戰場電磁態勢生成內涵與體系架構綜述

張 靚

(北部戰區海軍保障部,山東 青島 266000)

0 引言

未來戰爭中,機械化作戰逐步向信息化體系對抗轉變,戰爭博弈的重點由硬武器為主的單平臺火力對抗向多平臺信息對抗作戰轉變,最終將會過渡到以網絡空間對抗為主的賽博空間對抗作戰。因此,未來戰場中的作戰行動將從戰場電磁空間拉開序幕:敵我雙方進行偵察與反偵察、干擾與反干擾、欺騙與反欺騙,雷達、通信、導航、數據鏈、敵我識別、干擾機等用頻設備在有限的區域內相互作用,形成復雜的戰場電磁態勢環境。若想在多方位、大縱深、高強度的電子對抗中贏得戰場主動權,就必須具備對戰場態勢信息的快速獲取、深度理解和精細化管理的能力。

1 戰場電磁態勢內涵與外延辨析

1.1 態勢與戰場態勢感知

“態勢”是由現實產生的一個局部狀態結構,“態勢感知”是人類認識世界的思維過程。最早在二戰時期,Oswald Boalke提出了戰場態勢感知的理念,指出要先于敵方獲得態勢感知是戰爭致勝的關鍵。20世紀80年代美國的心理學家M.R.Endsley進而將態勢感知定義為“在一定時空范圍內,對環境中元素的獲取和理解,對其狀態在未來一段時間內進行預測,從而形成了態勢要素獲取、態勢理解、態勢預測的3 層模型”,其嵌入應用模型如圖1所示。

圖1 態勢感知模型

戰場電磁環境的概念為“在一定的戰場空間內對用頻裝備產生影響的電磁活動和現象的總和”。結合美軍對戰場電磁環境的定義和態勢感知的相關概念,可以認為戰場電磁環境是指在特定的作戰時空內,一切可能影響作戰實體的電磁活動和現象的總和。而電磁態勢要素是指在特定的作戰時空內,所有影響電磁環境和被電磁環境所影響的事物。基于上述認知,給出戰場電磁態勢要素的定義:通過對電磁態勢要素的獲取、理解和預測進而形成的一種便于作戰指揮員理解并能輔助其決策的電磁環境表達方式,屬于信息情報作戰范疇。

1.2 戰場電磁態勢生成

20世紀80年代,美國國防部提出的JDL(Joint Directors of Laboratories)模型將態勢感知引入軍事領域。該模型將態勢感知看作信息融合的一個層次,并將其定義為“將戰場中被觀測的實體分布與活動情況和戰場環境、知識庫關聯起來的過程”,其目的是獲取及時、準確、連續、完整、一致的戰場態勢視圖,用來支持作戰意圖和相應的作戰活動/行為。隨著融合系統由低級數據融合到高級信息融合擴展,智能化程度逐步提升,JDL頂層3級模型逐步擴展到當前的5級模型,如圖2所示。

圖2 JDL的頂層數據融合模型(2004年用戶融合模型)

受美軍JDL模型的啟發,本文提出電磁態勢生成的基本模型,包括電磁態勢要素獲取域、態勢理解域和態勢展現域,如圖3所示。

圖3 電磁態勢生成基本模型

電磁態勢應包括敵方輻射源目標態勢、我方輻射源主動獲取的態勢信息、我方裝備用頻狀態、電磁環境信息以及對這些信息的分析和理解。在數據上,電磁態勢應能為電子對抗、頻譜管控、航路規劃等指控功能提供準確的數據支撐;在形式上,電磁態勢應能為指揮員提供豐富且便于理解的信息表現形式,使其更好地認清和理解戰場電磁環境。基于以上認識,這里對本文題目中的“電磁態勢生成”作一個嚴格的界定:戰場電磁態勢生成應是一個由戰場電磁環境數據形成電磁態勢并將其結果展現出來的過程,是信息作戰情報支持的工作流程和實現形式。

1.3 影響估計、威脅估計

預測態勢對戰場的影響,其中對某一方不利或有害的影響稱為威脅,因此影響估計又稱為威脅估計。威脅指用武力或權勢進行的脅迫行為,在軍事領域中,威脅主要指動用軍事力量打擊、攻擊、占領或控制防衛對象。威脅是意圖、能力和時機的綜合體。其中意圖是指威脅的目的,即想要對威脅對象造成的傷害;能力是指威脅實體實現其意圖所能夠動用的力量和資源;時機是指威脅行動得以成功實施需要具備的先決條件,包括時間、空間和威脅對象的脆弱點等。威脅估計包括威脅能力估計、威脅意圖估計和威脅時機估計。最終產生的威脅行為和威脅事件與結果估計,以威脅等級或威脅排序等定量形式給出。威脅估計功能的逐級分解如圖4所示。

圖4 威脅估計功能分解

威脅估計使信息融合從感知域邁入作戰域,因此其與態勢估計既緊密聯系,又有所不同。可以將威脅估計理解成不同時刻、不同場景下的態勢估計,下面詳細闡述。

JDL信息融合頂層模型中,威脅估計處于信息融合的第3級,屬于高級信息融合范疇,即基于共用作戰態勢預測未來戰場態勢所產生的影響。因此,威脅估計與態勢估計密不可分,有時合稱為態勢與威脅估計,如圖5所示。可以看出,態勢的效能和影響來自態勢各成分之間或多個態勢之間的相互作用,為此可將產生影響或威脅的多個態勢及其相互關系定義為“場景”。由于3級融合是指未來某些時刻的預測態勢產生的影響或威脅,因此,場景估計既包含對當前場景產生的影響估計,又包含對未來某些時刻預測場景產生的影響估計。

圖5 信息融合的應用

1.4 感知資源管理

資源管理是對戰場感知資源綜合運用籌劃的過程,包括感知資源的選擇、配置和運用的控制管理,以實現滿足作戰應用需求的最優態勢感知狀態。因此,感知資源管理是在用戶基于作戰任務的戰場感知目標驅動下,對信息獲取和信息融合各級別、各環節上的硬/軟資源,通過規劃和設置適宜的需求和控制方法,實現戰場感知優化的過程。它可以為0級融合提供數據價值,使信息源收集高價值信息,摒棄低價值信息,以避免信息爆炸;為1級融合提供對象優先級,使融合節點首先處理優先級高的對象,以盡快滿足應用需求,并避免機器能力飽和;為2級融合提供周邊關系或外部信息;為3級融合提供意圖信息等,它們之間的關系如表1所示。

表1 感知資源控制與信息融合間的關系

其功能包括:

(1) 基于作戰需求的信息源選擇

包括傳感器資源的選擇(探測平臺及設置的傳感器類型、型號、精度、探測范圍等)、基于決策需求的偵察手段選擇(電子支援措施(ESM)數據、高靈敏度電子支援措施(HESM)數據)、基于目標識別和預警任務的探測傳感器和偵察手段綜合選擇(個體識別目標選擇、情報數據選擇、數據庫選擇等)。

(2) 基于作戰任務的感知資源配置

包括偵察裝備的配置地域/平臺、型號/數量;偵察系統/手段信息的接入位置和接入時間;信息融合軟件產品的配置(配置節點、產品級別);諸作戰節點任務需求的分布式融合結構;基于分布式融合結構的通信網絡配置(如路由、帶寬、誤碼率和抗干擾能力等)。

(3) 探測/偵察平臺和傳感器的運行控制

工作模式(跟蹤、搜索模式和脈沖重復頻率等)控制;傳感器探測區域、跟蹤目標控制;傳感器檢測(虛/漏警率、識別參數等)控制等;信息融合模型選擇組合控制(ESM 與HESM 融合控制)

2 電磁態勢生成體系架構及主要實現方式

2.1 態勢生成體系架構

通過第1章的敘述可知態勢生成(系統)主要提供深層次戰場態勢感知與信息融合服務、情報綜合整編與數據庫管理服務、數據可視化與多視角顯示服務等。

(1) 戰場態勢感知與信息融合服務

主要實現感知信息的3 級估計與多源信息融合、感知資源的管理和控制,包括:1級數據融合,包含多源數據時空配準、關聯相關、定位識別;2級態勢融合,包含實體關系估計、戰場態勢生成、未來態勢預測;3級威脅排序,包含威脅意圖估計、威脅能力估計、威脅實際估計;感知資源的管理,包含資源配置管理、資源響應管理和資源效能管理。

(2) 情報綜合整編與數據庫管理服務

主要實現對各類偵察數據樣本(全脈沖數據、中頻樣本數據、處理結果以及輻射源目標型號/個體)的關聯、分類與有效的存儲;標記信號樣式數據等處理結果變化,更新雷達目標型號/個體情報數據庫;具備對雷達目標情報、電子戰斗序列、原始偵察數據、偵察數據處理結果的數據庫存儲和管理能力,實現上級下發情報產品的入庫和增刪改查管理,建立國別/地區、區域、部隊編制序列、武器平臺裝備和電子對抗情報成果關聯關系,實現外軍情報數據快速關聯檢索;對我方部隊編制部署、武器平臺、電子戰裝備、輻射源情報以及國內外民用輻射源情報進行管理等。

(3) 數據可視化與多視角顯示服務

主要實現數據可視化服務,完成對原始數據的全景圖形化顯示、標注和未標注數據的分流顯示以及人工輔助標注功能。提供目標特征及態勢多視角顯示服務,提供多尺度多層次的目標及態勢顯示功能,全方位多視角地展示目標特性及關聯特性。

具體架構如圖6所示。

圖6 態勢生成體系架構圖

2.2 態勢估計模型與方法介紹

由上文可知,態勢估計分為態勢要素獲取、態勢理解、態勢預測的3層模型。態勢要素獲取屬于估計的實體聚集,此處定義為1級關系,它是態勢估計的基礎,也是傳統偵察設備的基本能力。態勢理解是1級關系向下延伸,以估計/發掘意圖、方案/計劃、活動/行為等態勢知識的深層次關系,稱為2級關系,2 級關系又稱為態勢知識,是態勢估計的核心。已有1、2級關系的時空擴展,以進行態勢規劃和預測,該擴展稱為3級關系,包含實體身份/屬性的深化與精煉,通過關系感知發現與所論態勢關聯的新的實體和其它態勢。當前常用的態勢估計方法為邏輯推理法。邏輯推理法又分成以下3類:

(1) 確定性態勢邏輯表示

確定性態勢邏輯表示是按照確定性推理得到相應推論的過程,比如“敵方飛機火控雷達鎖定我方目標”推論出“敵方飛機即將對我方目標產生威脅,可能會發射導彈”。因此在態勢生成過程中,確定性邏輯表示應當以數據庫的形式告知態勢生成系統,構建先驗信息是研究的核心。

(2) 不確定性推理邏輯

不確定性包括隨機性、模糊性、信賴性,態勢估計中的不確定性邏輯主要指基于不確定性變換的態勢推理方法,主要有:

后驗(貝葉斯)推理方法:以概率表示不確定性,結論未知。采用貝葉斯公式基于證據將先驗概率變換為后驗概率。只能逐漸接近結論,可能永遠不知道精確結果。

模糊推理方法:以隸屬函數(隸屬度)表示不確定性。通過對模糊證據的綜合(合取或析取)獲得模糊命題及其綜合隸屬度。

D-S證據合成方法:以可信度表示不確定性。通過對證據集合的合成運算,產生合成命題及其可信度,不支持相悖證據的合成。

神經網絡技術:構造神經網絡的多個態勢估計隱含層,采用向后傳播訓練來聚集情報分析員在態勢識別中的數據圖——模板圖成對選擇結果,沖突的輸出結果采用擴展的D-S證據合成予以解決。

(3) 仿生動態推理算法

如遺傳算法、蟻群算法、粒子群算法等,這些算法從生物進化或動態行為上反映了相關生物的行動推斷邏輯,已在態勢估計推斷中得到一定程度的應用。例如,遺傳算法已應用于態勢分析和作戰計劃支持工具中,該算法能基于可能態勢集合快速生成和評估態勢,基于預案集合快速生成和評估作戰方案。

3 結束語

本文首先闡述了態勢與戰場態勢感知的內涵、戰場電磁態勢生成的概念與流程、威脅估計的概念與作用、感知資源管理的內涵、功能與方法。在此基礎上,提出了一種態勢生成體系的流程架構,最后給出了態勢估計的模型和方法。