美军战场频谱管理现状与发展*

刘 刚

(海军装备部 航空订货部，北京100841)

1 引 言

电磁频谱管理是实现电磁协同的保证，是取得战争胜利的保证。美军认为“电磁频谱是军事活动不可或缺的资源，对军队来说，电磁频谱的不足就意味着军队总体作战效能的降低、军队有效执行其任务的能力受到巨大影响，丧失频谱就如失去其他资源一样，代价是巨大的”。因此，加强电磁频谱管理在现代战争中极其重要。

第一，加强战场频谱管理是做好高技术战争准备的重要内容。英阿马岛战争期间，“谢菲尔德”号巡洋舰上的雷达探测设备与卫星通信设备由于电磁兼容设计不合理导致不能同时使用，最终导致巡洋舰被击沉。因此，从某种意义上说，战争准备期间的战场频谱管理也是战场建设计划不可缺少的一环。

第二，加强战场频谱管理是确保各种指挥作战系统顺畅的关键因素。高技术战争中，军队对各种指挥系统的依赖性越来越强，这些系统包括指挥、控制、通信、计算机、情报、监视和侦察等各种电子设备，它们对现代战争的进程有着直接的影响。由于电磁信号的开放性，武器装备之间极易相互干扰，从而将严重影响武器效能的发挥。例如，海湾战争开始时，美军司令部就获得了联合部队装备用频数据、相关地区电磁环境数据，并通过建立协调机制来解决互扰问题，保证武器装备的能力达到有效发挥。而由于沙特军方没有设立频谱管理机构，无法对各系统的使用频率进行有效管理和协调，因此各种频率干扰频频出现，严重影响了各系统的正常运行。因此，从某种意义上说，高效的战场频谱管理为美军赢得战争奠定了坚实基础。

第三，加强战场频谱管理是夺取高技术战争制电磁权的有力保证［1］。现代高技术局部战争中，没有制电磁权，就很难掌握制空权、制海权，就将丧失战场主动权。因此，制电磁权已成为高技术战场上双方必争的“制高点”。伊拉克战争伊始，美军凭借先进的战场电磁频谱管理理念，始终掌握着作战区的电磁频谱控制权，持续保持着对伊拉克部队的电磁频谱优势，最终取得了战争胜利。综上所述，如果能更加有效地实施电磁频谱管理和控制，将更有利于夺取电磁权。

现代战争实践证明，有效地监测、管理和运用战场电磁频谱可使之成为作战力量倍增器。因此，战场频谱的规划管理是否有效将直接关系到作战指挥的顺畅、武器效能的发挥以及信息作战的成败。本文将对美军战场频谱管理进行总结和分析，以期为相应研究提供参考。

2 战场频谱管理概述

2.1 基本概念

频谱管理(Spectrum Management，SM)［2］是通过确定一些规定、规则和程序以确保无线电频谱这种稀缺资源被用户合理地分享，保证有限的频谱资源能够被合理地利用，确保各种无线电业务能够无冲突地开展。频谱管理包含按照国家法律、国际协定和管理规章规划、分配、指派、利用和控制无线频率有关的所有活动。

战场频谱管理［2－3］(Battlefield Spectrum Management，BSM)是指在特定的军事作战行动中通过行政、管理或技术的手段和规程对军事频谱资源实施有效管控。其核心任务是:对频率进行统一分配和指配，监督和管理无线电设备是否遵照预先的规定进行频率的使用;对战场电磁环境实施有效和准确的监测;必要时实施战场无线电管控，协调各部门的业务关系，解决己方用频装备的互扰问题等。

2.2 战场频谱管理的典型流程

实施空中联合作战中频谱管理的目标是为无线电导航系统、卫星定位系统、雷达系统、遥感测量系统、通信系统、定向能武器系统等用频装备提供有效和安全的频谱接入手段，充分发挥用频装备的作战效能。因此可以说战场电磁频谱管理参与空中联合作战的全过程，在一定程度上决定着战争的胜负。图1是空中联合作战频谱管理的典型实施流程［3］，主要包括4 个实现环节，即频谱信息获取、频谱分析决策、频谱管理控制及频谱应用服务。

图1 战场频谱管理典型实施流程Fig.1 The typical process of battlefield spectrum management

(1)频谱信息获取

实施战场频谱管理的首要手段是构建全方位、分布式、立体化的频谱监测体系，对战场中各用频装备的频率使用情况实施有效监测，对战场频谱态势进行准确分析和评估，对指导战场装备用频的频谱监测计划和使用计划进行制定。

频谱监测计划包括对电磁频谱监测力量的协调、管理和应用的计划，其内容必须和频谱使用计划保持一致。

频率使用计划包括空军联合作战中各用频装备或系统指配的频率、用频时间、保护频率等内容。

(2)频谱分析决策

战场频谱分析决策主要用于进行任务前(战役筹划)的频谱规划、用频筹划以及电子干扰协同等。

频谱规划［4］主要基于频率使用的各种规定、无线电通信设备的频率特性、电磁频谱监测获得的战场电磁环境数据以及实际经验数据等信息，对整个区域内各种指挥通信、导航定位、雷达探测、电子对抗、测控制导、情报侦察等用频装备的工作频率、工作波道进行统一规划和调整，对整个区域内频谱资源进行统一管理，对生成的用频参数进行干扰分析，避免同一区域内装备之间产生的用频冲突和干扰。用频筹划主要基于特定任务需求，根据任务规划实施流程，基于当前的可用信息和任务想定，对用频装备的用频需求进行规划、分析和决策，并生成任务用频筹划方案报告，以最大范围消除己方用频装备之间的冲突和干扰，合理利用战区电磁频谱空间，保障任务顺利实施。电子干扰协同是为了在作战行动的不同阶段保障己方通信与非通信系统网络，以及其对友军和敌军行动至关重要的设备不受己方电子战行动影响，或将影响降到最低限度，而采取的频谱管控措施，时时掌握战场主动。

(3)频谱管理控制

频谱管理控制主要是通过技术手段对战场频谱资源进行动态分配。一般而言，可以按照网络/平台优先级、主用/备用设备、用频时间、用频地点、抗干扰需求等原则进行分配。在进行战场频率分配时，在工作频段上尽量分散分配频率往往比单纯增加可用频率数量更加有效。例如，在230～288 MHz频段上分布50 个频率比在340～350 MHz频段上分布200 个频率更有效。相对而言，敌人的干扰机能够覆盖整个230～288 MHz频段的可能性较小，但是其可以很容易阻塞整个340～350 MHz频段，从而使整个频段受扰。

动态频谱分配要求能够精确预测战场所有用频装备在时域、频域、空域等方面的频谱使用情况，从而根据频谱使用情况动态调整并分配频谱资源。在战场中，尽管用频装备的部署位置相对固定，但各用频装备对频谱资源的使用在不同时刻是不同的，而且敌方的电磁干扰和民用无线电设备的使用使得战场电磁频谱环境在不断变化之中。提前获取战场电磁环境信息，通过准确而有效的频率预测手段确定战区内可用的电磁频谱资源，并通过监测手段掌握战区内电磁频谱实时情况，将为准确的频率指配提供数据基础，从而实现动态频谱分配。

(4)频谱应用服务

电磁频谱应用服务为战场各类导航系统、卫星定位装备、通信装备、电子战装备、雷达装备等提供有效的频谱接入手段，保证各用频装备之间不会因为频率使用而相互干扰，从而影响武器装备的作战效能;同时还可以根据敌方频谱使用情况，对装备用频进行有效调整，为各类装备提供频谱资源按需接入的频谱应用服务。

3 美军战场频谱管理系统现状

3.1 频谱21(Spectrum XXI)

频谱21(Spectrum XXI)［5］最早是由美国国防部开发的，旨在发展军事战术环境下迅速指配无干扰频率的能力。频谱21 是联合标准国防部频谱管理系统，能为指战员提供用频设备频谱冲突消解能力，提升频谱管理流程和业务流程的执行效率，该系统曾在阿富汗战争中使用。

频谱21 是一个客服端/服务器的软件系统，通过广域网来连接，用核心信息系统处理所有的自动频谱管理需求来提供频率管理功能。通过大量的工具和综合数据库，频谱21 提供一种完全无纸化处理流程，改善频谱效率和兼容性。

频谱21 包含的主要功能有频率指配、数据转换、系统管理、地形数据管理、干扰分析、干扰报告、工程工具、频谱认证系统、分配规划生成器、联合限制频率表、电子战冲突消解。在使用频谱21 工具时，需要将所有装备的用频指配和限制使用的频谱数据导入同一个数据库中。在数据导入之后，该工具可以辅助确定频率指配是否存在冲突。如果发生用频冲突，下级司令部或者作战部队可以通过更改指配频率、采用空间隔离措施、安排分时使用或使用其他一些技术手段来解决。对于采用上述手段不能解决的频率冲突，将协调更高层的指挥官来根据作战任务确定不重要的一方通过牺牲频谱使用来解决。

尽管频谱21 能够通过大量的工具和综合数据库解决大量用频装备的互扰问题，但是其基于集中化频谱管理数据库的设计配置时间长且运行慢，并且仅支持对静态装备进行用频指配。

3.2 联合频谱管理规划工具(CJSMPT)

联盟/联合频谱管理规划工具(CJSMPT)［5］是由美国陆军通信/电子研发设计中心(CERDEC)从2005年开始为美国陆军开发的。CJSMPT 是“全球电磁频谱信息系统(GEMSIS)”计划的一部分。CJSMPT 架构如图2所示，由4 个主要的组成部分协同完成频谱管理规划和冲突消解的流程:

(1)频谱管理是核心控制模块，主要负责协调整个系统的流转运行，同时负责冲突消解核心算法的执行;

(2)网络拓扑分析主要负责对预期的分配结果进行评估和计算，以判断是否存在冲突;

(3)可视化组件主要将电子战、通信效果等通过图表、动画等可视化手段予以展现;

(4)频谱知识库包含任务仿真用的关键脚本数据(武装结构、辐射特性、频谱使用等)。

图2 CJMPT 组成架构Fig.2 The architecture of CJMPT

在作战任务的早期规划阶段，CJSMPT 向频谱管理者提供分布式形成频谱需求、请求频率以及预分配的能力。此外，CJSMPT 还提供频谱冲突发生前对其识别并解决的能力，并通知频谱管理者对作战造成的相关影响。CJSMPT 还可用辅助作战人员解决执行任务阶段的频谱冲突，动态改变关键的指控链路配置。在“后部署阶段”，CJSMPT 将分析参与海外作战的全部部队提交的“经验教训”，并在未来任务的规划和实施中加以考虑。CJSMPT 还可以对潜在用频冲突进行判断，能计算出冲突消解措施，并可以随着作战进程的进行而不断优化频谱资源的使用。总之，CJSMPT 能够为整个网络或单个网络节点进行频谱资源管理和规划。

3.3 SSC 频谱感知、管理与规划系统

Shared Spectrum Company(SSC)公司于2011年提出了一种频谱感知、管理与规划系统架构，如图3所示。SSC 频谱感知、管理与规划系统在现有频谱管理系统基础上，通过增加分布频谱感知网络和JTRS 电台的网络规划管理器来满足动态频谱管理的需求。频管员可对分布频谱感知网络进行控制，将多个站点监测数据进行融合，与规则集和冲突报告一起进行冲突评估。还可结合频谱21 等系统对传统电台频率加载。新兴的JTRS 电台配备了频谱感知模块和动态频谱分配功能，依靠其自身的感知能力和JTRS 网络规划管理器可实现JTRS 电台的动态频谱使用。

图3 SSC 频谱感知、管理与规划系统架构Fig.3 The architecture of SSC

严格来说，SSC 公司并非提供了一种新的频谱管理系统，而是提出了采用分布频谱感知网络和JTRS 电台并兼容遗留电台的管理方案。

4 频谱管理技术发展方向

资料分析表明，频谱管理在空中联合作战中占据十分重要的地位，战场频谱管理装备与技术发展呈现四个方面的特点和趋势。

4.1 频谱感知协作化

传统的频谱感知一般要么基于单点监测，要么是多点不同时刻的监测，要么是多点之间的位置关系不具有代表性，而监测结果大多仅仅以频谱占用度为标准进行计算，缺乏对可用频谱数据的进一步挖掘。

目前认知无线电技术［6－7］为实现频谱感知数据的进一步挖掘和分析提供了技术基础。该技术通过部署分布频谱感知网络和对分布频谱感知网络进行智能控制来增强频谱感知能力，将多个站点监测数据进行融合，并采用数据挖掘技术对时间相关性、频率相关性、空间相关性进行充分挖掘，对信道空闲持续时间、频率利用率、异常信号进行准确判断和分析，并对感知数据中的异常情况、频谱利用率进行智能挖掘和分析。

认知无线电技术的发展将提高协作频谱态势感知能力，对频谱数据的挖掘更加深入，最终实现战场频谱的分布感知、协同分析，可以为频谱管理提供更为精准的频谱数据。

4.2 频谱规划智能化

频谱规划是一个多维优化的难题，将覆盖空间、时间、频率、调制编码及其他维度。图论为频谱规划问题提供了一个有用的模型，可以采用着色问题解决频谱规划问题。图像着色问题是确定使任意相邻两个节点颜色都不同的最少所需的颜色集，满足此条件的着色被认为有效，因此图像着色问题就是寻找满足有效着色的最小颜色集，每种颜色即对应规划的频率值。

目前，多数研究使用穷举搜索法和顺序分配法来解决图着色问题，并可以通过在遍历过程中应用限界函数估算出的目标值来不断调整搜索方向，减小搜索范围，从而更快地找到问题的解。然而，此种算法尽管可以很好地解决小规模数量的静态组合优化问题，但对复杂性较高的大规模复杂系统往往难以发挥作用。随着人工智能算法的不断发展，现在越来越多地使用模拟自然界的进化型算法［8－10］(蚁群算法、遗传算法、禁忌搜索法、模拟退火法等)来解决频率规划问题，人工智能方法具有概念简单直观、收敛快等特点。另外，还可以在这些方法中融入频谱规划的规则［9］，例如:

(1)分配规则:使用高频前优先使用低频或分配频率时保持最大间隔或分配频率时保证最大频谱利用率等;

(2)节点优先规则:如果有权衡的需求，指挥官可能会愿意牺牲某些网络性能以保证关键网络节点的性能;

(3)带宽规则:当更大带宽的网络要求更多的资源时，可以优先分配需求资源的节点或者网络;

(4)频率锁定规则:限定某些网络频率(如在联合限制频率列表中的频率)在整个算法运行中不被更改。

这些频谱规划不仅可以单独使用，而且可以在智能算法执行中赋予不同的权重，从而得到满足要求频谱规划方案。智能技术的发展将不仅显著提高频谱规划的效率，而且通过给不同频谱规划规则赋予不同权重，极大地提高频谱规划的灵活性和适应性。

4.3 频谱管理网络化

美国国防部提出了网络中心频谱管理战略。网络中心频谱管理是为了描述在网络中心环境下的频谱使用及管理的目标能力而建立的新概念。网络中心靠全连通性和互操作性的环境来实现战场全维共享，这些都依赖于高度集成的无线架构和频谱技术来构建战场网络。

在这种背景下，用频系统可在网络中心环境中一有需要即可接入频谱，频谱态势感知可使得作战单元最大化地使用频谱来寻求战场机会，同时根据预先设置避让策略避免干扰其他用户。因此，频谱管理将从集中式管理向网络化分布式管理，实现频谱动态接入和按需分配发展;并且在网络中心环境下，用频装备可以通过实时数据交互知道彼此的用频情况，结合频谱感知数据，可以通过彼此协作更改频率利用方式或者对频率进行分时共享，最终达到最大限度利用频谱并且避免干扰其他用户的目的。

4.4 频谱管控动态化

目前在作战任务规划的初始阶段，美军联合频率管理办公室对作战区域的电磁环境进行评估，依据当前可用信息来对电磁环境进行想定和预测，并对所有装备的用频进行规划。当进入作战阶段，随着部队重新部署和指控、情报、武器系统和其他用频设备的重新排列，这种环境将持续改变。当电磁环境不断发生变化，预先基于想定的频谱管理计划将不再适用，因此需要对频谱管理计划进行动态调整。

频谱管理应该从基于作战计划的静态规划向基于地理位置的、政策的自适应战术调整和基于实际电磁环境的实时动态管控发展，此时，需要根据装备效能下降报告、态势变化等对频谱管理计划进行有效性评估，生成干扰解决方案，并基于新的电磁环境更新指配以及限制频率表，辅助频管参谋完成冲突消解［11－12］，实施频谱动态管控。图4显示了冲突消解的执行过程。

图4 冲突消解流程Fig.4 The process of interference resolution

5 结束语

现代化战争中敌我双方在有限的频谱资源上争夺异常激烈，敌我双方均集中在一定作战区域和有限的频谱范围内展开侦察、通信、识别和对抗。恶化的战场电磁环境对频谱规划管理形成了重大挑战，在信息化条件下的空地一体联合作战中，安全和高效地使用电磁频谱资源对提升作战的效能，甚至战争的成败将产生重要影响。因此，加强战场电磁频谱管理是战争准备工作的重要内容之一，也是打赢未来高技术条件下战争的必要因素。

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