民用毫米波5G通信网络的全疆域防空预警系统

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民用毫米波5G通信网络的全疆域防空预警系统

（叶松 成都信息工程大学 通信工程学院，四川 成都  610225）

（李华涛 中国移动山东枣庄分公司，山东 枣庄  277000）

摘  要：随着军事科技的迅速发展，各国空地武器也朝着高突防、高破坏、高精度打击的方向更新换代，空域的安全也受到了各式各样的武器威胁，这也为末端防御带来了层层困难。为了解决末端防御带来的高成本、防御空间受限等问题，首次提出了基于民用毫米波5G通信网络实现全疆域防空预警的构想。通过对5G毫米波基站的相关特性分析以及利用其实现末端防御的预想，阐述了利用毫米波5G通信网络实现全疆域防空预警的工作的流程。利用民用毫米波5G通信网络实现全疆域防空预警系统能够大大降低末端防御的成本，扩大末端防御的范围。

关键词：末端防御；全疆域防空；5G毫米波；5G通信网络；5G基站

1、引言

从近百年世界的防空史中可以看出，虽然世界各国都在竞相发展防空系统，但是目前的国土防空体系主要还是针对境内重要区域或者设施进行防御。

例如，以色列的军方一直致力于发展三层区域反导防御体系，用以应对来自周边国家和地区如叙利亚、伊朗的进中程导弹以及加沙地区的火箭弹[1]。其中第一层为应对近程火箭弹的“铁穹”防御系统，第二层为应对中程火箭弹的“大卫投石索”防御系统，第三层为应对远程导弹的“新型箭”反导系统[2]。从近几年该系统的拦截成功率来分析，随着部署的反导系统的数量的增加，拦截成功率会逐渐升高，但是对应的其防御成本也在惊人的上涨。

2019年9月，沙特阿美石油公司油田遭遇无人机空袭，导致沙特原油产能减半，全球油价30年以来大涨[3]。胡塞武装对此次袭击负责，整个袭击由25件武器完成，其中18架无人机对阿布盖格炼油厂进行袭击，7枚巡航导弹对胡赖斯油田进行袭击。袭击前由若干无人机充当诱饵对沙特的防控体系和雷达实施欺骗和干扰。此次袭击中，沙特防空部队共装备了88部“爱国者”防空导弹系统，其中52部为最新的“爱国者-3防空导弹系统”，同时美军在波斯湾临沙特海岸也部署有3艘“宙斯盾”导弹驱逐舰，配备了100多枚“标准”系列反防空导弹。此外，沙特在阿布盖格也配置了梯次防御火力，以一部“爱国者”为核心进行区域防御。周围还配有“天空卫士”高炮系统以及“猎鹰防空导弹”系统。尽管沙特在拥有了较为完备的预警和防空系统，但是面对无人机以及巡航导弹的低空甚至超低空的飞行，在缺少预警机雷达全天候的预警下，仅靠地面雷达很难做到远距离发现，因此很难做到全空域预警，使得胡塞的空袭得以成功。

以上两个案例说明，在面对敌方突然发动的空袭以及饱和打击之下，现有的防御体系很难做到全空域预警以及防御。结合美军空军作战指导理论“五环目标理论”可以看出，国内绝大部分地区空域还是存在着较高的被入侵风险。首先，较高的防御成本使得境内全空域防空体系建设的实现变得遥遥无期；其次，近几年随着无人机技术的发展，城市空域被入侵的风险也在与日俱增，当前敌对势力利用无人机发动恐怖袭击制造恐慌的势头大增[4]；再次，我国人口密集，文化多元复杂，群体性聚会活动较多，同时重要设施基础分布较广。因此，我国空域安全主要面临着两个威胁：一是空袭武器的战略打击威胁，二是敌对势力利用无人机制造破坏，引起社会恐慌的威胁。

目前国内在全空域防空预警面临着几大难题：

(1) 要想实现全空域的预警，地面雷达的建设以及空中全天候的预警系统建设会增大国防成本的负担。

(2) 对目标，尤其是对低、慢、小目标的探测，要想使各个重点区域做到无死角空中预警，其成本损耗较大，且难以实现。

(3) 各区域、各部门防空预警、处置速度有待加强。

2019年的世界无线电通信大会指出，毫米波频谱将成为5G通信频谱。随着毫米波5G基站的部署，利用毫米波5G通信网络实现全疆域防空和预警对维护国家安全稳定、城市繁荣发展具有重大意义，同时也能在民用的基础上做到全空域预警。

2、毫米波5G通信网络实现全疆域防空预警系统的技术分析

5G通信毫米波频段的出现，使通信基站中使用具有MIMO技术（多天线技术）和波束赋形技术的阵列天线变为可能[5]。MIMO技术可以通过多路传输来提高数据传输效率，提高传输的可靠度，提供复用增益以增加系统的频谱效率，提供阵列增益以提高系统的功率效率；波束赋形技术利用了波的叠加原理，通过利用多个天线进行互相干涉，将原本扩散的信号经过收拢后发射出去，这样会使信号传的更远，保证了在距离基站较远的位置可以获得较强的信号[6]。

这种阵列天线其工作原理与雷达天线相类似，在略微调整以后可对空中目标进行实时探测扫描[7]。如图1所示，与传统4G基站（a）相比，5G毫米波基站天线（b）可以实时进行空域扫描，在普通情况下可覆盖300米高度内空域，稍加调整其天线的电扫描角度可以使其覆盖高度增加到3000米，特殊架设情况下覆盖高度可以达到10000米。以现有4G基站数量500万个来计算的话，未来5G毫米波基站的数量会达到2000万个之多。城市中由于高大的建筑物较高，会导致5G毫米波基站的密度更加大，这样可以使空域扫描更加具体、细化、全方位。

(a)

(b)

图1 (a) 4G与(b) 5G基站天线信号辐射对比

Fig. 1 Comparison of 4G and 5G base station antenna signal radiation

单独的5G毫米波基站可以作为一个阵列单元[8]，而数以万计的5G毫米波基站就可以有规律的组成了一个更大的类似雷达天线的阵列。随着5G毫米波基站的全境建成，可以利用移动网络有目的地控制5G毫米波基站进行阵列的组成，达到对空域进行有效频率全覆盖的最佳效果[9]。尤其是在城市中，5G毫米波基站数量更多，空间分布更为集中，对城市空域的覆盖能力更强，即使部分基站遭受到破坏，也不会影响其整体对空域扫描探测的效果。

3、毫米波5G通信网络实现全疆域防空预警系统的可行性分析

防空体系是各种防空组织和设施组成的有机整体，是抗击敌方空袭、实施防空作战的基础[10]。空袭武器与防空武器的发展过程是一个自相矛盾的发展过程。但在发展过程中，防空武器的发展始终要比空袭武器有所滞后。随着空袭兵器的发展和防空作战空间、规模的扩大，现代防空体系将进一步改进预警、指挥和武器系统，向着防飞机、防导弹、防航天武器三位一体的方向发展[11]。

从两次海湾战争以及近年的叙利亚空袭中不难看出，在面对敌军的超视距、高精准、高突破、高饱和度的空袭下，传统的三层防空体系很难百分之百的拦截所有的空袭武器[12]。现存的雷达存在扫描盲区，使得导弹超低空突防以及机动突防很容易实现。要想使国土安全得到足够的保障，必须加强完善国土末端防御体系[13]。以杭州电视台中心大厦为例，在面对敌军的超视距、高饱和度的导弹打击下，由于雷达的扫描盲区以及拦截系统的超负荷运转，会使部分导弹成功突防。加上内陆地形复杂，导弹速度较快以及自身带有的机动突防性能，致使在导弹飞行途中很难实施有效拦截。因此，只能在可能遭受袭击的地区周边采取被动的末端防御[14]。由于受到防空武器拦截距离以及雷达探索距离的限制，往往末端防御只能实施一次，很容易造成末端防御拦截失败的严重后果。民用毫米波5G通信网络的出现会很大程度上地减少甚至杜绝这种可怕后果的发生。一是未来5G毫米波基站分布广，信号覆盖率强，一旦来袭的目标抵达5G毫米波信号覆盖范围内，便实时监测其飞行状态，扩大末端防御的探测距离；二是毫米波5G通信网络自身具有高速、可靠的信息传输效率，促进末端防御的各个火力单元以及指挥中心实时共享信息，分区域、分批次对来袭目标进行多次拦截[15]。

毫米波5G通信网络的出现不仅可以实施对军用空袭武器的末端防御还能完成对改装后的“民用武器”的末端防御。当空袭武器暴露在5G毫米波信号扫描范围之内时，各相关部门会通过毫米波5G通信网络联合对其进行拦截，保证城市中重要设施、场所不被破坏。

4、毫米波5G通信网络实现全疆域防空预警系统的工作流程

如图2所示，当以无人机为代表的不明飞行物（导弹、军用直升机等）进入5G毫米波信号空域扫描探测范围内，会暴露在5G毫米波基站天线的实时扫描之下。5G毫米波基站的收发系统会将此次扫描到的无人机（导弹、军用直升机等）的数据回收，并与数据库中现存的大数据进行实时地对比分析和处理，从而得到其与5G毫米波基站的实时相对位置信息。同时，无人机（导弹、军用直升机等）方位信息数据将与5G基站上的北斗定位信号进行数据汇总，以此推算其在北斗导航系统中的具体方位坐标以及飞行轨迹，并将此类信息通过密钥传输传送到数据中心进行进一步对比。多个5G毫米波基站所反馈的关于无人机（导弹、军用直升机等）的数据信息最终汇总到数据中心进行最后的对比分析。若对比分析以后发现正常（无人机、导弹、军用直升机等身份信息明确并按照预定航线飞行），则继续保持监测；若对比分析发现异常（无人机、导弹、军用直升机等未按照正常申报航线飞行或者被判定为不明飞行物），信息中心会向指挥中心及时发出报警信息，同时将不断更新的位置信息实时上报到指挥中心，指挥中心会根据所得到的信息，及时的通知相关部门（拦截火力单元）对此无人机（导弹、军用直升机等）进行一系列的拦截处置措施。

图2 毫米波5G通信网络实现全疆域防空预警系统

Fig.2 Illustration of an early air defense warning system for the entire territory with the millimeter wave 5G communication network

5、结论

基于民用毫米波5G通信网络的全疆域防空预警系统，利用民用通信网络实现了国土空域安全的可能，该预警体系配合弹炮末端防御系统。一是做到了防御武器之间的优势互补；二是做到了对来袭武器的多层次拦截，提高了拦截成功率；三是做到了可以同时拦截多个方向多个高度的多个来袭武器，具有一定的抗饱和攻击防御能力；四是各个火力支撑单元实现了快速反应，防御覆盖面广，防御盲区小。

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