基于作戰(zhàn)規(guī)則的電子對抗設備行為模型表征方法

2024-04-07 11:57:40俞忠武馬曉斌張江南

航天電子對抗 2024年1期

羅晟，王鑫，俞忠武，馬曉斌，張江南

（1.中國航天科工集團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

隨著電子信息技術的快速發(fā)展，各類電子對抗設備持續(xù)涌現(xiàn)，武器系統(tǒng)面臨的電磁環(huán)境呈現(xiàn)出對抗性強、變化速度快等特點，使得利用實裝或半實物方式模擬復雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境來檢驗系統(tǒng)性能愈加困難，因此近年來數(shù)字仿真技術成為了模擬復雜電磁環(huán)境的重要手段。然而，由于當前電子對抗設備實體模型僅模擬了技術性能，受物理機理建模的限制，其往往不具備靈活動態(tài)的反應能力［1］。同時，電子對抗設備模型能否根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢和作戰(zhàn)任務作出正確的戰(zhàn)術行為選擇，直接影響著結果。受模型設計人員知識結構、邏輯經(jīng)驗的影響，目前基于模糊理論和神經(jīng)網(wǎng)絡設計的行為模型很難作出切合實際作戰(zhàn)的決策判斷，需依據(jù)對相關規(guī)程和設備使用具有指導意義的電磁頻譜領域作戰(zhàn)條令體系進行建模［2-5］。因此，本文將基于外軍作戰(zhàn)條令條例和設備性能參數(shù)，通過對外軍作戰(zhàn)規(guī)則的研究，深入理解設備行為架構，同時考慮到實體構成及其使用流程，開展電子對抗設備行為模型的研究，為設備戰(zhàn)術戰(zhàn)法運用理論聯(lián)系實際的現(xiàn)實問題提供參考思路。

1 行為模型定義

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

根據(jù)福格的行為模型可以得到：

式中，B為行為，M為動機，A為能力，T為觸發(fā)條件。當個體具備了一定的動機和能力且被觸發(fā)的情況下，就會產(chǎn)生一次行為［6］。

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

式中，Be為電子對抗設備行為；Me為電子對抗設備行為動機/任務；Ae為電子對抗設備的戰(zhàn)技能力；Te為電子對抗設備行為環(huán)境觸發(fā)條件；Re為電子對抗設備行為規(guī)則或策略。其中，Ae主要由實體模型實現(xiàn)，因此本文將重點研究Me、Te、Re3 個量。

2 行為模型表征指標

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

圖1 設備行為決策流程

根據(jù)設備行為決策流程的模塊劃分，總體建模思路為將電子對抗設備行為決策流程進行分層映射：在作戰(zhàn)任務選擇模塊根據(jù)條令解析電磁作戰(zhàn)任務的概念；在觸發(fā)條件模塊根據(jù)設備的半自動工作模式設計威脅等級計算公式和指令控制接口；在規(guī)則庫匹配模塊對基本行為動作進行算法研究。最后用計算機編程語言對上述的選擇邏輯、映射關系和行為算法進行表述，形成理論對應實際、模型框架合理的建模方法。

2.1 電磁作戰(zhàn)任務分析

一般條令體系框架從縱向來看分為頂層條令、中間層條令和底層條令，其中底層條令將部隊的基礎職能結合具體任務和行動進一步分解，介紹了各項作戰(zhàn)任務的相關內(nèi)容［7］。以《JP3-85 Joint Electromagnetic Spectrum Operations 聯(lián)合電磁頻譜作戰(zhàn)條令》為例，首先明確設備能夠執(zhí)行的作戰(zhàn)任務，不同的任務將會對應關注不同的環(huán)境要素，輸出不同的行為結果［8］。

1）電磁支援行動（ES）

作為電磁戰(zhàn)規(guī)劃和部署的基礎，電磁支援行動主要通過搜索、偵察、監(jiān)視、識別和定位各種電磁輻射源，結合其他情報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。電子對抗設備在電磁支援行動中主要提供的是電子技術偵察和威脅信號分選識別功能，如：艦載電子戰(zhàn)系統(tǒng)一般具備射頻警戒、監(jiān)視、精確測量和自動威脅識別功能，可以在導彈武器來襲時對導引頭發(fā)出的雷達信號進行時域、頻域、空域、能量域檢測，完成對截獲的威脅目標信號的參數(shù)測量，并將結果上報至上級指揮實體，為作戰(zhàn)決策提供支持。

本文提出基于最小生成樹的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)絡之間的轉換不是完全隨機發(fā)生的，這種非隨機的大腦網(wǎng)絡序列本身是有層次結構的，呈現(xiàn)出兩個不同的亞穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡系統(tǒng)。基于SVD算法計算出網(wǎng)絡內(nèi)聚力的大小，全面分析當前大腦狀態(tài)動力學的有關研究。

2）電磁攻擊行動（EA）

電磁攻擊行動分為進攻性電磁攻擊和防御性電磁攻擊。其中，進攻性電磁攻擊包括：防區(qū)外壓制干擾、隨隊支援干擾、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航戰(zhàn)等主動措施；防御性電磁攻擊包括：利用自衛(wèi)干擾、無源誘餌干擾和定向能紅外對抗等保護人員、設施、能力和設備。在導彈武器攻防對抗過程中，電子對抗設備主要負責軟殺傷部分，如：電子戰(zhàn)飛機所搭載的電子干擾系統(tǒng)可采用噪聲干擾樣式對敵各類雷達實施電磁攻擊。

3）電磁防護行動（EP）

電磁防護行動是確保在不利的電磁輻射影響下能夠保護人員、設施和設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)，同時也可以防止敵方探測、中斷、欺騙、破壞。在防空反導作戰(zhàn)體系中，各種遠程預警探測、對空對海搜索雷達大多采用虛警控制、旁瓣對消、頻率捷變和數(shù)字動目標顯示等抗干擾措施來實施電磁防護行動，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)任務樹，如圖2 所示。作為電子對抗設備行為模型建模的初始建模要素，形成任務集。設備首先需從任務集中選擇接收到的作戰(zhàn)任務，從而確定之后的行動范圍。

圖2 作戰(zhàn)任務樹

2.2 觸發(fā)條件分析

設備實體在t時刻所選擇的行為可以設定為此刻戰(zhàn)場環(huán)境的一個映射函數(shù)，它根據(jù)接收到的任務Task將其關注的外部環(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)為實體在行為集Act中采取某種行為的可能性。仿真實體的行為選擇邏輯Φ 可表示為：

Φ：(Task，E(t)，S(t))∈R→A∈Act（3）

在每個仿真周期的開始階段，實體需要對接收到的輸入信息進行更新，然后根據(jù)主動處理數(shù)據(jù)還是被動接收指令，將觸發(fā)條件分為外部電磁環(huán)境威脅等級值計算以及實體內(nèi)部接收指控對行為修正2 個環(huán)節(jié)。

在電磁對抗場景中，電子對抗設備對目標威脅等級的更新過程主要取決于其所關注的外部環(huán)境特征參數(shù)，如：當前環(huán)境電磁態(tài)勢、目標距離與速度、目標的工作體制及參數(shù)等。因此，威脅等級值可以用環(huán)境特征值的一個多元函數(shù)來表示，組合方式為加權累加，對于設備行為的觸發(fā)可以將威脅等級作為輸入。設威脅等級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（·）來調(diào)整，同時考慮到除了外部環(huán)境，來襲目標的威脅等級還與實體自身的戰(zhàn)損情況fe有關系，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，結合《JP3-01 Countering Air and Missile Threats 應對空中和導彈威脅》、《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)》等條令相關內(nèi)容以及公開情報資料，可以發(fā)現(xiàn)上級指控系統(tǒng)對設備還存在著指控關系，因此可以在設備上保留一個優(yōu)先級更高的接口，用以模擬上級指控系統(tǒng)在設備自主運行的基礎上進行指令干預的情況，在模型設計方面可以設定為由指令觸發(fā)的中斷機制。

2.3 作戰(zhàn)規(guī)則分析

對于作戰(zhàn)規(guī)則庫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)則和任務執(zhí)行過程，按照時序與資源約束關系將基本行為進行復合［9-10］。

電子對抗設備的基本行為包括：

1）偵察。根據(jù)《ATP3-12.3 Electromagnetic Warfare Techniques 電磁戰(zhàn)技術》，設備進行偵察動作能夠獲得的目標威脅特征參數(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、脈沖重復頻率等。電子對抗設備的偵察行為建模可以簡化為一個判斷過程，若信號達到偵收的閾值，即可獲得上述威脅目標的所有參數(shù)并解算出其他信息，然后將數(shù)據(jù)實時傳遞給指揮決策中心。

2）干擾。已明確的干擾技術包括：頻點干擾、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。假設舷外有源干擾設備的作戰(zhàn)行動流程為：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)威脅目標來襲方向和距離、艦艇航向、海面風力等信息進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。設備向指定位置發(fā)射有源雷達誘餌并根據(jù)導引頭工作頻率范圍、脈沖寬度、重復周期對原始信號進行調(diào)制，施放拖引式假目標欺騙干擾或密集假目標壓制干擾信號［11］。

3）協(xié)同。電子對抗設備之間還存在的交互關系，假設艦載電子戰(zhàn)系統(tǒng)與先進舷外電子戰(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)負責探測反艦導彈威脅，其軟殺傷協(xié)同系統(tǒng)通過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引導參數(shù)，協(xié)同實施電子攻擊。此外，該電子戰(zhàn)系統(tǒng)還可通過外部接口與其他和主平臺連接的電子對抗設備配合工作，以最大化電子攻擊效應，實現(xiàn)對反艦導彈的協(xié)同電子對抗。艦載電子戰(zhàn)系統(tǒng)與先進舷外電子戰(zhàn)系統(tǒng)的協(xié)同干擾交互關系如圖3 所示。

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

3 仿真結果分析

3.1 行為模型構建

為驗證本文提出的電子對抗設備行為模型建模的可行性，通過構建大型艦船編隊防空反導作戰(zhàn)場景，開發(fā)某典型艦載有源干擾設備的行為模型，并在電磁對抗仿真系統(tǒng)中加載該行為模型來驗證其設備實體的自主決策能力。通過綜合分析該場景下反艦導彈接收的信號特征和探測結果，驗證基于作戰(zhàn)規(guī)則的電子對抗設備行為模型的準確性。

仿真試驗場景想定：當大型艦船編隊面臨反艦導彈武器打擊時，艦載電子戰(zhàn)系統(tǒng)將執(zhí)行防御性電磁攻擊行動。在偵察預警體系的支撐下，該型艦載有源干擾設備根據(jù)獲取到的威脅目標工作參數(shù)、位置信息和打擊意圖計算其威脅等級，查詢規(guī)則庫條目執(zhí)行對應設備行為，通過與編隊舷外有源干擾設備、無源干擾設備等手段進行配合，開展電子對抗行動，具體過程如圖4 所示。將電子對抗行動分為遠區(qū)對抗、中區(qū)對抗和末區(qū)對抗3 個階段，對應來襲威脅導彈威脅等級閾值value1、value2和value3，設定valuei為設備在各雷達對抗階段作戰(zhàn)規(guī)則轉換判斷的依據(jù)，且value1

圖4 艦載電子戰(zhàn)系統(tǒng)行為模型工作流程圖

1）當環(huán)境威脅等級值D≤value1時，進入遠區(qū)對抗階段，為降低大型艦船編隊被探測到的概率，該型艦載有源干擾設備控制箔條發(fā)射系統(tǒng)向艦船艏艉提前發(fā)射沖淡式箔條干擾，降低艦船在導引頭開機后被搜索鎖定的概率。

2）當value1

3）當value2

3.2 仿真試驗結果分析

通過開展全數(shù)字仿真試驗，該艦載有源干擾設備的行為模型按照想定的工作過程執(zhí)行了各階段的具體行動。根據(jù)實時采集的導引頭視角下的目標位置信息，繪制得到仿真結果圖，通過分析其受到的干擾效果，驗證電子對抗設備行為的有效性，如圖5 和圖6所示。其中，圖5 為反艦導彈主動雷達導引頭開機后的目標位置信息上報圖，圖6 為導引頭在3 個對抗階段的角度跟蹤精度。

圖5 導引頭目標位置上報圖

圖6 目標方位角測角誤差

1）當環(huán)境威脅等級值D≤value1時，艦載有源干擾設備按照想定在反艦導彈主動雷達導引頭開機前控制箔條發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射了沖淡式箔條干擾。