艦艇編隊CEC系統對抗策略研究*

王慶業 王 平 林 茜 孫 哲

(海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

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艦艇編隊CEC系統對抗策略研究*

王慶業 王 平 林 茜 孫 哲

(海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

協同作戰能力CEC系統是網絡中心戰的重要組成部分,該系統的運用極大地提高了美艦艇編隊的防空作戰能力。論文簡述了CEC系統的基本概念,對相控陣天線技術等CEC系統關鍵技術進行了介紹,重點分析了多方位飽和干擾等CEC系統對抗策略。

協同作戰能力; 關鍵技術; 系統對抗

Class Number E837

1 引言

美軍為了防御巡航導彈對其艦艇編隊的攻擊,提高艦艇編隊和海岸的防空能力,于上個世紀70年代提出了協同作戰能力(Cooperative Engagement Capability,CEC)概念[1]。其實質是通過戰場信息共享,采用多傳感器融合技術,在艦艇編隊各成員間共享實時探測信息、跟蹤信息、火控信息,提高艦艇編隊整體作戰能力。隨著CEC系統的功能在各型艦上的不斷拓展,尤其是CEC系統在E-2C預警機上的應用,使得艦艇編隊的防空作戰能力大幅度提升。在未來的海上作戰中,對抗CEC系統也必將會成為一個非常重要的課題。

2 CEC系統的概念

CEC系統協調和整合整個作戰系統中所有傳感器的信息,將其合成一個單一、實時的綜合航跡,并用于武器級防空作戰的信息支持。主要用于水面艦艇的防空作戰及艦艇的自我防衛,功能還可擴展到整個作戰區域對來自空中、陸地、海上的導彈防御。CEC系統由多個節點(稱為協同作戰單元CU)組成,每一個節點由協同作戰處理器(CEP)、數據分發系統(DDS,含其與艦艇武器系統的接口)組成。該網絡的核心是數據分發系統(DDS)。如圖1所示。

圖1 CEC系統網絡節點設備組成框圖[2]

2.1 協同作戰處理機(Cooperative Engagement Processor,CEP)

CEP用于跟蹤、處理主艦和系統內各節點提供的目標數據,通常與武器分系統的處理機相連接。每一個節點的CEP都要處理來自整個系統傳感器的數據,所以每個節點的CEP的處理能力也是一致的。這一功能目前是由30臺摩托羅拉68040處理器通過一個總線結構集成起來協同完成處理工作,且只有一個信息傳遞結構,這些結構封裝在一個機箱中。一般情況下,CEP直接與自身的傳感器對接,以保證本地探測數據能夠在極少的時間內傳輸到CEP。CEP還要與本地指控子系統對接,保證與本地作戰系統的行動協調。最后,CEP連接到武器子系統的計算機上,確保能夠及時地把精確的火控數據送到武器子系統上,指導協同作戰。

2.2 數據分發系統(Data Distribution System,DDS)

DDS在CEP的直接控制下進行操作,以保證對數據傳輸的控制和網絡的連通性。每一個DDS終端都使用相控陣天線,并與大功率行波管(TWT)發射機接口工作,工作頻段為C頻段。其主要功能是通過相控陣天線定向、窄波束、猝發傳送原始的傳感器信息,并在傳輸過程中應用了變頻、擴頻及冗余編碼等抗干擾措施,實現了將協同作戰處理器處理所需的目標信息(包括目標位置、航跡、綜合航跡、識別和協同攻擊等數據)在CEC網絡中可靠、高質量地傳輸。現階段,機載的DDS只裝備到了E-2C預警機上,更小、更輕、更廉價及更多樣式將是DDS下一步的發展趨勢,DDS也將隨之裝備更多的戰機。

CEC系統能夠使節點在自身雷達不能跟蹤來襲目標時,利用其他作戰平臺傳感器信息形成的合成航跡,向本地雷達提供精確的目標信息,幫助本地雷達對目標進行及時捕獲;或者直接利用遠程傳感器獲得的合成航跡,引導本地的武器系統對來襲目標進行攻擊[3];另外,CEC系統還能計算出合適的位置及整個艦艇編隊合適的武器系統對目標實施攻擊,避免了多平臺攻擊同一目標造成武器資源的浪費,同時對導彈采取多個平臺協同制導的方式,可以提高導彈的抗干擾能力及反隱身能力,提高導彈的打擊能力。

3 CEC系統的關鍵技術

3.1 相控陣天線技術

相控陣天線技術是CEC系統實現十兆級的傳輸速率、強抗干擾能力所必需的。相控陣天線是陣列天線中各單元上電磁能量的相位受專門的移相器控制的天線。絕大多數情況下移相器改變相位由波控裝置根據一定的程序來控制。移相器改變相位狀態的時間為微秒量級。根據各單元上不同的相位配置,可以使陣列天線的波束在一定的范圍內指向不同的方向或改變波束的形狀[4]。根據相控陣天線的特點,DDS相控陣天線能實現約30dB的增益。如果使用1000W的發射機,則CEC發射的等效輻射功率在1MW以上。而且,由于CEC系統的信息接收節點同樣采用相控陣天線,接收增益也會很高,這會大大降低接收機對于靈敏度的要求,同時也就大大降低了對于大功率干擾信號的敏感度。另外,相控陣天線采用了旁瓣對消技術,可大幅提高旁瓣的抗干擾性。但由文獻[5]可知,旁瓣對消技術的實現是有一定限度的,所以由此對相控陣進行對抗是可行的。

3.2 數據融合技術

數據融合技術是把來自各節點不同傳感器的數據加以關聯、合并,以獲得對目標的精確位置估計和身份判定,并形成統一的綜合防空圖像。由于CEC融合后的數據具有火控質量,能夠直接指導火控雷達對目標進行“盲打”,對于數據的實時性和精度要求很高,所以CEC系統對原始數據采用了集中式融合的方式。集中式融合結構相比于分布式融合的主要優勢是減少了數據處理的次數,進而就減少了計算時延、傳輸時延尤其是誤差的累積[6]。據美軍CEC系統實測數據,每個目標僅產生1.06個航跡(關聯率約94%),而LINK16則產生1.35個航跡,其他方式則要產生1.5個航跡。

3.3 高精度時空效準技術

高精度時空效準技術是滿足數據融合的需要。對來自網絡中各傳感器的不同精度,不同方位,不同時刻的數據進行融合,就必須要把這些數據統一到一致的空間坐標系和時間軸中。在時空校準過程中存在平臺移動、誤差累計、時鐘漂移等干擾因素,所以時空校準必須是時常進行的。現階段實現時空校準需要相對定位設備和通信設備,而要達到武器級精度的時空一致性,校準算法的工作量會比較大。CEC系統以后會將GPS定位應用到CEC系統的時空效準的解決方案中,這可以減小時空效準的難度,但也為干擾CEC系統提供了方法手段。

3.4 接口與互操作技術

CEC將系統網絡中的傳感器、武器、敵我識別器、指揮系統及傳輸設備緊密地鉸鏈在一起,這大大減少了從目標發現到對目標實施攻擊的時間。現在的問題是CEC系統相關聯的設備一般采購于不同的廠家,且設備之間沒有互聯互通的接口[7]。為此,CEC系統需要考慮以下接口和互操作技術：制定統一的接口及互操作的標準、如何在已有的設備上實現互聯互通、現在的解決方案能否適應未來接口的發展演變。CEC系統接口與互操作技術的發展,使得CEC系統的兼容性得到了提高,但也為對抗CEC系統提供了更多的“通道”。

4 CEC系統對抗策略

通過CEC系統關鍵技術的研究可以得出,CEC系統的安全性并不是無懈可擊,對抗方在對抗方面還是有所作為的。

4.1 多方位飽和干擾

相控陣天線的旁瓣對消技術采用輔助天線與主天線構成自適應陣,以抵消主天線接收到的干擾信號。其工作原理如圖2所示。

圖2 自適應旁瓣對消器

旁瓣對消后,雷達的方向圖表示為

f(θ)=WHα(θ)

式中W=[ω0,ω1,ω2,ω3,…,ωN]T,α(θ)=[G(θ),ejφ1(θ),ejφ2(θ),…,ejφN(θ)]T,G(θ)為主天線方向圖函數,φN(θ)(n=1,2,…,N)是干擾波以θ角入射時,輔助天線n信號相對主天線信號的相移,因此f(θ)也可以表示為

若要旁瓣對消陣同時對消從m個方向來的干擾信號,旁瓣對消后方向圖要在這m個方向上產生零點,就要滿足以下齊次方程式：

由上式可推斷,M≤N,上式有解,M>N,則無解。由此可知,當位于不同方向的干擾機數量超過對消陣中輔天線個數時,此時對消陣便會失去抗干擾能力[8]。

4.2 對重點節點進行攻擊

CEC系統的各節點在網絡中強調平等性,但在實戰中受空間自然因素的影響,也存在相對的重要節點。在沒有機載雷達的情況下,艦載雷達的探測視線受地球曲率影響,其最大視線探測距離R為

其中,hc為敵方目標的飛行高度(m);ha為艦載雷達天線架的高度(m)。

根據上式可以得出艦載雷達天線架高、敵方目標飛行高與雷達探測距離的關系如圖3所示。

圖3 艦載雷達探測距離與目標飛行高度及天線架高關系圖

如圖3可知,若反艦導彈以10m的高度(最小飛行高度可為7m)、2馬赫的速度攻擊艦艇,可以得出發現目標到目標擊毀艦艇的時間僅為51s。另外,從馬島海戰中“謝非爾德”導彈護衛艦及美國的“斯塔克”軍艦分別被“飛魚”空艦導彈擊沉的事件中表明,缺少預警機配合的艦艇編隊,對于超低空突防的反艦導彈是幾乎是沒有防御能力的[9]。

由此得知,艦載預警機對于CEC系統作用的充分發揮起著“核心節點”的作用。所以,可以利用激光武器、電磁脈沖彈、彈道導彈對艦載預警機進行攻擊,從而達到抑制CEC系統作用發揮的目的。

4.3 外圍傳感器干擾

美軍海上作戰幾乎都是艦艇編隊作戰,艦艇編隊作戰又都以航母為中心,并圍繞航母的安全進行體系布置。艦艇編隊的防御體系如圖4所示。艦艇編隊的探測和防御區域分為三部分。第一層為內防區(也稱點防區),距離航母0.1km～45km,此時航母主要依靠艦載的雷達進行防御探測;第二層為中防區,距離航母45km～185km,主要通過航母自身的中、遠程預警雷達及空中的預警機、偵察機獲取情報;第三層為外防區,距離航母距離185km～400km,主要通過外層艦只的雷達、空中的預警機和偵察機,以及軍用衛星提供情報。因此,針對遠程雷達精度低、易受干擾的特點,可以對偵察遠距離目標的雷達實施隱身、示假等對抗方法,以縮短CEC系統的預警時間[10]。

圖4 艦艇編隊對空防御任務分層示意圖

4.4 病毒攻擊

計算機病毒對抗是電子戰的一種表現形式。海灣戰爭中,美軍運用初級計算機病毒武器成功地攻擊了伊拉克的指揮中心,使伊方的防空網絡系統完全失去作用。計算機病毒對CEC系統的攻擊可以有多種方式,比如,可以通過電磁波將病毒傳入對方的無線通信系統,再通過電磁波將病毒激活;可以在設備研制期間人為的注入病毒;另外CEC系統與其他通用數據鏈留有接口,以后也將與GPS系統互聯,病毒可由這些接口注入。

4.5 主動申請干擾

CEC是一個開放式的網絡系統,新節點可以自由地向系統發起入網申請。所以干擾方可以模擬入網信號向系統最近的節點發起入網申請,在對CEC偵察的基礎上,若干擾方獲取了準確的CEC系統入網信息,干擾方將會作為一個新節點加入到系統中,進而對系統進行攻擊;若不能進入系統,干擾方也可以通過對CEC系統的某個節點持續發出入網申請,讓該節點疲于進行信息識別與身份驗證,從而達到影響其正常工作的目的。

5 結語

CEC系統的裝備使得艦艇編隊聯合作戰成為了現實,也使艦艇編隊的作戰能力成倍增長。CEC系統能夠綜合編隊各節點的作戰優勢,及時發現來襲目標并計算出最優化的攔截方案,CEC系統的操作人員甚至只負責系統的開關機和是否對目標進行攻擊就可以了。因此,對抗CEC系統將是未來海上作戰的重要內容之一。由于CEC系統具有強大的整體作戰性能,采用單一的對抗措施可能無法取得好的效果,隨著雷達探測、數據融合及處理技術的不斷發展,在對抗中應用多種對抗樣式,并采取網絡化、系統化的對抗方法,將會是對抗方的必然選擇。

[1] 喬明鋒,程衛兵,何昭然.CEC技術體制研究[J].信息通信,2012(5):20-22.

[2] 蔣盤林.基于網絡中心戰概念的CEC網絡[J].綜述,2007(2):39-46.

[3] 李軍.海軍協同交戰能力(CEC)分析[J].艦船電子工程,2011(5):25-37.

[4] 張光義,趙玉潔.相控陣雷達技術[M].北京:電子工業出版社,2006.

[5] 袁海杰.無源相控陣天線自適應波束算法優化及實現[D].西安:西安電子科技大學電子與通信工程系,2009.

[6] 詹克軍,史海濱.CEC數據鏈關鍵技術研究[J].技術研發,2011:108-109.

[7] 許銳,吳燕.TCN對CEC發展的影響[J].情報指揮控制系統與仿真技術,2003(9):27-30.

[8] 張忠磊,丁凡,曹陽.對“宙斯盾”相控陣雷達的干擾方法研究[J].艦船電子工程,2011,31(6):97-100.

[9] 嚴永鋒,王小軍.海上編隊對空防御作戰能力研究[J].艦船電子工程,2012,32(5):15-21.

[10] 龔亮亮,羅景青.艦隊CEC系統的對抗方法研究[J].現代防御技術,2007(5):42-44.

Counter Measures of Cooperative Engagement Capability for Surface Warship Formation

WANG Qingye WANG Ping LIN Qian SUN Zhe

(Collage of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

Cooperative Engagement Capability(CEC) system plays an important role in network centric operation. The equipment of system geatly improves the ability of surface warship formation’s air defense. This article summarizes the basic concept of the CEC system, introduces phased array antenna and other CEC system’s key technologies, emphatically presents multi-faceted saturated interference and other ways about how to counter CEC system.

cooperative engagement capability(CEC), key technologies, system counter

2014年7月2日,

2014年8月25日 基金項目:海軍工程大學社科基金項目(編號:HGDSK2013E28)資助。

王慶業,男,碩士研究生,研究方向:通信與信息系統。王平,男,副教授,研究方向:信息對抗。林茜,女,講師,研究方向:復雜系統建模與仿真。孫哲,男,碩士研究生,研究方向:海光纜通信。

E837

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.009