反導預警作戰信息協同交互方法研究

肉孜麥麥提，王樹文，吳 昊

(空軍預警學院，湖北 武漢 430019)

0 引 言

隨著導彈技術的迅速發展及其在近幾次局部戰爭中的成功運用，彈道導彈已經成為對防空體系最具威脅的一種空襲武器。由于彈道導彈具有飛行速度快、探測識別難、突防能力強等特性，因此如何加速構建完善的反導預警體系，對彈道導彈實施高效的預警探測和跟蹤，提供及時準確連續穩定的預警情報，不僅是準確打擊的前提和基礎，也對整個防空反導作戰的成敗具有重要、關鍵性的意義[1]。

反導預警是國家安全的重要保障，是國家戰略防御和戰略威懾的重要支撐，是軍隊體系作戰能力的重要基礎。反導預警信息協同交互是反導預警的核心要素，為適應未來聯合作戰需要、建立完善的反導預警情報系統，優化反導預警作戰信息協同交互是無法繞過的重要課題。信息的協同交互是不同信息源之間、信息源與作戰部隊之間、信息源與指揮機構之間的聯系紐帶。紐帶的質量直接關乎各作戰單位戰斗效能的發揮，關乎整個反導預警作戰的成敗。因此，研究反導預警作戰信息協同交互是迫切需要的。

1 反導預警作戰信息協同交互特點

反導預警是對來襲彈道導彈的探測、發現和預報。由于彈道導彈射程遠、飛行速度快、殺傷力大和防御困難，所以反導預警就顯得尤為重要。反導預警力量是戰略預警力量的主體，由地基反導預警力量、海基反導預警力量、天(空)基反導預警力量組成，其骨干裝備包括紅外預警衛星、天波超視距雷達、遠程預警相控陣雷達、地(海)基多功能相控陣雷達[2]。在作戰實施過程中，需要根據各力量的裝備性能和部署地域分配反導預警作戰任務，使各力量所在部隊之間信息在時間和空間上進行協同交互，并組織好各力量之間的情報傳輸和處理工作。

反導預警作戰信息協同是指在反導預警作戰任務的驅動下，反導預警作戰中根據情報用戶需求與認知特征，采用相應的技術和設施，以實現預警情報的價值延伸和創新性增值的過程中形成的關系。在情報用戶與情報源間、情報源與情報源間采用多種媒介進行多向積極的異地、實時溝通或系列活動，進而正面影響情報用戶的實踐、行動和決策。

1.1 預警力量構成多元，信息協同復雜度高

反導預警作戰的特點決定了預警力量構成復雜，既包括天基預警偵察衛星，也包括各種地(海)基預警監視裝備，具有力量構成多元、部署分散、種類繁多的特點，不可避免地使反導預警信息協同呈現多元制約性，情報共享關系復雜，具有突出的不穩定性。反導預警情報收集廣泛，情報源類型各異，情報獲取技術機理也不同，有來自各種型號雷達獲取的雷達數據情報業務，有通過對普通航空照片、紅外傳感器、激光、光電技術和雷達傳感器等收集發掘而獲得的圖像情報業務，還有來自各類數據鏈的語音、報文業務，因此戰略預警情報傳輸涉及數據、報文、語音、圖像、視頻等多種業務類型。

在各類傳輸業務中，有高數據率的高清圖像信息，有低數據率的數據信息，還有對傳輸帶寬要求不高的控制、狀態信息等。例如，各類成像型偵察設備獲取的高清圖像信息，數據率為100～300 Mbit/s，最高可達kMbit/s量級。電子偵察衛星、導彈預警衛星、海洋監視衛星等獲取的偵察或監視信息，數據率通常在1～10 Mbit/s量級以上[3]。

1.2 信息協同距離遠，協同區域跨度大

反導預警的目的是盡早、盡遠地發現并跟蹤彈道導彈目標，因此反導預警裝備往往都“站得高，看得遠”，通常分布在陸地、海面(水下)、空中甚至太空，所獲取的反導預警情報要走過“千山萬水”才能到達目的地，往往情報傳輸距離遠、區域跨度大。

另外，空基預警監視系統(比如空中預警機)，通常利用其機動性強的特點，在遠離己方的空域發現與跟蹤目標，尤其是在遠離本土或海岸線、己方地面雷達網不能覆蓋到的作戰區域執行任務，因此情報傳輸跨越幾百、上千甚至上萬千米。而反導預警系統中的紅外預警探測衛星所獲取的預警情報信息需要經過天地之間的長距離無線傳輸才能進入情報中心，而且傳輸過程中的地理條件變化也非常大[4]。

1.3 戰場狀態變化快，信息協同實時性要求高

“贏得時間，爭取主動”是信息化條件下軍事行動的基本要求和重要保證。信息化條件下的局部戰爭，為達成戰略目的，有效控制戰局，防止外界介入，大多采取“閃電”行動，迅即反應，速決制勝；作為進攻性作戰，彈道導彈打擊發起十分突然，攻防節奏很快，反導預警必須把握有利時機，爭取盡快盡早發現，精確跟蹤和識別，準確計算攔截時間窗口，并將彈頭跟蹤識別信息發送至攔截武器系統，為反導攔截作戰提供及時、準確、穩定的預警情報信息。這就要求反導預警必須建立在順暢的信息協同關系之上，采取靈活多樣的信息協同方法，確保反導預警信息協同實時高效。

1.4 預警時間緊迫，信息處理要求高

信息處理與分析是反導預警中的重要環節，是反導預警“大情報”和“大處理”特征的具體體現。可以說情報處理是保證反導預警情報價值得到最終體現的關鍵。信息處理的特點概括起來有5點，即需求性、時效性、準確性、連續性、完整性。

情報要素是構成反導預警情報的主要因素，是衡量其情報質量的重要依據。情報要素越齊全、越完整，內容越具體，情報質量就越高，其價值就越大。

2 反導預警作戰信息協同需求

反導預警作戰信息協同需求主要是指為提高反導作戰過程中對敵方導彈的攔截率，各情報作戰單位之間協同過程所應具備的能力。反導預警作戰體系著眼于戰略級、戰術級導彈防御，依托天基預警衛星、地基遠程預警雷達、地基多功能雷達、海基防空反導雷達，為彈道導彈攔截提供助推段、中段和末段的多層次信息保障。

彈道導彈在初始段、中段和末段各飛行階段的目標特性有所不同，反導預警使用不同探測機理和功能的裝備分別完成初始段、中段和末段預警任務。處于初始段的彈道導彈有著顯著的紅外特性，較容易被發現，同時在初始段實施攔截也是反導作戰的最理想方式，即將反導作戰造成的危害留給敵方；因此，初始段反導預警系統除實現對彈道導彈的初始段發現外，還擔負著引導攔截火力實施初始段攔截的任務。

初始段反導預警系統以高軌紅外預警衛星為主要裝備，以天波超視距雷達、天基雷達和空基預警手段為輔助。彈道導彈在中段飛行時間長，且飛行空域高，攔截成功后不易造成次生災害，是最有利于攔截的階段，也是反導預警系統連續跟蹤、精確識別和攔截引導的關鍵階段。中斷反導預警的主要任務是連續監視和跟蹤中段飛行的來襲彈道導彈目標，識別真假彈頭和誘餌，獲取彈道導彈軌跡參數，為攔截火力提供目標指示信息，對攔截殺傷效果進行評估，為實施二次攔截提供決策依據。中斷反導預警系統主要包括地(海)基中段反導預警裝備和天基中段反導預警裝備。

末段是彈道導彈飛行的最后階段，也是實施反導攔截的最后時機。這一階段，彈道導彈重返大氣層，速度快，留給攔截作戰的時間有限，要求預警情報與攔截火力一體化運用。因此，末段反導預警以地(海)基多功能相控陣雷達為主，為指揮控制系統提供反導預警和決策評估信息；反導作戰依托攔截武器系統制導雷達提供的制導信息實施攔截。反導預警過程中各階段各作戰力量、指揮所、中心系統之間的協同關系如圖1所示。

2.1 信息協同過程中的時空同步與一致性問題

在戰場環境中，不同作戰單元、不同信息系統之間的信息協同交互要確保時空同步和一致性，簡單講就是使各個單位獲取情報的時間軸吻合起來，從而才能進行準確的信息融合預處理，形成完整可靠的戰場態勢，為指揮員的指揮決策活動提供有力保障。

但由于存在系統的異構性、信息獲取機理不同、信息處理方法各異、信息流轉效率不高等原因，導致分布式信息協同交互難以確保時空同步和一致，嚴重時會導致信息內容存在沖突或錯誤，導致無法對已有信息進行有效的匯總，對后續的信息處理、指揮決策帶來了障礙，極大影響了指揮和作戰行動的準確性和效果。

2.2 情報質量需求

隨著反導預警情報的建設和發展，大量先進電子偵察監視技術和手段的運用，使情報獲取的能力大大加強，戰場感知能力持續提升。一個從聲頻、光頻到電頻，從水上、地面、空中到太空的全頻譜、全方位、全時空的反導預警情報偵察監視體系將出現在戰場上。反導預警情報手段的建設必然會帶來情報種類和情報數量的劇增，如果不區分用戶需求，而是直接提供給用戶，“情報信息泛濫”將不可避免。

2.3 情報保障方式需求

由于信息化戰爭是以信息化條件為支撐的一體化聯合作戰，是由諸軍兵種、多種力量、軍民一體進行的作戰，戰場情報保障對戰爭的勝負乃至戰爭的成敗有著重要影響。因此，參戰的所有力量都需要情報支撐。基于信息化戰爭的特點，眾多的情報用戶面對浩如煙海的情報信息而無情報可用，其結果就是“用戶情報缺乏”。

反導預警情報用戶的情報需求與情報保障能力之間的矛盾將長期存在。反導預警情報保障不但要向最高作戰指揮機構提供情報，而且各個預警作戰單位之間還要進行情報的協同，以實現情報信息的高效應用，從而提高反導預警作戰體系的整體作戰實力，縮短導彈目標發現、判斷、上報時間，提高導彈的攔截效率。

面對如此眾多的情報作戰單元，如果依然采用傳統的情報協同方式，必將導致眾多情報用戶的個性需求得不到滿足。因此，必須更新情報協同保障觀念，以情報服務的思想為眾多的情報用戶提供可靠的情報保障。也就是要針對不同需求的情報用戶，合理組織和調度各種情報資源，平衡不同用戶情報需求側重點，最大限度地解決情報用戶個性需求的情報缺乏難題[5]。

2.4 針對用戶多樣化的需求

用戶眾多、需求各異是由信息化條件下多種力量聯合作戰和戰場情報信息的重要作用決定的。通常彈道導彈防御系統按攔截時機的不同可將彈道導彈防御系統分為三大類：助推段攔截系統、中段攔截系統、末段攔截系統。

圖1 反導預警體系協同關系圖

各個攔截階段情報用戶對反導預警情報需求也各不相同，結合自身部隊作戰任務及部隊裝備探測性能，對彈道導彈不同時段的坐標、航向、高度等信息有著不同要求。這就要求作戰管理指揮控制通信系統將各個預警偵察部隊之間、預警偵察部隊與導彈攔截部隊之間直接連接起來，確保情報的直接傳遞，從而提高作戰效能，實現對彈道導彈的預警、偵察、攔截。

信息化戰爭的特點預告了戰爭中情報用戶及其需求狀況，同時也讓我們看到了信息化條件下多種力量聯合作戰情報保障的艱巨性。面對“生產”帶來的“情報信息泛濫”和戰爭中情報用戶的“情報缺乏”，反導預警情報服務必須深入研究對多情報用戶的保障模式，在努力提高情報保障技術水準的同時，還應采取有效措施，力求以服務的思想對重要情報用戶實施按需分發、精確保障。

3 反導預警作戰信息協同交互方法

3.1 人機交互功能優化

任何有效的人機交互功能的完成，常常是4個基本功能組合的結果。這4個基本功能是：信息接收(敏感)功能、信息存儲功能、信息處理和決策功能、執行功能，如圖2所示。

圖2 人機交互功能流程圖

“宙斯盾”系統在不改動任何傳感器、武器、計算機硬件的情況下，單憑交互軟件設計優化，縮短人的認知和決策時間，系統的“人的回路”的一個攔截波次反應時間縮短了4 s，相當于來襲超音速反艦導彈的攔截半徑外延了3.4 km，或MK41垂直導彈發射系統多打出8枚導彈，綜合作戰能力提升10%以上。科學地分割人與計算機的功能與任務，發揮作戰人員的主觀能動性、縮短“人的回路”時間，為反導預警作戰人員提供直觀、有效的輔助決策信息，對提高反導預警作戰實力有著重要意義。

圍繞指揮控制信息系統界面的顯示布局、顯示格式及顯示要素等，研究如何確保人機界面呈現的圖形、頁面、字符等信息是指控人員在執行任務中需要關注的，保證其易于感知和理解。在人機交互功能設計時，圍繞人這個中心，針對不同用戶的工作特點，區別設計，提高界面的友好性，提高用戶使用的舒適度，給用戶以良好的操作體驗，提高作戰效率，最終縮短指揮決策的整體時間。

(1) 指揮員的人機交互功能優化。

在作戰過程中，指揮員和反導預警系統互相配合才能達到最好的效果，指揮員通過靈活運用手中的武器裝備快速、準確、不間斷地獲取作戰態勢信息，最后才能定下指揮決心。例如，指揮員身處后方指揮所，面對來自于反導預警部隊各個作戰單元、空中無人機和高空偵察衛星等多個渠道的多源作戰態勢信息，必須進行重組和篩選，經過融合處理后，借助增強現實技術以最佳的交互形式同步展現在各級指揮所內，供各級指揮員分析決策，進而實現信息協同，為各級指揮員指揮行動、做出決斷提供有力的輔助決策。

(2) 參謀人員的人機交互功能優化。

反導預警作戰中對于情報參謀和協同參謀，根據其工作性質側重不同，需要針對性地提供符合其任務操作習慣的人機交互界面。情報參謀任務是進行反導預警信息的進一步處理、統計，為系統的運行提供主動的人工干預，落實上級指揮員的決策指示，快速跟進任務需要和戰場環境的變更，在其交互界面上，盡量通過將所需要的情報處理功能按鈕放置在醒目的位置或設置相應的快捷鍵，減少人員的繁瑣操作就能使情報參謀員的意圖輸入到計算機中，將人的精力從無用的物理工作中解放出來，把注意力盡量投入到情報的監控、處理、統計與匯報中去，通過讓人對計算機的輸入以及計算機對人的輸出變得簡化與智能化，最終實現提高任務完成效率的目的。

協同參謀的工作重點是貫徹上級領導決策指示，下發上級命令，及時將相關情況反饋給指揮員。針對協同參謀人員的人機界面優化主要是強化交互界面指令的上傳與下發功能，簡化人的操作步驟，提高操作目的的準確度，將操作按鈕放置于觸手可及的位置，使協同參謀員的人工干預變得更加精準便捷，避免繁瑣的計算機操作，而又能很好地達成作戰目的，促進命令上傳下達的整個流程推進，從而一定程度上提高協同參謀席的整體協同能力。

(3) 操作人員的人機交互功能優化。

反導預警作戰中地基遠程相控陣雷達、地基多功能相控陣雷達、反導預警衛星等裝備的操作人員，其作戰任務就是操作運用好反導預警裝備，使裝備在保持良好的各項參數指標的條件下，為部隊持續提供優質的情報。對于反導預警各型號雷達操縱員，其主要任務是對情報進行獲取與上傳。優化其操作界面，首先是要摒棄現有的制式化的操作界面。

目前存在很多廠商，其裝備不具有某種性能，但是操作界面中有不能發揮作用的按鈕選項，也就是所謂的假功能。要針對不同雷達裝備的性能特性，根據其作戰任務不同，合理地規劃操作界面，將有用、常用的功能按鈕擺在醒目位置，方便操作。衛星等武器裝備操作人員通過操作相關計算機設備進行遠程情報獲取與衛星運行參數修正調整。其工作量比較繁重，對于操作人員的要求比較高。其人機交互界面更應將人機功能合理分割，對于機器的分析、獲取、顯示及時醒目地反饋給操作人員，同時提高系統的人機友好性，方便操作員的情報查詢與命令輸入，將重要的選項按鈕置于桌面上，盡可能在簡化人的工作的同時密切人機聯系[6]。

3.2 反導預警作戰人機交互方法優化

在反導預警信息交互過程中，為滿足信息化條件下聯合作戰中各作戰單元信息協同交互更加準確、直觀和高效的要求，瞄準提升作戰用戶信息協同交互智能化水平，研究不同戰略方向、不同作戰任務條件下、不同作戰階段中的作戰用戶之間信息協同交互內容、方式、時機、約束條件和智能化需求，根據不同作戰人員崗位在反導預警作戰中人機交互的特點，分析人與計算機的功能劃分，以提高信息協同交互能力。

3.2.1 語音交互技術

作戰信息協同交互系統中的語音交互技術，包含語音信號的預處理、處理后數據的端點檢測、對檢測出的語音段提取特征參數、利用提取出的特征序列與模板庫進行匹配等。預處理是要對輸入信號做一些簡單的處理工作，方便后續操作。而端點檢測則是語音識別中十分重要的環節，它的目的是要找到包含真實有效語音段的語音信號，這一步驟如果檢測失敗，則后續操作也就失去了意義。

檢測出真實的語音段落后，就要從有效的語音信號中提取出隨時間變化的特征參數，這個過程一般有若干的參數可供選擇，并不唯一。最后，就要利用得到的特征序列與模板庫中的特征序列進行逐一匹配，選定最佳的匹配結果為最終識別結果。當然，也可以用特征序列與聲學模型進行匹配，這也是很常見的匹配方法[7]。語音交互技術研究的技術途徑如下：

(1) 通過對原始語音信號進行預加重、分幀與加窗來完成預處理。

(2) 通過語音端點檢測來檢測語音的活動范圍。通過提出一套高效精準的端點檢測算法，避免系統浪費過多的時間與資源對噪音進行處理，從而提高系統的效率，增加實時性；而且也避免了大部分的非語音成分對識別系統造成的干擾，這對提高語音識別的識別率亦有很大幫助。

(3) 通過提出一套有效的降噪處理算法，對原始含噪語音進行降噪處理，進而得到一個相對純凈的語音數據，為接下來提取到更加準確的特征參數提供有力保證。

(4) 對包含真實語音部分的信號做進一步的特征提取，提取出特征參數——梅爾頻率倒譜系數(MFCC)。

(5) 分析研究現有的技術手段，選取一套評價之前提取到的語音信號特征參數與語音模板特征參數相似性的最佳方法。為消除不同指揮人員的語音差異對語音識別造成的不利影響，用機器學習的方法提升語音識別系統對于不同人員口音的自適應性。同時，針對作戰領域的特點，豐富與作戰相關的語音樣本，提升語音識別系統的識別準確率。

特別指出的是：雖然語音交互技術適用性廣泛，但它不適合用在環境噪聲較大的工作崗位上，同時也不適用于對彈道導彈參數等重要的精確數據錄取上。由于操作人員發音不標準、降噪能力有限等因素，錄入信息會出錯，在重復識別錄取中浪費時間。

3.2.2 手勢交互技術

手勢交互技術是指人通過雙手與系統進行交互的技術，包括手勢圖像分割、手指指尖檢測追蹤、交互方式等。研究工作包括分析國內外近期有關手勢識別以及實現方案的相關工作，著重研究手勢分割、手指檢測和手勢跟蹤定位等關鍵技術，對涉及到的算法進行實驗、優化，提高交互的精確度和效率，并降低其對于硬件設備的要求，嘗試突破對同時參與交互人數(手勢數量)的局限，形成能夠適用于作戰信息協同交互系統中多人(手勢)交互的技術體系。手勢交互技術研究的技術途徑如下：

(1) 針對手勢分割時類膚色區域難識別的問題，依靠圖像處理的相關技術，研究探索出從背景中準確分割出膚色區域的有效方法，得到單一的手勢區域。

(2) 針對作戰信息協同交互系統中環境復雜所帶來的挑戰，探索出一套有效的指尖檢測方法，并對手指區域進行曲線擬合，進而實現對指尖的精確定位。

(3) 基于圖像處理技術，結合指尖的運動軌跡，研究提出一種高魯棒性的跟蹤匹配算法，對檢測到的指尖進行實時跟蹤。

(4) 對跟蹤到的手指的運動軌跡進行手勢語義的定義，從而為手勢與系統的實時交互搭建橋梁。

(5) 在實現單手手勢精確交互的基礎上，嘗試同時支持多人手勢跟蹤、識別、處理、參與交互的技術方法。

3.2.3 眼控交互技術

在眼控交互中，需要借助許多客觀的眼動指標，如眼注視的位置與次數、注視的時間長度、掃視距離來獲取用戶的認知和注意力的變化情況。也就是說，如果想要有效地使用視線，就必須先掌握眼動的生理及心理特征，深入了解常用的眼控交互方式，進而提出一種更加自然有效的眼控交互方式。與此同時，良好的眼動跟蹤交互技術離不開精確的眼動分類算法，眼動分類算法的主要功能是根據一系列的眼動特征實現眼動類型的正確分類。因此，眼控交互技術研究的技術途徑如下：

(1) 針對常用的眼動交互方式：注視、眨眼、注視姿勢，分析各種方式的優劣，以及其在增強現實系統中交互應用的可行性。

(2) 從增強現實系統的實際需求出發，并結合以“用戶為中心”的設計理念，通過大量實驗論證，設計出既滿足用戶體驗又具有良好實用性的眼動交互方式。

(3) 根據眼動儀獲取的眼動數據，在分析和預處理的基礎上，提出一套行之有效的眼動分類算法。

(4) 為不同的眼動類別定義所對應的交互操作事件，進而通過系統對于眼動類型的識別來觸發相應的交互操作。在多通道交互系統中，同時允許多種交互方式并存，在給用戶與系統的交互帶來了巨大便利的同時，也會帶來交互行為的不一致，甚至產生沖突。

對于同一個交互任務，當用戶使用不同的交互方式，同時與系統進行交互，各種交互方式可以有效彌補彼此的不足，從而提升交互的有效性，確保交互的時效性。當不同的交互方式所指向的交互任務不一致時，需要根據交互場景、交互任務的不同，確定不同交互方式的優先級。不同作戰任務、崗位特點對交互方式的需求不同，因此，需要制定自適應的交互策略，能夠根據當前的任務、場景狀態，自動選取合適的交互方式。各反導預警崗位對多通道交互系統的需求如表1所示。

表1 多通道交互系統的通道

4 結束語

反導預警在反導作戰中具有重要地位，是反導武器的眼睛,對反導預警作戰信息協同交互需求進行研究，實現了反導預警作戰信息的高效暢通，進而實現反導預警現代化、智能化，對進一步提高我軍反導預警作戰信息協同交互水平、提升我軍反導預警作戰實力有著重大的現實意義。