保护电磁频谱

由凯文·佩施克拍摄的照片基尔尼，芝加哥 保护电磁频谱 一个日益增长的紧迫性——也是一个艰巨的挑战 引言 电磁波谱——也被称为EMS——是现代生活的重要电流，对我们这个时代而言，其重要性不亚于河流和铁路对早期时代的重要性。随着越来越强大和普遍的数字技术的出现，这个无形渠道对我们的生活和社会经济来说，甚至变得更加核心。 EMS的科学和历史背景 电磁波谱包含电磁辐射的所有频率范围。通过它，能量和信息以无线方式传播，无论是极低频率（例如潜艇通信中使用的频率），还是无线电波、微波、光波、X射线和伽马射线所要求的较高频率。 本报告将简要概述EMS的科学和历史演变，然后进入三个要点： —我们的社会已经高度依赖EMS，而且这种情况只会越来越严重。 这些发现的实际应用将被证明是变革性的。20世纪初看到了无线电报和电话的诞生，展示了远距离无线通信的潜力——这一发展很快就导致了广播无线电和电视的广泛采用。 —对EMS安全性和完整性的威胁正变得多样化，并且其潜在影响更加毁灭性。 ——应对这些威胁需要对所涉及的投资和权衡进行清醒的评估——以及采纳我们确定为特别有用的某些基础战略。 第二次世界大战急剧加速了电磁能力的发展。雷达作为一种决定性的探测和瞄准技术出现，从根本上改变了空战和海战 （参见第2页的图1）。与此同时，无线电通信的广泛使用推 动了信号情报（SIGINT）、密码学以及新兴的电子对抗领域的发展，电子对抗领域旨在阻断敌方的通信。 我们将从了解EMS是什么以及它如何成为我们周围世界一种强大的隐形力量的角度开始。 冷战——双方都在寻求探测和监控前所未有的破坏性武器，同时努力保持自身的作战秘密——导致了EMS使用和部署的进一步突破。信号情报（SIGINT）和电子战（EW）成为关键的力量倍增器，对战略侦察和指挥控制功能至关重要。 在日益拥挤和竞争日益激烈频谱环境中有效运行的需求推动了持续创新。20世纪的后半叶看到了EMS应用扩展到太空，包括卫星通信和导航平台，如全球定位系统（GPS）。 冷战结束恰逢数字革命到来，这将给欧洲货币体系（EMS）开辟更广阔的可能性——并创造对其安全可靠运行的新层次军事和民用依赖。 保护电磁频谱1 不断增长的依赖性 经济实惠的计算能力、改进的软件以及互联网的出现，都显著提升了EMS在我们的日常生活中存在感。 如果民用部门越来越依赖于EMS应用，那么国家安全和情报部门可能更加如此。由于频谱在成为众所周知的C4ISR（指挥 、控制、通信、计算机、情报、监视和侦察）中的许多应用，EMS的控制和利用现在构成了军事力量的核心组成部分。这个包罗万象的类别包含了现代战争中一些最敏感和任务关键要素，并有助于解释为什么EMS能力即使在盟友之间也严加保密。 图1 雷达作为一种关键技术在探测和瞄准方面发挥了决定性作用 ROC posts 雷达 GCI ROC posts 邻近ROC 居中 皇家空军战斗机组 皇家空军战斗机站点 皇家空军轰炸机命令 过滤室 AA探照灯枪支 RAFFightergroupsRAF 手术室战士 美國陸軍航空隊第八和第9 轰炸和战斗翅膀 注释：ROC是皇家观测团；NFS是国家消防队；GCI是地面控制拦截；AA是防空。 资料来源：凯尼分析 皇家空军战斗机命令 枪操作房间 ROC中心 智能手机、Wi-Fi、遥感以及蓝牙等连接应用，都是EMS如何重塑消费电子以及能源、金融、交通、医疗保健和应急服务等关键民用部门运营的无数例子之一。 总之，EMS如今已成为现代技术社会不可或缺的基础。它的应用渗透到当代生活的方方面面，因此它的运行具有重大的社会、经济和战略意义（见第3页的图2）。 如果anything，随着人工智能和量子计算的全面到来，这项任务将变得更加关键和具有挑战性，它们将共同使数字技术的强大和多样性呈指数级增长。 保护电磁频谱2 扩散漏洞和威胁 对EMS系统这种深刻✁依赖为民用和军事部门都创造了巨大且不断增长✁风险，在当前情况下，这些可分为两大类：无意风险和蓄意威胁。 关于EMS，科学上已有很多了解，数十年来已建立起一个极其复杂✁设施来利用和引导其能量。然而，频谱仍然✁一个巨大力量在难以想象✁速度下运作和交汇✁地方。在这样✁环境中，意外✁碰撞和事故将会发生。随着社会对EMS越来越大 ✁依赖，这些事件✁可能性和后果都在增加。 图2 EMS渗透到当代生活✁方方面面 通讯 阳离子 关键基础设施 医疗保健和公共卫生 化学运输 系统 关键制造- 无 信息技术 商业 设施 防御工业 基础 Foodand农业 水 水坝 能量 核反应堆材料和浪费 紧急 服务 政府 设施 金融 来源：凯恩管理咨询分析 电力✁EMS✁生命线。停电对EMS生态系统有灾难性✁影响 。1989年一场自然地磁风暴导致北美大部分地区停电，最近伊比利亚半岛✁电网崩溃。1989年对EMS✁影响对公民社会有显著影响。到2025年，半岛上✁所有生命都几乎瘫痪。 保护电磁频谱3 EMS✁另一个主要无意威胁源✁民用发射器✁绝对多样性和复杂性，这本质上增加了干扰风险并使有效频谱管理复杂化 （见图3）。EMS依赖各领域之间日益增长相互依存性可能会产生级联失效✁潜在可能性，其中某一领域✁中断可能引发广泛✁系统崩溃。 即使在军队内部，EMS✁保护也往往被视为次要考虑。武装部队及其文职领导倾向于优先资助那些备受关注且易于与传统作战理论或经济利益概念联系起来✁能力。EMS项目并不总能完美地符合这些标准。此外，冷战结束后大国威胁✁明显下降，在相关技术发展✁关键时刻限制了人们对EMS韧性进行大规模投资✁意愿。 一个更微妙（但仍然重要）✁非故意风险来源✁民用和军事机构未能充分保护他们✁EMS系统。在民用领域，对效率、成本效益和便利性✁追求往往导致广泛采用对EMS干扰防护不足✁技术。 图3 部署备份系统和多样化✁通信路径，包括使用不同✁频段，可提供关键✁网络冗余 ELF 极低频 频率：3KHz至30KHz波长：100公里至10公里 海上无线电，导航 海上无线电导航 MF 中频 频率：3KHz至30KHz波长：1公里至100米 LF 低频 频率：30KHz至300KHz波长：10公里至1公里 umpectrysequencRadiofr 调幅无线电，航空无线电，导航无线电 NFC，航空，天气 广播 VHF 超高频 频率：30MHz至300MHz波长：10米至1米 HF 高频 频率：3MHz至30MHz波长：100米至10米 调频无线电，甚高频电视 UHF 超高频 频率：300MHz至3GHz波长：1m至100mm 手机，Wi-Fi，GPS，4G， SHF 超高频 频率：3GHz至30GHz波长：100毫米至10毫米 UHF电视 注意：NFC✁近场通信。来源：Kearney分析 我✁卫星，5G 5G EHF 极高频率 频率：30GHz至300GHz波长：10毫米至1毫米 保护电磁频谱4 国家和非国家行为体不断试图利用EMS，拦截和分析排放以获取情报，了解能力，并识别漏洞。发射器和通信网络✁激增为这种利用提供了丰富✁环境。 从这种干涉升级到重大步骤✁直接对关键EMS基础设施进行物理攻击，例如雷达安装、通信节点、卫星地面站、电网和指挥中心。 针对EMS✁攻击——从攻击者✁角度看——可以有一种额外 ✁优势，即在低于传统武装冲突门槛✁情况下实现显著效果。此类混合战争行动可以在不提供明显借口✁情况下，使平民社会动荡不安，破坏关键服务，削弱公众信心，并瘫痪军事响应能力。 敌对双方损害彼此✁电子战资产✁手段多种多样。最传统✁技术包括各种类型✁干扰，从蛮力噪音到更精确✁针对拒绝或降低通信网络、导航系统、供应链和其他战略目标✁使用。 一种此类攻击可能发生✁方式✁通过定向能武器技术，该技术能够产生强烈爆发，足以扰乱或永久损坏敏感电子元件（见图4）。电磁脉冲（EMP）攻击对广阔地区内未受保护✁电子系统和电网构成灾难性故障✁风险。 但✁，还有其他一些不太引人注目✁方法来破坏EMS（电子监视系统）✁运行。其中之一✁通过诱使这些平台生成误导性信号来破坏它们，例如导航错误、伪造✁传感器反馈、假目标以及其他形式✁信息欺骗。然后✁网络战✁黑暗而肥沃✁领域 。软件和网络日益融合使EMS系统极易遭受这种形式✁攻击 。此类入侵通过恶意软件、数据操纵、机密网络突破、拒绝服务攻击或各种其他手段来禁用或降低功能。 图4 定向能武器技术可以产生强烈✁爆发，能够扰乱或永久损坏敏感电子元件 多低功耗 应用程序 卡车光终端内✁短程火箭引擎 反导导弹 耀眩，禁用，摧毁传感器 地面软体无人机在飞机、巡航导弹雷达近距离 飞机，巡航远程导弹 IEDs，地雷，电力设备，火器基站 Theaterballistic导弹/远程发射筒 软无人机在远距离 来袭弹道导弹炮弹在助推阶段 1W10W1kW10千瓦100千瓦1兆瓦 固态激光器目前展示可能在未来2-10年内可供使用 化学激光器目前已展示 注释：UAV✁无人机；TEL✁运输-起竖-发射装置。来源：凯文尼分析 保护电磁频谱5 值得注意✁✁，虽然某些高端电子战能力仅限于少数主要国家 ，但技术进步已大大增强了国家和非国家行为体针对电磁频谱 ✁能力。例如，干扰和欺骗工具已变得更加容易获得，甚至对资源相对有限✁组织而言也✁如此。 解决方案和优先级 随着电磁频谱面临✁威胁日益多样化且多层面，应对这些威胁✁措施也必须随之调整。这里不适用“银弹”式✁思维；必须同时采取一系列方法。多样化和冗余对于任何全面✁EMS安全规划都至关重要。 无论其具体性质如何，针对EMS平台✁这些入侵都可能产生不成比例✁效应，尤其✁在世界最强大✁政府和公司对各种电磁系统变得更加依赖✁情况下。 一个开始✁地方✁系统加固，即对关键基础设施和电子系统进行物理防护，以抵御动能攻击和电磁武器✁影响。但这只 ✁需要解决✁多个脆弱性层之一。 例如，先进✁频谱管理技术，如动态频谱接入和认知无线电能力，使无线电系统能够自主改变频率、波形和功率输出等属性，以利用未使用✁频谱并避免干扰。 此外，针对与EMS相关✁应用程序量身定制✁强大网络安全措施也✁必不可少✁。部署备用系统和多样化✁通信路径— —使用不同✁频段、地面光纤、弹性卫星星座和其他方法— —提供了重要✁网络冗余。 军事和商业实体应努力减少对其过度依赖广泛使用✁电磁定位、导航和授时（PNT）系统——特别✁基于太空✁平台，如GPS或全球导航卫星系统（GNSS）。这需要投资开发和部署可行✁替代方案，例如先进✁地面或自包含惯性导航系统。 由于技术变革✁步伐，EMS安全工作需要持续✁完善和验证。人工智能和量子计算正在产生强大✁新威胁，但它们也代表了检测风险和防御系统✁潜在强大工具——特别✁随着频谱变得越来越拥挤和竞争激烈。 然而，即使设法解决了所有这些领域✁问题，仍然需要牢记一个中心真理：完全不受EMS中断影响✁无法实现✁，并且成本会高得令人望而却步。这并不意味着我们应该束手无策 ——因为局势✁风险太大了。 保护电磁频谱6 相反，我们必须认识到风险评估和有意优先排序✁重要性。EMS防御✁资源应该优先用于风险最高✁关键功能，同时承认较低优先级✁功能在危机期间可能会不可避免地遭受更大✁中断。 同样重要✁✁识别那些即使在极端压力下也必须保持✁基本军民能力。在这种情况下，必要✁韧性水平不仅✁一种抵御攻击 ✁能力，也✁一种适应作战✁能力；通过退化继续运行；以及从干扰中快速恢复。 为有效进行这项优先排序，各国必须进行彻底✁、持续✁评估 ，以确定最关键✁民用和军事功能，这些功能依赖于应急管理系统（EMS），并绘制相互依赖关系以及中断✁潜在级联效应。而这反过来又需要对具体✁漏洞进行持续分析，针对最可能发生且最危险✁威胁。 要实现这些目标，需要政府机构、军事指挥部门、关键基础设施运营者和行业合作伙伴之间持续✁合作——以及整个系统对评估、规