第三章 新的技術(shù)與能力

向電磁頻譜戰(zhàn)第三階段轉(zhuǎn)型需要美軍擴(kuò)展并發(fā)展其電磁頻譜能力組合。特別是新一代電磁頻譜戰(zhàn)系統(tǒng)必須是網(wǎng)絡(luò)化的、捷變的、小型的、多功能的，并具有自適應(yīng)能力。本章將對(duì)這些能力特性進(jìn)行評(píng)估，并描述其如何幫助未來的美國(guó)兵力投送力量在低-零功率電磁頻譜戰(zhàn)模式下有效作戰(zhàn)。

網(wǎng)絡(luò)化

第二章概述的作戰(zhàn)概念要求傳感器與對(duì)抗措施之間有效聯(lián)網(wǎng)，并且與分散部署的射手以及指揮控制中心聯(lián)網(wǎng)。將平臺(tái)、傳感器與誘餌和干擾機(jī)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，將有助于共享對(duì)威脅的感知，并協(xié)調(diào)其運(yùn)動(dòng)和輻射，以提高突防平臺(tái)的生存能力。如圖16所示，多基地雷達(dá)、無源定位、無源相干探測(cè)等技術(shù)都依賴于來自多個(gè)傳感器的輸入。

圖16、網(wǎng)絡(luò)化的電磁頻譜戰(zhàn)

網(wǎng)絡(luò)化電磁頻譜戰(zhàn)行動(dòng)依賴兩個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)要素：控制系統(tǒng)以及保密的低截獲概率/低探測(cè)概率數(shù)據(jù)鏈。前者對(duì)分布式參與方的行動(dòng)進(jìn)行管理和協(xié)調(diào)，后者對(duì)在對(duì)抗區(qū)域作戰(zhàn)的己方部隊(duì)和能力進(jìn)行互連。美國(guó)防部和工業(yè)界正在推進(jìn)幾個(gè)項(xiàng)目，旨在對(duì)分布式電磁頻譜戰(zhàn)系統(tǒng)進(jìn)行指揮與控制，其中包括美國(guó)海軍研究辦公室的“復(fù)仇女神” （NEMESIS）定向紅外對(duì)抗項(xiàng)目以及聯(lián)合反無線電控制簡(jiǎn)易爆炸裝置電子戰(zhàn)（JCREW）項(xiàng)目，它們可能會(huì)部署到聯(lián)合部隊(duì)。美國(guó)國(guó)防部的幾個(gè)大帶寬低截獲概率/低探測(cè)概率通信鏈路正在開發(fā)或?qū)⒂诮诓渴穑鏔-35的多功能先進(jìn)數(shù)據(jù)鏈（MADL）、F-22的機(jī)間數(shù)據(jù)鏈（IFDL）、E-2D的戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（TTNT）。將低截獲概率/低探測(cè)概率通信鏈路納入更廣泛的國(guó)防部部隊(duì)中，所面臨的問題并不是缺乏技術(shù)，而是缺乏聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)。因此，對(duì)于這些將使能新的電磁頻譜戰(zhàn)作戰(zhàn)概念的數(shù)據(jù)鏈，美國(guó)防部必須向系統(tǒng)開發(fā)商提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)鏈規(guī)范，同時(shí)要避免開發(fā)新的保密數(shù)據(jù)鏈，因?yàn)檫@樣可能會(huì)使美軍的通信協(xié)同工作能力面臨更加復(fù)雜的挑戰(zhàn)。

捷變性

美軍未來的電磁頻譜戰(zhàn)系統(tǒng)應(yīng)該能夠改變頻率、波束方向、方向圖、功率電平，并能夠定時(shí)進(jìn)行，這樣才能有效作戰(zhàn)、有效對(duì)抗敵方的電磁頻譜行動(dòng)。頻譜（或頻率）捷變使美軍傳感器和通信系統(tǒng)通過在未被敵方監(jiān)視的電磁頻譜區(qū)域行動(dòng)或者在當(dāng)前的環(huán)境條件下更加有效，具備在敵方的無源探測(cè)系統(tǒng)周邊機(jī)動(dòng)的能力。如圖17所示，整個(gè)頻譜中只有一小部分在技術(shù)上和法律上是可供美軍在和平時(shí)期使用的。將美軍的傳感器和通信限制在這些頻譜部分可能為敵電磁頻譜部隊(duì)搜索它們提供便利。未來的美軍系統(tǒng)將能夠在更大的電磁頻譜范圍進(jìn)行機(jī)動(dòng)，這樣就會(huì)延長(zhǎng)敵方發(fā)現(xiàn)、干擾、誘騙或?qū)顾鼈兊臅r(shí)間。

圖17、頻譜捷變

對(duì)美軍的對(duì)抗能力來說，頻譜的捷變性同樣重要，它們必須能更加敏捷地對(duì)抗敵方的傳感器或通信系統(tǒng)。尤其要關(guān)注的是必須增強(qiáng)電磁頻譜紅外頻段的捷變能力。當(dāng)代的紅外對(duì)抗系統(tǒng)大多著重于對(duì)抗近程紅外導(dǎo)彈導(dǎo)引頭，而未來的紅外對(duì)抗系統(tǒng)則必須能有效對(duì)抗在低紅外頻譜工作的遠(yuǎn)距離傳感器，特別是在新型焦平面技術(shù)和強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)處理能力提高了無源紅外傳感器的精度和探測(cè)距離的情況下。

捷變性還能夠降低敵無源傳感器對(duì)美軍有源傳感器、通信和對(duì)抗系統(tǒng)的探測(cè)概率。美國(guó)國(guó)防部正開始將那些能夠使電磁頻譜戰(zhàn)系統(tǒng)改變波束大小、形狀和方向的特性進(jìn)行綜合，如圖18所示。美軍的傳感器和通信系統(tǒng)還應(yīng)該具備改變其工作模式的能力，以阻止敵方攔截、分類和利用預(yù)定信號(hào)。如果傳感器或通信系統(tǒng)能夠?qū)⑵涔β收{(diào)節(jié)到所需的最小值，那么就能夠降低被敵方利用的風(fēng)險(xiǎn)。

圖18、空域捷變

美國(guó)國(guó)防部正在部署幾種利用了有源電掃陣列技術(shù)來增強(qiáng)其射頻敏捷性的系統(tǒng)。有源電掃陣列系統(tǒng)由可升級(jí)的陣列組成，這些陣列包含了成百數(shù)千個(gè)用計(jì)算機(jī)處理器以電子方式控制的小型收發(fā)模塊。這就使有源電掃陣列系統(tǒng)不需要使用旋轉(zhuǎn)天線就能夠進(jìn)行掃描，可形成多個(gè)大小和功率可變的波束，比老式系統(tǒng)的工作頻率范圍更廣，老式系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)限制了其在頻域、時(shí)域和空域的捷變。

有源電掃陣列系統(tǒng)已經(jīng)在F-22的APG-77雷達(dá)和F-35的APG-81雷達(dá)上使用，并將成為AN/SPY-6防空與反導(dǎo)雷達(dá)（AMDR）、EA-18G“咆哮者”的“下一代干擾機(jī)”（NJG）、改進(jìn)SLQ-32艦載電子戰(zhàn)系統(tǒng)的“水面電子戰(zhàn)改進(jìn)項(xiàng)目”（SEWIP）等新系統(tǒng)的組成部分，如圖19所示。有源電掃陣列系統(tǒng)可以足夠小且廉價(jià)，能裝載在導(dǎo)彈和小型無人機(jī)上，并且還能安裝在大型有人或無人平臺(tái)的多個(gè)位置。采用氮化鎵（GaN）放大器技術(shù)，有源電掃陣列能夠?yàn)橛性春蜔o源系統(tǒng)提供較高增益，這就帶來了更大的功率捷變性，同時(shí)提高了其無源靈敏度。如果聯(lián)網(wǎng)，這些分布式陣列作為一個(gè)整體即可在多個(gè)方向、更寬的頻率范圍發(fā)射和接收信號(hào)，同時(shí)協(xié)調(diào)其對(duì)敵輻射的響應(yīng)行動(dòng)。

圖19、“下一代干擾機(jī)”和APG-81雷達(dá)

最后，能夠在空域、頻域和時(shí)域中機(jī)動(dòng)的電磁頻譜能力將會(huì)提高美國(guó)軍用與商業(yè)用戶共享頻譜的能力。隨著新型移動(dòng)通信和感知技術(shù)在商業(yè)上的應(yīng)用，電磁頻譜正變得日益擁塞。商用帶寬不斷擴(kuò)張的需求正在逐步侵占軍方使用的電磁頻譜部分。電磁頻譜捷變將有助于商業(yè)和軍事用戶制定消除其時(shí)域和空域輻射沖突的程序和自動(dòng)化控制方案。

多功能

第二章所描述的作戰(zhàn)概念要求在未來戰(zhàn)場(chǎng)上美軍所有的平臺(tái)、有效載荷都要成為電磁頻譜戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)的一部分。要獲得所需的機(jī)動(dòng)性和地理及空間覆蓋，這對(duì)于美國(guó)國(guó)防部當(dāng)前的單一任務(wù)無線電臺(tái)、雷達(dá)和干擾機(jī)來說將是充滿挑戰(zhàn)的任務(wù)。裝備有單一任務(wù)能力的平臺(tái)需要三種以上的獨(dú)立系統(tǒng)來完成通信、無源感知和噪聲干擾任務(wù)。第二種方法是每個(gè)功能都由一個(gè)單獨(dú)的平臺(tái)來完成。推廣到整個(gè)部隊(duì)，這兩種方法都過于復(fù)雜、昂貴、且可能無法持續(xù)。

第三種方法是開發(fā)單個(gè)電磁頻譜戰(zhàn)系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)都能夠履行通信、感知、干擾、誘騙或照射目標(biāo)的功能。這就能以極低的成本提供未來部隊(duì)所需的能力。由于不同的電磁頻譜戰(zhàn)功能需要對(duì)頻率、動(dòng)態(tài)范圍、功率電平以及帶寬進(jìn)行不同的組合，因此必須采用新的技術(shù)。如圖20所示，無線電臺(tái)需要大的帶寬但不需要寬的頻率覆蓋；而雷達(dá)需要寬的頻率覆蓋，但不需要大的動(dòng)態(tài)范圍。例如，新型有源電掃陣列系統(tǒng)由于采用了寬帶發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，所以在大部分情況下能夠在射頻頻譜中同時(shí)完成多種功能。因此，無論是無線電還是雷達(dá)，裝備有源電掃陣列的武器系統(tǒng)都需要對(duì)這些特性進(jìn)行平衡。

圖20、各種電磁頻譜戰(zhàn)系統(tǒng)所需的特性

采用工作在紅外、可見光或紫外電磁頻譜波段的多功能焦平面陣列也是可行的。新型半導(dǎo)體技術(shù)使開發(fā)焦平面陣列系統(tǒng)成為可能，這些系統(tǒng)可以作為無源傳感器和通信接收機(jī)使用，能夠探測(cè)更大頻率范圍的信號(hào)。與低功率激光器或發(fā)光二極管（LED）組合，這些系統(tǒng)還能夠提供低截獲概率/低探測(cè)概率通信，并充當(dāng)多基地紅外/紫外傳感器。

除了擴(kuò)展電磁頻譜戰(zhàn)系統(tǒng)的工作特性外，美國(guó)防部還需要開發(fā)和部署通用多功能控制器。目前的處理器和信號(hào)發(fā)生器通常用于控制一個(gè)特定的單一任務(wù)系統(tǒng)，即使系統(tǒng)的陣列可以支持不同的電磁頻譜戰(zhàn)任務(wù)。沒有多功能控制器是當(dāng)前的電磁系統(tǒng)不具備多功能的主要原因。目前的工業(yè)研究項(xiàng)目和政府項(xiàng)目正在研發(fā)這些控制器，如DARPA的ReACT項(xiàng)目。

小型化

第二章中描述的作戰(zhàn)概念提出在對(duì)抗區(qū)域使用小型投擲式無人機(jī)和帶有動(dòng)力的載荷執(zhí)行多基地?zé)o源感知、低功率防區(qū)內(nèi)干擾和誘騙行動(dòng)。電磁陣列越小，大型有人和無人平臺(tái)所具備的電磁頻譜孔徑就越多，從而增大了其發(fā)射和接收范圍。如果是分布式陣列，單架無人機(jī)就可以發(fā)射一枚用紅外激光器照射目標(biāo)的導(dǎo)彈，無人機(jī)用一個(gè)陣列無源接收反射的紅外能量，同時(shí)使用定向射頻數(shù)據(jù)鏈通過另一個(gè)陣列與準(zhǔn)備攻擊被照射目標(biāo)的有人平臺(tái)進(jìn)行通信。

小型電磁陣列目前由拖曳式誘餌、“小型空射誘餌”、F-22、F-35、自衛(wèi)干擾機(jī)攜帶。這些系統(tǒng)仍然相對(duì)昂貴，系統(tǒng)及其控制裝置沒有批量生產(chǎn)，無法滿足大型電磁頻譜戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)的需求。為了充分利用敏捷的網(wǎng)絡(luò)化多功能能力帶來的機(jī)會(huì)，未來的電磁頻譜戰(zhàn)系統(tǒng)應(yīng)該比目前的系統(tǒng)小得多、便宜得多。

圖21、拖曳式誘餌和“小型空射誘餌”

自適應(yīng)

如果要充分發(fā)揮其潛力，敏捷的多功能網(wǎng)絡(luò)化電磁頻譜戰(zhàn)能力則應(yīng)該具備更強(qiáng)的自適應(yīng)能力。“自適應(yīng)”這種能力與無線電通信、干擾機(jī)、雷達(dá)或誘餌中普遍具有的自動(dòng)化功能并不相同。例如，自動(dòng)化系統(tǒng)可以在較窄的范圍內(nèi)進(jìn)行頻移，從而為無線電通信找到空閑頻譜部分，或者為誘餌找到威脅傳感器。它們還可以對(duì)威脅作出反應(yīng)，用預(yù)先計(jì)劃的對(duì)抗措施（如干擾或生成欺騙信號(hào)）來對(duì)抗已識(shí)別的敵方雷達(dá)或干擾機(jī)。數(shù)字射頻存儲(chǔ)干擾機(jī)就是新近的一個(gè)自動(dòng)化例子。然而，目前的自動(dòng)化電磁頻譜戰(zhàn)系統(tǒng)并不具備真正的自適應(yīng)能力。它們通常不能識(shí)別或?qū)共辉谄渫{庫(kù)中的新型威脅，也不能快速轉(zhuǎn)換管理不同的功能。此外，還缺乏在大頻率范圍中評(píng)估電磁頻譜探測(cè)威脅和確定電磁頻譜機(jī)會(huì)（如頻譜開放區(qū)域或敵方通信弱點(diǎn)）的能力。

發(fā)展了十多年的自適應(yīng)電磁頻譜戰(zhàn)系統(tǒng)技術(shù)目前已經(jīng)達(dá)到成熟水平，可以集成到新型電磁頻譜戰(zhàn)系統(tǒng)中。自適應(yīng)算法和硬件有時(shí)被稱為“智能的”或“認(rèn)知的”電子戰(zhàn)項(xiàng)目，已經(jīng)在美國(guó)海軍“電子戰(zhàn)戰(zhàn)斗管理”（EWBM）和國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局的“行為學(xué)習(xí)自適應(yīng)電子戰(zhàn)”（BLADE）以及幾個(gè)美國(guó)國(guó)內(nèi)企業(yè)投資進(jìn)行的項(xiàng)目中進(jìn)行了驗(yàn)證。圖22描述了這些系統(tǒng)控制自適應(yīng)電磁頻譜戰(zhàn)行動(dòng)的基本步驟。首先開發(fā)電磁頻譜環(huán)境感知，包括測(cè)量電磁環(huán)境中的信號(hào)的頻率和強(qiáng)度；確定其位置；描述其是敵是友或是未知（即使這些信號(hào)不具有任何可識(shí)別特征）；評(píng)估其工作模式。

圖22、自適應(yīng)電磁頻譜戰(zhàn)行動(dòng)周期

自適應(yīng)電磁頻譜戰(zhàn)控制系統(tǒng)將根據(jù)指揮員的意圖使用頻譜感知，以任務(wù)優(yōu)先級(jí)別清單的形式來確定采取什么行動(dòng)。與自動(dòng)化系統(tǒng)不同的是，自適應(yīng)電磁頻譜戰(zhàn)系統(tǒng)將不僅僅是產(chǎn)生對(duì)抗已識(shí)別威脅雷達(dá)的干擾信號(hào)或?qū)㈩l譜移到無競(jìng)爭(zhēng)的頻譜部分。自適應(yīng)系統(tǒng)將基于特征、位置和行為（因?yàn)樵S多威脅系統(tǒng)在戰(zhàn)時(shí)不使用其常規(guī)參數(shù)）來識(shí)別威脅，然后基于威脅在當(dāng)前本地電磁頻譜環(huán)境中探測(cè)或?qū)褂逊讲筷?duì)的可能性來確定采取什么行動(dòng)。之后，自適應(yīng)系統(tǒng)將評(píng)估敵方電磁頻譜行動(dòng)提供的感知和通信機(jī)會(huì)，使用建模和仿真工具，評(píng)估各種行動(dòng)方案（不僅抑制敵使用電磁頻譜，同時(shí)幫助己方部隊(duì)使用電磁頻譜）。自適應(yīng)電磁頻譜戰(zhàn)控制裝置將把任務(wù)引導(dǎo)到其網(wǎng)絡(luò)中的敏捷、多功能電子系統(tǒng)上，然后使用頻譜感知來評(píng)估其在電磁環(huán)境中產(chǎn)生的效果以及敵方的電磁頻譜行為。

總之，雖然轉(zhuǎn)入電磁頻譜戰(zhàn)競(jìng)爭(zhēng)第三階段所需要的技術(shù)已經(jīng)成熟或正在迅速成熟，但其部署充其量?jī)H是嘗試性的。這很大程度上是因?yàn)槊绹?guó)國(guó)防部缺乏緊迫性，沒有制定新的作戰(zhàn)概念、確定正式需求并為敏捷、網(wǎng)絡(luò)化、多功能電磁頻譜系統(tǒng)尋求投資。本報(bào)告的第四章詳述了制約美國(guó)國(guó)防部向創(chuàng)建更強(qiáng)大的電磁頻譜戰(zhàn)部隊(duì)邁進(jìn)所遇到的障礙，以及美國(guó)國(guó)防部將如何克服這些障礙。最后，解決這些前進(jìn)中的障礙需要美國(guó)防部首先認(rèn)識(shí)到未來的美國(guó)兵力投放力量將無法繼續(xù)使用高功率、非低截獲概率/低探測(cè)概率有源傳感器和對(duì)抗措施來對(duì)抗不用承擔(dān)過度反擊風(fēng)險(xiǎn)的強(qiáng)大敵人。