美军全球电磁频谱信息系统发展现状与趋势 *

张 宁，周正廉 ，张祖尧

(海军指挥学院 作战实验室，南京210016)

0 引 言

随着依赖电磁频谱的复杂系统的便携性和功能性不断提高，军事行动面向的电磁频谱环境在未来将变得更加复杂。为使军事力量能够更好地使用电磁频谱，2013年，美军参谋长联席会议手册中首次提出联合电磁频谱作战(Joint Electromagnetic Spectrum Operation,JEMSO)概念，并在2016年的美军联合作战条令中对其进行了全方位的规范。JEMSO由联合电磁频谱管控和电子战组成，旨在开发、攻击、保护和管理电磁作战环境内的频谱资源，解决电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)，以实现作战指挥官的目标[1]。

联合电磁频谱作战行动中必然面临复杂的电磁频谱规划与使用情况。经过近些年从装备技术到作战理论的深入探索，美军已逐步健全了电磁频谱管理的软硬件条件。美军不仅构建了电磁频谱管理体系，设立相应职能部门，还持续深化全球电磁频谱信息系统(Global Electromagnetic Spectrum Information System,GEMSIS)建设以实现高效自动的频谱管理，并在此基础上实施“低-零功率”、机动式、认知化电磁频谱作战样式。研究和剖析美军GEMSIS系统的技术特性与建设思路，对当前电磁频谱管理系统建设与电磁频谱作战发展、未来信息战场与敌制胜具有重要现实意义。

1 GEMSIS发展现状

2006年1月23日，美联合需求监督委员会批准了GEMSIS初始能力文件，并于2009年启动开发。这是美军为实现以网络为中心的电磁频谱管控战略而打造的联合频谱管理系统，旨在使电磁频谱策略由预先计划和静态分配转变为自主和自适应的模式。

由美国防部信息系统局(Defense Information System Agency,DISA)历年财报中梳理的项目开发进程可知[2]，GEMSIS项目开发共分为三个增量阶段：增量1阶段确定了服务架构和基础设施标准，并接入了一体化联合频谱管理规划工具(Coalition Joint Spectrum Management Planning Tool,CJSMPT)和东道国频谱全球数据库在线(Host Nation Spectrum Worldwide Database Online,HNSWDO)；增量2阶段完成了依托于全球信息栅格，基于网络中心和Web服务的频谱管理工具，集成了联合频谱数据仓库(Joint Spectrum Data Repository,JSDR)、基石(Stepstone)、频谱XXI(SXXI,Spectrum XXI)、海上电磁频谱作战项目(Afloat Electromagnetic Spectrum Operations Program,AESOP)等服务，实现集成频谱桌面(Integrated Spectrum Desktop,ISD)并部署升级了2.0版本；增量3阶段的主要工作则是在前两个阶段的基础上进行维护和升级，实现与同盟伙伴的信息交互合作，完善系统功能，最终为作战能力形成提供可靠支撑。GEMSIS项目的具体发展进程如表1所示。

表1 GEMSIS项目发展进程

经过十多年的持续建设，GEMSIS已经在增量1和增量2阶段形成了如图1所示的功能模块相对完备的电磁频谱管理工具体系[3]，下面对各模块功能进行介绍。

图1 GEMSIS在增量2阶段形成的能力结构框图

1.1 频谱数据模块——JSDR

JSDR作为国防部权威的频谱数据库，收录了美军收集的电磁频谱有关的数据，支持符合美军事通信电子委员会颁布的Pub 8标准频谱资源格式的Web服务[4]。JSDR通过提供综合的传输基线，可以使情报部队和电子战部队更容易深入对手的通信领域，也为其他功能模块提供了数据基础支撑。

1.2 频谱规划模块——CJSMPT

CJSMPT 能为JEMSO的各个阶段提供频谱规划的能力支撑，主要由四部分协同完成：收集演训任务兵力态势、平台及其载荷的电磁特征数据，通过分析完成对频谱的有效管控；通过仿真模拟，在行动前计算潜在用频冲突；可视化组件配合数字三维地形图，将电子对抗及通信效能可视化地进行展现；采取标准的数据结构格式，能够接入并获取JSDR的频谱数据。

1.3 频率分配模块——SXXI

SXXI是GEMSIS的核心，最早由美国防部开发，旨在发展战术环境下自动化指派无干扰频率的能力，并曾在阿富汗战争中被使用，其功能主要是频率分配和指派[5]。当频谱管控人员输入频谱资源需求清单后，其核心信息系统能够自动处理并自动生成经过校验的频率分配方案，指派频率后还能够跟踪频率分配方案的执行情况。此外，还有数据转换、地形数据管理、干扰分析、干扰报告、一致性检查、联合限制频率表生成等功能。

1.4 干扰解决模块——JSIRO

在线联合频谱干扰消除(Joint Spectrum Interference Resolution Online,JSIRO)项目旨在解决JEMSO中持续和反复出现的EMI问题，包括民用系统和国防部系统之间的问题以及电磁入侵和电磁干扰问题[6]。JSIRO能够在作战指挥链中尽可能低级别地解决EMI问题，即通过将EMI事件输入其在线门户网站，协调当地频谱资产或东道国援助寻求解决方案。当无法使用协调方式解决EMI事件时则将其提交至作战指挥链，由指挥链通过其他手段解决。

1.5 频谱保障模块——E2ESS

在频谱保障方面，端到端频谱支持(End to End Spectrum Supportability,E2ESS)集成了HNSWDO和Stepstone两个工具。Stepstone主要用于支持国防部用频装备的许可流程处理，其规范了用频装备的数据格式和许可申请流程，加快了用频装备投入使用的过程；HNSWDO是一款Web应用，提供了可视化的东道国用频设备的态势信息，并能够自动分发东道国频谱协调和需求请求，降低与东道国发生用频冲突的风险。

1.6 能力融合模块——ISD

ISD为用户提供了可以访问集成了各种频谱工具及服务的通用桌面。该通用桌面促进了GEMSIS系统中各类功能的集成与可操作性，提供了指向包括JSIRO在内的各种站点的Web链接。

美军目前已经完成增量2的研制工作，启动了增量3阶段。

2 GEMSIS的作战应用

电磁频谱资源的争夺是电磁频谱战的核心，其过程是电磁频谱管控与电子战重编程相结合。图2是美军JEMSO的典型实施流程[7]：首先，根据作战计划中涉及的平台及其载荷的电磁特征参数、兵力部署态势以及行动计划中对用频需求的格式化描述形成频谱的需求清单；其次，根据战场东道国频谱政策、国际要求规定以及电磁行动环境，确定可用频谱资源清单；最后，GEMSIS对联合受限频率表与电子对抗用频表进行分析，提前发现潜在干扰用频，考虑局部资源使用冲突、优先级序列等问题后，形成最终的用频规划清单，然后被指派给电子战行动中的各个单位。实际行动中，作战单位根据战场电磁频谱态势的变化，以及与对手之间的用频冲突或干扰情况实时对系统反馈，系统解决后产生新的规划清单重新下发给各单位。电磁频谱管控几乎覆盖电磁频谱战的全流程、全要素。

图2 美军JEMSO典型实施流程

另外，由于使用更大功率的有源网络进行对抗不仅越来越难以实现，且大功率也意味着更容易在战场中被发现，当前电磁频谱战样式开始向“低-零功率”、智能机动式作战发展[8]，电磁辐射控制与频谱管控的结合也更加紧密。在“低-零功率”电磁频谱战中，GEMSIS的频率管控与电磁能量的协同控制可以实现更好的电磁兼容和电子防护；而在认知化电磁频谱战中，自适应电子战行为学习(Behavioral Learning for Adaptive Electronic Warfare,BLADE)项目基于GEMSIS提供的频率规划支持，可以实现频域捷变与频段控守，以保持其电磁优势。在未来的发展计划中，美国国防部将持续进行GEMSIS的项目建设以增强其对JEMSO的支持能力。

3 GEMSIS的发展趋势

图3是根据DISA财报梳理出的GEMSIS未来将要形成的能力结构框架，即增量3阶段要实现的目标能力。增量3阶段的目标是基于前两个阶段形成的能力，进一步增强GEMSIS在JEMSO中的用频支撑能力，主要在频谱规划和反冲突能力方面以及战术频谱协调能力方面。结合当前技术发展现状与美军战略的调整情况，GEMSIS的发展主要呈现三方面的特点和趋势。

图3 GEMSIS增量3阶段能力结构框架

3.1 开放合作的频谱管理协作

为适应美军未来“全域作战”概念，面向范围更广阔的战场，频谱规划不仅需要考虑任务部队实际用频情况，还要综合考虑多方面因素，包括军事行动所在东道国的电磁环境及频谱政策、国际电磁频谱政策、军用与民用、己方军队与盟军用频设备用频协调等因素。特别是在他国实施军事行动时，客场电磁频谱先验知识的欠缺使频谱管理更加困难。

美军未来将基于全球信息栅格网络基础设施所提供的全球一体化信息网络服务，进一步加强与地方、同盟国之间的协同合作，以共建频谱管理基础设施及标准规范建设为抓手，通过标准和规范引领，完善合作机制，推进监测设施、信息服务设施的共建共享以及频谱资源数据共享，加快形成开放合作的频谱管理协作态势。

3.2 机动灵活的战术频谱协调

不同任务生成的频谱规划需求各不相同，加之战场中用频装备的位置、作战地形、气象条件等因素都会随着作战进程推移发生改变，这些因素都会对用频装备的电磁性能产生影响，实现机动灵活的战术级频谱规划将作为美军电磁频谱战制胜目标的“最后一公里”。为此，DISA在其2020财年计划中也指出接下来将与科学技术界(包括ASDR&E、Service Lab和DARPA)合作，制定技术路线和战略以增强系统的战术灵活性。

灵活的战术频谱协调主要基于对当前战场电磁态势的掌控与对下一阶段电磁态势的预测。为此，美军一方面将着力开展电磁环境数据收集能力建设，即增强电磁态势感知能力，丰富GEMSIS的电磁频谱数据资源；另一方面，随着算力的不断提高，系统将继续提升对电磁环境的建模仿真能力与预测精度，并将机器学习、人工智能等领域的最新进展与软件无线电不断扩大的能力相结合[9]，集成智能频谱管理能力，增强系统在频谱管理方面的自动化水平，逐步弱化人在频谱管理回路中的比重。

3.3 智能认知的用频策略生成

美军在认知化电磁频谱作战方面一直投入了较多研究，如BLADE、射频机器学习系统项目等，内容涵盖了雷达和通信的电磁侦察、进攻、防护等方面，旨在利用机器学习理解无线电信号。

由于战场中对手信号实际是一种小样本数据，认知化的电磁频谱对抗能力形成主要分为两个阶段。第一阶段是电磁频谱干扰消除能力，可利用频谱资源数据库中的数据及现有的电磁频谱相关知识内容进行深度学习，并在实际的应用中不断进行强化学习，增强对电磁环境的认知和推理能力，以增强GEMSIS对战场复杂电磁干扰及频谱冲突问题的威胁感知及迅捷优化能力。第二阶段是电磁进攻能力，能够基于现有知识实现对于已知目标的快速对抗策略生成，并能通过作战过程中的在线学习，实现对未知电磁目标的识别及对抗策略优化，形成对JEMSO的电磁频谱对抗能力支撑。

4 结束语

频谱资源的利用和争夺是联合电磁频谱战的核心，最大程度利用频谱资源及有效解决频谱冲突的能力是当今各国军队追求的目标。研究美军GEMSIS的建设思路、技术特征及发展趋势，对电磁频谱管理领域的研究与发展具有重要的参考意义和借鉴价值。未来，电磁频谱管理问题涵盖的时空范围将更为广阔，电磁频谱的大数据特征及智能化的管控能力发展趋势更为明显，我们应当重视电磁频谱管理系统在这些方面的发展，吸取GEMSIS建设的经验，才能在未来的电磁频谱领域斗争中占据主导地位。