【决胜电磁波】新的技术与能力

第三章 新的技术与能力

向电磁频谱战第三阶段转型需要美军扩展并发展其电磁频谱能力组合。特别是新一代电磁频谱战系统必须是网络化的、捷变的、小型的、多功能的，并具有自适应能力。本章将对这些能力特性进行评估，并描述其如何帮助未来的美国兵力投送力量在低-零功率电磁频谱战模式下有效作战。

网络化

第二章概述的作战概念要求传感器与对抗措施之间有效联网，并且与分散部署的射手以及指挥控制中心联网。将平台、传感器与诱饵和干扰机进行联网，将有助于共享对威胁的感知，并协调其运动和辐射，以提高突防平台的生存能力。如图16所示，多基地雷达、无源定位、无源相干探测等技术都依赖于来自多个传感器的输入。

图16、网络化的电磁频谱战

网络化电磁频谱战行动依赖两个关键的技术要素：控制系统以及保密的低截获概率/低探测概率数据链。前者对分布式参与方的行动进行管理和协调，后者对在对抗区域作战的己方部队和能力进行互连。美国防部和工业界正在推进几个项目，旨在对分布式电磁频谱战系统进行指挥与控制，其中包括美国海军研究办公室的“复仇女神” （NEMESIS）定向红外对抗项目以及联合反无线电控制简易爆炸装置电子战（JCREW）项目，它们可能会部署到联合部队。美国国防部的几个大带宽低截获概率/低探测概率通信链路正在开发或将于近期部署，如F-35的多功能先进数据链（MADL）、F-22的机间数据链（IFDL）、E-2D的战术目标瞄准网络技术（TTNT）。将低截获概率/低探测概率通信链路纳入更广泛的国防部部队中，所面临的问题并不是缺乏技术，而是缺乏联合标准。因此，对于这些将使能新的电磁频谱战作战概念的数据链，美国防部必须向系统开发商提供统一的数据链规范，同时要避免开发新的保密数据链，因为这样可能会使美军的通信协同工作能力面临更加复杂的挑战。

捷变性

美军未来的电磁频谱战系统应该能够改变频率、波束方向、方向图、功率电平，并能够定时进行，这样才能有效作战、有效对抗敌方的电磁频谱行动。频谱（或频率）捷变使美军传感器和通信系统通过在未被敌方监视的电磁频谱区域行动或者在当前的环境条件下更加有效，具备在敌方的无源探测系统周边机动的能力。如图17所示，整个频谱中只有一小部分在技术上和法律上是可供美军在和平时期使用的。将美军的传感器和通信限制在这些频谱部分可能为敌电磁频谱部队搜索它们提供便利。未来的美军系统将能够在更大的电磁频谱范围进行机动，这样就会延长敌方发现、干扰、诱骗或对抗它们的时间。

图17、频谱捷变

对美军的对抗能力来说，频谱的捷变性同样重要，它们必须能更加敏捷地对抗敌方的传感器或通信系统。尤其要关注的是必须增强电磁频谱红外频段的捷变能力。当代的红外对抗系统大多着重于对抗近程红外导弹导引头，而未来的红外对抗系统则必须能有效对抗在低红外频谱工作的远距离传感器，特别是在新型焦平面技术和强大的计算机处理能力提高了无源红外传感器的精度和探测距离的情况下。

捷变性还能够降低敌无源传感器对美军有源传感器、通信和对抗系统的探测概率。美国国防部正开始将那些能够使电磁频谱战系统改变波束大小、形状和方向的特性进行综合，如图18所示。美军的传感器和通信系统还应该具备改变其工作模式的能力，以阻止敌方拦截、分类和利用预定信号。如果传感器或通信系统能够将其功率调节到所需的最小值，那么就能够降低被敌方利用的风险。

图18、空域捷变

美国国防部正在部署几种利用了有源电扫阵列技术来增强其射频敏捷性的系统。有源电扫阵列系统由可升级的阵列组成，这些阵列包含了成百数千个用计算机处理器以电子方式控制的小型收发模块。这就使有源电扫阵列系统不需要使用旋转天线就能够进行扫描，可形成多个大小和功率可变的波束，比老式系统的工作频率范围更广，老式系统的物理结构限制了其在频域、时域和空域的捷变。

有源电扫阵列系统已经在F-22的APG-77雷达和F-35的APG-81雷达上使用，并将成为AN/SPY-6防空与反导雷达（AMDR）、EA-18G“咆哮者”的“下一代干扰机”（NJG）、改进SLQ-32舰载电子战系统的“水面电子战改进项目”（SEWIP）等新系统的组成部分，如图19所示。有源电扫阵列系统可以足够小且廉价，能装载在导弹和小型无人机上，并且还能安装在大型有人或无人平台的多个位置。采用氮化镓（GaN）放大器技术，有源电扫阵列能够为有源和无源系统提供较高增益，这就带来了更大的功率捷变性，同时提高了其无源灵敏度。如果联网，这些分布式阵列作为一个整体即可在多个方向、更宽的频率范围发射和接收信号，同时协调其对敌辐射的响应行动。

图19、“下一代干扰机”和APG-81雷达

最后，能够在空域、频域和时域中机动的电磁频谱能力将会提高美国军用与商业用户共享频谱的能力。随着新型移动通信和感知技术在商业上的应用，电磁频谱正变得日益拥塞。商用带宽不断扩张的需求正在逐步侵占军方使用的电磁频谱部分。电磁频谱捷变将有助于商业和军事用户制定消除其时域和空域辐射冲突的程序和自动化控制方案。

多功能

第二章所描述的作战概念要求在未来战场上美军所有的平台、有效载荷都要成为电磁频谱战网络的一部分。要获得所需的机动性和地理及空间覆盖，这对于美国国防部当前的单一任务无线电台、雷达和干扰机来说将是充满挑战的任务。装备有单一任务能力的平台需要三种以上的独立系统来完成通信、无源感知和噪声干扰任务。第二种方法是每个功能都由一个单独的平台来完成。推广到整个部队，这两种方法都过于复杂、昂贵、且可能无法持续。

第三种方法是开发单个电磁频谱战系统，每个系统都能够履行通信、感知、干扰、诱骗或照射目标的功能。这就能以极低的成本提供未来部队所需的能力。由于不同的电磁频谱战功能需要对频率、动态范围、功率电平以及带宽进行不同的组合，因此必须采用新的技术。如图20所示，无线电台需要大的带宽但不需要宽的频率覆盖；而雷达需要宽的频率覆盖，但不需要大的动态范围。例如，新型有源电扫阵列系统由于采用了宽带发射机和接收机，所以在大部分情况下能够在射频频谱中同时完成多种功能。因此，无论是无线电还是雷达，装备有源电扫阵列的武器系统都需要对这些特性进行平衡。

图20、各种电磁频谱战系统所需的特性

采用工作在红外、可见光或紫外电磁频谱波段的多功能焦平面阵列也是可行的。新型半导体技术使开发焦平面阵列系统成为可能，这些系统可以作为无源传感器和通信接收机使用，能够探测更大频率范围的信号。与低功率激光器或发光二极管（LED）组合，这些系统还能够提供低截获概率/低探测概率通信，并充当多基地红外/紫外传感器。

除了扩展电磁频谱战系统的工作特性外，美国防部还需要开发和部署通用多功能控制器。目前的处理器和信号发生器通常用于控制一个特定的单一任务系统，即使系统的阵列可以支持不同的电磁频谱战任务。没有多功能控制器是当前的电磁系统不具备多功能的主要原因。目前的工业研究项目和政府项目正在研发这些控制器，如DARPA的ReACT项目。

小型化

第二章中描述的作战概念提出在对抗区域使用小型投掷式无人机和带有动力的载荷执行多基地无源感知、低功率防区内干扰和诱骗行动。电磁阵列越小，大型有人和无人平台所具备的电磁频谱孔径就越多，从而增大了其发射和接收范围。如果是分布式阵列，单架无人机就可以发射一枚用红外激光器照射目标的导弹，无人机用一个阵列无源接收反射的红外能量，同时使用定向射频数据链通过另一个阵列与准备攻击被照射目标的有人平台进行通信。

小型电磁阵列目前由拖曳式诱饵、“小型空射诱饵”、F-22、F-35、自卫干扰机携带。这些系统仍然相对昂贵，系统及其控制装置没有批量生产，无法满足大型电磁频谱战网络的需求。为了充分利用敏捷的网络化多功能能力带来的机会，未来的电磁频谱战系统应该比目前的系统小得多、便宜得多。

图21、拖曳式诱饵和“小型空射诱饵”

自适应

如果要充分发挥其潜力，敏捷的多功能网络化电磁频谱战能力则应该具备更强的自适应能力。“自适应”这种能力与无线电通信、干扰机、雷达或诱饵中普遍具有的自动化功能并不相同。例如，自动化系统可以在较窄的范围内进行频移，从而为无线电通信找到空闲频谱部分，或者为诱饵找到威胁传感器。它们还可以对威胁作出反应，用预先计划的对抗措施（如干扰或生成欺骗信号）来对抗已识别的敌方雷达或干扰机。数字射频存储干扰机就是新近的一个自动化例子。然而，目前的自动化电磁频谱战系统并不具备真正的自适应能力。它们通常不能识别或对抗不在其威胁库中的新型威胁，也不能快速转换管理不同的功能。此外，还缺乏在大频率范围中评估电磁频谱探测威胁和确定电磁频谱机会（如频谱开放区域或敌方通信弱点）的能力。

发展了十多年的自适应电磁频谱战系统技术目前已经达到成熟水平，可以集成到新型电磁频谱战系统中。自适应算法和硬件有时被称为“智能的”或“认知的”电子战项目，已经在美国海军“电子战战斗管理”（EWBM）和国防高级研究计划局的“行为学习自适应电子战”（BLADE）以及几个美国国内企业投资进行的项目中进行了验证。图22描述了这些系统控制自适应电磁频谱战行动的基本步骤。首先开发电磁频谱环境感知，包括测量电磁环境中的信号的频率和强度；确定其位置；描述其是敌是友或是未知（即使这些信号不具有任何可识别特征）；评估其工作模式。

图22、自适应电磁频谱战行动周期

自适应电磁频谱战控制系统将根据指挥员的意图使用频谱感知，以任务优先级别清单的形式来确定采取什么行动。与自动化系统不同的是，自适应电磁频谱战系统将不仅仅是产生对抗已识别威胁雷达的干扰信号或将频谱移到无竞争的频谱部分。自适应系统将基于特征、位置和行为（因为许多威胁系统在战时不使用其常规参数）来识别威胁，然后基于威胁在当前本地电磁频谱环境中探测或对抗友方部队的可能性来确定采取什么行动。之后，自适应系统将评估敌方电磁频谱行动提供的感知和通信机会，使用建模和仿真工具，评估各种行动方案（不仅抑制敌使用电磁频谱，同时帮助己方部队使用电磁频谱）。自适应电磁频谱战控制装置将把任务引导到其网络中的敏捷、多功能电子系统上，然后使用频谱感知来评估其在电磁环境中产生的效果以及敌方的电磁频谱行为。

总之，虽然转入电磁频谱战竞争第三阶段所需要的技术已经成熟或正在迅速成熟，但其部署充其量仅是尝试性的。这很大程度上是因为美国国防部缺乏紧迫性，没有制定新的作战概念、确定正式需求并为敏捷、网络化、多功能电磁频谱系统寻求投资。本报告的第四章详述了制约美国国防部向创建更强大的电磁频谱战部队迈进所遇到的障碍，以及美国国防部将如何克服这些障碍。最后，解决这些前进中的障碍需要美国防部首先认识到未来的美国兵力投放力量将无法继续使用高功率、非低截获概率/低探测概率有源传感器和对抗措施来对抗不用承担过度反击风险的强大敌人。