基于無人機集群的綜合一體化告警自衛系統設計

王 昊，張 敏，張振華，胡繼軍，劉平原，劉少坤，紀永剛

（1.中國石油大學（華東）海洋與空間信息學院，山東青島 266580；2.北京遙測技術研究所，北京 100076）

0 引 言

隨著無人機技術的快速發展，其在電子戰領域的應用不斷受到重視。相比于傳統的陸基和空中電子戰平臺，無人機在戰場上具有成本低、轉移性強、便于維護等優勢，既可以搭載多種電子裝備，又能夠快速機動，還可以配備不同武器裝備進行協同作戰，鑒于其較小的雷達反射面積，還可以在復雜戰場環境下實現對敵方雷達的干擾和瞄準，對增強作戰效果具有重要作用[1]。

無人機集群由一定數量的同類或異類無人機組成，利用信息交互與反饋、激勵與響應，實現相互行為協同，適應動態環境，共同完成特定任務的自主式空中智能系統。其可與有人機協同，組成作戰群體，提供支持并額外增強有人平臺的作戰效能，無人機集群在現代戰爭中正以一種新的概念和應用方式逐漸嶄露頭角。作為無人機集群的重要組成部分，告警自衛系統在復雜戰場環境中確保態勢感知和生存能力至關重要。但傳統的告警自衛系統在功能劃分和戰場適應性等方面存在一定局限性，往往集成化水平和智能化程度有待提高，在決策能力上對主指揮機的依賴性較強，且功能較為單一化，無法有效地對抗現代戰爭中復雜的戰場威脅。因此，迫切需要為無人機集群設計一種多功能兼具智能化的告警自衛系統。

1 機載告警自衛系統的發展

機載告警自衛系統主要用于接收敵方雷達信號并進行快速決策的電子戰設備，已被廣泛應用于軍用戰斗機和直升機等平臺，其可以通過截獲和分析照射到載機上的雷達信號，向飛行員提供輻射源的類型、方位和威脅程度等信息，來幫助飛行員掌握戰機的實時態勢，以便采取恰當的電子對抗措施或戰術機動措施等[2]。

傳統有人機載告警自衛系統誕生于20 世紀60 年代，發展至今已經經歷了多次升級換代，在技術上不斷取得突破，大致可以歸納為以下幾個階段。

初期階段：20 世紀50 年代—60 年代是機載告警自衛系統的起始階段，系統設計相對簡單，主要由射頻前置器、接收機和信號處理器三部分組成。但由于當時技術水平的限制，機載告警自衛系統的信號適應能力較差。

發展階段：20 世紀70 年代—90 年代，隨著雷達技術、電子戰技術和計算機技術的發展，機載告警自衛系統得到了很大的改進和發展。其主要的技術創新集中在以下幾個方面：

1）波形振蕩器：波形振蕩器相當于一個具有高速計算能力的信號處理器，在告警自衛系統中起到至關重要的作用。它能夠快速地變換雷達的信號波形，便于在信噪比低、干擾強的環境中更好地區分敵我目標。

2）數字信號處理：數字信號處理技術的引入可以實現更快、更準確的信號處理，這對于機載告警自衛系統而言有著極為重要的意義。該技術可以在提高告警自衛系統的處理速度和可靠性的同時還能保證信息傳輸的安全性。

3）HIRF 防護：HIRF（高強度輻射場）防護技術是一種電磁兼容技術，用于確保機載告警自衛系統在高電磁環境場景下仍能正常工作。采用HIRF 防護技術可以保證系統在受到高電磁輻射（如雷擊、EMP 等）影響后繼續執行指定任務。

相對于上一階段的產品，它們在功能上得到了極大的拓展。首先，它們能夠分析雷達的掃描方式并判斷雷達的工作狀態；其次，能夠接收多個目標信號，收信能力極大提升。但是這些產品仍然延續了初期階段產品的作用體制，僅能對少量特定目標進行告警，因此仍存在較大的局限性。

現代化階段：20 世紀90 年代之后至今，隨著計算機科學、通信技術、航空電子技術的飛速發展，機載告警自衛系統進一步向數字化、網絡化、集成化和智能化方向發展。主要特點體現在以下三個方面：一是具有極強的電磁環境適應性，即使在非常復雜的百萬級信號環境下也能準確識別信號源并保持良好的工作狀態；二是能夠與箔條、曳光彈、煙霧彈、反輻射導彈等電子對抗資源相互協作，形成一套更完整的綜合一體化的告警自衛系統；三是能夠顯示多批次雷達類型、位置和威脅等級等信息，從而提高告警能力。相比于之前的告警自衛系統，該階段的產品已經實現了全方面的提升，極大地滿足了現代戰爭中作戰飛機威脅告警的需求。

無人機載告警自衛系統作為一種新型電子戰裝備，于2000 年左右開始出現。當時，美國、以色列等國家陸續研發出了一些類型的無人機載告警自衛系統，其主要技術特點是集成可控的實時信號處理、目標跟蹤和警告指示等模塊，能夠及時探測和對抗敵方雷達探測和干擾裝置。近年來隨著無人機技術的成熟和普及，無人機載告警自衛系統得到了廣泛的關注和應用，告警自衛系統不僅僅局限于單獨工作，而是與機載的其他載荷協同配合，這種配合可以使得無人機具有更強的偵察、監視和打擊等能力，同時也有著更好的隱蔽性和機動性。當下，隨著雷達技術、信號處理和計算機技術的快速發展，無人機載告警自衛系統進一步向數字化、集成化、網絡化和智能化的方向發展。

2 無人機集群的告警自衛系統應用場景及設計需求

目前常規無人機載告警自衛系統設計已基本成熟，但各任務單元在信息共享和資源協調上還存在著效率不高的問題，這也成為當前各國的研究熱點問題之一[3]。相比于傳統無人機，無人機集群是現代無人機發展的一個新方向，作為一種具有一定智能化和自主化的無人機應用模式，其可以在高威脅環境下進行多種任務[4]，如主指揮機可在敵防空火力外通過數據鏈指揮多架無人機，使無人機集群在前方扮演“耳朵”和“眼睛”，執行目標搜索和跟蹤甚至直接進行打擊等任務。除此以外，還可以由多架不同類型的無人機混編成隊，統一由防區外主機指揮，各無人機既可以分別搭載不同類型的載荷，承擔不同作戰任務，也可以搭載同類型載荷，協同交替掩護作戰。

無人機集群告警自衛系統作戰是以對作戰對象的無源偵察/有源探測的目標識別、打擊確認和引導打擊、作戰效果評估為鏈條。鑒于無人機集群豐富的應用場景，為保證無人機集群的作戰效能，提高戰場生存能力，其搭載的告警自衛系統需要及時發現威脅目標，并提供方位、類型和威脅等級等信息，倘若遭受打擊，需第一時間告警并做出反應。由于集群對抗中信息的多元化和不完全、不確定性，無人機集群告警自衛是一個復雜的動態變化過程，空戰對抗態勢隨著時空和作戰進程的推進而不斷更替[5-6]。即無人機依據敵我雙方態勢、自身飛行狀態、自我資源等因素，采取任務與資源匹配的攻擊策略，如攻擊敵機、威脅回避、支援友機、戰術協同等，使得在對敵攻擊、瓦解敵方意圖、態勢評估和自身損失等方面的綜合效益最大化。

盡管集群對抗的協同優勢主要是基于信息融合和資源互補實現的，但單體無人機是任務的直接執行者，作為具有一定智能化的單體無人機，須依據動態態勢和相應準則調整自身策略，并持續與集群中的其他平臺協同交互，促使對抗過程不斷演化，以達成作戰使命[7-8]。故對于小規模的無人機集群告警自衛系統應同時具有電子偵察、告警及電子對抗等多種手段，來為集群自身和主指揮機提供安全的戰場生存環境和態勢情報支援，以進一步達到破壞敵方的電子戰任務。為保證無人機的多功能性和機動靈活性，其搭載的小型化和輕量化的告警自衛系統在設計時需要盡可能地考慮到以下幾個要點：

1）網絡化：鑒于無人機集群的多種應用場景，其搭載的告警自衛系統可以通過與其他無人系統或作戰平臺的網絡進行互聯，以確保可以獲取更多的情報和支持，實現更加高效的聯合作戰。

2）系統集成化：集成化的設計可以將多個功能模塊和部件整合到一個統一的平臺上，共用部分模塊和組件，旨在提高系統的整體性能和操作效率，以提高系統的可靠性和穩定性[9]，在減少故障率和維護成本的同時，還能夠大大減少系統重量和占用空間。

3）隱身能力：在現代戰爭中，隱身能力可以有效地降低被敵方偵察和攻擊的風險，提高無人機的戰場生存能力和作戰效果，告警自衛系統的設計也需要充分考慮到這一點。

4）自主化作戰：隨著人工智能和自主化技術的不斷發展，無人機集群告警自衛系統的設計同樣要注重自主化作戰能力。在無人機受到高等級的威脅告警時，應第一時間進行自主機動或干擾對抗，這樣既可以大大提升作戰效率和靈活性，又能夠降低對主機操控人員的依賴性，減少反應時間，提高戰場存活能力[10-13]。

5）多模式作戰：相比于主指揮機，無人機集群往往前出到比較復雜的戰場環境當中，也意味著會遇到各種各樣的威脅情況，為適應不同的作戰環境，要求告警自衛系統能夠在不同的場景下切換不同的作戰模式。

3 一體化告警自衛系統設計

為了滿足無人機集群的應用設想，對其搭載的告警自衛系統進行了全面改進和完善。除了傳統的告警功能外，該系統還集成了偵察和干擾對抗等功能。這使得無人機集群能夠更好地感知和識別戰場上的威脅，并采取相應的對策。此外，為了提升系統的智能化水平，還引入了智能信息處理設備，該設備能夠對接收到的雷達信號進行智能分選和處理，從而提供更準確和及時的威脅情報。在特定情況下，該系統還具備自主決策的能力，使無人機集群能夠更快地做出反應，提高其在戰場上的任務完成能力。

本文系統主要分為無人機任務分系統、主機指揮分系統和地面數據管理支持分系統三部分，如圖1 所示。

圖1 無人機集群告警自衛系統組成

無人機任務分系統主要包含偵察告警單元、干擾對抗單元和數據存儲單元，用以實現無人機集群的電子偵察、告警和對抗任務。

主機指揮分系統主要包含機載顯示控制單元和數據融合終端，通過機載數據鏈，實時把握無人機集群動向，處理其采集的戰場情報，對戰場態勢進行掌握以便做出對策。

地面數據管理支持分系統主要包含數據庫加/卸載單元、綜合數據分析單元和地面顯示控制單元，該系統通常在戰斗前對無人機集群、主機的數據庫進行維護或在戰斗后對戰場采集到的情報進行處理分析。在系統的應用過程中，為實現更高效的任務執行和作戰能力，無人機集群與主指揮機之間需要建立一個可靠的自適應指揮通信網絡，以實現數據互聯和指令交互。在該網絡中，通過自適應的通信協議和算法，無人機之間可以智能地進行感知、決策和行動，同時還能夠利用該網絡與主指揮機實現集群感知，共享感知數據和任務信息。

3.1 無人機任務分系統

無人機任務分系統主要負責對作戰區域內的雷達信號進行偵察、監視和跟蹤，同時為保證其自身安全，可利用其搭載的智能信號處理機對截獲到的雷達信號進行分析并自行測算輻射源方位，根據數據庫判斷威脅類型和等級等信息，并按照特定流程進行機動規避或對輻射源進行干擾對抗。同時，還可以通過機載數據鏈（自適應指揮通信網絡）與主機駕駛員進行數據交互，及時提供威脅目標的方位威脅等級，以便主機駕駛員更好地把握戰場態勢，從更高的層級對輻射源進行電子干擾或引導己方火力對其實施打擊。

該系統由偵察告警單元、干擾對抗單元和數據存儲單元組成，各單元共用部分組件，系統采用模塊化接口，具體組成如圖2 所示。

圖2 無人機任務分系統原理圖

天線陣列射頻前端、數據存儲單元（雷達信號存儲器、雷達信號數據庫）和智能信號處理機為各單元通用組件，配合偵察/告警接收機組成偵察告警單元，配合干擾發生模塊和誘餌發射裝置組成干擾對抗單元。各模塊/單元通過光纖總線進行數據傳遞，并可通過機載通信數據鏈（自適應指揮通信網絡）將無人機集群的實時動態和采集的情報傳遞至主機指揮分系統。

為提升無人機的隱身性能，降低被敵方雷達探測到的概率，在天線布局上將采用蒙皮一體化的陣列天線布局，一方面能夠減小機體受空氣動力學干擾，提高載體的機動性能，另一方面還可以減輕載機的重量和空間占用；在通信過程中采用頻率跳變、擴頻、分集等加密技術和抗干擾手段，防止被敵方竊聽和干擾，以增加通信的安全性和隱蔽性。同時，為了減輕系統重量、降低成本以及保證告警自衛系統和其他電子系統的電磁兼容性，避免傳統電纜在傳輸過程中發生串擾的問題，本文系統在各單元的傳輸通道部分將采用微波光子技術，以便充分利用其在雷達組件的重量、體積、帶寬、抗電磁干擾等方面的優勢，構建性能優越的綜合一體化告警自衛系統[14-15]，如圖3 所示。

圖3 無人機任務分系統微波光子技術示意圖

3.1.1 偵察/告警單元

偵察/告警單元主要負責對輻射電磁源的搜尋、截獲、定位、轉存和分析。為保證無人機自身的安全，該單元通過測量和分析照射到無人機上的雷達信號，通過智能信號處理機和信號數據庫對雷達信號進行智能分選，并識別威脅信號，提取該信號特征轉存至雷達信號存儲器，同時供輻射源的方位、工作模式、型號類型、威脅等級等特征參數并告警。

該單元還可通過自適應指揮通信網絡與集群當中的其他無人機共享戰場信息，協同對目標進行定位，或交替釋放信號以掩護主指揮機的作戰意圖和行動方向，并根據無人機集群的感知信息，由各智能信號處理機的預置決策自行調整戰術隊形及偵察任務規劃。偵察/告警單元工作原理如圖4 所示。

圖4 偵察/告警單元工作原理圖

3.1.2 干擾對抗單元

干擾對抗單元主要以偵察/告警單元偵搜到的目標情報信息為基礎，擔負著對輻射目標進行欺騙干擾甚至引導火力摧毀的任務，單元工作原理如圖5 所示。

圖5 干擾對抗單元工作原理圖

通過智能信號處理機對采集到的信號進行分選和比對，自主選擇最佳決策，一方面可以經干擾發生模塊對原信號進行修正，傳輸至天線陣列射頻前端對目標源進行轉發式干擾；另一方面可以根據實際威脅等級，在自主控制無人機機動的同時，調用誘餌發射裝置釋放箔條或紅外誘餌彈，以降低被敵方雷達鎖定的風險。除此以外，該單元同樣可以通過自適應指揮通信網絡進行戰場情報交換，無人機集群既可以自行決策最佳的交替掩護方案，使其具備編隊誘擾的能力，也可以接收主機指揮分系統的指令，用來完成其他多樣式的協同干擾對抗任務，用以掩護主機的行動意圖。

3.1.3 數據存儲單元

數據存儲單元主要由雷達信號數據庫和雷達信號存儲器組成，雷達信號數據庫主要存儲一些已知的信號類型、頻率等參數，用于和偵察告警單元所截獲的信號做類比，為智能信號處理機提供研判、決策信號庫；雷達信號存儲器主要存儲戰場上截獲的經過智能信號處理機分選過的目標輻射源信號，為干擾發生模塊提供信號源特征參數。

3.2 主機指揮分系統

主機指揮分系統通過機載數據鏈（自適應指揮通信網絡）接收無人機集群偵察、截獲、監視的數據，并配合各無人機自身的導航定位系統，主要負責無人機集群的任務規劃、飛行姿態監控、偵察數據融合以及為干擾對抗單元直接下達指令任務等。該分系統由綜合信號處理機、數據融合處理終端和顯示控制單元組成，具體組成如圖6 所示。

圖6 主機指揮分系統原理圖

綜合信號處理機負責處理無人機集群在自適應指揮通信網絡中的信息輸出，并通過數據融合處理終端將該類信號進行融合處理，同時對目標的頻率、類型、方位和威脅程度等參數做綜合化，生成態勢圖，以便主機駕駛員可以更好地了解戰場態勢，并準確做出任務規劃。

3.3 地面數據管理支持分系統

地面數據管理支持分系統主要工作在非交戰時、空域內，通過地空通信數據鏈傳輸數據，負責戰前情報傳遞和戰后情報分析等任務。該系統由綜合信號處理機、數據分析管理終端、顯示控制單元和數據庫加/卸載單元組成，如圖7 所示。

圖7 地面數據管理支持分系統原理圖

數據庫加/卸載單元主要是對無人機的數據存儲單元進行操作，通常在任務準備階段和任務完成后的數據分析階段使用。

4 結 語

無人機集群是無人機技術的一個重要應用方向，隨著現代戰爭形勢的發展，無人機集群的告警自衛系統的研究和應用具有重要的現實意義。本文從需求出發，以無人機集群的應用場景和自身安全為出發點，闡述了其告警自衛系統的特點和設計原則，提出了一種基于無人機集群的告警自衛系統設計架構，并對系統的組成和各單元功能、作用流程等方面進行了闡述，該架構在設計中參照了模塊化、綜合一體集成化和智能化等要素，為今后更大規模無人機集群的網絡化告警自衛系統設計提供了一定的參考。

注：本文通訊作者為王昊。