面向联合作战的天基智能频谱管控技术研究

张 旭，刘 攀，惠腾飞,3，李加洪，李雄飞,3

1.西安空间无线电技术研究所,西安 710100

2.空间微波技术重点实验室,西安 710100

3.西安电子科技大学,西安 710071

电磁频谱资源存在于现代作战的全空间，同时也贯穿于作战的全过程，是一种无形却十分关键的战斗力.对一个国家及其军队来说，军事电磁频谱，尤其是卫星通信频谱的高效利用对获得信息化战争的主动权、电磁控制权具有十分重要的意义.但电磁频谱也是一把双刃剑.当己方装备大量密集部署时，由于装备的自主性不足，一旦各装备不对用频加以合理限制就会加剧战场的电磁频谱资源冲突，使得装备之间产生自扰和互扰[1].

传统战场电磁频谱资源管理技术主要是通过预先的规划来分配频谱的使用权，由指挥中心的指挥人员负责控制频率的分配更换，以此来避免作战单元间的用频冲突.然而，这样的频谱资源分配方式难以满足未来战争强对抗作战下对频谱分配实时性和动态性的要求.在强动态博弈过程中，难以获得完整的全局状态信息，容易导致地面网控中心控制失效，致使传统集中频谱规划、管控方案无法确保己方设备用频效能正常发挥.同时，未来战争中用频设备功能只会更加集成，部署更加密集.设备类型的丰富化与作战任务的多样化还将导致用频动作乃至用频目标都呈现高度动态化和复杂化.因此传统地面静态的、集中式频谱管理模式已不能适应现代和未来军事战争的需要[2].

目前国际对于智能电磁频谱管控方法的研究尚处于起步阶段，且以地面处理为主，现有天基信息管控能力并未充分发挥.在实际战场应用时面临着态势信息获取难、指挥信息传输难、武器装备协同难等一系列作战问题.而这些问题的源头就是未能做到对电磁频谱资源进行合理的分配与高效的利用.综上，随着武器装备信息化程度的不断提高，传统频谱管控手段日益面临效能挑战，亟需利用卫星广域覆盖、波束指向灵活的优势，解决地面独立管控方案受地形条件及监管范围限制的问题，对装备用频进行合理调度与规划，有效保障联合作战场景下多领域、全维度信息对抗的有效性和顽存性[3].

现阶段用频管理主要在战前对频谱进行静态划分，提前规划各设备的工作频点、带宽和功率等指标，虽然减少了设备间的冲突，但也带来了资源的空置浪费，还限制了设备的性能发挥，在面临强对抗下的突发干扰时难以灵活应对.同时，未来战争中的用频设备将会向功能集成化、体积小型化、部署密集化和目标复杂化发展.传统固定频段正变得愈发拥挤，继续依靠静态分配手段势必导致内部用频冲突加剧.面向未来强博弈密集联合作战场景的天基智能频谱管理技术，有必要以传统方案为基石，进一步向智能化发展.具体表现为由地面独立走向星地联合、由静态分配走向实时交互、由固定方案走向因地制宜和由集中决策走向智能协同[4].

在星地协同方面，在强敌拒止及恶劣信息交互条件下，我方地基通信能力严重受限，导致用频调度与实际作战需求脱节，相关决策信息支持完全失效，严重影响装备正常工作的问题.需要突破天基频谱管控技术，构建星地联合分布式协同决策架构，赋予卫星平台“独立思考”的能力，有效提升复杂作战环境的自适应能力，同时辅助配合地面平台，增强我军联合集群在强博弈对抗环境下的作战效能.

在智能决策方面，联合作战条件下各用频平台搭载不同设备，组成结构呈现异构化特性，但其频谱管控均以达成作战任务效能为最终目标[5].在此情势下，构建基于多项优化约束的决策目标函数，并结合用频需求与冲突分析进行智能求解，使平台间的频谱管控跳出局部“贪婪式思维”，从全局而不是局部的角度进行决策优化.通过星地平台间的协同合作，实现体系层面作战效能及用频公平性的最优权衡和整体提升[6].

综上，面向联合作战的天基智能频谱管控技术不仅能够赋予卫星独立自主的决策能力，更能基于信息交互实现星地智能协同调度，最终保障我军装备在复杂电磁对抗环境下用频决策的动态化、个体用频的公平化和频谱效能的最大化.

随着太空的开发利用以及武器装备智能化水平的不断提高，电子对抗在作战中占据主要地位，持续推动信息化战争向更高阶段发展.未来联合作战面临电磁环境复杂极变、电磁波形自主适变、敌对威胁智能多变等强对抗威胁[7]，主要表现为

(1)民用业务爆发增长，社会电磁环境复杂

伴随着交通、通信、电力、居民区等广泛民用设施的爆发式增长，各种无线通信模式不断应用，一方面占用了大量的频谱资源，加剧了有限频谱资源的拥挤.另一方面，民用电子设备的无意电磁辐射和恶意非法盗用情况频发，导致战场社会层面电磁环境复杂，信道中多种信息的彼此干扰极大降低了作战用频的可靠性和有效性[8]，如图1所示.

图1 联合作战智能协同用频应用需求Fig.1 Frequency requirements on intelligent coordinated joint operation

(2)作战装备体量庞杂，战场用频冲突加剧

除复杂社会电磁环境外，战场上新体制雷达、未知信号、复杂波形层出不穷，加之无人平台的大量涌入，海量作战装备、作战系统拥挤在狭窄的战场使得电磁信号急速增容，密集的用频设备间互扰严重，直接造成战场频谱拥堵、数据洪荒、电磁作战环境日趋繁复，直接导致战斗人员和装备信息传输中断、差错频发、作战实用性急剧下降.

(3)联合作战加速演进，用频效能亟待提升

未来联合作战不仅地面需具备信息化、高机动化的作战能力，还必须与空间战场有机结合，实现真正意义的联合作战.在此情势下，亟需充分利用空、天、地等多维电磁资源，克服复杂地理和电磁环境的不利影响，实现多域参战实体在信息、智能和火力上的全方位联合，从而极大提升多军兵种联合作战的生存能力和协同效能.

(4)电磁攻防对抗激烈，作战安全威胁严峻

随着信息网络和人工智能的快速发展，现有干扰设备作用于陆海空天电多维空间领域，对抗能力越来越强.天基电子干扰设备已有290多种型号，干扰距离数千千米，频率范围0.5～40 GHz，脉冲峰值功率可达兆瓦级以上.对抗设备智能化、隐形化、灵巧化水平的不断提升，使得我军面临着实战生存和任务自适应能力的严峻挑战，无线频谱作为天、地基战场的基础资源与重要媒介，已成为作战双方争夺的制高点.

在横贯陆海空天等全域的强对抗作战大背景下，各作战要素的协同能力显得尤为重要.电磁频谱作为连接各物理作战域的纽带，武器装备的自主用频能力将直接影响部队的作战效能.当前，世界军事强国为实现高效协同的整体电磁作战能力，已经展开了多个智能用频系统的研究[9]，如表1所示.

表1 各军事强国智能频谱管控能力Tab.1 Intelligent spectrum management capabilities of military powers

3.1 美国典型系统

2006年1月23日，美联合需求监督委员会批准了全球电磁频谱信息系统(GEMSIS)初始能力文件.在战术频谱协调方面，GEMSIS向智能化方向发展，将机器学习、人工智能等领域的最新进展与软件无线电相结合，集成智能频谱管理能力.在用频策略方面，GEMSIS具备利用频谱资源数据库及相关知识进行深度学习的电磁干扰消除能力和电磁进攻能力，形成电磁频谱对抗能力支撑[10]，如图2所示.

图2 GEMSIS系统增量3能力结构Fig.2 Architecture of GEMSIS system increment 3

2013年美国向雷声公司授出一份价值9790万美元的合同，用以持续开发电子战规划与管理工具(EWPMT).该装备具有规划、管理和控制电磁频谱中传感器和系统的能力，能够在拥挤的信号环境中提供重要频谱态势信息，同时支持用户自由添加新功能和算法，以便管理日益复杂的电磁频谱.其开放式体系结构可以与其他军事部门共享，并在多域作战中有效执行网络行动[11]，如图3所示.

图3 EWPMT系统可视界面Fig.3 Visual interface of EWPMT system

3.2 俄罗斯典型系统

俄罗斯(含苏联)作为国际上最早投入军事电磁频谱管控及电子攻防系统建设的国家之一，历经二战、海湾战争及叙利亚战场的不断演练，实现了以“集中指挥、分段行动、协同作战”为核心的电子战体系.“无线电电子技术”康采恩(KRET)及“俄罗斯电子”控股公司集合了多家知名科研院所及厂商，联合构建了俄电子战部队从情报获取到自主分析到用频管控再到电磁压制的全方位作战能力，同时积极采用人工智能技术，实现各类电子战装备秒级体系化配置响应，确保侦查和制导武器在内的450种用频装备的全维覆盖和协同运转，实现优于40%的作战效能提升[12]，如图4所示.

图4俄罗斯电子战管理体系Fig.4 Electronic warfare management system of Russia

目前，俄罗斯已有大量电子战系统服役.其中小型系统例如克拉苏哈可用于干扰和压制敌方空中目标，能同时跟踪多达80个空中辐射源并控制6种不同类型的干扰机，主要用于针对北约国家防空预警体系.采用的频谱决策技术对各类电子干扰设备进行联合管控，在避免设备自扰的同时实现对敌方目标的自主探测、锁定和压制攻击.更大型的系统如鲍里索格列布斯克-2综合体，主要用于对抗无线电通信(包括卫星通信)和导航系统.包括一个移动指挥控制站以及8辆电子战车，整个系统可通过集中式用频决策技术完全自主运行，各电子战车共同将相关数据传输到指挥分析站，并依据当前态势信息，自动控制干扰机的用频工作方式，使其可协同干扰多达30个电磁信号源[13].

4.1 战场环境

战场环境是战场及其周围对作战效果有影响的各种因素和条件的统称[14].信息化战场的基本要素包括自然、电磁、军事以及其他环境，涉及作战纵深、正面和立体区域等方面，其中联合作战战场自然环境包括地形、地质、水文、气象、天候、植被等自然要素；
军事环境涵盖作战人员的数量、作战装备的质量、直接或间接服务于战场作战的设施及其分布状态[15]；
电磁环境涵盖自然电磁环境和人为电磁环境等.对信息化战场环境的分析，是实施用频场景构建及任务规划的基础和前提[16]，如图5所示.

图5 联合作战环境要素及其分类Fig.5 Factors and classifications of joint operation environment

面向信息化战场的电磁对抗具有主动进攻性、灵活性、预见性等特点.从干扰攻击的地理位置可分为地基、空基、天基干扰；
从技术特点可分为全盲、半盲、灵巧以及新近发展起来的认知电子战和认知干扰.

4.2 用频装备

随着信息化武器装备的运用，联合作战范围不断扩大，形成了与太空、信息系统支援下的多维一体化战场.作战对抗不仅注重使用兵力、火力等传统手段从物理空间上打击，也注重综合运用电子、网络、心理等手段从信息、认知空间展开，形成多领域、多维度交叉融合的整体对抗.呈现出作战装备种类繁多、数量巨大，且信息化、智能化、无人化水平不断提升的特点.联合作战用频装备主要涵盖空、天、地等多维空间力量，地面参战力量及武器装备涵盖我军基础兵种，包括坦克、步兵、工兵、炮兵等，同时考虑与天基信息系统、陆航大队、电子对抗部队等联系.因此综合考虑联合作战应用场景，其用频装备按照作战空间划分包括以下3类[17]，如表2所示.

表2 联合作战用频装备Tab.2 Equipments in joint operation

随着各种新型通信、导航、雷达、无人装备的大量应用，多种电磁信号密集交叠，战场空间的电磁环境变得非常复杂，电磁信号在频域、时域、空域拥堵严重，严重妨碍信息系统和电子设备正常工作.联合作战装备用频管理贯穿于作战的全过程，如何利用有限的频谱资源进行用频统筹规划是亟需解决的问题，对战役胜负起着重要的作用.天基智能协同用频技术相较于传统地面独立管控方案具有广域覆盖、指向灵活且任务适用性强等特点，在多兵种联合作战的密集用频保障领域具有巨大优势和应用前景，是未来军用卫星在轨自主运行的必然需求[18].

面向大地域、高机动、强对抗环境下的频谱管控需求，开展基于星地协同的分布式智能用频决策总体方案设计，深入分析联合作战场景下自然辐射、同频互扰以及电磁攻击等常态化威胁的作用机理，进行典型应用场景构建及需求分析，结合态势感知、智能学习与动态管控，完成天基智能协同用频决策方案设计，确保从传感器到武器的实时无冲突频谱接入，实现有条不紊的作战指挥与打击[19].

5.1 系统构成

现阶段，面向联合作战的自主频谱管控受限于天基处理能力，主要采用“地主天辅”的体系架构，空间段仅通过搭载各类传感器的方式，实现作战态势信息采集功能，实际用频决策及管控仍依赖于地面设备.随着载荷装备智能化、集成化水平的不断提升，未来构建集环境交互、智能决策以及快速调度于一体的天基智能频谱管控体系，具有极大的实战应用潜能.

复杂电磁环境下天基智能协同用频总体方案主要涵盖作战态势感知、用频数据库构建、智能分析决策、用频管理执行以及频谱效能评估5个功能单元，同时具备协同地面作战指控系统进行量化评估处理，有效支持方案的可持续完善及优化，以适应快速发展变化的对抗手段和实战.所构建的星地协同智能用频处理总体架构如图6所示.

图6 星地协同智能频谱管控系统架构Fig.6 Architecture of satellite-ground coordinated intelligent spectrum management system

5.2 主要功能

面向任务的天基智能用频管理通过对各装备的用频动作进行规划，采用正交或共享的手段合理控制设备的开关、频点选择和功率设置等时、频、空、功率域用频动作，降低装备间互扰和自扰的影响，同时支持面向敌方干扰的动态用频策略调整，减轻强对抗作战下，地面设备与管控中心断联造成的用频决策失效问题.充分利用空间段信息支援与决策，保障联合作战任务执行期间装备用频的协同配合[20]，如图7所示.

(1)作战态势感知

战场态势感知是制定频谱管理计划的前提，感知精度直接影响到频谱管理计划制定的合理程度.天基智能协同用频方案通过全空域、全频域、全天候感知处理体系构建，持续更新资源库，准确把握战场电磁环境的变化规律，感知内容主要包含战场自然环境、电磁环境和军事环境3方面.其中电磁战场感知是指联合作战区域和影响区域中的背景环境信息的获取，包括敌军、友邻力量，以及在该范围内的其他国家和地区的战场电磁信息[21].

图7 联合作战用频管控处理示意图Fig.7 Frequency application and control diagram in joint operation

(2)用频数据库构建

联合作战用频数据库是天基分析作战态势、实施频谱管控、制定用频计划以及部署用频装备的基础，支持持续更新以维持数据库信息与外部环境的实时同步.其基本信息构成如图8所示[22]：

图8 联合作战用频数据库基本信息构成Fig.8 Elements in frequency application database of joint operation

①自然环境数据库：包括用于绘制战场电子地图的地理环境信息，以及进行电磁波传输特性预测的气象环境信息；

②电磁环境数据库：由频谱状态信息、干扰态势信息以及电磁兼容信息构成；

③军事环境数据库：涵盖用频装备信息，包含战区内各种通信、导航、雷达和电子战等设备的型号、体制、参数及组网等数据；
频谱资源信息，包含战区频率范围、保护频率、业务划分等情况；
态势情报信息提供用频政策法规及作战方案等辅助决策信息.

(3)智能分析决策

基于作战态势感知所获得电磁特征信息、频谱资源状态、不同装备的用频需求及优先等级，构建分布式、智能化用频决策处理体系，实现全域作战装备的动态频谱管控及调度，频谱资源管控内容涵盖频率调配、用频间隔、占用时间、禁用频段等项目，充分利用有限的频谱资源，在确保己方频谱高效有序管理的同时，最大限度地提升对敌方用频的限制和扰乱程度[23].

①优化目标构建

s.t.

(1)

此外，为确保大规模联合作战场景中重要指控信息的优先传输，智能分析决策单元需要进行面向任务驱动的用频行为规划及优先级判定.以保障战略性、全局性业务用频优先权为调配准则，重点参考作战布局和指挥员意图，根据决定战局胜负的关联程度划分任务等级，级别越高的作战单元用频优先级越高[26].例如，为武器制导及指挥通信等重点作战任务分配最高级权重，其次是侦察预警和环境监测业务，最次是电子对抗装备，并采取正交或共享的手段实现电磁资源的合理复用[27].

②智能协同决策

在联合作战场景下，智能决策单元根据当前作战任务需求建立式(1)优化目标函数及待解析模型.并在此基础上，以多智能体强化学习技术为蓝本构建神经网络训练框架，进行算法族求解.例如，以雷达、通信和干扰能力作为综合优化目标的某作战平台，可以首先基于雷达的单目标优化问题构建模型族；
其次，选用合适的优化方法将模型族展开成神经网络，并可以将通信和干扰能力设定为反馈值reward，即reward=κ1×ηcom+κ2×ηinterf；
然后，通过不断地训练和试错产生网络参数κ，最终利用训练好的网络，指导设备用频决策向准确有效的方向收敛.采用强化学习方法的优点在于不需要事先提供标签数据，所有训练数据均产生于智能决策单元与环境的交互过程.当环境中具有多个智能体时，各管控单元可以利用自身对电磁环境的观测信息，以及与其他智能管控单元的交互信息进行协同训练，处理实现流程如图9所示.

图9 智能协同用频决策处理流程图Fig.9 Flow chart of coordinated intelligent decision-making process for frequency usage

所提出的智能协同用频决策方案运用多智能体强化学习训练框架，使各决策单元与复杂联合作战环境不断交互，具有良好的泛化能力和与环境的交互能力，能够实现由个体用频行为向集体频管任务目标方向的智能优化，适用于星地联合的分布式频谱管控场景.

(4)用频管控执行

面向联合作战用频需求，遵循“统一部署、分级管理”的原则构建星主地辅的主从分布式管控执行架构.地面同层管控中心间可直接交互、自主协调，并服从天基管控中心的统一管理，从而减少管控信息的传递层级和时间，有效提升决策执行速度，如图10所示.

图10 星地协同智能频谱管控执行架构Fig.10 Execution architecture of satellite-ground coordinated intelligent spectrum management

星地频管中心根据用频决策方案实施频谱管控处理响应，完成专用频率指配、电磁攻击避让、用频冲突消除、干扰协调和查处等任务，实现频率的统一指配和动态调整，在有限的作战空间资源下使得各系统装备间互不干扰且能有效干扰敌方，保障各用频装备在密集的电磁环境下充分发挥整体作战效能.地面管控中心负责各自区域内的监测站及用频装备，但在紧急情况下，如某一频管中心被毁或受到严重威胁，同级其他频管中心可进行远程控制.

(5)频谱效能评估

面向复杂电磁环境下星地联合频谱管控功能及性能评价需求，从多维域及多层次角度出发构建用频效能综合评估体系，按照全面性、客观性、可测性和通用性原则，基于感知能力、综合决策、管控执行等关键性能建立综合评估量化方案，实现关键技术和应用模式验证，明确星地协同用频方案的实战应用能力及可行性，并将效能评估信息反馈给智能分析决策单元，有效指导系统性能优化和能力提升，保障天基智能频谱管控方案的可持续完善[28].

随着系统攻防和电子对抗的持续升级，联合作战装备数量众多，功能各异，面临的电磁威胁具有样式多、功率强且动态变化的特点，需要根据实际作战任务的需求及特征探索智能频谱调度决策方案.所提出的天基智能频谱管控方案通过构建基于多项优化约束的决策目标函数，并进行全域频谱共享最优方案求解，能够有效解决目前复杂地理环境下，海量多元装备联合作战用频互扰严重、冲突频发的问题.同时针对强拒止对抗条件下，作战装备面临精准且强烈的电磁干扰，传统地面集中式管控难以获取精准的全局态势信息，导致用频决策能力削弱甚至失效的问题，提出星地联合智能协同频谱管控方案.充分利用天基处理覆盖范围广、机动灵活且安全防护能力强的特点，有效弥补地面态势信息缺失对装备用频时效性和准确性的影响.通过对频率资源的有效管理，保障装备能够持续发挥应有的作战效能，为作战任务的顺利达成保驾护航.

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