美军电磁频谱战略简析

doi :10.3969/j.issn.1001-893x.2021.06.020引用格式:张宁,周正廉,张祖尧.美军全球电磁频谱信息系统发展现状与趋势[J].电讯技术,2021,61(6):780-784.[ZHANG Ning,ZHOU Zhenglian,ZHANG Zuyao.Developing progress and trends of U.S.global electromagnetic spectrum information system(GEMSIS)[J].Telecommunication Engineering,2021,61(6):780-784.]美军全球电磁频谱信息系统发展现状与趋势∗张㊀宁,周正廉∗∗,张祖尧(海军指挥学院作战实验室,南京210016)摘㊀要:简要介绍了美军联合电磁频谱作战的发展沿革及项目进展,重点总结了全球电磁频谱信息系统(Global Electromagnetic Spectrum Information System ,GEMSIS )项目建设的发展现状及技术特性,结合GEMSIS 系统在美最新提出的 低-零功率 ㊁机动式㊁认知化电磁频谱战中的应用,分析了系统的未来发展趋势,以期为相关人员提供参考㊂关键词:联合电磁频谱作战;全球电磁频谱信息系统;电磁频谱管理;低-零功率开放科学(资源服务)标识码(OSID):微信扫描二维码听独家语音释文与作者在线交流享本刊专属服务中图分类号:TN915㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1001-893X (2021)06-0780-05Developing Progress and Trends of U.S.GlobalElectromagnetic Spectrum Information System (GEMSIS )ZHANG Ning,ZHOU Zhenglian,ZHANG Zuyao(Warfare Research Laboratory,Naval Command Academy,Nanjing 210016,China)Abstract :Starting with the brief introduction of the developing evolution and program progress of i-tary Joint Electromagnetic Spectrum Operation(JEMSO),this paper emphasizes on the summary of develo-ping progress and technical features of Global Electromagnetic Spectrum Information System(GEMSIS).According to the application of GEMSIS system in the low -to -no power,electronic maneuver and cognitive electromagnetic spectrum warfare proposed by U.S.,the developing trend of the system is analyzed in hope of providing reference for those concerned.Key words :joint electromagnetic spectrum operation(JEMSO);global electromagnetic spectrum informa-tion system(GEMSIS);electromagnetic spectrum management;low -to -no power0㊀引㊀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㊂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 Spec-trum 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㊂JEMSO由联合电磁频谱管控和电子战组成,旨在开发㊁攻击㊁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]㊂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㊂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㊂美军不仅构建了电磁频谱管理体㊃087㊃第61卷第6期2021年6月电讯技术Telecommunication EngineeringVol.61,No.6June,2021∗∗∗收稿日期:2020-07-03;修回日期:2020-08-06通信作者:693677822@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 ㊁机动式㊁认知化电磁频谱作战样式㊂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㊁未来信息战场与敌制胜具有重要现实意义㊂1㊀GEMSIS 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㊂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㊂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 Spec-trum 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)㊁基石(Step-stone)㊁频谱XXI(SXXI,Spectrum XXI)㊁海上电磁频谱作战项目(Afloat Electromagnetic Spectrum Opera-tions 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㊂GEMSIS 项目的具体发展进程如表1所示㊂表1㊀GEMSIS 项目发展进程阶段时间/年主要工作增量12009文件确定了包括HNSWDO 和CJSMPT 的GEMSIS 增量1阶段的标准架构2010改进增量1的网络中心性和频谱数据标准化2011确定了GEMIS 的服务架构和基础设施标准目录增量22012确定了提供初始ISD㊁以网络为中心的频谱管理能力和访问JSDR 的能力2013改进了ISD㊁增加从AESOP 访问web 服务的功能2014集成频谱分配管理工具以及来自JSDR㊁SXXI Online 和AESOP 的web 服务,实现并部署了ISD v2.0版2015改进用户界面,集成SXXIO v2.3,Stepstone v2.1及其他服务2016将E2ESS 以及其他企业服务集成到集成频谱桌面中2017继续增强ISD 功能增量32018继续SXXI Legacy㊁E2ESS㊁JSDR 的维护和版本发布2019同上2020增加了1.2千万美元预算,调整了合同,开始基础电磁和电磁频谱作战管理的研究工作,以实现有效的JEMSO㊀㊀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㊂图1㊀GEMSIS 在增量2阶段形成的能力结构框图1.1㊀频谱数据模块 JSDRJSDR 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]㊂JSDR 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㊂1.2㊀频谱规划模块 CJSMPTCJSMPT 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㊁平台及其载荷的电磁特征数据,通过分析㊃187㊃第61卷张宁,周正廉,张祖尧:美军全球电磁频谱信息系统发展现状与趋势第6期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㊂1.3㊀频率分配模块 SXXISXXI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]㊂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㊂此外,还有数据转换㊁地形数据管理㊁干扰分析㊁干扰报告㊁一致性检查㊁联合限制频率表生成等功能㊂1.4㊀干扰解决模块 JSIRO在线联合频谱干扰消除(Joint Spectrum Interfer-ence 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]㊂JSIRO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㊂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㊂1.5㊀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㊂Stepstone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㊂1.6㊀能力融合模块 ISDISD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㊂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㊂美军目前已经完成增量2的研制工作,启动了增量3阶段㊂2㊀GEMSIS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㊂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㊁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㊁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㊁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㊂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㊂电磁频谱管控几乎覆盖电磁频谱战的全流程㊁全要素㊂图2㊀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 ㊁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㊂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(Behavior-al 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㊂在未来㊃287㊃电讯技术㊀㊀㊀㊀2021年的发展计划中,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㊂3㊀GEMSIS 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㊂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㊂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㊂图3㊀GEMSIS 增量3阶段能力结构框架3.1㊀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㊁国际电磁频谱政策㊁军用与民用㊁己方军队与盟军用频设备用频协调等因素㊂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㊂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㊁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㊁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㊂3.2㊀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㊁作战地形㊁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 ㊂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&E㊁Service 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㊂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㊂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㊁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㊂3.3㊀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BLADE㊁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㊁进攻㊁防护等方面,旨在利用机器学习理解无线电信号㊂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㊂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㊂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㊂4㊀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㊂研究美军GEM-SIS 的建设思路㊁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㊂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㊃387㊃第61卷张宁,周正廉,张祖尧:美军全球电磁频谱信息系统发展现状与趋势第6期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㊂参考文献:[1]㊀Joint Chief of Staff(JCS).Joint electromagnetic spectrummanagement operations in the electromagnetic operation-al environment[R].Washington DC:JCS,2019. [2]㊀Defense Information System Agency(DISA).Departmentof defense fiscal year(FY)2021budget estimates[R].Washington DC:DISA,2020.[3]㊀Defense Information System Agency(DISA).Joint spec-trum center(JSC)overview brief[R].Washington DC:DISA,2019.[4]㊀常壮,冯书兴,孙健,等.美军电磁频谱战发展沿革与现状述评[J].航天电子对抗,2018,34(1):54-59. [5]㊀刘刚.美军战场频谱管理现状与发展[J].电讯技术,2014,54(11):1587-1592.[6]㊀Joint Chief of Staff(JCS).Joint spectrum interferenceresolution(JSIR)procedures[R].Washington DC:JCS,2013.[7]㊀王犇,徐琳.美军联合频谱管理体制及其信息系统[J].指挥信息系统与技术,2016,7(6):6-12. [8]㊀Center for Strategic and Budgetary Assessments(CSBA).Winning in thegray zone using electromagnetic warfareto regain escalation dominance[R].Washington DC:CS-BA,2017.[9]㊀DARPA公布参加频谱协同挑战赛冠军赛的最终团队[EB/OL].(2019-09-11)[2020-06-28].https:///articles/13632.作者简介:张㊀宁㊀男,1994年生于浙江金华,2018年获硕士学位,现为助教,主要研究方向为通信与信息系统㊂周正廉㊀男,1995年生于四川泸州,2018年获学士学位,现为助理工程师,主要研究方向为信息安全㊂张祖尧㊀男,1989生于湖北宜昌,2011年获学士学位,现为讲师,主要研究方向为信息安全㊂㊃487㊃电讯技术㊀㊀㊀㊀2021年。

电磁频谱的军事应用作者：李助民来源：《百科知识》2014年第10期美海军前上将托马斯·穆勒曾预言，如果发生第三次世界大战，获胜者必将是最善于控制、驾驭和运用电磁频谱的一方。

这一预言，已经在近期发生的几场局部战争中得到验证。

海湾战争中，以美国为首的多国部队实施“白雪”行动，一开始就夺取了“制电磁权”。

战争中，多国部队使用的频谱从短波、微波直到红外线、激光、可见光包含了整个电磁频谱，电子战战场异常广阔，“全时空、全时域、全领域、全频域”的特点体现得淋漓尽致。

正是由于美军实施科学有序的频谱管理，有效地避免了频谱使用的冲突，确保了通信指挥、电子侦察、雷达导航等电子系统的协调运作，占据了战争的主动权。

频谱同矿山、森林等自然资源的区别在于：它可以被人们所利用，但不会被消耗掉。

不使用它是一种浪费，但如果使用不当，同样也是一种浪费。

由于频谱不受地域、空域、时域限制，也不受行政区域、国家边界的限制，所以开发和利用这些资源国际上均有严格管理规定，任何部门、地区和个人，包括任何国家都不得随意使用无线电频谱，以避免造成相互干扰。

频谱作为国家的公共资源，除有一部分划分给军队专用外，大部分都是军民共用，所以各国都十分重视并加以珍惜和充分利用。

目前，国际范围的电磁频谱管理主要是通过建立国际组织、签订国际协议、统一划分频谱来解决。

在军事领域，举例来说，美军一个步兵师约有70部雷达、2800部电台，俄罗斯一个摩托化步兵师约有60部雷达和2040部电台，如此众多的电子设备要在整个作战空间中有条不紊地工作，没有统一的管理和协调一致的行动，其局面将不堪设想。

在伊拉克战争中，美军正是凭借完善的频谱管理机制和强大的频谱管理力量，每天处理数万个频率，确保了美英联军不同体制电子设备相互兼容，使超过1.5万部电台构成的无线电网保持正常运作，为战争的顺利取胜发挥了关键作用。

据外刊报道，海湾战争中，无线电频率管理的无线网络为7500多个高频网、1200多个甚高频网和7000个特高频网。