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战场复杂电磁环境

　Ξ　收稿日期:2009-01-10

作者简介:古小明(1983—

),男,山东日照人,硕士研究生,主要从事炮兵战术火力运用研究.战场复杂电磁环境

古小明1,周克胜1,朱居莹2

(1.解放军炮兵学院五系,合肥　230031;2.吉林四平65573部队,吉林四平　136001)

摘要:从战场复杂电磁环境的特征、相关参数、构建对象3个方面进行了分析,对战场复杂电磁环境复杂程度进

行了研究.对弄清它的本质、规律与影响有重要意义,可以提高接受与应对它的自觉性,满足军事斗争准备的迫切要求,对于正确指导当前与未来的各项军事活动,推动信息化战争理论的创新发展都有着积极的作用.关键词:战场复杂电磁环境;电磁频谱;构建对象;复杂程度中图分类号:T N3文献标识码:A 文章编号:1006-0707(2009)08-0078-03 现代战场上,由于大量使用电子信息装备,不仅数量庞大、体制复杂、种类多样,而且功率大,使得战场空间中的电磁信号非常密集,形成了极为复杂的电磁环境,在一定的战场空间内,复杂电磁环境由空域、时域、频域、能量上分布的数量繁多、样式复杂、密集重叠、动态交迭的电磁信号构成,是战场电磁环境复杂化在时域、空域、频域、类型和能量上的表现形式.

1　战场复杂电磁环境的特征描述

1.1　在时间上表现变化难测,具有动态性

[1]

战场上大量的电磁信号是在人为控制下产生的,或者说是交战双方有目的地控制电子设备实施有意辐射所产生的.因此,在不同的作战时间,交战双方因作战目的不同,所产生的电磁信号数量、种类、密集程度将随时间而变化,其变化的方式难以预测.从时间上看,有时表现为相对静默,有时表现为非常密集.在信息化战场上,在不同的作战时间,交战双方为保持通信联络畅通和作战指挥的不间断,必将不断使用新体制雷达、电台和新的通信频率,致使战场电磁频谱环境随双方在电磁频谱领域斗争态势的不断变化而变化.

1.2　在空间上表现无处不在,具有广泛性

战场空间中的电磁波,看不见,摸不着,但它存在于战场空间的每一个位置,作用于有形电子设备上.战场上的电磁辐射源来自太空、空中、海上、地面、海中,来自我方和敌方,来自军用和民用,来自不同平台和电子设备.由于大功率电子设备的大量使用,电磁辐射更为强烈,传播距离更远,在战场空间的一点上,电磁信号密集程度更高,更复杂.交战双方为削弱对方电子战能力,降低或破坏对方电子设备的使用效能,同时保障己方设备效能的正常发挥,

将会采取各种措施,在陆地、海上、空中乃至太空等多维空间展开争夺电磁频谱主导权的斗争,对象涉及无线电通信、雷达、制导、导航、声呐和电信、广播、电视等各种电子设备,范围遍及整个电磁频谱空间.

1.3　在频谱上表现无限宽广,具有密集性

频谱是电磁信号在频域的表现形态.一方面由于信息技术的迅猛发展和电子信息装备的大量使用,战场上电磁信号所占频谱越来越宽,几乎覆盖了全部电磁信号频段.另一方面,由于大气衰减、电离层反射和吸收等传播因素影响,在实际应用过程中,能够使用的电磁频谱只有有限范围,军用频段更少,在某一局部频率区间,电磁信号呈现密集重叠的现象.如雷达频段通常在3MH z ～300G H z ,但实际装备只在有限的不连续的频率区间内工作,并非覆盖整个雷达频段.

1.4　在类型上表现种类繁多,具有复杂性

复杂电磁环境主要由电子对抗环境、雷达环境、通信环境、光电环境、敌我识别电磁环境、导航电磁环境、民用电磁环境、自然电磁环境等构成.每一类型的电磁环境又由不同类型的电磁辐射源生成,并对不同的信息化武器装备产生影响,进而影响整体作战.如在电子对抗环境构成上,利用电子干扰装备进行有针对性地电子干扰,影响和破坏敌方电子设备和系统的正常工作,以达到有利于我方而不利于敌方完成作战任务的目的.战场上,交战双方从反侦察、反干扰、抗摧毁角度出发,越来越多地使用各种新体制雷达、通信、光电等设备,并且在新体制电子设备上越来越多地采用更为复杂的信号样式.据不完全统计,目前世界上的通信信号种类多达100种以上.雷达多采用新体制和特殊体制,如相控阵雷达、脉冲多普勒雷达、频率捷变雷达、合成孔径雷达、低截获概率雷达等,使得雷达信号种类繁多且波形复杂.

第30卷　第8期四川兵工学报2009年8月

1.5　在能量上表现密度不均,具有对抗性[2]

能量密度是电磁辐射强度的一种表现形态.因电磁波传播因素的影响,战场空间的电磁信号能量不会均匀,在有些地方能量集中,可能很强,有些地方能量分散,可能很弱.电磁能量密度的高低直接决定着对电子设备的影响程度.如强烈电子干扰可以使雷达迷茫,通信中断,连续强激光照射可以使光电探测器烧毁.据悉,目前美军正积极利用电磁能发展高功率微波武器、电磁脉冲弹、高能激光武器等.在未来战争中,为准确掌握敌方的作战行动,交战双方将加强对电子设备的侦察监视,并对指挥、通信、雷达等系统实施软硬打击,侦察与反侦察、干扰与反干扰、压制与反压制、摧毁与反摧毁的斗争将十分激烈,电子信息系统将工作在激烈对抗的电磁环境中.

2.1　电磁频谱

电磁频谱是一种重要的作战资源,也是十分有限的资源.尽管电磁频率的范围可以从零延伸到无穷大,但供人们使用的电磁频谱还是集中于相对狭小的区域内.又由于大气的衰减、电离层反射与吸收,以及不同频率电磁波的传播特征,在实际应用过程中,人们只能使用电磁频率的几个有限的片段.表1为电磁频谱通用波段划分及标记[3].

表1　电磁波频率波段标记

频率范围频段频段标记

3～30kH z甚低频V LF

30～300kH z低频LF

300～3000kH z中频MF

3～30MH z高频HF

30～300MH z甚高频VHF

300～3000MH z特高频UHF

3～30G H z超高频SHF

30～300G H z极高频EHF

300～3000G H z光学Optical

通信信号频段一般占据电磁谱的高频、甚高频和特高频等频段.甚高频(30～88MH z及116～150MH z)和特高频(225～400MH z)频段用于视距通信,而高频(2～30MH z)频段则通过天波进行远距离超视距通信和通过地波进行近距离通信.另外,还有特高频、X频段和K频段的卫星通信,如美国特高频段的舰载卫星通信系统(250～400MH z)、X波段的国防卫星通信系统及扩展后的20G H z和44G H z 的军事卫星通信系统.除此之外,还有紧急通信链路,如用于潜艇通信的甚低频段(3～30kH z)、极低频段(30～300 H z)通信链路及工作在低频波段的地波紧急通信系统(160～190kH z)(作为高频通信的替换者).通常通信侦察系统要求频率覆盖范围是2～1000MH z.常规雷达工作频率大多集中在0.5～18G H z频域范围内,多数远程监视雷达工作在较低的雷达波段内(VHF、UHF、L频段),如美国和北约的大多数监视雷达尽量用在L波段(1215～1400MH z)上,苏联的远程雷达用在VHF(30～300MH z)频段上;中程雷达大多工作在S、C、X频段.目前,超视距雷达工作于短波段,而毫米波火控雷达也已经逐步投入实战应用,其工作频率从35.94G H z一直扩展到140G H z以上.

2.2　功率

电磁辐射功率是电磁信号的一个重要参数,它直接影响电磁信号的强度和能量密度.由于功能不同,一般而言,雷达辐射功率变化范围是很大的,辐射功率从几瓦到几兆瓦,一般远程警戒雷达的峰值功率都在兆瓦量级;相比较而言,通信信号功率较小,从级的手机通信信号,到W级的电台信号,一般不会大于百瓦量级.由于雷达天线波束窄、方向性强,在高功率雷达信号与低功率通信信号存在的电磁环境下,为接收信号雷达与通信信号一体化侦察系统的瞬时动态范围必须提高.

2.3　信号波长

从电磁信号的波形来看,主要有2种,一种是连续波形,另一种是脉冲波形.通信信号一般为连续波形,个别采用间断连续波形,如猝发通信信号.雷达信号有2种基本的射频波形即连续波和脉冲调制波.脉冲调制波是最为常见的雷达辐射波形.脉冲持续时间在几十纳秒到几百微秒,脉冲重复频率是雷达最重要的参数,在几百赫兹到一兆赫兹之间变化.少部分雷达采用连续波信号.

2.4　信号带宽

一般而言,通信信号的瞬时带宽比较窄,常规V/UHF战术通信电台信号带宽为50kH z、25kH z、12.5kH z等,而短波电台的信号带宽更窄.对于扩频通信信号,带宽一般为几兆赫兹,而第3代(W2C DM A)移动通信系统的最大信号带宽可能达到20MH z.相对而言,雷达信号带宽较大,一般为兆赫兹级,而频率捷变雷达信号带宽可达几百兆赫兹到一吉赫兹.信号带宽的大小对设计高灵敏度的接收机有很大影响,信号带宽越大,接收机的灵敏度越难提高.所以,通信信号接收机的灵敏度往往高于雷达接收机的灵敏度.

2.5　调制方式

在无线电工程领域,通常遇到2类不同的信号:随机信号和确定信号.军用通信电台和雷达等电子设备所使用的通常是确定性信号,它们都有自己的基本参数:幅度、频率和相位.为了借助信号获取和传递信息,需按一定的规律发生变化,即对信号施加“调制”.设法使信号幅度按一定规律发生变化的,称作“调幅”(AM);设法使信号频率按一定规律发生变化的,称作“调频”(F M);设法使信号相位按一定规律发生变化的,称作“调相”(P M).通信信号的调制方式很多,通常可分为模拟调幅(AM、DS B、SS B、VS B)、模拟调频(F M)、数字调幅、数字调频等,如二进制调制(2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK)及多进制调制(M ASK、MPSK、MF-SK、M QSK).通信信号调制的目的主要有2个:一是利用有限资源或在有限带宽内传输更多的信息;二是具有更好的抗干扰性能.对于雷达信号而言,调制方式主要有脉冲串调制、线性或非线性调频、伪随机码调制、巴克码或多相编码调制.调制的目的也主要有2个:一是提高对目标参数测量的

古小明,等:战场复杂电磁环境

精度;二是提高雷达对抗干扰的能力.

3　战场复杂电磁环境构建对象描述[4]

3.1　通信环境

有史以来的战争都表明,通信是战争的重要因素,对现代高技术条件下的信息化战争,通信尤为重要.在信息技术日新月异的今天,军事通信系统有了很大的变化,通信环境也日趋密集和复杂.在诸军兵种联合作战中,各级指挥机构及作战单元之间通常都综合采用多种通信手段.通信环境按通信信号传输媒质和特征可分为3类:一类是有线通信,一类是无线通信,还有一类是光通信.其中无线通信是指利用电磁波在空间、水或土壤中传播信息的通信方式.无线通信是现代战争中主要通信手段,也是构建通信的主体部分.无线通信按波长的不同可以分为长波通信、短波通信、超短波通信和微波通信.

3.2　雷达环境

雷达是现代军事最重要的电子信息设备之一,广泛用于对空警戒、对海警戒、战场侦察、武器控制、航行保障以及精密测量等各个领域.在不同的应用场合,构建雷达环境应当按不同的功能分类考虑.雷达的分类方法很多,总的来说,分为军用雷达和民用雷达两大类.军用雷达又可根据雷达安放地点或雷达所在平台分成地面雷达、舰载雷达、机载雷达和星载雷达等,每种雷达可再按其作用或担负的任务进行细分.地面雷达又可按其功能分为,空中监视雷达、目标引导与指示雷达、卫星与导弹预警雷达、超视距雷达、测高雷达、三座标雷达、炮位侦察雷达、炮兵侦察校射雷达、制导雷达、炮瞄雷达、海岸监视雷达、空中交通管制雷达、气象雷达、敌我识别器;舰载雷达又可按其功能分为,对空搜索雷达、对海搜索雷达、导弹制导雷达、炮瞄雷达、导航雷达、潜艇雷达、跟踪和测量雷达、敌我识别雷达;机载雷达又可按其功能分为,多功能火控雷达、轰瞄雷达、预警雷达、气象雷达、多普勒导航与测高雷达、敌我识别器、护尾雷达、侦察与资源勘探雷达、地形跟踪和地物回避雷达;在民用雷达中,按照其作用划分,有空中交通管制雷达、内河与港口管制雷达和气象雷达等.对其中的对每种雷达还可进行细分.例如,空中交通管制雷达又可包括航路管制雷达、进场雷达等.

3.3　光电环境

在通常概念上,把光波统称“光辐射”,是波长范围在几十纳米到几百微米范围之内的电磁波,按照视觉和波长差异,可划分为紫外、可见光和红外3个波段.在战场上应用较多的包括光电侦察、探测、夜视、火控、制导、激光攻击武器、光通信和光电信息处理的部件、器材和装备,以及对抗这些设备的器材、装置、装备等.这些设备是射频波段的相应武器装备向光频段的延伸,可分为以下几类:光学主动侦察设备、激光测距机和光电制导设备.

3.4　电子对抗环境

电子对抗设备是各种电磁斗争设备、器材的总称.它是进行电子对抗和夺取战场电磁优势的工具.同雷达和通信环境类似,电子对抗环境是战场电磁环境构建的重要组成部分,而且是不可缺少的部分.电子对抗装备的分类方法很多,这里按作战方式可分为电子侦察装备、电子干扰装备和反辐射武器3类.

3.5　民用电磁环境和自然电磁环境

民用电磁环境主要是指作战地域内一些民用辐射源及设施在其工作时产生的电磁环境,比如民用雷达、广播电视发射台和其它一些民用的无线通信等.自然电磁环境是地球和宇宙间自然存在的现象,如自然电磁辐射和电磁波传播效应等,属战场客观电磁环境要素之一.战场电子设备作用的发挥是在自然电磁环境的背景下进行的.所以,在构建战场电磁环境时,有必要考虑自然电磁环境要素.

4　战场复杂电磁环境复杂程度描述[5]

复杂电磁环境是一个模糊的概念.不便于给出明确的分界线,因此,我们可以对复杂电磁环境,根据模糊数学的原理,定义模糊集:简单复杂电磁环境、轻度复杂电磁环境、中度复杂电磁环境、重度复杂电磁环境.过多的等级划分也不利于部队实际应用.

4.1　战场复杂电磁环境分级的指标确定

为了复杂电磁环境复杂程度等级的确定,引入频谱占有度、时间占有度、空间覆盖率来度量环境对“对象”作战资源的占有度.

1)电磁环境门限.

在相应频段工作的电子信息设备产生一定干扰的电磁环境信号功率密度谱的最小值.其大小依据国际电信联盟(IT U)推荐的中国地区各频段背景噪音声值高10dB为基准.

2)频谱占用度.

在一定时间和空间范围内,电磁信号功率密度谱的平均值超过指定的电磁环境门限所占有的频带与作战用频范围的比值,用FO表示.

3)时间占有度.

在一定的空间和频率范围内,电磁环境的信号功率密度谱的平均值超过指定的电磁门限所占用的时间长度与作战时间段的比值,用T O表示.

4)空间覆盖率.

在一定的时间和频率范围内,电磁环境的信号功率密度谱的平均值超过指定的电磁环境门限所占用的空间范围与作战空间范围的比值,用S O表示.

4.2　战场复杂电磁环境复杂程度等级的确定[6]

采用上述4个参数从电磁信号本身的特征来描述是一种相对简捷的方法.同时它也提供了一定的灵活性.设置了待定的战场空间、作战频段[f1,f2]、作战时间段[t1,t2]以及电磁环境门限,这样为不同作战环境度量和描述提供了方便,大到一个战场,小到一个简单的通信链路,都可以用这种方式来描述.依据计算的频谱占用度、时间占有度、空间覆盖率以及平均功率密度谱,依据下表来确定复杂电磁环境的复杂程度.电磁环境的分级是(下转第119页)

08四川兵工学报

4.5　实现负载均衡的算法

在服务负载均衡模块中选用LC算法是因为它适用于动态网络地址转换,并符合设计原则一内部网中的服务器性能相同.下面给出其功能函数[4].

if新连接包

　中心策略模块处理

　if需NAT处理

if服务器的连接数目范围

lc(最少连接次数):=65535(不可达到的值)

for规则中的每个“目的”地址

cnt(计数器)=0

for在地址转换状态表中每一项

if(目的地址(目的转换地址)/源地址(源地址转换))=“目的”地址

cnt:=cnt+1

end if

if cnt

okADDR(选中的地址):=“目的”地址

做IP包的地址转换

把地址转换信息写入连接跟踪表

对连接跟踪表进行修改

加入IP包被修改后可能的连接应答

if not新连接包

从连接跟踪表中得到地址转换信息

进行地址转换

5　结束语

本研究介绍了一种防火墙负载均衡的实现方法,并给出了服务负载均衡的模块设计及算法设计.从宏观上看这种方法解决了因服务器负载过大而造成的整个网络崩溃的问题,但在实现的过程中,该方法要求有两台防火墙以主从机方式工作,但实际上只有一台防火墙在工作,所以并没有从根本上解决防火墙的负载问题,这需要我们进行更进一步的研究.

参考文献:

[1]　Jie Wu,高传善译.分布式系统设计[M].机械工业出

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[4]　蒙杨.高安全等级防火墙核心技术研究、设计与实现

[D].北京:中国科学院研究生院,2001.

(上接第80页)依据频谱占用度、时间占有度和空间覆盖率3个指标来进行的.由表2中给出的标准,确定复杂电磁环境的复杂程度等级.

表2　战场复杂电磁环境复杂程度分级标准战场复杂电磁环境复杂程度分级复杂程度评价

Ⅰ级(简单电磁环境)0<3FO×TO×SO≤10%

Ⅱ级(轻度复杂电磁环境)10%<3FO×TO×SO≤40%

Ⅲ级(中度复杂电磁环境)40%<3FO×TO×SO≤70%

Ⅳ级(重度复杂电磁环境)70%<3FO×TO×SO≤100% 5　结束语

信息化条件下,战场环境增加了复杂电磁环境这一新要素,对军队建设、国防建设及军事斗争活动产生了广泛而深刻的影响,而战场复杂电磁环境是一个相对抽象的概念,从战场复杂电磁环境描述相关问题入手,对其进行分析与研究,对弄清它的本质、规律与影响有重要意义,可以提高接受与应对它的自觉性,满足军事斗争准备的迫切要求,对于正确指导当前与未来的各项军事活动,推动信息化战争理论的创新发展都有着积极的作用[7].

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张伟君,等:基于防火墙的负载均衡技术研究及应用