信息化战争的关键支撑：电波环境及其影响

作者：郭兰图，中国电波传播研究所正高级工程师，哈尔滨工程大学教授

1．战场环境内涵和外延加速演变

伴随人类文明不断进步和战争形态的不断升级，战场环境的内涵外延也在持续演变。陆军院士在《战争形态演进及信息系统发展趋势》一文中，将战争样式划分为冷兵器、热兵器、机械化以及信息化等四个演进形态。

图1 战争划代与各阶段典型特征

不同阶段战争形态对应不同的战场环境，在冷兵器和热兵器时代，装备以青铜、钢铁等金属武器为主，战场环境主要关注地理气象水文环境；在机械化战争时代，出现火炮、舰船等武器，战场环境以地理气象水文为主，电波环境为辅；到信息化战争时代，电磁打击链、信息化武器装备开始普及，战场环境以地理气象水文叠加电波环境为主。

图2 战争形态及战场环境演进变化特点

回顾人类作战手段和样式的变化过程，战场环境显现出明显的叠加化、复杂化演进趋势，有形的山川湖海与人造设施相叠加、传统的陆海空天与赛博电磁相叠加，战场环境正成为一个由自然环境、电磁环境以及信息网络环境等多种要素融合而成的“全要素”复杂环境。

2．电波环境是电子信息装备效能发挥的关键环节

电子信息装备作为遂行现代战场信息支援、信息保障和信息作战任务的核心装备，在作战过程中完成预警探测、指挥控制、电子对抗、通信导航等领域关键功能。细剖这些电子信息装备，其核心使能过程都是电磁波“发射-传播-接收”三要素（可能是A发B收，也可能是自发自收），无论收发过程或样式如何，都离不开中间主导“传播”的电波环境，这是现代信息化战场中所有电子装备必须依赖和运用的介质环境，是指宇宙空间、地球大气层、地球、人类活动等对无线电波传播产生影响的环境要素及其所产生的无线电信号特征要素的集合。电波环境正以其广泛的影响面与渗透性，成为左右战场布势、兵力部署、战术选择的重要因素，成为现代战场环境中变化最迅速、影响最深刻、关联最普遍的核心要素之一。

图3 无线电系统“三要素”

要打信息化战争，就离不开电子信息装备；要用好电子信息装备，就离不开对电波环境的认知与驾驭。正由于信息化战争与电波环境这种内生的、不可分割的关系，使得电波环境随时代发展和技术进步走到了现代战场环境的关键核心位置。相较于其他环境要素，电波环境自身具有高度复杂性的鲜明特色：一是整体“统计规律”与局部“特色差异”的并存特性。人类发现电磁波以来总结的大量传播特性，对电子装备研制生产有重要指导意义，但电波传播环境又具有强烈的地域、时域差异，不同频段的传播效应差别巨大，使得整体规律必须针对具体场景做出合理调整。二是总体“客观性”与部分“可塑性”的互动特性。电波环境原则上具有不以人意志为转移的客观性，相对独立与稳定，但随着技术发展，（具备相应能力一方的）人为活动又可能对其（以光速）实施快速影响，改变其客观属性，导致基础噪声、介质参数、可通频率等环境属性快速变化，从而加深斗争的复杂性与非对称化。三是“目的”与“手段”交织自嵌的复合特性。要达成对电波环境的控制，就离不开对电波环境的影响，这种影响又反过来制约着控制的过程与效果。电波环境正成为人类战争史上“拉扯要素最多”、“操控使用最麻烦”，又“不得不面对”的复杂因素。

说电波环境是现代战场环境的关键核心，并不是否认气象、水文、地理等各种战场环境因素的价值作用，这些因素依然是人类赖以存在并直接受其影响的客体，但随技术进步使得这些因素成为较易把握的“常规题”。从另一方面看，虽然信息化作战进程仍然是在陆海空天内展开，但要正常发挥、甚至超常发挥武器装备作战效能，又必须将陆海空天内的气象水文地理环境与电波环境相转化、相结合，而电波环境又存在着上述矛盾特性，使其成为现代战场上变数最大、变化最快的要素，是实打实的“压轴题”与“加分题”。

因此，对现代战争参与者，没人可以在使用或忍受电波环境上“置身事外”，电波环境已牢牢嵌入“陆－海－空－天”全部作战场景、“节点－平台－系统－网络”全部作战手段、“战略－战役－战术”全部作战层级以及“侦－控－打－评”全部作战环节。解决好电波环境对信息作战的影响，成为世界主要国家不约而同的选择，是全球国防科技发展的重要基础和热门方向。

图4 战场环境分层概念图

1．电波环境影响机理

电子信息装备效能发挥，不仅取决于电子信息装备本身的性能，还依赖于传统战场环境要素和电波环境要素之间耦合效应的共同作用，其可以表示如下：

矩阵P为电子装备效能指标矩阵，包括作用距离、精度、检测概率、虚警概率等效能指标；矩阵F是电波环境和自然环境耦合的环境效应函数矩阵，是环境要素影响装备性能的线性或非线性效应函数，包括衰减、时延、色散、闪烁、多普勒频移、极化改变、传播路径改变等传播效应；矩阵T是电子信息装备的辐射特性表征，包括辐射功率、频率，发射天线增益、方向图等因素，对于无源系统，其元素值全为1。矩阵R是电子信息装备的接收特性表征，包括接收频率响应、接收天线增益、方向图等因素，对于仅辐射系统，其元素值全为1。从公式可以看出，电子装备的效能发挥是多个环境要素、装备本身性能综合作用的结果，是一个复杂的非线性系统。

图5 电波环境影响机理图

2．电波环境基本构成

电波环境涵盖了无线电波传播的空、地域，通常按照垂直域分布划分为地（海）下、地（海）面、对流层、临近空间、电离层以及外层空间等组成。

图6 电波环境分层示意图

① 地（海）下电波环境

大地和海水作为天然导体，对无线电波在其中传播的衰减极大，导致大多数无线电波“穿地难”、“入水难”。大地和海水的导电率和介电常数是影响电磁波的主要因素，由于其成分、密度、湿度等因素的不同，无线电波通过这些复合媒质传播时会发生吸收、损耗、反射、散射、折射以及色散等现象。受影响的典型装备性能有：探地雷达对地下空间的探测距离和分辨率，中长波通信系统的通信距离和可靠性，对潜通信装备的入水深度，电磁水下探测装备的探测精度等。

② 地（海）面电波环境

地球表面的环境，包括地形地貌地物和海洋表明都影响着无线电波传播，其中地（海）面导电率、介电常数、地形地物地貌参数、海面粗糙度是主要的因素。这些因素对无线电波会产生折射、绕射、反射、散射等效应。受影响的典型装备性能有：战术通信装备的通信距离和传输可靠性，预警机雷达、地波超视距雷达等装备对地（海）面目标的检测概率和虚警概率等。

图8 地（海）面电波环境

③ 对流层电波环境

对流层一般指地表以上大约7~20km之间的大气（不同地区高度有所不同）。对流层中发生的各种天气过程导致折射指数随时间和空间复杂变化，带来无线电波射线弯曲、波导传播、散射传播等影响，对流层大气中的沉降物，如降雨、降雪、云、雾等，均对无线电波产生衰减、散射、去极化等传播效应。受影响的典型装备性能有：对流层散射通信装备的通信距离和传输可靠性，微波超视距雷达的探测距离和探测精度，空间目标监视雷达的定位精度，卫星通信系统的链路可靠性、卫星导航定位系统的时空定位误差等。

图9 对流层电波环境

④ 临近空间电波环境

临近空间是指距地表20~100km的大气层，包括平流层上部、中间层和热层底部。临近空间复杂的状态变化和动力学扰动直接影响临近空间飞行器安全、航空航天活动和无线电信息传输，如临近空间风速、温度、密度等关键参数及其变化会对临近空间高技术装备产生重要影响，包括轨迹偏航、姿态不稳、气动与热控复杂、通信性能下降等，临近空间高低动态飞行器和武器系统均受到该区域大气环境及其强扰动现象的影响，直接影响飞行安全、任务完成及作战效果。

图10 临近空间电波环境

⑤ 电离层电波环境

电离层是指距地表60~1000km的高层大气，主要特点是存在大量被太阳辐射等电离形成的自由电子和离子，这些带电粒子使得电离层具有对无线电波反射、折射和吸收等作用，主要表征参数有电离层总电子含量、临界频率、传输因子、电离层闪烁指数、电子密度等。受影响的典型装备性能有：短波通信装备的通信范围和传输可靠性，短波干扰装备的干扰落区和干扰强度，天波超视距雷达的探测距离和探测精度，天基SAR雷达的成像效果和分辨率，卫星通信系统的链路可靠性，卫星导航定位系统的时空定位误差等。

图11 电离层电波环境

⑥ 外层空间电波环境

外层空间主要指电离层以外至太阳之间的日地空间环境。外层空间电波环境的扰动主要源于太阳能量辐射与带电粒子的异常爆发，主要表征参数有太阳活动区、太阳黑子数、太阳射电流量、太阳X射线流量、太阳风、行星际磁场等参数。外层空间电波环境会对其中的各种电子系统与空间飞行器的产生直接干扰甚至是破坏。由太阳活动引起的地磁暴“海啸”，对地球的磁层、电离层、高空大气层以及地磁场等会产生剧烈扰动，从而对不同频段的通信、导航、雷达等系统造成持续影响。

图12 日地空间电波环境

电波环境与电波传播是信息领域的一个重要学科方向，贯通信息化作战的全空间、全频段、全业务、全过程，其关联技术的划分维度很多，按照数据采集、模型建立、预测预报、效能评估的OODA流程，电波环境与电波传播可以构建如下关键技术谱系，如图所示。

图13 电波环境与电波传播关键技术谱系图

以美国为代表的主要国家，将电波环境与电波传播研究提升到战略层面，构建了陆、海、空、天多平台、全频段的立体电波环境观测网，将电波环境作战支持要素融入各级指挥信息系统和预警机、航母、导弹等武器平台，极大提升了电波环境对作战指挥与电子信息装备运用的保障能力。

面对复杂多变国际形势，新时代国家安全和国防战略对电波传播研究提出了全新目标和要求，亟需完善“感算评用一体化”电波环境保障体系，一是向观测全球化发展，拓展到与国家利益相匹配的全球重点区域，并逐步实现全球覆盖，建立起与世界大国地位相称的电波环境观测体系；二是向计算确定化发展，在环境数据模型支持下，大力发展确定性方法，实现电波传播的高精准度预测，在不同时间尺度上全面拓展；三是向场景精细化发展，拓展在具体业务、具体区域、具体时间细分场景下的精细化程度，有力支撑电子信息装备研制与运用；四是向应用智能化发展，电波环境支撑要素融入作战指挥与电子装备末端必将成为大势所趋，应当大力强化电波环境数据感知、存储、计算、分析、评估与自主决策智能融合相关研究，为全新作战模式保驾护航。

顺应时代之变、科技之变、战争之变，战场环境正发生深刻变革，未来只有全面、准确认知战场环境，才能掌握战争主动权，夺取最后胜利。电波环境作为信息化战场环境的核心部分，应当大力强化研究投入，着力突破全空间电波环境感知预测、全频段电波传播建模、全过程电波环境效应评估、全业务电波环境作战支持等系列关键技术，全面夯实国防电子信息领域关键基础，为百年奋斗目标提供可靠支撑。