电磁频谱特性探析

2023-03-29王国玉徐振海刘兴华杨晓帆

航天电子对抗 2023年1期

王国玉，徐振海，刘兴华，杨晓帆，许雄

（1.国防科技大学电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，湖南长沙 410073；2.电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，河南洛阳 471003；3.北京航空航天大学，北京 100191；4.军事科学院军事科学信息研究中心，北京 100142）

0 引言

电磁是物质电特性和磁特性的总称。电磁特性源于电荷运动，所有电磁现象源于电场。变化的电场产生磁场，而变化的磁场又产生电场，变化的电场和变化的磁场构成一个不可分离的统一场，就叫电磁场。变化的电场和变化的磁场相互激发而产生的在空间以光速传播的交变电磁场就是电磁波。

1864年，英国理论物理学家麦克斯韦提出了著名的麦克斯韦方程，描述电磁场运动规律，从理论上预言了电磁波的存在［1］。1886年，德国实验物理学家赫兹首次观察到“火花放电”现象，证实了电磁波的存在，并计算出电磁波的速度。麦克斯韦方程证明了光波也是电磁波，从微波到光波可以统称为广谱电磁波［2］。广谱电磁波的频率范围从零到无穷。电磁频谱所构成的物理空间（即电磁空间）也是无限的。人类以广谱电磁波为研究开发对象，构建了雷达、通信、导航、遥感、信息网络、电磁医疗、射电天文等多种应用与研究探索体系。

随着科技进步和时代发展，国家安全领域已超出传统的领土、领海、领空范围，不断向海洋、太空、电磁空间拓展和延伸。太空安全、网络安全、电磁空间安全，已成为国家安全的重要组成部分。

电磁空间作为信息产生、传输、感知和新质聚能的不可替代的天然物理空间，具有极强的开拓性、开放性、跨域性、冲突性和关联性。国家信息网络、舆论宣传、经济运行、综合治理、社会稳定、科技发展、军事行动等等，都高度依赖电磁空间。因此，电磁空间安全已成为国家安全的前沿焦点和战略支柱。

电磁空间及其所有资源的实体物理构成是电磁频谱。电磁频谱是由电磁波按频率排列形成的一个从零至无穷的结构谱系，即不同频率所有电磁波的顺序集合，包括无线电波、红外线、可见光和紫外线、X 射线和γ 射线等［3］，如图1 所示。

图1 电磁频谱按频段划分的谱系

电磁空间的所有行为均由电磁频谱承载的各类电磁波活动与相关事件构成。电磁频谱的承载及其资源开发利用，是电磁空间行为活动的主体和核心。因此，全面理解电磁频谱及其特征属性至关重要。本文从天然特性、社会特性和应用特性三个方面较为系统完整地探讨分析了电磁频谱的特征属性。

1 电磁频谱的天然特性

电磁频谱作为一种独特的自然资源，具有以下天然特性。

1）稀缺性

电磁频谱是稀缺宝贵的资源。电磁频谱浑然天成，独立而在，不可多得。电磁频谱是一个物理域，其天然的存在与人类无关。电磁频谱覆盖了由零至无限大赫兹的频率范围，理论上是无限的，但由于目前技术水平的限制和使用需求的快速增长，可利用的频谱资源十分稀缺。

2）瞬时性

电磁波以光速运动传播，电磁频谱研发应用以光速提供效能作用，几乎瞬时，不需要额外的时间和人物资源。

3）非耗性

电磁频谱资源虽然宝贵有限，但电磁频谱天然有之，恒定存在。区别于石油、矿产等自然资源，电磁频谱只是使用，而非消耗，不存在耗损和补充存储问题，只取决于研发应用能力与水平。当用频功能停止时，所占用的电磁频谱即刻被释放，可无限次地重复使用。

4）开放性

电磁频谱资源为人类共有，国际共用，军民共用，敌我共用。电磁频谱活动表现于电磁波辐射传播与接收。除了雷电、太阳黑子活动、宇宙射线等自然源，电磁辐射源还包括人为源，可以来自陆、海，也可来自空、天，电磁波传播于任何开放空间，渗透于每个角落，电磁辐射传播渗透无疆界。

5）易扰性

由于电磁频谱的开放性，电磁波在空间域、时间域、频率域上横纵交错，多种用频设备管理使用不当，布局不合理时，容易互相产生干扰。自然界中宇宙射线、太阳黑子、雷电环境，现代城市环境中的高压输电线、工业、医用电子设备等等，也会对用频系统产生干扰，影响正常的电磁频谱业务。电磁频谱可以为信息化战场传递信息和感知目标；而另一方面可借助情报侦察、电磁干扰和精确打击等手段，控制战局。

2 电磁频谱的社会特性

电磁频谱在经济发展、国防建设和社会生活各领域中占据不可或缺、无法替代的战略资源地位，具有以下社会特性。

1）国家性

电磁频谱是影响国家发展和战争胜负的重要国有战略资源。我国《物权法》的第50 条单独明确规定，“无线电频谱资源属于国家所有”。频谱资源的国有属性在我国法律中单独成条，实属罕见，足见其重要性和不同寻常的地位。

2）政治性

电磁频谱无国界，但开发利用、为谁服务则有鲜明的政治立场。电磁频谱可广泛开发应用于事关国家主权、领土完整、政治制度维护等国家安全领域的情报侦察监视等。现代电磁信息网络关乎思想宣传、舆论引导、民心所向等政治意识形态大事。

3）经济性

频谱资源本身已可定价、拍卖、贸易。据报导，1995—2011年间，美、英等国为发展第三、四代移动通信网络，所拍卖的频谱价值共约1 300 亿美元。频谱资源开发利用更是价值连城。下一代天地移动通信网络的核心是天地电磁频谱开发应用。预测认为，下一代（5G+、6G）天地移动通信网络一旦突破建成，直接间接带动的经济产业规模达30～50 万亿美元。有测算显示，电磁频谱资源开发利用对我国GDP 增长率的贡献率近5%，已超过人力资本对经济增长的贡献。2015年，我国正式启动“中国制造2025”发展战略计划，明确了电磁频谱作为稀缺战略资源，是我国经济发展和转型的重要支撑。

4）科技性

电磁频谱的广泛研发应用极大地推动了科技发展和社会进步。利用电磁波的传输特性，发明了无线电广播、移动互联网、手机等；利用电磁波的辐射/反射特性，发明了雷达、导航、遥测、遥控和遥感等；利用电磁波的能量转换特性，发明了微波炉、无线充电等。电磁波纵横驰骋陆海空天，加速了信息时代的到来，广泛而又深刻地促进了科技发展和人类社会文明的进步。

电磁频谱仪器仪表和测量系统是现代科学研究探索必不可少的工具，没有测量就没有科学。电磁频谱本身隐藏着世界万物诸多秘密，有待人类探索认知、赋能开拓。

5）军事性

从战争手段和作战形态发展趋势看，电磁频谱利用和制电磁权争夺已是战场胜负的关键。人类战争已从冷兵器时代、热兵器时代、机械化时代，来到了当今的信息化时代。信息化战争最重要的标志就是电磁频谱广泛开发应用于军事战争。随着战争形态演进、作战环境变化和新技术发展，电磁频谱由战场信息获取、传输的重要载体，逐渐演变为继陆、海、空、天、网之后的新作战域，贯穿作战的全过程，如图2 所示［4］。现代战场联合作战最核心的三大要素就是实时侦察情报、指挥控制通信、快速精准打击，这三大要素和能力形成均取决于电磁频谱研究开发利用水平。2019年7月，美国空军发布新的电子战条令《附录3-51：电磁战与电磁频谱作战》，提到“现代战争高度依赖电磁频谱，保持电磁频谱优势对联合部队指挥官获得战术、战役和战略优势必不可少。美国空军的平台、武器系统和杀伤链都依赖电磁频谱”［5］。2020年5月，美参联会发布《JP 3-85：联合电磁频谱作战》条令，明确定义“电磁频谱优势”［6-7］。2022年2月，俄乌战争爆发，双方在电磁频谱领域的攻防对抗，影响着战争走势［8］。

图2 战争手段发展演变

3 电磁频谱的应用特性

电磁频谱资源宝贵，地位重要，而且是未来信息化和智能化研发应用的核心基础支撑。电磁频谱具有以下应用特性。

1）有限性

理论上电磁频谱从零至近无穷赫兹的频谱资源均可利用。国际电联目前规划的微波段频谱范围是10 kHz～400 GHz，低于这一范围进入音频范围，高于这一范围进入光波范围。且受认知和技术能力限制，可供开发使用的频谱资源有限，约占68%，大多数军民商用频设备和系统都集中在6 GHz 以下，已趋于饱和，频谱资源紧缺问题突出。

2）复用性

目前，除了航空无线电导航、遇险搜救、射电天文等业务用频属于“专属专用”的使用方式外，其他约90%以上的频段都由多种无线电业务共用。当大量电磁频谱设备和系统集中使用时，会出现拥挤、互扰，“打架撞车”的现象。在合理高效的频谱管控方案和用频计划前提下，充分利用电磁频谱在时域、频域、空域和码域等多维特性，可运用时分复用、频分复用、空分复用和码分复用来解决相互干扰和多用户使用问题。

3）节约性

电磁频谱资源天然存在，固定有限，供需矛盾越来越突出，节约使用是其重要的内在要求：

①要省着用，够用就行。电磁频谱具有瞬时、非耗的特性，频谱系统发挥作用时效快，也不存在耗损的问题，够用即可。

②要科学规划频谱资源，避免低效利用，杜绝浪费，同时加快老旧系统更新换代，重新整合规划，重新高效利用结余下的频谱资源，如频谱收旧新用、频谱碎片整理和熔炉增效等。

③ 要创新思维，提高认知水平和技术能力，研发新的电磁频谱利用技术和应用模式。应对日益拥挤的频谱资源，采用频谱共享技术，多个独立实体在特定位置区域和时间中使用特定的频段；依据新的应用需求，建立新的概念和系统，融合电磁频谱与信息战、赛博战手段，重构电磁作战战术，创新电磁频谱节约使用新模式。

4）适应性

随着技术进步和电磁频谱的广泛开发利用，在任何时间域、频率域和空间域上，单一设备工作的情形已不复存在，必然是多设备多系统同时工作，多种电磁信号同时存在。这些错综交织的电磁信号间存在着复杂的相互影响，不同的影响机理产生不同的影响效应。一方面，电磁频谱装备要具备抗外部电磁干扰的能力；另一方面，电磁频谱装备内部要具有良好的电磁兼容能力。因此，电磁频谱装备要在复杂的电磁环境下能保持良好工作性能，电磁频谱环境适应性是其基本要求。

5）竞争掠夺性

某种意义上说，电磁频谱开发利用呈现“丛林法则”，先用先占，先占先有，甚至先占永得。30 GHz 以下的频谱利用技术已较成熟，抢占优先使用权的竞争十分激烈。60 GHz 以上频谱利用正在开发，“你追我赶，跑马圈地”现象严重。卫星轨道频率资源掠夺激烈空前，导航频率、同步轨道频率近80%被美西方和俄罗斯先期抢占。

电磁频谱资源的争夺本质上是国家利益和国家安全战略制高点的争夺。电磁频谱是大国竞争博弈的必争之域，也是平时、战时交锋最激烈最集中的领域，更是大国雄风充分角逐展示的舞台。

6）协同性

由于电磁频谱军民广泛使用，资源有限与需求旺盛的矛盾越来越突出。卫星、广播、航空、通信等技术的发展都对电磁频谱需求迫切，国家、集团间电磁频谱掠夺、争抢与对抗激烈，这就决定了电磁频谱研发使用必须要统筹与协同，以应对多方面的问题与挑战［9-10］。协同内容包括：规范用频设备的使用频段、发射功率、占用带宽等参数要求；研发应用军地频谱管理信息交互系统、分布式电磁频谱感知系统；从顶层设计提高各设备在联合作战条件下的适应能力，打造智能化、体系化、网络化的“协同电磁感知网”等等。

为高效快速发展商业航天，2021年美国联邦通信委员会提议为商用航天发射划分专用频段，以改变过去“军民”航天共用频谱的局面，同年4月，即将2 200～2 290 MHz 频谱段划分给商用航天。

7）融合性

随着传统计算机网络的无线化，以及传统无线通信的网络化和各类电磁频谱系统的一体化、网络化，电磁频谱作为一个独特的媒介空间，把空、天、网络和电磁空间广泛紧密地深度交织融合在一起。2020年10月，美国防部发布的《电磁频谱优势战略》，明确指出“电磁频谱不是军事作战的一个独立域，因为电磁频谱与联合条令中所确定的那些作战域是不可分割的”（电磁频谱的跨域使用示意图如图3 所示）［11］。战场用频设备网络化在很大程度上决定了网络战必须通过电磁频谱实现。电磁频谱信息网络作为桥梁纽带的全域作战样式，正在深刻地改变战争形态。空、天、网络空间与电磁空间的有机融合，正在深刻地影响着人们生产生活方式乃至整个人类文明进步。

图3 美国国防部对电磁频谱的跨域使用

8）机动性

机动性是电磁频谱研发应用的一个显著特征，它是一种独特的能力，就是在时间、空间和电磁频谱参数等多个维度进行移动和调整变化的能力。美《电磁频谱优势战略》中指出“电磁作战环境是一个机动空间”，并以“电磁频谱内的行动自由”作为电磁频谱作战的战略目标［11］。电磁频谱内行动自由的重要能力就是电磁频谱的机动能力。电磁机动的关键技术包括：多功能电磁传感器；多功能电磁干扰系统；开放架构设计；高速、实时、可重构；软件定义功能；敏捷演进；人工智能自主操作等等。电磁机动是获取电磁频谱优势，实施马赛克战和杀伤网理论的核心能力技术支撑。