美国采用5G生态系统技术的新型作战概念

摘要：基于《作战案例研究：俄罗斯对波罗的海的短期军事行动设想》一文得出的结论：摧毁或压制俄罗斯防空系统将为北约提供优势，阻止俄罗斯对波罗的海国家的军事行动，本文将讨论无线通信生态系统技术在帮助发现和摧毁俄罗斯防空系统中的应用。其中，塔式TDOA传感器是本文重点介绍的

摘要：基于《作战案例研究：俄罗斯对波罗的海的短期军事行动设想》一文得出的结论：摧毁或压制俄罗斯防空系统将为北约提供优势，阻止俄罗斯对波罗的海国家的军事行动，本文将讨论无线通信生态系统技术在帮助发现和摧毁俄罗斯防空系统中的应用。其中，塔式TDOA传感器是本文重点介绍的北约可能用于对抗俄军的作战概念之一。

关键词：无线生态系统，5G，自动传感器，到达时间差，雷达

无线生态系统的总体应用愿景

1.未来概念：利用智能生态系统识别威胁

作为一个概念用例，研究假设一台俄罗斯SA-17“山毛榉”防空系统经过拉脱维亚小镇斯米尔泰内，该镇位于普斯科夫和里加之间的A2高速公路沿线。据估计，欧洲最繁荣的国家人均拥有9台无线设备，那么人口略多于5200的斯米尔泰内应该拥有近50000台联网设备，其中每一台都可能被附近SA-17防空系统携带的频率相同或相邻的高功率雷达干扰，因此每一台都是潜在的探测器。一些门铃、路灯柱、车辆、可穿戴设备、以及无人机上的摄像头可能会拍到俄方的雷达设备，并附带时间和位置信息。如果其位置和时间数据足够精确，那么这50000个探测器组成的探测网络可能会提供有用的目标数据。所有这些电子数据和视频数据都可以上传到云端，并与各种通常用于检测和识别无线网络中断、交通违规行为和其他安全隐患的人工智能应用程序共享。理论上，这些相同的算法也可以用来快速识别和定位敌方雷达。

2.近期概念：通信、传感器和情报

近期（5年）概念主要包括3种蜂窝生态系统发挥作用的方式，分别是安全的通信网络、自动传感器网络、情报和信息战网。首先，蜂窝系统可以提供安全的通信网络，将北约的军事单位、非正规部队和平民与指挥中心连接起来。安全网络的示例包括连接联盟最高政治和军事领导人的网络；军事单位之间的指挥网；蓝军追踪器和其他士兵定位系统；控制无人机和其他系统的网络；以及连接游击队和军事、政治领导人的网络。

表1.利用无线生态系统实现新的作战概念

其次，蜂窝系统可以构成自动传感器网络的骨干，并将其组织成杀伤区，以瞄准和摧毁敌方地对空导弹、指挥和控制车辆以及其他高价值资产。自动传感器网络的应用包括“到达时间差”（TDOA）定位网、“伙伴炸弹”（其中配备强大传感器套件的弹药可为旁边飞行的其他弹药提供瞄准制导）、无源相干定位、GPS定位、导航和授时辅助等等。

此外，蜂窝系统还可以帮助军队追踪穿越这些杀伤区的部队，以收集情报、向对手提供虚假信息或寻找特别有利的时机向对手发动攻击。下文将主要对近期概念中的自动传感器网络的部分内容进行介绍。

自动传感器网络

如下图所示，自动传感器网络包含6个作战概念，分别是到达时间差（TDOA）定位、游击网络（由志愿者或民间人士组成的抵抗网络，这些人通常会采取游击战术来反抗侵略或占领力量）、摄像头网络、无人机和无人机群、智能道路、智能微尘传感器。其中，到达时间差（TDOA）定位包括5个子类别，分别是塔式TDOA传感器、使用5G边缘网络和前沿部署团队的独立TDOA杀伤区、基于5G无线接入网络塔的雷达探测和定位、高空TDOA传感器、天基TDOA传感器。下文将着重介绍塔式TDOA传感器。

图1.自动传感器网络包含的作战概念

利用“到达时间差”技术瞄准雷达的原理可以概括为：在三个或更多不同的接收器上测量雷达脉冲的到达时间，如下图所示。计算每对接收器的TDOA时间以确定信号源的位置。如果有足够多的接收器，并且可以精确计算到达时间，则可以确定雷达的精确位置。

图2.使用TDOA传感器瞄准雷达

1.构建杀伤区

塔式TDOA传感器包括安装在高度为20米的手机信号塔上的商用TDOA传感器。手机信号塔只是主机——提供天线杆、电力和到核心网络的回程连接。忽略地形的影响，20米高的塔对雷达载具的视线覆盖范围为16公里。如下图所示，可以将俄军主要行动路线视线范围内的手机信号塔组织起来形成杀伤区。然后可以沿着主要路线（例如A2/E77和A3/E264高速公路）布置一系列杀伤区。

图3.将一组蜂窝信号塔组织为TDOA杀伤区

作为说明性示例，研究假设构建了一系列20公里x20公里的假想杀伤区，覆盖了从拉脱维亚边境到里加的A2/E77高速公路，如下图所示。沿着A3/E263高速公路和其他主要行动路线构建一系列类似的区域也是可行的。

图4.沿俄军行动路线构建一系列TDOA杀伤区

当俄军沿着A2/E77高速公路从1区移动到2区时，1区和2区中的每个塔都应该能够看到1或2套SA-15“道尔”防空系统与其指定的营级战术群一起行进，如下图所示。每套SA-15“道尔”防空系统都配备1个2～4 GHz预警雷达和1个4～8 GHz交战雷达。如果部署在防空监视位置，任一区域的塔也可能监视到SA-17“山毛榉”防空导弹连。1个SA-17“山毛榉”防空导弹连配备1个2～4 GHz预警雷达和安装在“运输-起竖-发射-雷达”车（TELAR）上的6个6～10 GHz交战雷达。

图5.示例：SA-15“道尔”防空系统与指定的营级战术群一起行进—SA-17“山毛榉”防空导弹连和S-300V则提供监视

2.传感器能力需求

每个区域的TDOA传感器的任务是探测和定位所有这些雷达。通过对俄军可能使用的几种雷达模式进行评估，研究确定了软件定义无线电（SDR）传感器所需的功能，包括采集带宽、信噪比（SNR）和计算能力，如下表所示。

表2.潜在的雷达工作模式和所需的TDOA传感器能力

在雷达不处于调频模式的情况下，俄军在10%的工作时间内发射带宽为5 MHz的雷达脉冲，信噪比将会很高，可能达到30分贝。一组TDOA接收器（通常是商用SDR）需要通过5 MHz脉冲收集这些信号，并以大约1 Mbps的速率将脉冲描述字(PDW)发送到共享计算机，该计算机应该能够在大约1秒钟内计算出雷达位置。

具有挑战性的情况是俄军将5 MHz脉冲跳频到100 MHz频率范围内，那么TDOA SDR需要在整个100 MHz带宽上采集数据，这就将信噪比降低至13分贝，并将所需的数据输出速率提高至100 Mbps以上，雷达位置计算时间将增加至5秒。

更具挑战性的是雷达完全不发射脉冲，处于待机模式，等待从另一个雷达接收目标轨迹后再开启。待机的雷达将与其伙伴雷达或指挥车通信，可能使用2 MHz L波段信道。此时，信噪比将降低至约10分贝，所需的TDOA传感器数据传输速率将增加至约1 Gbps，需要超过10秒的时间来计算出雷达位置。

这些计算导致的目标位置误差（TLE）很大程度上取决于TDOA传感器之间的时间同步误差。由于雷达脉冲以光速传播，并且每个TDOA计算机都在计算给定脉冲到达每对传感器的时间差，因此即使是很小的同步误差也会导致目标位置误差。据估计，100纳秒的时间同步误差将导致11米的目标位置误差；1微秒的时间同步误差将导致110米的目标位置误差。GPS提供的时间信号误差为40纳秒，能够满足精确定位的需求，而5G网络有一个内部1.5微秒的时钟来同步通信，这显然无法满足需求。

表3.目标位置误差与时间同步误差的关系

只有在雷达处于暂停状态下对其进行定位，才能使误差不超过11米。SA-17和S-300V的雷达都必须处于暂停状态才能展开天线进行扫描，但SA-15系统可以在移动中执行一些扫描任务。在SA-15移动时，TDOA系统可以检测到该系统在一段道路上的存在，然后将警报传递给相关军事单位以跟踪和瞄准它们。

3.形成杀伤链

基于塔式TDOA传感器网络形成的端到端杀伤链的工作方式如下图所示。首先，四个或更多塔上的传感器会探测到雷达脉冲，并将数据发送到中央指挥中心，例如联合空中作战中心或战区火力司令部。指挥中心的计算机将计算每对传感器之间的时间数据差异，以确定预测的雷达位置。目标数据将提供给火箭炮兵连或附近的战斗机、攻击直升机或无人机，以便立即执行打击。

图6.基站托管的TDOA杀伤链

4.制定交战规则

为了使基于TDOA的作战概念可行，需要制定一套交战规则（RoE），以便通过电子信号识别目标，并向目标发射导弹。这样的交战规则对于成功至关重要，因为视觉确认需要大量友军投入到搜寻地对空导弹的行动中。这些友军要足够接近敌军以进行视觉观察，但这会使其暴露在敌人的攻击下。即使友军使用无人机来降低部队的风险，定位和识别地对空导弹所携带的雷达所需的时间也会让这些雷达有很多机会隐藏和躲避攻击。

为了防止误伤平民，北约的交战规则应以提前疏散平民为基础，以确保在波罗的海地区移动的任何非北约目标都被视为敌方资产。为了在规定的作战时间内摧毁俄军地对空导弹所携带的雷达，美国和北约部队应根据以下要素进行“交战规则”训练：

更新并传播俄罗斯的电子作战序列，包括已知的雷达、电子战系统和指控载具。

为每个系统准备模板，其中包括信号强度、使用频率、占用的瞬时带宽、跳频速度、跳频范围、信号源工作周期和信号波形等特性。

当探测到并定位疑似雷达时，应将其观测特征与上述模板进行比较（可利用人工智能进行实时比较）。

是否向这些目标开火的决策权应委托给指挥中心或前方作战小组。

5.俄军雷达正常工作时间

相关研究对俄军雷达在被前述TDOA网络锁定之前可以正常工作的时间进行了估算。如下图所示，这些雷达可用的正常工作时间，是其发射总时间的一部分，以百分比表示。固定频率雷达在不被锁定的情况下能够正常工作（如发射信号）的时间不到发射总时间的1%。跳频雷达正常工作的时间占发射总时间的比例需少于2.5%，这样才能避免被采用“相关处理”技术的TDOA网络锁定，这导致俄军雷达能够用于探测和捕获目标轨迹的时间非常短。

图7.蓝方计算射击方案所需的红方雷达正常工作时间

俄军雷达还面临另外一个问题，SA-17或S-300V预警雷达在移交目标轨迹后，必须在同一位置停留至少5分钟，才能收起雷达并开始移动。这完全在制导多管火箭炮系统（GMLRS）的起飞时间内，即在这5分钟内，俄军雷达可能遭到GMLRS袭击。

6.TDOA网络规模

相关研究还评估了需要多大规模的TDOA网络才能实现预估的11米目标位置误差（TLE）。如下图所示，A2高速公路沿线的塔总数可以从434座减少到123座（平均每2公里道路的塔数量略多于1），且性能不会有明显下降。这为北约提供了以下多种选择：

部署123个真实传感器和311个诱饵塔，使俄军更难发现和摧毁这些传感器。

部署434个真实传感器，增强系统鲁棒性。

部署434个传感器以提高鲁棒性，并使用额外的传感器同时监听所有雷达波段，以便更快地锁定使用跳频技术的目标雷达，从而规避探测。

图8.塔的数量可减少72%，且性能几乎不受影响

7.俄军干扰器

最后，俄军干扰器在扰乱或破坏TDOA传感器网络方面可能发挥作用。据估计，俄罗斯西部军区拥有两个电子战旅和两个专用无线电工程旅，具备干扰通信的能力。尽管相关研究未发现俄军使用地对空导弹诱饵的记录，但理论上，俄军可以使用干扰器或部分功能齐全的地对空导弹雷达（即并非完全可用但能够模拟部分雷达功能的设备）作为诱饵。有效的诱饵必须与雷达使用相同的频率和大致相同的功率，并且频率间的跳变特性也应相似。这些特性的组合会增加每种诱饵的成本，从而限制其数量。此外，此类诱饵及其产生的噪声可能会使真正的地对空导弹雷达更难以发挥作用。如果要充当真正的干扰器，诱饵的功率水平可能需要更高——这可能会进一步增加其成本并加剧其对俄罗斯地对空导弹雷达的干扰。

北约需要能够像瞄准地对空导弹雷达一样瞄准这些诱饵和干扰器。诱饵和干扰器将在地对空导弹雷达的频率范围内运行，但可能存在一定的物理隔离，以限制它们对地对空导弹雷达的干扰。事实上，如果诱饵和干扰器的运行方式与地对空导弹雷达相同，北约部队可能并不知道其中的区别。如果诱饵和干扰器暂停，它们就可能成为火箭炮袭击的目标；如果正在移动，则需要通过TDOA网络进行跟踪，以便由战斗机、无人机、地面部队摧毁。针对雷达的“瞄准并摧毁”行动仍然可以进行——尽管现在总体目标集将包括一些诱饵和干扰器——它们的价值和成本仍然应该值得使用携带替代弹头的制导多管火箭炮系统。

事实上，北约或许能够扩展TDOA概念，以瞄准任何俄军射频源，即除了俄军电子战系统外，可能还包括俄罗斯陆军自身的通信系统及其指挥控制车辆。摧毁指挥控制车辆甚至可能比摧毁地对空导弹雷达系统更为重要。在这种情况下，俄军只能将大量干扰器与地对空导弹雷达共置，并同时以相同频率工作，使北约部队不得不花更多时间识别并摧毁干扰器。但事实上，如此大规模地部署干扰器，对俄罗斯地面部队的干扰作用可能大于其辅助作用。