基于作戰(zhàn)規(guī)則的電子對(duì)抗設(shè)備行為模型表征方法

羅 晟，王 鑫，俞忠武，馬曉斌，張江南

（1.中國(guó)航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京 210007；2.空軍裝備部駐南京地區(qū)第二軍事代表室，江蘇 南京 210016）

0 引言

隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，各類電子對(duì)抗設(shè)備持續(xù)涌現(xiàn)，武器系統(tǒng)面臨的電磁環(huán)境呈現(xiàn)出對(duì)抗性強(qiáng)、變化速度快等特點(diǎn)，使得利用實(shí)裝或半實(shí)物方式模擬復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境來(lái)檢驗(yàn)系統(tǒng)性能愈加困難，因此近年來(lái)數(shù)字仿真技術(shù)成為了模擬復(fù)雜電磁環(huán)境的重要手段。然而，由于當(dāng)前電子對(duì)抗設(shè)備實(shí)體模型僅模擬了技術(shù)性能，受物理機(jī)理建模的限制，其往往不具備靈活動(dòng)態(tài)的反應(yīng)能力［1］。同時(shí)，電子對(duì)抗設(shè)備模型能否根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和作戰(zhàn)任務(wù)作出正確的戰(zhàn)術(shù)行為選擇，直接影響著結(jié)果。受模型設(shè)計(jì)人員知識(shí)結(jié)構(gòu)、邏輯經(jīng)驗(yàn)的影響，目前基于模糊理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的行為模型很難作出切合實(shí)際作戰(zhàn)的決策判斷，需依據(jù)對(duì)相關(guān)規(guī)程和設(shè)備使用具有指導(dǎo)意義的電磁頻譜領(lǐng)域作戰(zhàn)條令體系進(jìn)行建模［2-5］。因此，本文將基于外軍作戰(zhàn)條令條例和設(shè)備性能參數(shù)，通過(guò)對(duì)外軍作戰(zhàn)規(guī)則的研究，深入理解設(shè)備行為架構(gòu)，同時(shí)考慮到實(shí)體構(gòu)成及其使用流程，開(kāi)展電子對(duì)抗設(shè)備行為模型的研究，為設(shè)備戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法運(yùn)用理論聯(lián)系實(shí)際的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題提供參考思路。

1 行為模型定義

“行為”一詞原本的含義是在一定條件下，不同的個(gè)人、動(dòng)物或群體表現(xiàn)出來(lái)的特征，或?qū)?nèi)外環(huán)境因素刺激所作出的能動(dòng)反映。由此推演到“電子對(duì)抗設(shè)備的行為”，可以將其定義為電子對(duì)抗設(shè)備在電磁作戰(zhàn)空間中表現(xiàn)出來(lái)的電磁行為及具體的運(yùn)用方式。它是在一定電磁環(huán)境下，不同的電子對(duì)抗設(shè)備表現(xiàn)出來(lái)的基本特征，或?qū)?nèi)外環(huán)境因素刺激所作出的電磁能反應(yīng)。

根據(jù)福格的行為模型可以得到：

式中，B為行為，M為動(dòng)機(jī)，A為能力，T為觸發(fā)條件。當(dāng)個(gè)體具備了一定的動(dòng)機(jī)和能力且被觸發(fā)的情況下，就會(huì)產(chǎn)生一次行為［6］。

針對(duì)電子對(duì)抗設(shè)備，行為動(dòng)機(jī)主要指設(shè)備所執(zhí)行的任務(wù)，能力是指設(shè)備實(shí)體的戰(zhàn)技能力，觸發(fā)條件主要是指外部電磁環(huán)境和設(shè)備收到的控制指令。除此之外，電子對(duì)抗設(shè)備的行為還需要作戰(zhàn)規(guī)則和策略的驅(qū)動(dòng)，因此，基于福格行為模型，本文提出電子對(duì)抗設(shè)備行為模型表征方法：

式中，Be為電子對(duì)抗設(shè)備行為；Me為電子對(duì)抗設(shè)備行為動(dòng)機(jī)/任務(wù)；Ae為電子對(duì)抗設(shè)備的戰(zhàn)技能力；Te為電子對(duì)抗設(shè)備行為環(huán)境觸發(fā)條件；Re為電子對(duì)抗設(shè)備行為規(guī)則或策略。其中，Ae主要由實(shí)體模型實(shí)現(xiàn)，因此本文將重點(diǎn)研究Me、Te、Re3 個(gè)量。

2 行為模型表征指標(biāo)

基于電子對(duì)抗設(shè)備行為模型的定義，按照設(shè)備作戰(zhàn)流程可以將其行為特征描述為任務(wù)集選擇（Me）、觸發(fā)條件值計(jì)算（Te）、規(guī)則庫(kù)匹配（Re），以及實(shí)體模型的功能組件調(diào)用（Ae）實(shí)現(xiàn)規(guī)則庫(kù)中設(shè)定好的基本行為組合。設(shè)備行為決策流程如圖1 所示。

圖1 設(shè)備行為決策流程

根據(jù)設(shè)備行為決策流程的模塊劃分，總體建模思路為將電子對(duì)抗設(shè)備行為決策流程進(jìn)行分層映射：在作戰(zhàn)任務(wù)選擇模塊根據(jù)條令解析電磁作戰(zhàn)任務(wù)的概念；在觸發(fā)條件模塊根據(jù)設(shè)備的半自動(dòng)工作模式設(shè)計(jì)威脅等級(jí)計(jì)算公式和指令控制接口；在規(guī)則庫(kù)匹配模塊對(duì)基本行為動(dòng)作進(jìn)行算法研究。最后用計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言對(duì)上述的選擇邏輯、映射關(guān)系和行為算法進(jìn)行表述，形成理論對(duì)應(yīng)實(shí)際、模型框架合理的建模方法。

2.1 電磁作戰(zhàn)任務(wù)分析

一般條令體系框架從縱向來(lái)看分為頂層條令、中間層條令和底層條令，其中底層條令將部隊(duì)的基礎(chǔ)職能結(jié)合具體任務(wù)和行動(dòng)進(jìn)一步分解，介紹了各項(xiàng)作戰(zhàn)任務(wù)的相關(guān)內(nèi)容［7］。以《JP3-85 Joint Electromagnetic Spectrum Operations 聯(lián)合電磁頻譜作戰(zhàn)條令》為例，首先明確設(shè)備能夠執(zhí)行的作戰(zhàn)任務(wù)，不同的任務(wù)將會(huì)對(duì)應(yīng)關(guān)注不同的環(huán)境要素，輸出不同的行為結(jié)果［8］。

1）電磁支援行動(dòng)（ES）

作為電磁戰(zhàn)規(guī)劃和部署的基礎(chǔ)，電磁支援行動(dòng)主要通過(guò)搜索、偵察、監(jiān)視、識(shí)別和定位各種電磁輻射源，結(jié)合其他情報(bào)信息為電磁及火力攻擊提供更精確的電磁作戰(zhàn)環(huán)境圖景。電子對(duì)抗設(shè)備在電磁支援行動(dòng)中主要提供的是電子技術(shù)偵察和威脅信號(hào)分選識(shí)別功能，如：艦載電子戰(zhàn)系統(tǒng)一般具備射頻警戒、監(jiān)視、精確測(cè)量和自動(dòng)威脅識(shí)別功能，可以在導(dǎo)彈武器來(lái)襲時(shí)對(duì)導(dǎo)引頭發(fā)出的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域、空域、能量域檢測(cè)，完成對(duì)截獲的威脅目標(biāo)信號(hào)的參數(shù)測(cè)量，并將結(jié)果上報(bào)至上級(jí)指揮實(shí)體，為作戰(zhàn)決策提供支持。

本文提出基于最小生成樹(shù)的K-Means算法劃分腦區(qū)或ROI。利用隱馬爾科夫模型揭示了大腦不同網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換不是完全隨機(jī)發(fā)生的，這種非隨機(jī)的大腦網(wǎng)絡(luò)序列本身是有層次結(jié)構(gòu)的，呈現(xiàn)出兩個(gè)不同的亞穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。基于SVD算法計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)內(nèi)聚力的大小，全面分析當(dāng)前大腦狀態(tài)動(dòng)力學(xué)的有關(guān)研究。

2）電磁攻擊行動(dòng)（EA）

電磁攻擊行動(dòng)分為進(jìn)攻性電磁攻擊和防御性電磁攻擊。其中，進(jìn)攻性電磁攻擊包括：防區(qū)外壓制干擾、隨隊(duì)支援干擾、電磁欺騙、電磁入侵、空射誘餌、定向能和高能武器（激光、射頻武器、高功率微波和電磁脈沖）、賽博空間打擊以及導(dǎo)航戰(zhàn)等主動(dòng)措施；防御性電磁攻擊包括：利用自衛(wèi)干擾、無(wú)源誘餌干擾和定向能紅外對(duì)抗等保護(hù)人員、設(shè)施、能力和設(shè)備。在導(dǎo)彈武器攻防對(duì)抗過(guò)程中，電子對(duì)抗設(shè)備主要負(fù)責(zé)軟殺傷部分，如：電子戰(zhàn)飛機(jī)所搭載的電子干擾系統(tǒng)可采用噪聲干擾樣式對(duì)敵各類雷達(dá)實(shí)施電磁攻擊。

3）電磁防護(hù)行動(dòng)（EP）

電磁防護(hù)行動(dòng)是確保在不利的電磁輻射影響下能夠保護(hù)人員、設(shè)施和設(shè)備免受友方或敵方使用電磁頻譜影響，持續(xù)有效使用依賴EMS 的系統(tǒng)，同時(shí)也可以防止敵方探測(cè)、中斷、欺騙、破壞。在防空反導(dǎo)作戰(zhàn)體系中，各種遠(yuǎn)程預(yù)警探測(cè)、對(duì)空對(duì)海搜索雷達(dá)大多采用虛警控制、旁瓣對(duì)消、頻率捷變和數(shù)字動(dòng)目標(biāo)顯示等抗干擾措施來(lái)實(shí)施電磁防護(hù)行動(dòng)，可有效降低敵電子偵察截獲概率和電子干擾效果。

根據(jù)外軍條令體系框架分析獲取電磁作戰(zhàn)任務(wù)樹(shù)，如圖2 所示。作為電子對(duì)抗設(shè)備行為模型建模的初始建模要素，形成任務(wù)集。設(shè)備首先需從任務(wù)集中選擇接收到的作戰(zhàn)任務(wù)，從而確定之后的行動(dòng)范圍。

圖2 作戰(zhàn)任務(wù)樹(shù)

2.2 觸發(fā)條件分析

設(shè)備實(shí)體在t時(shí)刻所選擇的行為可以設(shè)定為此刻戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的一個(gè)映射函數(shù)，它根據(jù)接收到的任務(wù)Task將其關(guān)注的外部環(huán)境信息E和內(nèi)部狀態(tài)信息S映射為具體的數(shù)值，體現(xiàn)為實(shí)體在行為集Act中采取某種行為的可能性。仿真實(shí)體的行為選擇邏輯Φ 可表示為：

Φ：(Task，E(t)，S(t))∈R→A∈Act（3）

在每個(gè)仿真周期的開(kāi)始階段，實(shí)體需要對(duì)接收到的輸入信息進(jìn)行更新，然后根據(jù)主動(dòng)處理數(shù)據(jù)還是被動(dòng)接收指令，將觸發(fā)條件分為外部電磁環(huán)境威脅等級(jí)值計(jì)算以及實(shí)體內(nèi)部接收指控對(duì)行為修正2 個(gè)環(huán)節(jié)。

在電磁對(duì)抗場(chǎng)景中，電子對(duì)抗設(shè)備對(duì)目標(biāo)威脅等級(jí)的更新過(guò)程主要取決于其所關(guān)注的外部環(huán)境特征參數(shù)，如：當(dāng)前環(huán)境電磁態(tài)勢(shì)、目標(biāo)距離與速度、目標(biāo)的工作體制及參數(shù)等。因此，威脅等級(jí)值可以用環(huán)境特征值的一個(gè)多元函數(shù)來(lái)表示，組合方式為加權(quán)累加，對(duì)于設(shè)備行為的觸發(fā)可以將威脅等級(jí)作為輸入。設(shè)威脅等級(jí)D的取值依賴于環(huán)境參數(shù)f1，f2，…，具體的依賴程度用函數(shù)adj（·）來(lái)調(diào)整，同時(shí)考慮到除了外部環(huán)境，來(lái)襲目標(biāo)的威脅等級(jí)還與實(shí)體自身的戰(zhàn)損情況fe有關(guān)系，可將函數(shù)表示如下：

2）內(nèi)部指揮控制觸發(fā)條件

在交互行為方面，結(jié)合《JP3-01 Countering Air and Missile Threats 應(yīng)對(duì)空中和導(dǎo)彈威脅》、《JP3-51 Joint Doctrine for Electronic Warfare 電子戰(zhàn)聯(lián)合條令》、《JP3-85 Joint Electromagnetic Spectrum Operations 聯(lián)合電磁頻譜作戰(zhàn)》等條令相關(guān)內(nèi)容以及公開(kāi)情報(bào)資料，可以發(fā)現(xiàn)上級(jí)指控系統(tǒng)對(duì)設(shè)備還存在著指控關(guān)系，因此可以在設(shè)備上保留一個(gè)優(yōu)先級(jí)更高的接口，用以模擬上級(jí)指控系統(tǒng)在設(shè)備自主運(yùn)行的基礎(chǔ)上進(jìn)行指令干預(yù)的情況，在模型設(shè)計(jì)方面可以設(shè)定為由指令觸發(fā)的中斷機(jī)制。

2.3 作戰(zhàn)規(guī)則分析

對(duì)于作戰(zhàn)規(guī)則庫(kù)的建模首先需要從外軍作戰(zhàn)條令中提取基本行為，再根據(jù)具體的作戰(zhàn)規(guī)則和任務(wù)執(zhí)行過(guò)程，按照時(shí)序與資源約束關(guān)系將基本行為進(jìn)行復(fù)合［9-10］。

電子對(duì)抗設(shè)備的基本行為包括：

1）偵察。根據(jù)《ATP3-12.3 Electromagnetic Warfare Techniques 電磁戰(zhàn)技術(shù)》，設(shè)備進(jìn)行偵察動(dòng)作能夠獲得的目標(biāo)威脅特征參數(shù)包括：威脅方使用的電磁頻譜資源、天線方向、極化方式、發(fā)射功率、作用距離、位置、帶寬、調(diào)制類型、脈沖重復(fù)頻率等。電子對(duì)抗設(shè)備的偵察行為建模可以簡(jiǎn)化為一個(gè)判斷過(guò)程，若信號(hào)達(dá)到偵收的閾值，即可獲得上述威脅目標(biāo)的所有參數(shù)并解算出其他信息，然后將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給指揮決策中心。

2）干擾。已明確的干擾技術(shù)包括：頻點(diǎn)干擾、掃頻干擾、阻塞干擾、跟蹤干擾等，具體采用的干擾樣式要根據(jù)能力參數(shù)確定。假設(shè)舷外有源干擾設(shè)備的作戰(zhàn)行動(dòng)流程為：從電子支援系統(tǒng)接收操作員的指令和威脅數(shù)據(jù)后，發(fā)射處理器根據(jù)威脅目標(biāo)來(lái)襲方向和距離、艦艇航向、海面風(fēng)力等信息進(jìn)行誘餌最佳布放位置綜合解算，得出最佳發(fā)射方位角和俯仰角。設(shè)備向指定位置發(fā)射有源雷達(dá)誘餌并根據(jù)導(dǎo)引頭工作頻率范圍、脈沖寬度、重復(fù)周期對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，施放拖引式假目標(biāo)欺騙干擾或密集假目標(biāo)壓制干擾信號(hào)［11］。

3）協(xié)同。電子對(duì)抗設(shè)備之間還存在的交互關(guān)系，假設(shè)艦載電子戰(zhàn)系統(tǒng)與先進(jìn)舷外電子戰(zhàn)系統(tǒng)的協(xié)同干擾為：在協(xié)同工作模式下，艦載電子戰(zhàn)系統(tǒng)負(fù)責(zé)探測(cè)反艦導(dǎo)彈威脅，其軟殺傷協(xié)同系統(tǒng)通過(guò)Link-16 數(shù)據(jù)鏈向舷外發(fā)送協(xié)同干擾指令以及威脅目標(biāo)引導(dǎo)參數(shù)，協(xié)同實(shí)施電子攻擊。此外，該電子戰(zhàn)系統(tǒng)還可通過(guò)外部接口與其他和主平臺(tái)連接的電子對(duì)抗設(shè)備配合工作，以最大化電子攻擊效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)反艦導(dǎo)彈的協(xié)同電子對(duì)抗。艦載電子戰(zhàn)系統(tǒng)與先進(jìn)舷外電子戰(zhàn)系統(tǒng)的協(xié)同干擾交互關(guān)系如圖3 所示。

圖3 艦載電子戰(zhàn)系統(tǒng)與先進(jìn)舷外電子戰(zhàn)系統(tǒng)的協(xié)同干擾交互關(guān)系

3 仿真結(jié)果分析

3.1 行為模型構(gòu)建

為驗(yàn)證本文提出的電子對(duì)抗設(shè)備行為模型建模的可行性，通過(guò)構(gòu)建大型艦船編隊(duì)防空反導(dǎo)作戰(zhàn)場(chǎng)景，開(kāi)發(fā)某典型艦載有源干擾設(shè)備的行為模型，并在電磁對(duì)抗仿真系統(tǒng)中加載該行為模型來(lái)驗(yàn)證其設(shè)備實(shí)體的自主決策能力。通過(guò)綜合分析該場(chǎng)景下反艦導(dǎo)彈接收的信號(hào)特征和探測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證基于作戰(zhàn)規(guī)則的電子對(duì)抗設(shè)備行為模型的準(zhǔn)確性。

仿真試驗(yàn)場(chǎng)景想定：當(dāng)大型艦船編隊(duì)面臨反艦導(dǎo)彈武器打擊時(shí)，艦載電子戰(zhàn)系統(tǒng)將執(zhí)行防御性電磁攻擊行動(dòng)。在偵察預(yù)警體系的支撐下，該型艦載有源干擾設(shè)備根據(jù)獲取到的威脅目標(biāo)工作參數(shù)、位置信息和打擊意圖計(jì)算其威脅等級(jí)，查詢規(guī)則庫(kù)條目執(zhí)行對(duì)應(yīng)設(shè)備行為，通過(guò)與編隊(duì)舷外有源干擾設(shè)備、無(wú)源干擾設(shè)備等手段進(jìn)行配合，開(kāi)展電子對(duì)抗行動(dòng)，具體過(guò)程如圖4 所示。將電子對(duì)抗行動(dòng)分為遠(yuǎn)區(qū)對(duì)抗、中區(qū)對(duì)抗和末區(qū)對(duì)抗3 個(gè)階段，對(duì)應(yīng)來(lái)襲威脅導(dǎo)彈威脅等級(jí)閾值value1、value2和value3，設(shè)定valuei為設(shè)備在各雷達(dá)對(duì)抗階段作戰(zhàn)規(guī)則轉(zhuǎn)換判斷的依據(jù)，且value1

圖4 艦載電子戰(zhàn)系統(tǒng)行為模型工作流程圖

1）當(dāng)環(huán)境威脅等級(jí)值D≤value1時(shí)，進(jìn)入遠(yuǎn)區(qū)對(duì)抗階段，為降低大型艦船編隊(duì)被探測(cè)到的概率，該型艦載有源干擾設(shè)備控制箔條發(fā)射系統(tǒng)向艦船艏艉提前發(fā)射沖淡式箔條干擾，降低艦船在導(dǎo)引頭開(kāi)機(jī)后被搜索鎖定的概率。

2）當(dāng)value1

3）當(dāng)value2

3.2 仿真試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)開(kāi)展全數(shù)字仿真試驗(yàn)，該艦載有源干擾設(shè)備的行為模型按照想定的工作過(guò)程執(zhí)行了各階段的具體行動(dòng)。根據(jù)實(shí)時(shí)采集的導(dǎo)引頭視角下的目標(biāo)位置信息，繪制得到仿真結(jié)果圖，通過(guò)分析其受到的干擾效果，驗(yàn)證電子對(duì)抗設(shè)備行為的有效性，如圖5 和圖6所示。其中，圖5 為反艦導(dǎo)彈主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭開(kāi)機(jī)后的目標(biāo)位置信息上報(bào)圖，圖6 為導(dǎo)引頭在3 個(gè)對(duì)抗階段的角度跟蹤精度。

圖5 導(dǎo)引頭目標(biāo)位置上報(bào)圖

圖6 目標(biāo)方位角測(cè)角誤差

1）當(dāng)環(huán)境威脅等級(jí)值D≤value1時(shí)，艦載有源干擾設(shè)備按照想定在反艦導(dǎo)彈主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭開(kāi)機(jī)前控制箔條發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射了沖淡式箔條干擾。

2）當(dāng)value1

3）當(dāng)value2

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，電子對(duì)抗設(shè)備在其行為模型的指控調(diào)度下采取了相應(yīng)的策略，釋放了既定的干擾，輸出了合理的規(guī)劃結(jié)果，貼合實(shí)際行為及規(guī)程。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)電子對(duì)抗設(shè)備行為模型建模問(wèn)題，分析了電子對(duì)抗設(shè)備行為的定義，解析了電子對(duì)抗設(shè)備行為模型構(gòu)建基本要素，基于對(duì)外軍作戰(zhàn)條令的研究，梳理其底層作戰(zhàn)規(guī)則，提出了基于作戰(zhàn)規(guī)則的電子對(duì)抗設(shè)備行為模型表征方法，為電子對(duì)抗設(shè)備行為模擬提供了解決思路。同時(shí)，本文分析了電子對(duì)抗設(shè)備模型對(duì)外界環(huán)境特征做出反應(yīng)時(shí)需要考慮的參數(shù)，并根據(jù)其影響因子賦予一定的權(quán)重來(lái)計(jì)算威脅等級(jí)值，作為對(duì)整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)情況的評(píng)級(jí)，再通過(guò)該值映射到實(shí)體采取的行為。同時(shí)保留了優(yōu)先級(jí)更高的指控命令交互接口，解決了之前決策前判斷的單一性，大大提高了行為輸出的合理性與真實(shí)性。未來(lái)將以此為基礎(chǔ)對(duì)條令條例進(jìn)行更深的研究和解析，繼續(xù)豐富和完善行為模型的建模方法，期望為電子對(duì)抗設(shè)備行為建模提供理論方法借鑒。■