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电磁频谱:信息化战争的“中枢神经”(1)
//www.caroetjl.com 2017年3月15日 《百科知识》 2017年第6期
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。 (颜慧 石志申)
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