賽博空間下艦船電子信息技術研究

王 建，高 涌，李繼躍，楊春英，黃孝鵬，4，宋榮貴，左艷軍

(1.中國船舶重工集團公司第七二四研究所，江蘇 南京211106;2.中國船舶重工集團公司，北京100097;3.中國艦船研究院，北京100192;4.海軍裝備研究院，北京100161;5.中國船舶重工集團公司第七一四研究所，北京100012)

0 引 言

賽博空間主要由電磁頻譜、電子系統和網絡化基礎設施三部分組成，其特點主要包括以下幾個方面:人工創造的空間;不穩定性;無界性;高速性。電磁頻譜涵蓋現有雷達、通信等各類電子產品使用的頻率，電子系統包括計算機系統、片上微系統和嵌入式系統等，網絡化基礎設施包括因特網、無線通信網、電力網、專用網、戰地指控網、工業控制網和無線傳感器網等。賽博空間(Cyberspace)實質就是網絡與電磁空間，賽博空間是隨著網絡技術的迅速發展以及互聯網的普及應用逐步形成，其間經歷了計算機網絡空間、電磁與網絡融合空間、廣義賽博空間3 個發展階段，如圖1所示。

目前，賽博空間已成為在海陸空天之外的第五維空間作戰領域，具有顯著的戰略意義。加快發展基于賽博空間的具有戰略意義的賽博對抗體系與裝備系統技術，可有效降低網絡電磁空間給社會和國家安全帶來的潛在威脅和風險，已成為需要迫切研究和解決的重要技術問題和引領電子信息裝備技術發展的方向。

圖1 賽博空間演化發展Fig.1 The evolntion and develvdment of cyberspace

目前，我國在賽博空間和賽博戰領域的研究剛剛起步，和發達國家相比存在相當大的差距，難以適應未來第五維空間賽博對抗作戰的發展需求，迫切需要系統開展賽博空間和賽博對抗技術的深化研究，以提高海上全空域信息作戰的能力、推動未來裝備的發展。

1 國內外研究現狀分析

1.1 國外發展

賽博空間作戰將改變21世紀的戰爭，美軍已將是否能夠主宰賽博空間上升到關系國家安全的戰略地位?？傮w來說，國際上對賽博空間相關技術領域的研究始于近期，并投入了大量的人力、物力和財力。對賽博態勢感知、賽博網絡戰、賽博戰、賽博支持研究較多，在利用賽博空間、控制賽博空間和建立賽博空間方面的實踐經驗較多，其得益于美軍在信息基礎設施建設、電磁頻譜、電子戰等方面的雄厚積累以及對頂層規范和能力建設的重視。統一規劃，統一設計，從而形成了較為成熟的裝備技術，為賽博空間的發展奠定了良好的基礎。

美國是第1 個建設和使用因特網的國家，也是第1 個提出賽博空間和賽博戰概念的國家。對政府和軍方決策產生重要影響的一些智庫、研究機構和大學早在20世紀90年代初，就開始高度關注賽博空間和賽博戰的研究。從研究的深度、廣度和應用實施看，美國始終領先世界各國［1-3］。美英學者所在的研究機構都是美英著名的智庫、研究所、大學和軍火公司，研究內容非常廣泛。不少研究是美國政府安全部門和軍方資助的。美歐賽博空間安全戰略和一系列政策，基本是都是以這些研究結果作為支撐的。美國海軍又成立了艦隊賽博司令部作為針對信號情報、電子戰、信息作戰，情報，信息技術，網絡和空間科學的職能司令部，主要任務是指導防御中的賽博作戰，支援作戰部隊實施威懾、擊退侵犯、保證行動自由。美國艦隊賽博司令部的作戰重點是使美國海軍具備快速應對網絡威脅能力，保持信息優勢。美國在研的賽博戰裝備如表1所示。

在賽博空間項目計劃方面，美軍有“愛因斯坦”計劃、“賽博空間基因組”計劃、“國家網絡電磁靶場”項目、代號為“De VenCI”的“國防部催化探險倡議”計劃、 “網絡電磁進攻作戰優勢及支撐技術”計劃等。

表1 美軍主要發展的裝備Tab.1 The main developing militavy equiphcent of USA

實際上，不僅僅是美國，俄羅斯、德國、法國、日本等國家也都將發展賽博戰能力提高到了一個新的高度。例如，北約成立賽博防御中心，出臺新的賽博防御政策，并決定成立賽博快速反應部隊。德國將組建賽博戰部隊。法國為加強賽博空間作戰能力，成立新的信息系統安全局，專門負責預防和應對賽博攻擊。另外，英國政府發布了首版《國家賽博安全戰略》，宣布成立賽博安全辦公室和賽博安全行動中心。韓國也成立賽博戰指揮中心。印度組建了陸?？杖娐摵嫌嬎銠C應急分隊，日本組建了一支主要由計算機專家組成的賽博戰部隊。但從目前的資料看，這些國家和地區的賽博行動主要集中在傳統以互聯網為代表的網絡空間內。

1.2 國內現狀

由于國際上賽博空間相關技術研究工作的開始時間也不長，我國對賽博空間技術的研究還處在起步階段，對海上編隊賽博空間攻防態勢的感知、生成、分發和顯示技術，海戰場賽博作戰指揮控制技術，以及海戰場賽博空間安全防御技術等都缺乏足夠的研究與分析。

從網上公開檢索到的文獻看，我國參與研究賽博空間和賽博戰的單位主要有科研院所、高校、部分智庫和其他一些單位［4-8］。國內部分科研院所的研究人員在賽博空間相關技術研究方面開展了一些探討，比較有代表性的如童志鵬院士等專家帶領的團隊在該領域的跟蹤和研究。其他單位開展的研究工作主要是圍繞入侵檢測、網絡監控、網絡應急響應、網絡安全預警、網絡安全評估等方面開展的，這為開展網絡安全態勢感知研究奠定了一定的基礎。

目前國內研究的范圍不夠寬，深度不夠深，層次不夠高，研究的需求背景不夠明確，多數文獻主要是跟蹤國外研究，在逐步的消化、吸收以美軍為代表的賽博空間的概念、體系及作戰能力等理論?？偟膩碚f，我國對賽博空間安全的重要性認識還沒有達到西方國家的水平，在賽博空間和賽博戰方面的研究相比美國等西方發達國家還比較落后，信息和通信基礎設施規模龐大但水平和質量都還有限，賽博戰能力還不強。

運用Denavit-Hartenberg參數方法建立關節機械手的連桿坐標系如圖2。其中，x0y0z0為它的基坐標系，基坐標系原點位于第一關節的軸線與底座的交點處，x6y6z6為它的工具坐標系(手端，不計入機械手自由度)。

1.3 主要差距分析

如何利用各種信息化手段保證賽博空間防御性對抗作戰和攻擊性對抗作戰的高效性是軍事領域的研究重點和熱點問題。從美軍的研究現狀分析，發展賽博空間作戰指揮控制和安全防御技術已成為重點研究方向。針對作戰需求，在相關技術研究上缺乏海戰場賽博空間作戰攻防態勢信息集成系統體系規范、缺乏有效的海戰場賽博空間作戰態勢感知能力、缺乏海戰場賽博空間作戰安全防御能力、缺乏安全有效的賽博空間導航定位技術手段，如圖2所示。

圖2 主要差距Fig.2 The main difference

1.4 發展趨勢

賽博戰引起的軍事作戰理念、信息對抗手段、預警探測系統技術、艦船導航技術的改變，如圖3所示。

2 賽博空間對艦船電子技術發展和裝備形態變化的影響

2.1 賽博空間作戰對指揮決策提出的新挑戰

海上網絡戰、電子戰、電磁頻譜作戰已經成為賽博空間的重要作戰要素。由于未來戰爭性質的變化，賽博態勢感知變得更加復雜和活躍，賽博態勢感知的建立和維持將面臨巨大挑戰。同時針對海戰場賽博空間作戰的高速性，要求建立相應的指揮控制技術來達到高效指揮的需求，另外針對海戰場賽博空間作戰環境的復雜性，需要建設安全完備的安全防御體系保護己方賽博空間資源的安全可靠;針對整個作戰流程，需要建立相應的效能評估方案體系將對作戰方案的更新改進做出重要指示作用;并需要從4 個方面轉變作戰指揮理念:確立動態化的疆界觀念;構建全球化的戰略布勢;樹立軟性化的打擊意識;建立常備化的網防機制。

為了適應賽博空間作戰，指揮控制系統應在現有情報編輯臺、戰術指揮臺、武器控制臺等組成的基礎上，加強電磁偵察的測向、測頻能力，提高指揮控制系統對情報的綜合分析、判斷及識別能力，提升導彈、武器和電子干擾的協同控制能力。因此指揮控制系統需要從以下幾個方面開展技術研究:1)賽博空間態勢感知技術;2)賽博空間可視化技術;3)賽博空間電子戰作戰指揮控制技術;4)電磁輻射源的協同管理技術;5)網絡電磁安全技術。

圖3 發展趨勢Fig.3 The main trend

2.2 賽博空間對雷達預警探測技術提出的新挑戰

為適應海戰場賽博空間作戰對預警探測能力需求的變化，未來的雷達預警探測系統必須在復雜的電磁頻譜環境下，面對高密度強干擾和多目標飽和攻擊，強實時地探測與識別目標，有效完成各種態勢感知、目標探測跟蹤監視、武器系統引導控制等復雜的作戰使命，這對傳統海戰場雷達預警探測系統裝備的技術體制、技術實現手段、作戰使用模式、作戰效能等提出了全新的挑戰。

預警探測是戰略防御的首要條件［9］。雷達預警探測系統直接影響到探測、判斷、決策、行動和整個軍事行動的全過程。雷達預警探測技術的發展取決于軍事能力的需求(如探測隱身飛機、彈道導彈、巡航導彈等)和新技術突破的推動(如固態發射器件、超高速集成電路等)。雷達作為最重要的戰場環境感知傳感器，在賽博空間下，其裝備形態和技術實現途徑將發生根本的變化。賽博空間帶來的時空壓縮和信息空間膨脹，對雷達預警探測系統帶來了新的挑戰和機遇。

為適應賽博空間作戰能力需求變化，傳統的雷達預警探測系統體系架構、技術實現途徑將被徹底顛覆，在賽博空間技術發展的支撐下，利用功能強大的無線網絡和先進的信息感知、超級運算處理、海量數據分析處理技術，形成網絡化、分布式、多功能一體化、智能化、軟件化、可計算雷達系統，滿足強實時、多任務、全域感知、全時空監測需求和全球打擊能力的作戰需求，將成為未來雷達預警探測系統的主要發展方向。

2.3 賽博空間對通信提出的新挑戰

海戰場通信是一個能覆蓋戰區范圍并能提供一種靈活通用的公共操作環境的信息傳輸平臺和信息處理平臺，同時也是鏈接各指揮中心與傳感器和武器系統高效運轉的信息傳送網絡。通信的復雜性和多樣性主要表現在:作戰平臺類型多，涵蓋岸海空(天)潛各類平臺，機動性強，活動空間廣闊，要求的通信覆蓋范圍大;工作環境惡劣，要求設備可靠性高;業務類型和通信手段較多，通信頻段寬，設備技術復雜，通信組織和保障難度大。

通信必須滿足新時期的新要求，同時必須合理、科學應對賽博戰在通信的可靠性、安全性和通信對抗的有效性、通信體系的合理性及通信的未來發展等方面提出的新挑戰。賽博戰的最終勝利，在很大程度取決于保底通信手段的優劣。應對賽博空間技術的發展，需要大力發展軟件無線電、認知無線電等新型通信技術，提高未來通信系統的智能化水平。

2.4 賽博空間態勢感知對作戰指揮情報系統提出的新挑戰

賽博空間的態勢感知是指由賽博空間中所有電子設備和電子系統的運行狀況、設備行為以及用戶行為等因素所構成的整體安全狀態和變化趨勢。

對賽博空間態勢的全域感知和處理能力，對未來的作戰指揮情報系統提出了嚴峻的挑戰。首先，態勢感知的數據來源更加豐富，賽博空間中的目標(電磁目標和網絡目標)信息還包括有結構信息、服務信息、入侵信息、脆弱性信息、電磁頻譜信息、電子系統設備信息、電子系統參數信息等等;其次，態勢要素的分析要加復雜，不能僅局限于單一安全要素的分析，應該包括保密性、完整性和可用性的分析;再者，感知流程要更加規范，為保證賽博空間態勢感知實時準確性，所采用的框架要盡量簡單，要偵察和監視網絡中的信息流，包括其內容、目的及危險程度;最后，態勢預測更加復雜，要能對各方賽博能力和賽博空間漏洞進行評估，并支持對不同的評估結果預測其發展趨勢和其賽博作戰意圖，滿足從和平時期到大規模戰斗行動期間賽博域內各領域的作戰需求。因此迫切需要對賽博空間態勢感知技術進行深入研究。

3 賽博空間下艦船電子信息關鍵技術

3.1 賽博空間作戰態勢分析技術

對海戰場賽博空間中的電磁頻譜、電子系統以及網絡化基礎設施的單獨態勢和綜合態勢進行研究是海戰場賽博指揮控制與防御中的關鍵技術之一。海戰場賽博作戰態勢感知與分析技術思路如圖4所示，該技術研究首先針對海戰場賽博環境確定研究對象、產生感知數據源，其數據源包括海戰場中的艦載網絡、通信系統、導航系統、雷達、電磁對抗設備、電子戰設備等。其次獲取賽博元素狀態并理解其效果，為態勢生成和評估提供數據支持，提煉影響評估的屬性信息。再次研究各種不同賽博元素態勢之間存在的聯系和影響，評估關聯各賽博元素的內在因素，分析其威脅、影響及發生的可能性，研究態勢與態勢之間、態勢與武器系統、戰場環境等的影響。最后通過以構件化技術和態勢生成模板技術為支撐，以信息融合技術為手段，將海戰場賽博攻防態勢感知信息和評估信息進行集中處理并集成展示。

圖4 賽博作戰勢感知技術思路Fig.4 The situational awareness technplogy roadmap of Cyber ware fare

其主要研究內容包括:1)賽博空間態勢感知體系框架研究，涵蓋賽博空間態勢感知要素、感知類型、感知流程等內容;2)賽博空間態勢感知生成模型研究，涵蓋態勢感知生成機理、態勢感知生成方法、態勢要素知識表示方法、態勢要素聚合技術等內容;3)態勢信息集成技術;4)網絡態勢分析技術;5)綜合態勢集成技術。

3.2 賽博空間信息感知系統技術

海戰場作戰目標分布遍及外層空間(衛星和彈道導彈)、大氣層內空間(飛機、巡航導彈、低空及掠海導彈)、水面艦艇、岸基和水下潛艇整個空間，探測環境變得越來越復雜。為滿足復雜環境探測感知的需求，使用多傳感器、多手段協同探測的方式，通過海戰場復雜環境電磁信號的獲取、監測、理解、定位、特征分析、評估等技術，對能夠引起感知變化的所有環境要素預測其發展趨勢，并具備對目標特征發生變化時的自適應感知能力。主要研究內容包括:1)賽博空間復雜環境信息感知技術;2)賽博空間多源感知信息融合技術;3)賽博空間綜合信息感知體系構建技術。

先進多功能綜合射頻系統將成為構建適應賽博空間立體化、信息化作戰需求，可實時重構、可計算的網絡化、協同化綜合信息感知體系的基礎系統平臺。智能化的寬帶無線網絡、分布式智能化傳感器單元、具有超級運算能力的遠程云計算服務平臺、先進的海量大數據綜合分析處理技術、智能化資源調度與協同控制技術、可動態實時重構的虛擬化“可計算”電子信息系統技術，將成為發展全新形態的賽博空間電子信息系統裝備的重要支撐技術。

3.3 賽博空間通信及對抗技術

必須具有能夠完成一切遠、中、近距離通信的能力，可以為一切岸上、海上、空中和水下提供足夠多的、性能穩定可靠的通信線路，并且要求擁有能夠抗一切惡劣環境的通信方式和手段，能夠抵御較強電磁干擾和破壞。主要包括海陸空天潛一體化信息傳輸、通信體系結構與仿真驗證、通信及網絡安全、認知無線電、定向網通信、通信與通信對抗一體化、網絡對抗、數據鏈對抗等技術。

3.4 賽博空間作戰指揮控制技術

由于海戰場賽博空間作戰場景的復雜多樣性，產生了實現海戰場網絡電磁空間多種攻防任務的復雜需求，因此研究高效可靠的海戰場賽博空間作戰指揮控制技術將成為海戰場賽博空間關鍵技術之一。在海戰場賽博空間網絡電磁態勢感知和分析的基礎上，針對海戰場網絡電磁空間環境的特殊性和復雜性，需要研究相應高效可靠的賽博空間對抗指揮控制技術來完成海戰場復雜環境下的具體網絡電磁空間攻防任務。主要包括海戰場賽博作戰行動方案決策、海戰場賽博作戰信息顯示與交互、海戰場賽博作戰攻防行動控制、海戰場賽博作戰資源管理與控制等技術，它們有機結合成一個整體，共同實現賽博空間指揮控制技術，如圖5所示。

圖5 海戰場賽博空間作戰指揮控制技術Fig.5 The Cyberspace operational command and gntrol fechnology in sea battle

3.5 賽博空間作戰效能評估技術

由于海戰場賽博空間組成的復雜，海戰場賽博作戰的有效性難以估計，通過海戰場賽博作戰效能評估技術研究，建立海戰場賽博作戰效能評估體系，以精確可靠的分析海戰場賽博作戰的效能，檢驗海戰場賽博作戰效果，保證作戰任務的完成。海戰場賽博作戰效能評估技術研究是海戰場賽博指揮與防御中的關鍵技術之一。

海戰場賽博作戰效能評估過程如圖6所示。主要包括賽博態勢評估、海戰場賽博作戰效能指標體系構建、基于指標關系的賽博作戰效能評估、基于賽博效果的建模與仿真系統效能評估等技術。

圖6 海戰場賽博作戰效能評估過程Fig.6 The Cyber opevational effectiveness evaluation process in sea battle

3.6 賽博空間可視化技術

賽博空間信息具有存在的透明性(安全)、傳播的裂變性(失真、丟包)、真偽的混雜性(虛假信息)、網控的滯后性(帶寬、反應速度)等特點。如何通過可視化的方式將賽博空間中不可見的(電磁環境、網絡狀況)和可見的(實體作戰單元、計算機網絡、戰場感知單元)客觀存在科學、直觀、形象的加以描述，綜合采用多種形式和豐富的手段來完整、全面、準確、及時地展現賽博空間的狀況，是一個非常值得研究的問題。不論從提高對戰場信息的認知、分析能力，為作戰決策提供依據，還是充分發揮作戰指揮效能的角度出發，賽博空間可視化都是高技術條件下指揮員的迫切需要，更是虛擬戰場發展的必然要求，必將成為未來作戰的必備能力。

主要研究內容包括賽博空間可視化要素、賽博空間可視化模型構建、基于知識的人機交互技術、海戰場賽博作戰演示驗證環境搭建技術等。

4 啟示與建議

綜合分析國內外賽博空間技術及其裝備技術發展的現狀和趨勢，啟示和建議如下:1)加快研究建立適應賽博空間與賽博對抗技術發展的艦船電子信息體系規范;2)加快艦船電子信息領域賽博空間與賽博對抗共性基礎技術研究，包括先進多功能綜合射頻系統、實時重構的虛擬化可計算綜合信息系統、智能化的寬帶無線網絡、具有超級運算能力的遠程云計算服務平臺、先進的海量大數據綜合分析處理、智能化資源調度與協同控制、遠程分布式節點智能化協同、復雜電磁環境智能化感知與自適應、電子信息系統賽博對抗安全防護等技術［10］;3)深入研究賽博空間信息戰作戰指揮體系;4)加快發展適應賽博戰需求的艦船導航新技術;5)構建適應賽博攻防的通信體系結構、通信安全結構;6)加強預警探測系統的賽博攻防能力;7)強化賽博空間及賽博對抗理論及體系建設;8)強化賽博空間與賽博對抗技術研究的相關管理能力。

5 結 語

從艦船電子領域賽博對抗作戰技術角度，研究了適應和滿足未來賽博空間戰的艦船電子技術發展需求與挑戰，分析了賽博空間國內外發展現狀，重點針對海上賽博空間作戰技術與裝備的未來發展趨勢，賽博空間戰技術發展必將深刻地改變雷達、通信、電子對抗、指火控、導航等艦船電子信息系統技術實現途徑和未來裝備的形態。分析提出了各艦船電子專業領域為應對賽博空間技術挑戰需加快發展的技術重點方向與核心關鍵技術，并提出了適應未來賽博空間戰的具體發展思路和發展建議。為加快賽博空間與賽博對抗技術在海上艦船電子信息技術領域的應用，促進相關領域全新體系架構的系統技術發展與新的裝備形態、技術實現途徑的形成，提供了重要的發展思路和技術支撐。

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