电磁频谱：信息化战争的“中枢神经”

2017-03-31颜慧石志申

百科知识 2017年6期

颜慧++石志申

在奇妙的物理世界中有这样一种现象：交变电流在周围空间会产生交变磁场，变化的电场和磁场相互联系，形成了交变的电磁场，并能脱离其产生的波源向远处传播。这种在空间以一定速度传播的交变电磁场就是电磁波。电磁频谱，则是由电磁波按波长或频率排列起来，所形成的一个从零至无穷的结构谱系。有时将电磁频谱技术应用简称为电磁频谱。

电磁频谱仿佛是一个披着隐形衣的魔法师，无影无踪却常常能制敌于千里之外，它的世界充满了神奇色彩和超乎想象的力量。随着电磁频谱在军事领域的广泛应用，电磁频谱渐渐从传统的保障“配角”变成未来战场上的“主角”。前美国海军上将托马斯?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。”

电磁频谱的前世今生

电磁波的发现可以追溯到19世纪末。1862年，英国物理学家麦克斯韦从理论上预言了电磁波的存在，但他本人并没有能够用实验证实。1886年，赫兹在做放电实验时，偶然发现身边的一个线圈两端发出电火花，由此推断可能与电磁波有关。后来，他制作一个十分简单而又非常有效的电磁波探测器——谐振环，就是把一根粗铜丝弯成环状，环的两端各连一个金属小球，球间距离可以调整。经过反复调整谐振环的位置和小球的间距，终于在两个小球间闪出電火花。1888年2月13日，赫兹在柏林科学院将他的实验结果公布于世，整个科技界为之震动。赫兹的实验不仅证明了电磁波的存在，也为无线电通信的产生奠定了基础，由此也开辟了电子技术的新纪元。

1901年，随着“无线电之父”马可尼跨越大西洋的无线电通信试验成功，人类进入了电磁时代，无线电通信席卷全球。1912年，巨型邮轮“泰坦尼克”号失事后，英国、美国等航海大国强制规定，超过一定吨位的船只必须加装无线电台，以保障海上航行安全。在第一次世界大战期间，所有参战的大国都使用无线电通信传递情报和命令。此后，无线电的广播、导航、遥控相继出现，给人类社会带来了巨大变化。电磁波作为信息传递的重要载体，加速了信息时代的到来。

电磁频谱就像水和太阳一样不可或缺

目前，人类唯一理想的无线信息传输媒介非电磁频谱莫属。它与土地、森林、矿藏等资源一样，既是一种稀缺的自然资源，也是决定国家发展和战争胜负的重要战略资源。电磁频谱资源对人类的影响，就像水和太阳一样不可或缺。

从理论上来说，电磁频谱是覆盖0至无穷大赫兹（Hz）的一种特殊自然资源。按照频率由低到高的顺序，包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、伽马（γ）射线。一般意义上，国际电信联盟规划的可以利用的电磁频谱范围为10kHz～400GHz（1GHz=106kHz=109Hz）。但受目前信息技术水平的限制，可供人类开发和使用的频谱只占资源总量的68%。其中，3GHz以下为最优频谱，应用趋于饱和，发展空间受限；3GHz～10GHz的好用频谱，应用更广泛，竞争更趋激烈；10GHz～60GHz的可用频谱，技术日趋成熟，抢占优先使用权的趋势更加明显；60GHz以上待开发频谱，其利用受技术和元器件的限制，亟待突破；卫星频率轨道资源的好用频率也已瓜分殆尽，“黄金导航频率”的80%已被美国和俄罗斯率先抢占。

电磁频谱具有很强的商业价值属性。英国政府在其发布的《21世纪的频谱管理》白皮书中，明确提出引入频谱定价、频谱拍卖、频谱贸易等手段，激励频谱资源的高效利用和新技术的研发。据不完全统计，1995～2011年，美、英、德、法、韩等国为发展第三代、第四代移动通信网络，所拍卖的频谱价值共计约1300亿美元。同时，有研究采用（柯布-道格拉斯生产函数）实证分析方法，通过对我国1999～2005年的数据进行分析后，测算出频谱投入对我国GDP增长率的贡献高达6.3%，频谱资源投入对经济增长的贡献率则达到4.61%，已经超过人力资本对经济增长的贡献率。

电磁频谱具有“三域”分割的特性。目前，除了航空无线电导航、遇险搜救、射电天文等业务用频属于“专属专用”的保障方式外，其他约90%以上的频段都由多种无线电业务共用，之所以能够共用，主要由于电磁频谱具有空间域、时间域、频率域的三维特性。当多种用频武器装备密集部署时，电磁波在空域上纵横交错、时域上动态变化、频域上密集交错，“三域”重叠问题就很难避免，容易导致用频装备电磁通道“撞车打架”，产生自扰、互扰，也容易受到干扰。但三域中只要有一域区分好，用频武器装备之间也就不会相互干扰。可以通过区分使用时段的方法，制定频谱管制计划，从时域层面避免干扰；可以通过拉开间隔距离的方法，制定部队（装备）的部署计划，从空域层面避免干扰；可以通过划分、规划、分配和指配频率的方法，制定用频方案，从频域层面避免干扰。

成也电磁频谱，败也电磁频谱

尽管电磁波在19世纪末才被发现，但是它很快在世界大战的战场上初试锋芒。1935年1月，英国国家物理实验室无线电研究室主任罗伯特?沃森瓦特受英军委托研究利用电磁波探测空中飞机装置，最后他成功研制出对空警戒雷达的试验装置。1938年，英军利用沃森瓦特设计的雷达组建了世界上最早的防空雷达警网。到第二次世界大战爆发时，英国已在东海岸建立了一个由20个地面雷达站组成的“本土链”雷达网。1940年夏天，在抗击纳粹德国大规模空袭“不列颠战役”中，英国正是依靠使用短波频段的“本土链”雷达赢得了20分钟宝贵的空袭预警时间，以约900架战机击溃了德国2600架战机的疯狂进攻。

在1991年的海湾战争中，美军对于电磁频谱的依赖表现得更为明显。战争初期，伊拉克拥有先进的“卡里”防空系统， 700多架战机、7000多门高炮和1.6万枚低空导弹严阵以待。针对伊军的军事特点，美军电磁兼容分析中心立即提供了多国部队用于频率指配的数据库、海湾地区电磁环境资料等，并专门抽调专家到一线，组成多国部队的频谱管理机构，实施及时有效的频谱管理和无线电管制，从而为多国部队协同作战提供了可靠的保证。而伊拉克在多国部队的电磁干扰和精确制导武器打击下，无线电通信中断、雷达迷盲、武器装备性能难以正常发挥，其军队失去指挥并被分割，处处被动挨打。

随着技术的飞跃发展，电磁频谱日益成为战场上的“急先锋”。2011年5月，美军击杀本?拉登的“海王星之矛”行动就是电磁频谱支撑现代作战的一个经典例证。此次行动，由美军阿富汗贾拉拉巴德的联合行动中心，通过卫星通信指挥海豹突击队实施。在距白宫万里之遥的巴基斯坦阿伯塔巴德，无人机将突击队的行动过程视频通过卫星通信系统回传白宫战情室、五角大楼指挥中心和联合行动中心。海豹第6小队队长利用超短波单兵电台现场指挥，最终达成作战目的。需要说明的是，每个海豹突击队员的通信装备是“陆地勇士”单兵系统，使用甚高频、特高频频段，可与特战空勤团、联合行动中心之间进行作战协同和情报共享，其他武器系统加装热成像仪、数字摄像机、激光测距瞄准器等用频设备，其工作频段已突破无线电频谱的上限，支持自动解算弹道、自动填装灵敏弹药、自动跟踪瞄准，进而可选择动能杀伤或凌空爆破杀伤等打击手段。在整个行动中，通过运用电磁频谱，海豹突击队仅用时40分钟，就成功猎杀世界恐怖头目本?拉登。

2011年12月4日，伊朗向全世界宣布其捕获了一架美国“哨兵”无人侦察机，并通过实物展示证实了这一新闻。一时间，世界舆论哗然，人们纷纷猜测这样先进的隐形无人侦察机，怎么会被伊朗“手到擒来”。随后有外媒披露，“哨兵”之所以会被捕获，是因为伊方利用GPS漏洞重构了这架无人机的坐标，并发出欺骗性指令，控制其改變飞行航线并着陆，从而被其轻松捕获。有专家指出，美伊电磁交锋这一典型战例，不仅凸显出电磁频谱空间无形较量分外激烈，更表明电磁频谱对抗在现代信息化战争中举足轻重。

电磁频谱除了在战场上让人津津乐道的优异表现，也有因管理不善而“自摆乌龙”的“囧事”。1914年，美国海军大西洋舰队首次在战争状态下试验无线电通信设备，结果附近友邻舰艇发射机产生的强烈火花干扰中断了所有无线电通信，参加者不得不做出时间分配计划，分配2小时给美国对国内进行无线电发射，其他4个国家各1小时。这样，设在华盛顿的总部要间隔4小时才能与它在战场上的武装力量联络一次。

1967年7月，美军“福莱斯特”号航母在执行某次军事任务时，舰载F-4“幽灵”式战机受到该舰雷达波束照射干扰，飞机上悬挂的空地火箭弹被意外点火发射，击中舰上一架A-4“天鹰”式攻击机的副油箱，导致一系列爆炸，最终造成134人丧生、64人重伤、27架飞机损毁的后果。如此惨烈的“非战斗减员”，罪魁祸首竟是一束电磁波！

1982年的英阿马岛海战中，当时号称英国海战利器和舰队荣誉象征的“谢菲尔德”号巡洋舰由于没有很好地解决卫星通信系统和雷达系统的频率使用问题，以至于两个系统不能同时工作，一个系统工作时，另一个系统则必须关机。战斗中，该舰与指挥所进行卫星通信，雷达系统关机，因此没能及时发现来袭的阿根廷战机，最终被“超级军旗”飞机发射的“飞鱼”导弹击中，舰毁人亡。

数次惨痛的教训让西方军事强国认识到了电磁频谱管理的重要性。有人这样比喻：电磁空间是公路，武器装备就是行驶于其中的车辆，而电磁频谱管理就相当于交通规则。据统计，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、2040部电台，保证如此多的电子装备有条不紊地工作，需要强大的频谱管理力量和机制。经过几次局部战争的洗礼，目前美军从统帅部到野战师，都设有专门的频谱管理机构，从国防部、联合参谋部到各军兵种，都建立了一整套完整的联合战役频谱管理体系，形成了成熟的管理机制。例如，在海湾战争开始前，美军首先投入的由100人组成的先遣队中，就有3人是电磁频谱管控人员，可见美军对于电磁频谱管理的重视程度。

电磁频谱战——没有硝烟的战场

传统海空优势的发挥是建立在电磁优势的基础上，失去制电磁权，必将失去制空权、制海权。因此，电磁空间已成为与空间、地面和海洋并存的第四维战场。21世纪掌握制电磁权与19世纪掌握制海权、20世纪掌握制空权一样具有决定意义，因此信息化战争中频谱甚至比子弹更重要。可以说，未来信息化作战，谁赢得了制电磁权，谁就掌握了战场主动权。

面对世界范围内电磁频谱竞争的不断升级，美军先后出台了《联合频谱构想》《国防部频谱战略规划》以及《“频谱战”战略》等顶层指导文件，并采取避开拥挤频段、开发高端频谱等方式，研发微波、激光、电磁脉冲等武器装备，积极抢占频谱资源。据报道，位于美国俄亥俄州怀特-帕特森空军基地的美国空军研究实验室，正在加紧进行有关频谱战的3个项目的研究。美国海军官方网站的消息称，美国海军正在建立信息优势部队，作战重点放在电磁频谱领域。美国陆军则一边裁军一边将移动信息网络和空地无人平台作为未来部队战斗力的重要增长点。其电子战部门负责人称，无人机的真正较量不是发生在空中，而是在电磁频谱空间。

在美国正致力于推行的“亚洲再平衡”战略中，已把中国视为与之争夺远东地区频谱战主导权的有力潜在对手。美国国际评估和战略中心的高级研究员理查德·费舍尔在接受美国《连线》杂志的采访时说：“我们现在痛苦地意识到，他们（中国）的战机所携带的干扰系统可能具有让空对空导弹失灵的能力。”

意识到中国电磁频谱攻击会带来的严重威胁，美国空军已加紧步骤训练飞行员在没有GPS和雷达协助、甚至连无线电通讯也失效的情况下，驾驶飞机作战的能力。同时，美国海军也在测试一种能让无人机在受到电磁频谱攻击后迅速与GPS卫星重建联系的天线。

有专家分析，如果中国打赢了频谱战，就不仅是美国空军，连美国地面部队也会遭受重创。因为美国国会已要求，美军三分之二的地面战车在2025年以前实现无人化控制，这些机器人战车被认为是在环太平洋地区实施登陆突击作战的理想武器。但如空中的无人机一样，地面无人战车在没有任何人类的引导以及稳定的导航数据的支撑下，将无法执行作战任务。如果中国电磁频谱武器实施的干扰压垮了它们的导航系统，这些刚刚冲上海滩的机器人战车便会瘫痪。美国陆军计划推出具有友好可视化界面的软件，可以实时反映战地电磁频谱战状态。这样，士兵们能够迅速指出哪些地点是安全的，处于美军控制下，哪些区域则很容易受到对手的电子攻击。

在未来的信息化战场上，电磁频谱将成为战场上的“中枢神经”。网络电磁空间以自然存在的电磁能为承载体，以人造网络为平台，以信息控制为手段，通过信息传输充斥于陆海空天实体空间，并依托电磁指令传递无形信息，来控制联合作战体系高效运行。因此，信息化战争欲谋制信息权，必先谋制电磁权。

信息化战争是体系与体系的对抗。为此，设置“战场迷雾”，使战场对己方“单向透明”，使对手“信息制盲”，成为破敌作战体系重要的战争形式。电磁频谱管理以探测、监测为手段感知电磁作战空间，成为料敌如神的“慧眼”，使电磁空间对己方“透明”，进而夺取战争制电磁权和制信息权。反之，如不能感知电磁空间，作战体系就将成为“聋子”和“瞎子”，只能被动挨打而无反击之力。

信息化战争中形成体系作战能力的关键，是各作战要素必须能够融合相辅、整体共生。然而，各作战要素往往分属不同领域不同部门，难以兼顾各方需求，电磁频谱管理正是以电磁检测为手段，对己方用频设备和系统可进行电磁兼容性分析，避免相互干扰抵消，从而确保形成体系作战能力。在英阿马岛海战中，英军没有很好地解决电磁频率使用问题，结果导致舰毁人亡。可见，用频设备并不是越多越强大，如果不能电磁兼容，甚至会相互抵消作战性能。

基于信息系统的体系作战能力，核心是把各种作战要素集成为整体作战能力，以频谱识别、频率分配等为手段，盘活体系传输网络。在伊拉克战争中，美军正是凭借强大的电磁频谱管理能力，确保了美英联军不同体制电子设备的相互兼容，使近2万部电台构成的无线电网络正常使用，为赢得战场优势发挥了重要作用。

进入21世纪，世界各军事强国对电磁频谱管理一直是高度重视，并相继制定出战略规划指导发展。法国、德国和荷兰先后发布了电磁频谱管理发展战略规划，以确保国家电磁空间安全运行，并努力成为电磁空间领域第一梯队的国家。美俄更是雄心勃勃，欲力拔头筹。