highfrequency，为什么高频无线电在被发现100年后，仍在军事领域大量使用

谢谢邀请highfrequency，下面由稀星天外来回答这个问题域名备案域名备案。发现于近一个世纪之前，高频（High Frequency，HF）无线电因其能够远距离传输信息以及抵抗电子攻击的能力，至今依然在军事领域受到热捧。highfrequency，为什么高频无线电在被发现100年后，仍在军事领域大量使用高频/短波无线电高频无线电有时也被称为短波无线电。这两个术语代表的都是从3MHz至30MHz波段范围的无线电通信。“短波”的名字来自无线电波的波长。但从某种意义上说，这个名字有点名不副实，因为3MHz的无线电波长接近100米，即使是30MHz的无线电，波长也有十米。对大多数人来说，这一波长还是很长的。之所以把高频无线电又称为“短波”是因为在20世纪初无线广播的鼎盛时期，高频无线电的波长确实比长波和中波短得多。中波无线电的波长范围为300kHz至3MHz，波长对应为1000米至100米，长波通信使用低于300kHz的无线电，这意味着它的波长大于1000米。图一 高频/短波无线电的频段短波无线电的第一次应用发生在1923年6、7月间。无线电之父古列尔莫·马可尼（Guglielmo Marconi）与英国无线电领域先驱查尔斯·塞缪尔·富兰克林（Charles Samuel Franklin）一起，使用3MHz频率进行了一系列实验性无线电传输。这些试验是在英格兰西南部康沃尔郡的珀尔度（Poldhu）无线电站和马可尼位于4228.3公里之外西非沿海佛得角群岛的“爱丽特拉（Elettra）”号游艇之间进行的。1924年9月又进行了进一步实验，实验频率变成了12.4MHz。这次传输是在珀尔度和马可尼停泊在贝鲁特附近的游艇之间进行的。此前两个月，马可尼已经与英国邮政总局签订了合同，在伦敦与澳大利亚、加拿大、印度和南非之间提供短波电报服务。从此以后，短波通信进入了蓬勃发展阶段，直到上世纪50年代中期洲际海底电信电缆的兴起，以及由美国“轨道中继信号通信（Signal Communication by Orbit Relay Equipment，SCORE）”工程启动的卫星通信（SATCOM）——1958年12月18日，世界上第一颗专用通信卫星发射升空。图二 手绘的马可尼珀尔度无线电发报站，天线边长200米。图三 马可尼的“爱丽特拉”号游轮尽管海底电缆和SATCOM在各自领域取得了长足的进步，但高频通信至今仍在使用。例如，业余无线电爱好者使用高频频段的一部分与世界各地的同好进行通信。更为神秘的是，有一些所谓的“数字站”会通过高频波段自动广播一系列可以接收的数字。 这种传输被政府和情报机构用来与世界各地的情报人员进行编码通信。高频通信对军队也仍然具有吸引力，因为“一旦拥有高频无线电设备，您就可以以任何需要的方式部署它：便携式、固定式、车载式，使其具有高度的通用性。”与SATCOM相比，HF还具有很高的成本效益。前者需要专用的终端和天线，更不用说卫星本身，或者如果所涉国家没有自己的航天器，则需要租用卫星带宽。相对的HF通信的唯一开销是无线电本身。此外，高频无线电可以穿透丛林和树冠层，在这点上要胜过甚高频/超高频（VHF/UHF，30MHz至3GHz）通信。在森林和热带雨林这样标准传输难以有效通信的地区，HF通信是保持部队联系的唯一途径。不需要复杂基础设施的高频通信还让用户可以快速部署，以在发生自然灾害时迅速恢复受损的通信。当灾难发生后，能够迅速建立超视距通信可以挽救生命并加速清理工作。以亚太地区为例，大多数国家的土地面积很大，还有一些人口异常稠密的城市，很难用标准的商业或视距内无线电提供通信覆盖。HF通信对亚太地区的特种部队特别有吸引力。此外，它还被用于支持营，旅和师级的指挥和控制网络。菲律宾和巴基斯坦的军队就广泛使用L3哈里斯公司生产的AN/PRC-150C和RF-7800H-MP手持高频无线电台。图四 AN/PRC-150C高频无线电台图五 RF-7800H-MP高频无线电台高频通信的利弊HF为什么如此吸引人？ 简单而言，就是高频无线电波的电离层反射。电离层是从距地表60公里至1,000公里之间的大气层上层。这一带电粒子层不能被HF信号穿透，而是被反射回地球表面，从而使HF通信可以达到洲际距离。但是，高频通信也有它的缺点：一天中的不同时间对其的传输距离会产生影响。白天，在12MHz及以上频段比波长更长的频段传输的更远；晚上则正好相反。 电离层本身分为几层。最下面的D层高度在60和90公里之间。但它仅在白天，阳光将原子分解成自由电子和离子时存在。 太阳耀斑也会对高频通信产生影响。当太阳喷出的等离子体超出日冕时，会出现耀斑爆发现象。这些喷发产生的粒子可以穿透电离层，在地球北极和南极地区产生美丽的极光外，也会严重破坏高频通信。图六 地球电离层对高频无线电波的反射图七 电离层的示意图，注意最下方的D层只在白天存在HF的另一个缺点是与VHF/UHF相比，它可以承载的数据量（传输速率）有限。直到最近，高频无线电的数据传输速率可能仍未超过9.6Kbps。这与UHF通信可以承载的每秒兆比特（Mbps）的数据速率形成鲜明对比。巴雷特通信公司的HF无线电台在亚太地区一直销路良好，它的客户包括孟加拉国、斐济和印度尼西亚等国的武装部队。该公司表示，其HF收发报机易于使用和维修，且拥有具备竞争力的价格和灵活的培训选择。该公司将在2020年4月推出新的PRC-4090系列固定式、便携式和车载HF收发报机产品。新产品能够处理基于互联网协议（Internet Protocol，IP）的数据通信，并拥有易于使用的触摸屏和多种操作语言。图八 巴特雷公司的RPC-4090系列战术高频无线电台高频通信的复兴高频通信的优势也带来了该领域不断的技术创新。 在去年的DSEI展会期间，柯林斯航空航天（Collins Aerospace）公司展出了其新的URG-IV高频宽带无线电台。据称，它已接到了来自欧美军方用户的一些订单。过去，高频无线电的应用由于其带宽限制而受到影响。传统的高频无线电提供的典型带宽是3KHz。科林斯公司声称，URG-IV可提供高达48KHz的带宽。这使无线电能够实时传输IP数据，提供文件传输和视频处理应用。通过看似很小但仍然很重要的创新，这已经成为可能。列出高频无线调制解调器要求的美国国防部MIL-STD-188-110B标准为HF传输分配了24KHz的带宽。该带宽足以承载高达9.6Kbps的数据传输率。而北大西洋公约组织的STANAG 4539标准规定了高达200KHz的HF带宽。这使高频无线通信的吞吐量发生了很大的变化：如今，在良好的传播条件下，高频无限通信可以使用带宽48kHz的通信信道达到240Kbps的数据传输速率。图九 科林斯公司的URG-IV高频无线电台高频通信比其他通信更安全，并且更能抵抗干扰和拦截。首先，HF通信依赖于最低可用频率（Lowest Usable Frequency，LUF）和最大可用频率（Maximum Usable Frequency，MUF）的限制。LUF是在给定的时间段内，每月90％的天数都可提供理想信噪比的HF频率；MUF是可以在每月50％的天数进行电离层发射通信的最高HF频率。根据地点和季节的不同，LUF和MUF并非固定的。因此，HF通信必须适应当前的LUF / MUF条件。为了干扰HF通信，必须知道其对手计划使用的HF频率，干扰才有效。其次，尽管如MIL-STD-188-110B和STANAG 4539所规定的那样，可用的HF带宽已经增加，但是HF传输仍可以占据一个狭窄的频带。由于HF通信的距离较远，到达目的地时，它们的传输信号可能非常微弱，被电磁噪声所掩盖。这使得通信情报监听人员很难检测到感兴趣的信号。高频通信复兴的另一个原因是卫星通信的脆弱性。卫星通信正面临日益增长的硬杀伤和电子干扰的危险。使用地空导弹和杀手卫星对航天器造成的威胁正在日益扩散。2019年3月27日，印度国防研究与发展组织（Defense Research and Development Organization，DRDO）用DRDO PRV Mk.II地对空导弹进行了反卫星（Anti-Satellite，ASAT）武器的测试。在该测试中，导弹摧毁了DRDO的Microsat-R地球观测卫星。图十 印度在去年3月进行的反卫星实验同时，卫星通信也不断成为电子攻击的目标。据称，俄罗斯陆军装备的Protek公司R-330ZH “居民（Zhitel）”电子战系统能够干扰使用1.525GHz至1.646GHz波段的国际海事卫星和使用1.616GHz至1.626GHz波段的铱星。鉴于互联网情报的说法，该干扰器可以覆盖从100MHz至2GHz的波段，因此其他许多卫星通信系统也在干扰频段内。据信，俄罗斯已经在乌克兰和叙利亚战区使用了R-330ZH系统，并向伊朗出口。图十一 俄罗斯陆军装备的Protek公司R-330ZH “居民”电子战系统高频通信的新创新在过去的几十年中，HF通信已经发生了革命性的变化。 除了可用于高频军事通信的带宽大大扩展了以外，“自动链路建立（Automatic Link Establishment，ALE）”技术的出现极大地简化了其使用。ALE技术采用数字化方法来初始化和管理HF通信，即使在充满电子干扰的战场也可提供牢固的链接。这使HF更加安全可靠。法国泰雷兹（Thales）公司目前正在开发据称是世界上第一台认知高频无线电台。你可以把认知无线电台认为是可以感知其环境并根据观察到的情况做出相应反应的无线电收发器和通信网络。例如，如果高频无线电在特定频率上遭受了特别严重的干扰，而在另一个频率上却没有，该电台会把这一场景记录下来。将来当遭受类似干扰时，该无线电可能会自动切换到相似的未干扰频率，而不必通知操作人员。类似地，无线电设备可能能够通过学习知道作战区域内可用的HF带宽，从而适当地调整其传输速率。毋庸置疑，人工智能和机器学习是认知无线电技术的核心。图十二 ALE技术是高频无线电技术的一大创新泰雷兹公司开发了HF XL概念技术。HF XL技术可以让无线电台确定有多少高频带宽——这可能不是单个连续的频段，而是多个不连续的小带宽频带，并将这些离散频带合并成一个大的可用信道。这样，使得高频无线电台可以在任何传播条件下，不受HF频谱变化的影响，都能提供长期有效的高数据传输率、长距离HF链路。通过避免使用单个大带宽信道，而选择在多个信道上进行传输，可以更有效地保证通信的持续性，并且更不易受到干扰和干扰。北约目前正在进行HF XL协议的标准化。图十三 泰雷兹公司关于高频无线电通信网络的示意图稀星天外认为未来战场对于数据的需求将不断增长，HF技术也需要跟上，特别是对于高速传输波形的研究。尽管，高频/短波无线电台即将迎来其百年诞辰。但是，它依然具有马可尼和富兰克林在短波无线电初创时期同样的魅力，同时其特有的属性也继续显示出其持续扩展的潜力。