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电磁频谱空间是继陆海空天网传统五大作战领域之后的超级作战领域,也是一个国家的战略稀缺资源。在民用电磁频谱应用方面,无线电子设备数目的迅猛增长导致民用频谱的可用资源紧张、频谱冲突和频谱安全问题凸显。传统静态规划、分配频率资源对授权频段利用具有排他性和独占性,频谱资源利用效率较低。随着5G、工业物联网、车联网、星链为代表的卫星互联网等数据业务不断增长,对民用电磁频谱管理工作带来了较大挑战[1-2]。为更好地服务国民经济发展,需进一步做好民用分布式宽带频谱监测、多业务电磁频谱兼容性与抗扰性分析以及基于大数据的电磁频谱资源规划等工作。同时,在国家无线电委员会无线电频谱规划的基础上,需进一步构建全国分区域电磁频谱监测网络,形成电磁频谱态势图,进而对电磁频谱进行精细规划和分配,实现用频业务全周期动态管理。
在军事频谱应用方面, 作战双方围绕夺取战场制信息权和制电磁权的对抗将愈发激烈。战场电磁频谱精准感知、电磁态势分发、用频决策、频谱管控、频谱服务将直接关系到各级部队指挥决策、作战行动以及武器装备效能发挥[3-4]。为做好电磁频谱顶层规划、频谱态势感知、频谱推理与动态管控以及频谱效能评估与应用至关重要。
本文针对当前军用、民用频谱应用的共性和差异化应用需求,首先分析了无线电频谱民用和军事应用的国内外现状;接着分析了无线电频谱面临的各种严峻挑战;然后从频谱顶层设计与规划、频谱态势感知、频谱管控和电磁频谱应用试验验证等方面分析了国外电磁频谱的发展趋势;最后从总体设计和规划管理、工程实践和关键技术应用3个层面梳理了我国电磁频谱应用的发展现状和发展对策。
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国内电磁频谱空间应用相关技术研究起步稍晚,但也受到各个领域的高度重视,在电磁频谱的顶层设计与规划、电磁频谱空间仿真与动态模拟、战场电磁频谱精准测试验证、电磁频谱闭环管控等总体设计层面、电磁频谱工程实践层面及相应关键技术正逐步提升[22]。
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1)军民融合的电磁频谱应用总体设计和规划
面对民用和军用的密集复杂电磁环境,如何对电磁频谱进行有效管理,现已成为确保空间电磁频谱感知、用频协同和频谱安全的决定性技术。针对多种使用场景下的动态频谱协同运用以及多层级的频谱管控要求,使用如图3所示的总体设计和全局规划方式,采用自协同多模式频谱管控系统对空间电磁频谱动态实时管控,以解决军用和民用场景中用频策略僵化、延迟高等难题,突破电磁频谱推理预测和电磁频谱策略生成与分发等关键技术,实现用频设备频谱的合理分配与频谱资源的共用,为信息化设备提供高层次、智能化的频率管理方案,提升设备间的电磁兼容性,并根据实时获取的电磁态势动态调整用频计划[23-24]。
2)复杂战场电磁频谱空间环境仿真与动态模拟
针对强对抗条件下陆海空天的电磁频谱空间表征难、精准预测难、装备效能精确量化动态评估难、用频筹划智能辅助决策缺乏等问题,研究高精度近实时陆海空天战场电磁环境动态仿真预测、复杂战场空间电磁环境建模分析,如图4所示。通过复杂电磁环境的构建,研究装备电磁环境效能评估,突破电磁环境多维度、多粒度建模与表征方法、电磁环境风险等级判断与评估、电磁环境对作战装备效能影响评估等关键技术,为联合对抗条件下的装备用频分配指配与协同运用、战场综合电磁态势生成等提供支撑[25-26]。
3)复杂电磁频谱空间精准测试验证
针对复杂电磁频谱的“测不准、管不住、用不好”等问题,充分运用电子对抗、技术侦察、情报处理、频谱管理等既有业务成果,开展电磁空间测量和试验验证等技术研究[27]。建立如图5所示的电磁频谱测试验证系统,通过电磁频谱测量、电磁空间管控、电磁空间运用等方面的测试验证,推动从实验室测量能力向电磁战场高精度测量能力的转变。整合现有电磁频谱测量设备,发展各种平台用实时频谱测量与信号分析设备、电磁空间一体化测量系统,全面获取电磁作战环境要素信息;电磁空间管控通过引接、融合各种电磁空间信息,对电磁空间作战行动相互影响进行评估。在此基础上,对涉频作战行动频谱使用进行一体协同筹划;电磁空间运用基于作战目标和装备性能,从战役战术运用角度,实现电磁空间作战力量控制和体系效能发挥,为获取电磁空间优势提供支持。
4)多模式电磁频谱智能化OODA闭环管控
针对电磁频谱管控难题,将自协同多模式频谱管控流程映射到认知OODA环路模型中,依次进行电磁频谱态势感知(O)、频谱推理和预测(O)、协同用频和用频策略生成(D)、用频策略表征及策略分发(A),实现完整的OODA环路,如图6所示。突破电磁频谱应用管控架构、电磁频谱系统动态协议规范、数字频谱表征关键技术,实现从预规划的、静态的频谱作战模式,向动态的、响应型的、智能化的频谱作战模式转变,以求在设计、指配和频谱使用上更符合未来战场需求[28-29]。
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1)复杂战场空间电磁环境高逼真仿真测评
针对强对抗条件下陆海空天的电磁环境表征难、精准预测难等问题,中国电科研究所电磁环境仿真团队开发了如图7所示的复杂战场空间电磁环境仿真系统。基于组件化的建模思路,建立作战平台模型、辐射源模型、用频设备模型、电波传播、地形/地貌/海况模型、典型作战装备的电磁效应模型,形成基础仿真模型数据库,动态生成可配置的多粒度、多维度的复杂电磁环境,完成电磁环境的推演和计算。
该仿真系统可支撑电磁频谱规划、电磁环境的互扰分析、用频设备的布站位置选择等应用,为武器装备的对抗训练提供逼真的复杂电磁环境,为用频装备的效能评估和优化作战提供试验条件[30]。该系统可支撑100 km×100 km作战区域、1000个辐射源、频率范围为30 MHz~40 GHz的大区域、多颗粒度的仿真,初始电磁态势分布180 s,电磁计算刷新时间小于6 s,其场景配置如表1所示。通过仿真系统配置海空典型作战场景,完成113个敌我平台、1000个辐射源的对抗仿真测试,最终生成的电磁态势如图8所示。
编号 装备 数量 传感器配置 天线 工作参数 1 E-2D预警机 3 AN/APY-9预警雷达 相控阵天线 频段:UHF~S波段
功率:千瓦量级2 UV通信 全向天线 频段:UV频段
功率:数十瓦量级3 Link-16 L频段天线 频段:L频段
功率:千瓦量级 997 阿里伯克驱逐舰 4 SPY-1D多功能雷达 相控阵天线 频段:C波段
功率:兆瓦量级998 SPS-64对海雷达 相控阵天线 频段:X波段
功率:数十千瓦量级999 DSCS III卫星通信 相控阵天线 频段:UHF波段
功率:十千瓦量级1000 敌我识别 L频段天线 频段:L波段
功率:千瓦量级2)国产化高性能宽带监测接收机
国内一些电磁频谱监测单位相继研发出MR3300B、SR522等国产化高性能宽带监测接收机,其组成框图如图9所示,工作频率范围可达20 MHz~8 GHz(可扩展至8 kHz~26.5 GHz),在解调灵敏度、电平误差等技术指标上已经优于ESMD系列接收机,满足电磁频谱管理机构对重要区域的电磁安全保护需求。
3)体系对抗条件下的电磁频谱感知与预测
电磁频谱空间感知和预测主要包含3个环节的内容:1)通过已学习到的信号特征对感知到的信号完成统一描述生成电磁频谱空间云图;2)根据时频云图分层实现电磁频谱空间云图理解;3)根据不同用频任务生成所对应的策略[31-32],其整体架构如图10所示,频谱空间云图生成模块主要实现异构频谱数据标准化统一表征。同时,生成频谱空间知识,分析频谱空间兼容状态,对电磁频谱空间复杂度以及电磁频谱空间威胁程度进行评估,学习频谱空间的变化规律并预测电磁频谱云图的变化趋势。
针对电磁频谱预测结果和用频业务需求,中国电科研究所在频谱管控领域开展了体系对抗条件下的电磁频谱感知与预测研究,构建了分布式异构平台复杂电磁环境对抗系统,利用电磁频谱空间云图进行认知和预测,结果如图11所示,并生成最佳用频策略,认知频段为30 MHz~8 GHz,用频设备数量大于16个,电磁频谱认知时长小于10 min,在线预测时间小于1 s。
4)电磁频谱大数据平台
电磁频谱数据具有异构多样性、海量、高时效性、准确性和高价值等特点。为高效提取这些电磁频谱大数据的有用信息,国内厂商相继研发出电磁频谱大数据平台,图12为某电磁频谱大数据平台的逻辑框架图。这些平台可以应用于各无线电管理机构,对IQ数据、信号特征、台站数据等多类型数据进行融合分析,支持不同维度的数据分析。如基于频域、时域、空域的占用情况分析,基于语音、轨迹、监测信息无线电业务的干扰分析。大数据提供重点区域异常电磁信号监控、重要信号特征分析等应用与服务,实现电磁频谱数据挖掘与智能分析[33-34]。
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针对上述电磁频谱应用的总体设计和工程应用,需要从电磁环境高逼真实时预测、电磁信号识别分类、电磁频谱数据关联、电磁环境评价和用频设备效能评估等方面开展关键技术研究,提升电磁频谱应用的技术成熟度和实战能力。
1)复杂电磁环境高逼真和高实时预测技术
电磁环境仿真的逼真度和实时性是制约复杂电磁环境工程应用的瓶颈短板,不规则地形和非均匀大气的电波传播的精确预测难度更大。国内相关研究所经过十余年技术攻关,从影响电波传播效应的环境因素(地形、地貌等)出发,建立了包括云、雨、雾、雪、沙尘等在内的各类对电波传播有影响的模型,如图13所示。采用经验模型+半经验半确定性模型方法,构建出相应场景下的电波传播模型。综合考虑计算效率和计算精度这两个因素,根据传播环境特点匹配适当的传播模型,根据动态仿真过程中的实时链路环境,自动匹配传播模型。利用辐射源分割优化、地形剖分优化、GPU并行计算等技术进行电磁环境并行加速计算[35-36]。
2)多体制多目标识别分类技术
电磁频谱采集的重要目的就是建立电磁目标的属性数据库,其中的首要环节就是对电磁目标进行分类识别,对重点信号进行信号特征提取。通过对信号波形、通信协议进行分析,并与信号特征数据库进行匹配,来实现信号目标类型的识别。针对卫星信号频段等复杂电磁环境,采用全数字信道化方法,采集后再处理或者采集后离线处理,实现多体制多目标识别分类,解决复杂环境对信号特征的衰落影响,实现对目标信号的分析和稳定识别[37]。
3)时空频多维分布式频谱监测与预测技术
战场中的海量频谱采集和监测数据必须要经过处理才能形成支撑作战使用的情报数据,采用隐马尔可夫模型(Hidden Markov Model, HMM)对装备用频行为进行建模,通过观测数据获得模型参数,所获得的参数用于用频设备的用频行为监测与预测学习。在用频策略生成过程中,根据平台对感知的电磁环境信息以及历史电磁环境信息进行分析,采用隐马尔科夫模型建模用频设备的用频行为,将各个用频设备感知到的电磁频谱数据送入长短期记忆网络预测模型(Long-Short Term Memory, LSTM)网络中,通过LSTM网络决定哪些频谱状态需要从单元状态中抛弃,哪些频谱状态需要继续保留发展。基于张量自回归和深度学习的电磁频谱态势预测技术,实现对平台所处区域的多维电磁频谱感知与预测[38]。
4)多源异构电磁频谱数据关联分析技术
战场中多源异构电磁频谱数据必须进行关联分析,才能找出客观规律和变化趋势。多源异构电磁频谱数据关联分析技术可以从时间维度、拓扑关联关系等维度支撑更高层的作战应用。基于该技术,可建立电磁频谱大数据平台统一编码规则及数据之间的关联关系描述,抽取IQ数据、频谱数据、定位数据、信号特征、占用度数据、频率数据、台站数据等多类型数据,支持对电磁频谱数据有效存储、索引及追溯,以及面向电磁大数据分析应用主题的数据组织[39]。从电子目标与平台目标之间多种相互关系着手,利用编组活动频繁集,电磁参数模式配合分析和编队协同活动分析等方法,挖掘目标协同关系以及与重大事件潜在的相关变化情况。
5)卫星互联网监测与反制应用技术
卫星互联网监测与反制属于电磁频谱领域一个新的应用方向。随着国外“星链”系统的持续部署和全球覆盖,“星链”系统对民用和军用频谱作战威胁越来越大,对“星链”系统的监测和反制日益迫切。卫星互联网监测与反制应用技术的初步规划是按照信号捕获、监测及压制能力提升、大数据分析及应用三大步骤,提供发现、解决、预警预测等能力。然而,如何快速捕获“星链”系统下行信号、快速定位“星链”终端等,相关技术还需在实践中进行攻克。
6)多层级的复杂电磁环境评价方法
电磁环境的评价有多个维度,其中从“客观电磁环境”的角度量化性地评估整体宏观复杂性,是电磁环境最重要的评价方法,将电磁环境复杂度分为I到IV级,如表2所示。该方法采用了基于“四域特征”的复杂电磁环境基本评估指标,建立电磁环境各要素的评价动态模型,即用F0(t)、T0(t)、S0(t)、M0(t)、P0(t)来动态描述频域、时域、空域、调制域以及极化域等各参量随时间的变化过程。
战场电磁环境复杂度 复杂度评价 I级(简单电磁环境) $0 \leqslant \sqrt[5]{{{F_0}(t) {T_0}(t) {S_0}(t) {M_0}(t) {P_0}(t)}} \leqslant 10\% $ II级(轻度复杂电磁环境) $10\% \leqslant \sqrt[5]{{{F_0}(t) {T_0}(t) {S_0}(t) {M_0}(t) {P_0}(t)}} \leqslant 40\% $ III级(中度复杂电磁环境) $40\% \leqslant \sqrt[5]{{{F_0}(t) {T_0}(t) {S_0}(t) {M_0}(t) {P_0}(t)}} \leqslant 70\% $ IV级(重度复杂电磁环境) $70\% \leqslant \sqrt[5]{{{F_0}(t) {T_0}(t) {S_0}(t) {M_0}(t) {P_0}(t)}} \leqslant 100\% $ 电磁环境评价也与敌方威胁对象密不可分,考虑敌方威胁对象威胁度的评估更是贴近实战应用的电磁环境主观评估方法,需建立基于“四域特征”相关度的电磁环境威胁度评估指标,即:时域相关度、频域相关度、空间相关度、能域相关度,如图14所示[40]。
7)用频装备在复杂电磁环境中的效能评估技术
复杂电磁环境条件下装备对抗具有整体动态演化性和不确定性等特点,评估复杂电磁环境对装备作战效能的影响是一重大难题。从用频设备的信息获取完整性、信息获取准确性、信息获取时效性等方面,构建如图15所示的雷达、通信、导航等用频设备电磁环境效能评估指标体系,对评估指标体系中底层指标值采用模糊隶属度函数解析等评估方法,确定相应指标的隶属度函数,用模糊数学方法对不同复杂电磁环境等级条件下的用频设备进行效能评估[41]。
A Review of the Applications and Development Trends of Electromagnetic Spectrum Space
doi: 10.12178/1001-0548.2023059
- Received Date: 2023-02-20
- Rev Recd Date: 2023-04-19
- Available Online: 2024-04-01
- Publish Date: 2024-03-30
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Key words:
- electromagnetic spectrum space /
- spectrum application /
- spectrum management and control /
- spectrum monitoring
Abstract: In recent years, the electromagnetic spectrum space has gradually developed into a competitive field in the game of big powers in the world, which is also one of the national strategic scarce resources. In civil electromagnetic spectrum, along with the spectrum congestion and fast growing of application services, the applications of broadband spectrum monitoring, spectrum security, big data of spectrum and intelligence have been facing great challenges. Competition games of military electromagnetic spectrum has become even more intense, and electromagnetic spectrum perception, monitoring and impact effect evaluation are facing problems such as limited sensing approaches and insufficient capabilities in spectrum management, control and collaborative applications. Firstly, the recent status, challenges, and development trends in abroad of typical electromagnetic spectrum space applications are reviewed. Then, the domestic studies on overall design, planning management, typical engineering practices and key techniques for electromagnetic spectrum applications are analyzed. Finally, some development suggestions on domestic electromagnetic spectrum space applications are summarized and presented.
Citation: | XIE Chunmao, ZHANG Chuan, HUANG Ming, LIU Hongjun, LI En, YANG Shiwen. A Review of the Applications and Development Trends of Electromagnetic Spectrum Space[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2024, 53(2): 161-173. doi: 10.12178/1001-0548.2023059 |