第三章 新的技術與能力

向電磁頻譜戰(zhàn)第三階段轉型需要美軍擴展并發(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)絡化的、捷變的、小型的、多功能的，并具有自適應能力。本章將對這些能力特性進行評估，并描述其如何幫助未來的美國兵力投送力量在低-零功率電磁頻譜戰(zhàn)模式下有效作戰(zhàn)。

網(wǎng)絡化

第二章概述的作戰(zhàn)概念要求傳感器與對抗措施之間有效聯(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、傳感器與誘餌和干擾機進行聯(lián)網(wǎng)，將有助于共享對威脅的感知，并協(xié)調其運動和輻射，以提高突防平臺的生存能力。如圖16所示，多基地雷達、無源定位、無源相干探測等技術都依賴于來自多個傳感器的輸入。

圖16、網(wǎng)絡化的電磁頻譜戰(zhàn)

網(wǎng)絡化電磁頻譜戰(zhàn)行動依賴兩個關鍵的技術要素：控制系統(tǒng)以及保密的低截獲概率/低探測概率數(shù)據(jù)鏈。前者對分布式參與方的行動進行管理和協(xié)調，后者對在對抗區(qū)域作戰(zhàn)的己方部隊和能力進行互連。美國防部和工業(yè)界正在推進幾個項目，旨在對分布式電磁頻譜戰(zhàn)系統(tǒng)進行指揮與控制，其中包括美國海軍研究辦公室的“復仇女神” （NEMESIS）定向紅外對抗項目以及聯(lián)合反無線電控制簡易爆炸裝置電子戰(zhàn)（JCREW）項目，它們可能會部署到聯(lián)合部隊。美國國防部的幾個大帶寬低截獲概率/低探測概率通信鏈路正在開發(fā)或將于近期部署，如F-35的多功能先進數(shù)據(jù)鏈（MADL）、F-22的機間數(shù)據(jù)鏈（IFDL）、E-2D的戰(zhàn)術目標瞄準網(wǎng)絡技術（TTNT）。將低截獲概率/低探測概率通信鏈路納入更廣泛的國防部部隊中，所面臨的問題并不是缺乏技術，而是缺乏聯(lián)合標準。因此，對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，同時要避免開發(fā)新的保密數(shù)據(jù)鏈，因為這樣可能會使美軍的通信協(xié)同工作能力面臨更加復雜的挑戰(zhàn)。

捷變性

美軍未來的電磁頻譜戰(zhàn)系統(tǒng)應該能夠改變頻率、波束方向、方向圖、功率電平，并能夠定時進行，這樣才能有效作戰(zhàn)、有效對抗敵方的電磁頻譜行動。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)域行動或者在當前的環(huán)境條件下更加有效，具備在敵方的無源探測系統(tǒng)周邊機動的能力。如圖17所示，整個頻譜中只有一小部分在技術上和法律上是可供美軍在和平時期使用的。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行機動，這樣就會延長敵方發(fā)現(xiàn)、干擾、誘騙或對抗它們的時間。

圖17、頻譜捷變

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

捷變性還能夠降低敵無源傳感器對美軍有源傳感器、通信和對抗系統(tǒng)的探測概率。美國國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行綜合，如圖18所示。美軍的傳感器和通信系統(tǒng)還應該具備改變其工作模式的能力，以阻止敵方攔截、分類和利用預定信號。如果傳感器或通信系統(tǒng)能夠將其功率調節(jié)到所需的最小值，那么就能夠降低被敵方利用的風險。

圖18、空域捷變

美國國防部正在部署幾種利用了有源電掃陣列技術來增強其射頻敏捷性的系統(tǒng)。有源電掃陣列系統(tǒng)由可升級的陣列組成，這些陣列包含了成百數(shù)千個用計算機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)不需要使用旋轉天線就能夠進行掃描，可形成多個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)的物理結構限制了其在頻域、時域和空域的捷變。

有源電掃陣列系統(tǒng)已經(jīng)在F-22的APG-77雷達和F-35的APG-81雷達上使用，并將成為AN/SPY-6防空與反導雷達（AMDR）、EA-18G“咆哮者”的“下一代干擾機”（NJG）、改進SLQ-32艦載電子戰(zhàn)系統(tǒng)的“水面電子戰(zhàn)改進項目”（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，能裝載在導彈和小型無人機上，并且還能安裝在大型有人或無人平臺的多個位置。采用氮化鎵（GaN）放大器技術，有源電掃陣列能夠為有源和無源系統(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整體即可在多個方向、更寬的頻率范圍發(fā)射和接收信號，同時協(xié)調其對敵輻射的響應行動。

圖19、“下一代干擾機”和APG-81雷達

最后，能夠在空域、頻域和時域中機動的電磁頻譜能力將會提高美國軍用與商業(yè)用戶共享頻譜的能力。隨著新型移動通信和感知技術在商業(yè)上的應用，電磁頻譜正變得日益擁塞。商用帶寬不斷擴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域和空域輻射沖突的程序和自動化控制方案。

多功能

第二章所描述的作戰(zhàn)概念要求在未來戰(zhàn)場上美軍所有的平臺、有效載荷都要成為電磁頻譜戰(zhàn)網(wǎng)絡的一部分。要獲得所需的機動性和地理及空間覆蓋，這對于美國國防部當前的單一任務無線電臺、雷達和干擾機來說將是充滿挑戰(zhàn)的任務。裝備有單一任務能力的平臺需要三種以上的獨立系統(tǒng)來完成通信、無源感知和噪聲干擾任務。第二種方法是每個功能都由一個單獨的平臺來完成。推廣到整個部隊，這兩種方法都過于復雜、昂貴、且可能無法持續(xù)。

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

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。新型半導體技術使開發(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使用，能夠探測更大頻率范圍的信號。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/低探測概率通信，并充當多基地紅外/紫外傳感器。

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

小型化

第二章中描述的作戰(zhàn)概念提出在對抗區(qū)域使用小型投擲式無人機和帶有動力的載荷執(zhí)行多基地無源感知、低功率防區(qū)內干擾和誘騙行動。電磁陣列越小，大型有人和無人平臺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，單架無人機就可以發(fā)射一枚用紅外激光器照射目標的導彈，無人機用一個陣列無源接收反射的紅外能量，同時使用定向射頻數(shù)據(jù)鏈通過另一個陣列與準備攻擊被照射目標的有人平臺進行通信。

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)干擾機攜帶。這些系統(tǒng)仍然相對昂貴，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)絡的需求。為了充分利用敏捷的網(wǎng)絡化多功能能力帶來的機會，未來的電磁頻譜戰(zhàn)系統(tǒng)應該比目前的系統(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

如果要充分發(fā)揮其潛力，敏捷的多功能網(wǎng)絡化電磁頻譜戰(zhàn)能力則應該具備更強的自適應能力。“自適應”這種能力與無線電通信、干擾機、雷達或誘餌中普遍具有的自動化功能并不相同。例如，自動化系統(tǒng)可以在較窄的范圍內進行頻移，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。它們還可以對威脅作出反應，用預先計劃的對抗措施（如干擾或生成欺騙信號）來對抗已識別的敵方雷達或干擾機。數(shù)字射頻存儲干擾機就是新近的一個自動化例子。然而，目前的自動化電磁頻譜戰(zhàn)系統(tǒng)并不具備真正的自適應能力。它們通常不能識別或對抗不在其威脅庫中的新型威脅，也不能快速轉換管理不同的功能。此外，還缺乏在大頻率范圍中評估電磁頻譜探測威脅和確定電磁頻譜機會（如頻譜開放區(qū)域或敵方通信弱點）的能力。

發(fā)展了十多年的自適應電磁頻譜戰(zhàn)系統(tǒng)技術目前已經(jīng)達到成熟水平，可以集成到新型電磁頻譜戰(zhàn)系統(tǒng)中。自適應算法和硬件有時被稱為“智能的”或“認知的”電子戰(zhàn)項目，已經(jīng)在美國海軍“電子戰(zhàn)戰(zhàn)斗管理”（EWBM）和國防高級研究計劃局的“行為學習自適應電子戰(zhàn)”（BLADE）以及幾個美國國內企業(yè)投資進行的項目中進行了驗證。圖22描述了這些系統(tǒng)控制自適應電磁頻譜戰(zhàn)行動的基本步驟。首先開發(fā)電磁頻譜環(huán)境感知，包括測量電磁環(huán)境中的信號的頻率和強度；確定其位置；描述其是敵是友或是未知（即使這些信號不具有任何可識別特征）；評估其工作模式。

圖22、自適應電磁頻譜戰(zhàn)行動周期

自適應電磁頻譜戰(zhàn)控制系統(tǒng)將根據(jù)指揮員的意圖使用頻譜感知，以任務優(yōu)先級別清單的形式來確定采取什么行動。與自動化系統(tǒng)不同的是，自適應電磁頻譜戰(zhàn)系統(tǒng)將不僅僅是產(chǎn)生對抗已識別威脅雷達的干擾信號或將頻譜移到無競爭的頻譜部分。自適應系統(tǒng)將基于特征、位置和行為（因為許多威脅系統(tǒng)在戰(zhàn)時不使用其常規(guī)參數(shù)）來識別威脅，然后基于威脅在當前本地電磁頻譜環(huán)境中探測或對抗友方部隊的可能性來確定采取什么行動。之后，自適應系統(tǒng)將評估敵方電磁頻譜行動提供的感知和通信機會，使用建模和仿真工具，評估各種行動方案（不僅抑制敵使用電磁頻譜，同時幫助己方部隊使用電磁頻譜）。自適應電磁頻譜戰(zhàn)控制裝置將把任務引導到其網(wǎng)絡中的敏捷、多功能電子系統(tǒng)上，然后使用頻譜感知來評估其在電磁環(huán)境中產(chǎn)生的效果以及敵方的電磁頻譜行為。

總之，雖然轉入電磁頻譜戰(zhàn)競爭第三階段所需要的技術已經(jīng)成熟或正在迅速成熟，但其部署充其量僅是嘗試性的。這很大程度上是因為美國國防部缺乏緊迫性，沒有制定新的作戰(zhàn)概念、確定正式需求并為敏捷、網(wǎng)絡化、多功能電磁頻譜系統(tǒng)尋求投資。本報告的第四章詳述了制約美國國防部向創(chuàng)建更強大的電磁頻譜戰(zhàn)部隊邁進所遇到的障礙，以及美國國防部將如何克服這些障礙。最后，解決這些前進中的障礙需要美國防部首先認識到未來的美國兵力投放力量將無法繼續(xù)使用高功率、非低截獲概率/低探測概率有源傳感器和對抗措施來對抗不用承擔過度反擊風險的強大敵人。