美軍全球電磁頻譜信息系統發展現狀與趨勢 *

張 寧，周正廉 ，張祖堯

(海軍指揮學院 作戰實驗室，南京210016)

0 引 言

隨著依賴電磁頻譜的復雜系統的便攜性和功能性不斷提高，軍事行動面向的電磁頻譜環境在未來將變得更加復雜。為使軍事力量能夠更好地使用電磁頻譜，2013年，美軍參謀長聯席會議手冊中首次提出聯合電磁頻譜作戰(Joint Electromagnetic Spectrum Operation,JEMSO)概念，并在2016年的美軍聯合作戰條令中對其進行了全方位的規范。JEMSO由聯合電磁頻譜管控和電子戰組成，旨在開發、攻擊、保護和管理電磁作戰環境內的頻譜資源，解決電磁干擾(Electromagnetic Interference,EMI)，以實現作戰指揮官的目標[1]。

聯合電磁頻譜作戰行動中必然面臨復雜的電磁頻譜規劃與使用情況。經過近些年從裝備技術到作戰理論的深入探索，美軍已逐步健全了電磁頻譜管理的軟硬件條件。美軍不僅構建了電磁頻譜管理體系，設立相應職能部門，還持續深化全球電磁頻譜信息系統(Global Electromagnetic Spectrum Information System,GEMSIS)建設以實現高效自動的頻譜管理，并在此基礎上實施“低-零功率”、機動式、認知化電磁頻譜作戰樣式。研究和剖析美軍GEMSIS系統的技術特性與建設思路，對當前電磁頻譜管理系統建設與電磁頻譜作戰發展、未來信息戰場與敵制勝具有重要現實意義。

1 GEMSIS發展現狀

2006年1月23日，美聯合需求監督委員會批準了GEMSIS初始能力文件，并于2009年啟動開發。這是美軍為實現以網絡為中心的電磁頻譜管控戰略而打造的聯合頻譜管理系統，旨在使電磁頻譜策略由預先計劃和靜態分配轉變為自主和自適應的模式。

由美國防部信息系統局(Defense Information System Agency,DISA)歷年財報中梳理的項目開發進程可知[2]，GEMSIS項目開發共分為三個增量階段：增量1階段確定了服務架構和基礎設施標準，并接入了一體化聯合頻譜管理規劃工具(Coalition Joint Spectrum Management Planning Tool,CJSMPT)和東道國頻譜全球數據庫在線(Host Nation Spectrum Worldwide Database Online,HNSWDO)；增量2階段完成了依托于全球信息柵格，基于網絡中心和Web服務的頻譜管理工具，集成了聯合頻譜數據倉庫(Joint Spectrum Data Repository,JSDR)、基石(Stepstone)、頻譜XXI(SXXI,Spectrum XXI)、海上電磁頻譜作戰項目(Afloat Electromagnetic Spectrum Operations Program,AESOP)等服務，實現集成頻譜桌面(Integrated Spectrum Desktop,ISD)并部署升級了2.0版本；增量3階段的主要工作則是在前兩個階段的基礎上進行維護和升級，實現與同盟伙伴的信息交互合作，完善系統功能，最終為作戰能力形成提供可靠支撐。GEMSIS項目的具體發展進程如表1所示。

表1 GEMSIS項目發展進程

經過十多年的持續建設，GEMSIS已經在增量1和增量2階段形成了如圖1所示的功能模塊相對完備的電磁頻譜管理工具體系[3]，下面對各模塊功能進行介紹。

圖1 GEMSIS在增量2階段形成的能力結構框圖

1.1 頻譜數據模塊——JSDR

JSDR作為國防部權威的頻譜數據庫，收錄了美軍收集的電磁頻譜有關的數據，支持符合美軍事通信電子委員會頒布的Pub 8標準頻譜資源格式的Web服務[4]。JSDR通過提供綜合的傳輸基線，可以使情報部隊和電子戰部隊更容易深入對手的通信領域，也為其他功能模塊提供了數據基礎支撐。

1.2 頻譜規劃模塊——CJSMPT

CJSMPT 能為JEMSO的各個階段提供頻譜規劃的能力支撐，主要由四部分協同完成：收集演訓任務兵力態勢、平臺及其載荷的電磁特征數據，通過分析完成對頻譜的有效管控；通過仿真模擬，在行動前計算潛在用頻沖突；可視化組件配合數字三維地形圖，將電子對抗及通信效能可視化地進行展現；采取標準的數據結構格式，能夠接入并獲取JSDR的頻譜數據。

1.3 頻率分配模塊——SXXI

SXXI是GEMSIS的核心，最早由美國防部開發，旨在發展戰術環境下自動化指派無干擾頻率的能力，并曾在阿富汗戰爭中被使用，其功能主要是頻率分配和指派[5]。當頻譜管控人員輸入頻譜資源需求清單后，其核心信息系統能夠自動處理并自動生成經過校驗的頻率分配方案，指派頻率后還能夠跟蹤頻率分配方案的執行情況。此外，還有數據轉換、地形數據管理、干擾分析、干擾報告、一致性檢查、聯合限制頻率表生成等功能。

1.4 干擾解決模塊——JSIRO

在線聯合頻譜干擾消除(Joint Spectrum Interference Resolution Online,JSIRO)項目旨在解決JEMSO中持續和反復出現的EMI問題，包括民用系統和國防部系統之間的問題以及電磁入侵和電磁干擾問題[6]。JSIRO能夠在作戰指揮鏈中盡可能低級別地解決EMI問題，即通過將EMI事件輸入其在線門戶網站，協調當地頻譜資產或東道國援助尋求解決方案。當無法使用協調方式解決EMI事件時則將其提交至作戰指揮鏈，由指揮鏈通過其他手段解決。

1.5 頻譜保障模塊——E2ESS

在頻譜保障方面，端到端頻譜支持(End to End Spectrum Supportability,E2ESS)集成了HNSWDO和Stepstone兩個工具。Stepstone主要用于支持國防部用頻裝備的許可流程處理，其規范了用頻裝備的數據格式和許可申請流程，加快了用頻裝備投入使用的過程；HNSWDO是一款Web應用，提供了可視化的東道國用頻設備的態勢信息，并能夠自動分發東道國頻譜協調和需求請求，降低與東道國發生用頻沖突的風險。

1.6 能力融合模塊——ISD

ISD為用戶提供了可以訪問集成了各種頻譜工具及服務的通用桌面。該通用桌面促進了GEMSIS系統中各類功能的集成與可操作性，提供了指向包括JSIRO在內的各種站點的Web鏈接。

美軍目前已經完成增量2的研制工作，啟動了增量3階段。

2 GEMSIS的作戰應用

電磁頻譜資源的爭奪是電磁頻譜戰的核心，其過程是電磁頻譜管控與電子戰重編程相結合。圖2是美軍JEMSO的典型實施流程[7]：首先，根據作戰計劃中涉及的平臺及其載荷的電磁特征參數、兵力部署態勢以及行動計劃中對用頻需求的格式化描述形成頻譜的需求清單；其次，根據戰場東道國頻譜政策、國際要求規定以及電磁行動環境，確定可用頻譜資源清單；最后，GEMSIS對聯合受限頻率表與電子對抗用頻表進行分析，提前發現潛在干擾用頻，考慮局部資源使用沖突、優先級序列等問題后，形成最終的用頻規劃清單，然后被指派給電子戰行動中的各個單位。實際行動中，作戰單位根據戰場電磁頻譜態勢的變化，以及與對手之間的用頻沖突或干擾情況實時對系統反饋，系統解決后產生新的規劃清單重新下發給各單位。電磁頻譜管控幾乎覆蓋電磁頻譜戰的全流程、全要素。

圖2 美軍JEMSO典型實施流程

另外，由于使用更大功率的有源網絡進行對抗不僅越來越難以實現，且大功率也意味著更容易在戰場中被發現，當前電磁頻譜戰樣式開始向“低-零功率”、智能機動式作戰發展[8]，電磁輻射控制與頻譜管控的結合也更加緊密。在“低-零功率”電磁頻譜戰中，GEMSIS的頻率管控與電磁能量的協同控制可以實現更好的電磁兼容和電子防護；而在認知化電磁頻譜戰中，自適應電子戰行為學習(Behavioral Learning for Adaptive Electronic Warfare,BLADE)項目基于GEMSIS提供的頻率規劃支持，可以實現頻域捷變與頻段控守，以保持其電磁優勢。在未來的發展計劃中，美國國防部將持續進行GEMSIS的項目建設以增強其對JEMSO的支持能力。

3 GEMSIS的發展趨勢

圖3是根據DISA財報梳理出的GEMSIS未來將要形成的能力結構框架，即增量3階段要實現的目標能力。增量3階段的目標是基于前兩個階段形成的能力，進一步增強GEMSIS在JEMSO中的用頻支撐能力，主要在頻譜規劃和反沖突能力方面以及戰術頻譜協調能力方面。結合當前技術發展現狀與美軍戰略的調整情況，GEMSIS的發展主要呈現三方面的特點和趨勢。

圖3 GEMSIS增量3階段能力結構框架

3.1 開放合作的頻譜管理協作

為適應美軍未來“全域作戰”概念，面向范圍更廣闊的戰場，頻譜規劃不僅需要考慮任務部隊實際用頻情況，還要綜合考慮多方面因素，包括軍事行動所在東道國的電磁環境及頻譜政策、國際電磁頻譜政策、軍用與民用、己方軍隊與盟軍用頻設備用頻協調等因素。特別是在他國實施軍事行動時，客場電磁頻譜先驗知識的欠缺使頻譜管理更加困難。

美軍未來將基于全球信息柵格網絡基礎設施所提供的全球一體化信息網絡服務，進一步加強與地方、同盟國之間的協同合作，以共建頻譜管理基礎設施及標準規范建設為抓手，通過標準和規范引領，完善合作機制，推進監測設施、信息服務設施的共建共享以及頻譜資源數據共享，加快形成開放合作的頻譜管理協作態勢。

3.2 機動靈活的戰術頻譜協調

不同任務生成的頻譜規劃需求各不相同，加之戰場中用頻裝備的位置、作戰地形、氣象條件等因素都會隨著作戰進程推移發生改變，這些因素都會對用頻裝備的電磁性能產生影響，實現機動靈活的戰術級頻譜規劃將作為美軍電磁頻譜戰制勝目標的“最后一公里”。為此，DISA在其2020財年計劃中也指出接下來將與科學技術界(包括ASDR&E、Service Lab和DARPA)合作，制定技術路線和戰略以增強系統的戰術靈活性。

靈活的戰術頻譜協調主要基于對當前戰場電磁態勢的掌控與對下一階段電磁態勢的預測。為此，美軍一方面將著力開展電磁環境數據收集能力建設，即增強電磁態勢感知能力，豐富GEMSIS的電磁頻譜數據資源；另一方面，隨著算力的不斷提高，系統將繼續提升對電磁環境的建模仿真能力與預測精度，并將機器學習、人工智能等領域的最新進展與軟件無線電不斷擴大的能力相結合[9]，集成智能頻譜管理能力，增強系統在頻譜管理方面的自動化水平，逐步弱化人在頻譜管理回路中的比重。

3.3 智能認知的用頻策略生成

美軍在認知化電磁頻譜作戰方面一直投入了較多研究，如BLADE、射頻機器學習系統項目等，內容涵蓋了雷達和通信的電磁偵察、進攻、防護等方面，旨在利用機器學習理解無線電信號。

由于戰場中對手信號實際是一種小樣本數據，認知化的電磁頻譜對抗能力形成主要分為兩個階段。第一階段是電磁頻譜干擾消除能力，可利用頻譜資源數據庫中的數據及現有的電磁頻譜相關知識內容進行深度學習，并在實際的應用中不斷進行強化學習，增強對電磁環境的認知和推理能力，以增強GEMSIS對戰場復雜電磁干擾及頻譜沖突問題的威脅感知及迅捷優化能力。第二階段是電磁進攻能力，能夠基于現有知識實現對于已知目標的快速對抗策略生成，并能通過作戰過程中的在線學習，實現對未知電磁目標的識別及對抗策略優化，形成對JEMSO的電磁頻譜對抗能力支撐。

4 結束語

頻譜資源的利用和爭奪是聯合電磁頻譜戰的核心，最大程度利用頻譜資源及有效解決頻譜沖突的能力是當今各國軍隊追求的目標。研究美軍GEMSIS的建設思路、技術特征及發展趨勢，對電磁頻譜管理領域的研究與發展具有重要的參考意義和借鑒價值。未來，電磁頻譜管理問題涵蓋的時空范圍將更為廣闊，電磁頻譜的大數據特征及智能化的管控能力發展趨勢更為明顯，我們應當重視電磁頻譜管理系統在這些方面的發展，吸取GEMSIS建設的經驗，才能在未來的電磁頻譜領域斗爭中占據主導地位。