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美国电磁频谱的军事应用综述

时间:2021-04-13 14:19 点击:

3月18日,美国会研究服务处(CRS)发布《美国国防部电磁频谱应用综述》,报告梳理了电磁频谱的现有军事应用、新兴军事应用、美国防部频谱战略和政策,表明了美国高度重视电磁频谱技术在国防和军队建设中的研究和部署,电磁频谱的军事应用将对未来武器装备、指挥与控制等产生有利影响。

一. 电磁频谱的现有军事应用

美军将电磁频谱(如图1)应用于通信、态势感知、军事行动和新兴技术,从用低频段通信的水下潜艇,到用微波通信的武器系统(如飞机、卫星、陆地部队、舰艇),当前现代化武器系统几乎都依赖电磁频谱,美国防部系统的频谱分配如图2,美国防激光技术的光谱如图3。

图1 电磁频谱


图2 美国防电磁频谱分配(3 kHz–300 GHz)


图3 美国防部激光技术的光谱

(一) 通信

美军将电磁频谱用于指挥通信,现有通信系统采用无线电频率和微波频率进行通信,新兴通信技术采用激光进行通信。

1. 陆地无线电

当前,无线电系统已经发展到使用新频段来传输更多的数据:联合战术无线电系统(JTRS)采用新电子设备调制无线电频率,实现了更大数据传输和安全加密;PRC-117多频段便携式无线电等能够使用多个频段(30MHz至2000MHz)传输数据。由于地球的曲率,陆地无线电传输距离为视线范围内(50英里),但有些陆地系统(如An/TRC-170对流层散射微波无线电终端)可以进行远程通信,传输距离取决于天气条件,通常可达100海里(约115英里)。

2. 卫星通信

远距离卫星通信范围从无人机通信到核指挥、控制与通信。美军用于全球通信的星座包括“先进极高频”“宽带全球卫星通信”“移动用户目标系统”,由于这些星座的可用带宽有限(即在轨卫星数量、每颗卫星的传输数据量及覆盖范围的限制),美国防部还使用商用卫星进行通信,合作的卫星通信公司包括Inmarsat公司、Viasat公司、Iridium公司和Intelsat公司。

(二) 态势感知

态势感知应用电磁频谱确定友军和敌军的位置,测绘作战空间图像。具体实现如下所述:

1. 现有雷达系统

雷达是最常见的态势感知应用,现有最新雷达系统是基于光探测和测距(LIDAR)(如激光雷达)。根据用途,雷达的工作频率包括无线电频率、微波频率。雷达系统通常与防空、军用航空、火炮、航天系统相结合。

2. 无源雷达

无源雷达技术是当前美国、俄罗斯等国家正在研制的雷达技术。无源雷达只接收目标发射的无线电信号,自身不发射无线电信号,很难用传统方法(如信号情报)来检测。无源雷达的预期用途为辅助其他传感器,探测隐身飞机(B-2轰炸机、F-35战斗机等)。微电子技术的进步使无源雷达技术能够探测不同频率,在2018柏林航展上,德国一家雷达公司演示了新研制的无源雷达,用蜂窝频率等技术识别和跟踪F-35。

3. 信号情报

信号情报系统主要检测和收集光谱,不发射信号,可接收无线电和雷达频率,观察人员、导弹、飞机、火炮和车辆信号。信号情报的主要方法包括:收集通信信号,分析军队如何进行通信(无线电何时发射、从何处发射、具体无线电频率及数据);电子情报,分析频率、模式、操作程序及雷达系统、卫星系统、信号干扰机等系统的其他信息。

4. 红外传感器

美军使用红外信号跟踪敌机和陆地车辆,导弹使用红外制导(如AIM-9X空空导弹和AGM-114“地狱火”空对地导弹)。美军飞机使用红外搜索和跟踪(IRST)吊舱来识别敌机(如F-18E/F“超级大黄蜂”、F-15C“鹰”),航天系统使用红外技术来探测导弹发射:天基红外监视(SBIRS)系统(如图4)提供导弹发射预警功能,太空军正在为天基红外监视开发后续星座;太空发展局正在开发低地球轨道的高超音速导弹探测星座,该星座将使用类似天基红外监视系统的红外技术。


图4 天基红外监视星座

(三) 电子战

电子战(EW)影响着所有军事领域,每个军种都有自己的电子战能力和计划,信号情报能力获取的信息能使军队了解敌方部队的位置、通信和雷达的频率,制定作战计划,也能使军队开发免受攻击的防御技术。电子战能力包括陆地电子战能力和空中电子战能力:陆地电子战能力用于拦截、干扰无线电和炮兵雷达,最近用途包括在伊拉克和阿富汗,干扰简易爆炸装置;空中电子战用于大范围拦截、解密、干扰通信、雷达和指挥与控制系统,电子战飞机包括E-2“鹰眼”、EA-18G“咆哮者”和EC-130H“罗盘呼叫”。

(四) 频谱作战

1. 指挥与控制

指挥与控制系统(C2)能生成通用作战图(盟军和敌军的位置),并传达指挥命令。从排级、连级的无线电和计算机,到联合作战(如核指挥与控制)的专用卫星和飞机,指挥和控制根据部队规模和任务提供资源,其中指挥与控制飞机(如E-8C“联合星”)能够全面测绘作战空间,将陆地部队指挥到最有效的位置。

2. 特征管理

特征管理是指低可观测武器系统操纵频谱来降低其电磁特征,它可以采取多种方法产生窄波束降低被探测或拦截的概率,并减少频谱发射。特征管理应用于舰船(如“朱姆沃尔特”级驱逐舰)、飞机(如B-2和F-35)、雷达系统(如AN/APG-81有源电子扫描阵列雷达),减少其在微波和红外光谱的特征;还应用于通信系统,实现低截获概率/低探测概率(LPI/LPD),让信号情报技术更难找到美军。

3. 导航战

导航战(NAVWAR)是“使用太空、网络空间和电子战能力,确保自己使用使用定位、导航与授时(PNT)信息、防止对手使用定位、导航与授时信息的进攻和防御行动。为支持情报、监视与侦察(ISR)和电磁频谱管理等活动,导航战将进一步启动。”全球定位系统(GPS)提供定位、导航和授时辅助美军执行导航战(见图5)。其他国家的定位、导航和授时系统包括格洛纳斯(俄罗斯)、北斗(中国)和伽利略(欧盟)。


图5 全球定位系统星座

二. 频谱的新兴军事应用

(一)5G

5G技术的军事应用前景广阔,特别是在自主军用车辆,指挥与控制(C2),后勤,增强/虚拟现实,情报、监视和侦察系统的应用,能够提高数据速率,降低延迟。5G的军事应用试验正处于初始阶段,美国防部选择12个军事基地进行试验:

奥尔巴尼海军陆战队后勤基地(评估5G智能仓库);

圣地亚哥海军基地(评估5G智能仓库);

希尔空军基地(评估5G和机载雷达的频谱共享);

刘易斯·麦考德联合基地(评估5G增强现实/虚拟现实) ;

内利斯空军基地(评估指挥与控制和网络增强);

诺福克海军基地(评估船舶和码头5G连接);

珍珠港-希卡姆联合基地(评估飞机战备增强);

圣安东尼奥联合基地(增强对保障和训练的现实支持,评估美国防部5G核心安全试验网络);

廷克空军基地(评估军事通信与5G之间的频谱共享);

彭德尔顿营地(评估未来作战基地和战术作战中心的连接试验);

胡德堡陆军基地(评估未来作战基地和战术作战中心的连接试验);

欧文堡陆军国家训练中心(评估未来作战基地和战术作战中心的连接)。

2021财年,美国防部要求为微电子/5G提供15亿美元,没有细分微电子和5G之间的资金。

(二)人工智能

美国防部正在研究人工智能的电磁频谱处理技术:认知电子战系统,该系统利用人工智能识别新的电子发射,确定发射是否来自敌对来源,并开发有效的干扰信号;用先进的计算能力改进电子欺骗(如用数字射频存储器来产生虚假的雷达回波);用人工智能进行动态频谱共享,按照跨频段的业务量变化动态分配频谱。

(三)定向能技术

许多定向能技术都应用了电磁频谱。

1. 激光通信。海军陆战队采购了自由空间光学(FSO)系统,FSO是一种光通信系统,在高度安全且几乎无法探测的红外激光器上传输数据,允许单个网络上有更多用户,传输更大的文件、图像和信息”,美国防部正在进行激光通信系统试验。

2. 美国防部将定向能(DE)武器定义为使用集中电磁能(而非动能)来“使敌军设备、设施和/或人员丧失能力、损坏、失效或摧毁”的武器。定向能武器可用于陆地部队的反火箭、火炮和迫击炮(C-RAM),反无人机系统(C-UAS)、无人机群,或近程防空(SHORAD)任务。高功率微波武器是定向能武器的一种,可以使电子设备、通讯系统和简易爆炸装置失效,还可以作为非致命的“热射线”系统用于人群控制。空军目前正在对几个反无人机系统(高功率微波系统和激光武器系统)进行实地评估;海军计划在2021年在美海军普雷布尔号上部署60千瓦的“太阳神”激光武器系统;陆军计划在2022财年在“斯瑞克”战车上部署其首个50千瓦“战斗”移动近程防空激光系统。当前陆军,海军、空军和DAPRA都在进行定向能项目的研究,未来将逐步提高功率,从当前150千瓦左右,到2022财年的300千瓦左右(巡航导弹可能被拦截),到2024财年达到500千瓦左右。

(四)反无人机系统

无人机可以执行低成本的情报、监视和侦察任务,许多小型无人机由于其尺寸、结构材料和飞行高度等原因,无法被传统防空系统探测到。反无人机系统可以使用多种方法来检测敌对或未经授权的无人机:利用光电、红外或声学传感器,分别通过视觉、热或声音信号检测目标;使用雷达系统(不能很好地适用于小型无人机);使用射频传感器,识别用于控制无人机的无线信号。美国防部正在开发和采购多种反无人机技术,以确保强大的防御能力。

(五)跨领域作战

1. 联合全域指挥与控制系统。

当前的指挥与控制系统(C2)密集在单个领域,缺乏多领域感知,并且态势感知、决策、快速持续跨领域整合过程的自动化程度不高,为改进指挥与控制系统(C2),美国防部正在用人工智能,开发联合全域指挥与控制(JADC2)系统,以指导部队跨越多个领域(空天、网络、陆地、海洋)。JADC2通过“新技术、过程和新组织的结合”来加强跨领域的信息共享,计划在2035年前实现全部作战能力。


图6. 联合全域指挥与控制系统视觉可视化

2.“马赛克战”

DARPA提出 “马赛克战”概念,将AI应用于网络系统和传感器数据分析,对传感器数据进行优先级排序,自主确定部队的最佳组成。“马赛克战”可以提供全面通用作战图景,协调跨领域作战,复杂化对手瞄准美军的能力。

三. 美国防部频谱战略和政策

美国防部最近改变了频谱作战的战略和组织结构,并将重点放在频谱作战上:2020年5月,联合参谋部发布了《JP 3-85:联合电磁频谱作战》条令,该条令提出电磁频谱“对促进作战环境(OE)内控制至关重要,影响所有作战环境和军事行动”,该文件将频谱管理和电子战整合成同一种能力,由同一个部门管理;2020年9月,美国防部发布了《电磁频谱企业指令》,指定美国防部首席信息官(CIO)负责频谱管理政策,负责采办和维持的美国防部副部长办公室负责电子战计划,负责研究和工程的美国防部副部长办公室负责开发频谱管理和电子战技术。2020年10月,美国防部发布了《电磁频谱优势战略》,概述了美国防部目标:“发展卓越的电磁频谱能力;发展灵活、全集成的电磁频谱基础设施;追求全面的电磁频谱战备状态;确保持久伙伴关系;建立有效电磁频谱治理,支持战略和作战目标。”当前,美国防部正在制定实现战略愿景和目标的路线图。2021财年美国防授权法(NDAA)规定,“美国防部长应在两年内将美国战略司令部指挥官与电磁频谱作战密切相关的所有职责和职能移交给美国防部内合适的官员”,美国防部指定移交给参谋长联席会议副主席。

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(责任编辑:陆涛)

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