管理部門必然對(duì)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(dòng)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(chǎng)的瞬息萬變，應(yīng)當(dāng)根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)特點(diǎn)，建立面向用戶的數(shù)據(jù)全面、更新實(shí)時(shí)、共享充分、處理快速的戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并針對(duì)需要分別采用“定時(shí)共享、按需共享、實(shí)時(shí)共享”等共享方式實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜共享。

2.4 戰(zhàn)場(chǎng)頻譜動(dòng)態(tài)管理

戰(zhàn)場(chǎng)電磁頻譜動(dòng)態(tài)管理的主要任務(wù)是根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)引起頻譜使用變化的因素，實(shí)施電磁頻譜多域綜合動(dòng)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(chǎng)電磁環(huán)境，實(shí)現(xiàn)己方戰(zhàn)場(chǎng)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(shí)域復(fù)用分配

頻帶占用時(shí)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(shí)間，通過合理劃分各裝備對(duì)使用頻帶所申請(qǐng)的用頻占用時(shí)間，可以提高頻譜的利用率并且實(shí)現(xiàn)電磁兼容。時(shí)域上的共享即利用頻帶占用時(shí)間的間隔來實(shí)現(xiàn)電磁兼容的方法[4]。戰(zhàn)場(chǎng)上部分裝備雖然工作頻段相同或者相近，但對(duì)于產(chǎn)生的電磁干擾來說，只有干擾輻射源的工作時(shí)間與接收裝備的工作時(shí)間相同或相等時(shí)才可能出現(xiàn)干擾，因此，可以利用相互間工作間隙時(shí)間實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容。通常依據(jù)各作戰(zhàn)行動(dòng)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行工作時(shí)間區(qū)分，重點(diǎn)保障整體作戰(zhàn)指揮和作戰(zhàn)行動(dòng)，以及對(duì)整個(gè)作戰(zhàn)進(jìn)程起關(guān)鍵作用的行動(dòng)。由于電子信息技術(shù)的特點(diǎn)和電磁空間作戰(zhàn)的瞬時(shí)性，頻譜時(shí)域復(fù)用突出高效分配和利用信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)隙完成各自的電磁作戰(zhàn)任務(wù)，特別是面對(duì)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(shí)，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(chǎng)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(chǎng)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(tái)都處在高速機(jī)動(dòng)之中，出現(xiàn)電磁干擾的機(jī)率大大增加，因此需要及時(shí)對(duì)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(shí)節(jié)重點(diǎn)任務(wù)的變化，以執(zhí)行該任務(wù)時(shí)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(chǎng)地形數(shù)據(jù)、頻譜資源數(shù)據(jù)庫和臺(tái)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(chǎng)電磁兼容。

2.4.3 頻域動(dòng)態(tài)規(guī)劃

戰(zhàn)場(chǎng)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(chǎng)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(shì)必會(huì)增加戰(zhàn)場(chǎng)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(duì)戰(zhàn)場(chǎng)用頻裝備的頻率進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃調(diào)整是實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)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(jí)進(jìn)行頻率動(dòng)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(chǎng)電磁兼容[5]，通過分析低優(yōu)先級(jí)用戶對(duì)高優(yōu)先級(jí)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(chǎng)電磁兼容的目的。同時(shí)，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(dòng)態(tài)分配頻譜，實(shí)現(xiàn)頻譜使用與需求的動(dòng)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(chǎng)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(dòng)態(tài)調(diào)度的方法與空域調(diào)度密切相關(guān)，而通過對(duì)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(hào)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(shì)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(chǎng)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(gè)作戰(zhàn)階段，通常需要根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)情況變化對(duì)電磁輻射能量進(jìn)行針對(duì)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(chǎng)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(bào)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(shì)；但是，若對(duì)手的電子戰(zhàn)能力讓美軍在戰(zhàn)場(chǎng)上失去了感知、通信、導(dǎo)航、協(xié)同等能力，那么這種優(yōu)勢(shì)也將不復(fù)存在……?！绷⒆愦蜈A未來信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的現(xiàn)實(shí)需求，面對(duì)日益復(fù)雜嚴(yán)峻的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境，為了取得制電磁權(quán)進(jìn)而掌握戰(zhàn)爭(zhēng)主動(dòng)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(dòng)態(tài)頻譜管理研究與發(fā)展，高度重視戰(zhàn)場(chǎng)電磁兼容問題，對(duì)頻率使用進(jìn)行精細(xì)化、動(dòng)態(tài)化、智能化管理。