王慶業(yè) 王 平 林 茜 孫 哲

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

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艦艇編隊(duì)CEC系統(tǒng)對(duì)抗策略研究*

王慶業(yè) 王 平 林 茜 孫 哲

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

協(xié)同作戰(zhàn)能力CEC系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的重要組成部分,該系統(tǒng)的運(yùn)用極大地提高了美艦艇編隊(duì)的防空作戰(zhàn)能力。論文簡(jiǎn)述了CEC系統(tǒng)的基本概念,對(duì)相控陣天線技術(shù)等CEC系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹,重點(diǎn)分析了多方位飽和干擾等CEC系統(tǒng)對(duì)抗策略。

協(xié)同作戰(zhàn)能力; 關(guān)鍵技術(shù); 系統(tǒng)對(duì)抗

Class Number E837

1 引言

美軍為了防御巡航導(dǎo)彈對(duì)其艦艇編隊(duì)的攻擊,提高艦艇編隊(duì)和海岸的防空能力,于上個(gè)世紀(jì)70年代提出了協(xié)同作戰(zhàn)能力(Cooperative Engagement Capability,CEC)概念[1]。其實(shí)質(zhì)是通過(guò)戰(zhàn)場(chǎng)信息共享,采用多傳感器融合技術(shù),在艦艇編隊(duì)各成員間共享實(shí)時(shí)探測(cè)信息、跟蹤信息、火控信息,提高艦艇編隊(duì)整體作戰(zhàn)能力。隨著CEC系統(tǒng)的功能在各型艦上的不斷拓展,尤其是CEC系統(tǒng)在E-2C預(yù)警機(jī)上的應(yīng)用,使得艦艇編隊(duì)的防空作戰(zhàn)能力大幅度提升。在未來(lái)的海上作戰(zhàn)中,對(duì)抗CEC系統(tǒng)也必將會(huì)成為一個(gè)非常重要的課題。

2 CEC系統(tǒng)的概念

CEC系統(tǒng)協(xié)調(diào)和整合整個(gè)作戰(zhàn)系統(tǒng)中所有傳感器的信息,將其合成一個(gè)單一、實(shí)時(shí)的綜合航跡,并用于武器級(jí)防空作戰(zhàn)的信息支持。主要用于水面艦艇的防空作戰(zhàn)及艦艇的自我防衛(wèi),功能還可擴(kuò)展到整個(gè)作戰(zhàn)區(qū)域?qū)?lái)自空中、陸地、海上的導(dǎo)彈防御。CEC系統(tǒng)由多個(gè)節(jié)點(diǎn)(稱為協(xié)同作戰(zhàn)單元CU)組成,每一個(gè)節(jié)點(diǎn)由協(xié)同作戰(zhàn)處理器(CEP)、數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)(DDS,含其與艦艇武器系統(tǒng)的接口)組成。該網(wǎng)絡(luò)的核心是數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)(DDS)。如圖1所示。

圖1 CEC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備組成框圖[2]

2.1 協(xié)同作戰(zhàn)處理機(jī)(Cooperative Engagement Processor,CEP)

CEP用于跟蹤、處理主艦和系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)提供的目標(biāo)數(shù)據(jù),通常與武器分系統(tǒng)的處理機(jī)相連接。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的CEP都要處理來(lái)自整個(gè)系統(tǒng)傳感器的數(shù)據(jù),所以每個(gè)節(jié)點(diǎn)的CEP的處理能力也是一致的。這一功能目前是由30臺(tái)摩托羅拉68040處理器通過(guò)一個(gè)總線結(jié)構(gòu)集成起來(lái)協(xié)同完成處理工作,且只有一個(gè)信息傳遞結(jié)構(gòu),這些結(jié)構(gòu)封裝在一個(gè)機(jī)箱中。一般情況下,CEP直接與自身的傳感器對(duì)接,以保證本地探測(cè)數(shù)據(jù)能夠在極少的時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)紺EP。CEP還要與本地指控子系統(tǒng)對(duì)接,保證與本地作戰(zhàn)系統(tǒng)的行動(dòng)協(xié)調(diào)。最后,CEP連接到武器子系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上,確保能夠及時(shí)地把精確的火控?cái)?shù)據(jù)送到武器子系統(tǒng)上,指導(dǎo)協(xié)同作戰(zhàn)。

2.2 數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)(Data Distribution System,DDS)

DDS在CEP的直接控制下進(jìn)行操作,以保證對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂坪途W(wǎng)絡(luò)的連通性。每一個(gè)DDS終端都使用相控陣天線,并與大功率行波管(TWT)發(fā)射機(jī)接口工作,工作頻段為C頻段。其主要功能是通過(guò)相控陣天線定向、窄波束、猝發(fā)傳送原始的傳感器信息,并在傳輸過(guò)程中應(yīng)用了變頻、擴(kuò)頻及冗余編碼等抗干擾措施,實(shí)現(xiàn)了將協(xié)同作戰(zhàn)處理器處理所需的目標(biāo)信息(包括目標(biāo)位置、航跡、綜合航跡、識(shí)別和協(xié)同攻擊等數(shù)據(jù))在CEC網(wǎng)絡(luò)中可靠、高質(zhì)量地傳輸。現(xiàn)階段,機(jī)載的DDS只裝備到了E-2C預(yù)警機(jī)上,更小、更輕、更廉價(jià)及更多樣式將是DDS下一步的發(fā)展趨勢(shì),DDS也將隨之裝備更多的戰(zhàn)機(jī)。

CEC系統(tǒng)能夠使節(jié)點(diǎn)在自身雷達(dá)不能跟蹤來(lái)襲目標(biāo)時(shí),利用其他作戰(zhàn)平臺(tái)傳感器信息形成的合成航跡,向本地雷達(dá)提供精確的目標(biāo)信息,幫助本地雷達(dá)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行及時(shí)捕獲;或者直接利用遠(yuǎn)程傳感器獲得的合成航跡,引導(dǎo)本地的武器系統(tǒng)對(duì)來(lái)襲目標(biāo)進(jìn)行攻擊[3];另外,CEC系統(tǒng)還能計(jì)算出合適的位置及整個(gè)艦艇編隊(duì)合適的武器系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)實(shí)施攻擊,避免了多平臺(tái)攻擊同一目標(biāo)造成武器資源的浪費(fèi),同時(shí)對(duì)導(dǎo)彈采取多個(gè)平臺(tái)協(xié)同制導(dǎo)的方式,可以提高導(dǎo)彈的抗干擾能力及反隱身能力,提高導(dǎo)彈的打擊能力。

3 CEC系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 相控陣天線技術(shù)

相控陣天線技術(shù)是CEC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)十兆級(jí)的傳輸速率、強(qiáng)抗干擾能力所必需的。相控陣天線是陣列天線中各單元上電磁能量的相位受專門(mén)的移相器控制的天線。絕大多數(shù)情況下移相器改變相位由波控裝置根據(jù)一定的程序來(lái)控制。移相器改變相位狀態(tài)的時(shí)間為微秒量級(jí)。根據(jù)各單元上不同的相位配置,可以使陣列天線的波束在一定的范圍內(nèi)指向不同的方向或改變波束的形狀[4]。根據(jù)相控陣天線的特點(diǎn),DDS相控陣天線能實(shí)現(xiàn)約30dB的增益。如果使用1000W的發(fā)射機(jī),則CEC發(fā)射的等效輻射功率在1MW以上。而且,由于CEC系統(tǒng)的信息接收節(jié)點(diǎn)同樣采用相控陣天線,接收增益也會(huì)很高,這會(huì)大大降低接收機(jī)對(duì)于靈敏度的要求,同時(shí)也就大大降低了對(duì)于大功率干擾信號(hào)的敏感度。另外,相控陣天線采用了旁瓣對(duì)消技術(shù),可大幅提高旁瓣的抗干擾性。但由文獻(xiàn)[5]可知,旁瓣對(duì)消技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是有一定限度的,所以由此對(duì)相控陣進(jìn)行對(duì)抗是可行的。

3.2 數(shù)據(jù)融合技術(shù)

數(shù)據(jù)融合技術(shù)是把來(lái)自各節(jié)點(diǎn)不同傳感器的數(shù)據(jù)加以關(guān)聯(lián)、合并,以獲得對(duì)目標(biāo)的精確位置估計(jì)和身份判定,并形成統(tǒng)一的綜合防空?qǐng)D像。由于CEC融合后的數(shù)據(jù)具有火控質(zhì)量,能夠直接指導(dǎo)火控雷達(dá)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行“盲打”,對(duì)于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和精度要求很高,所以CEC系統(tǒng)對(duì)原始數(shù)據(jù)采用了集中式融合的方式。集中式融合結(jié)構(gòu)相比于分布式融合的主要優(yōu)勢(shì)是減少了數(shù)據(jù)處理的次數(shù),進(jìn)而就減少了計(jì)算時(shí)延、傳輸時(shí)延尤其是誤差的累積[6]。據(jù)美軍CEC系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),每個(gè)目標(biāo)僅產(chǎn)生1.06個(gè)航跡(關(guān)聯(lián)率約94%),而LINK16則產(chǎn)生1.35個(gè)航跡,其他方式則要產(chǎn)生1.5個(gè)航跡。

3.3 高精度時(shí)空效準(zhǔn)技術(shù)

高精度時(shí)空效準(zhǔn)技術(shù)是滿足數(shù)據(jù)融合的需要。對(duì)來(lái)自網(wǎng)絡(luò)中各傳感器的不同精度,不同方位,不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,就必須要把這些數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一致的空間坐標(biāo)系和時(shí)間軸中。在時(shí)空校準(zhǔn)過(guò)程中存在平臺(tái)移動(dòng)、誤差累計(jì)、時(shí)鐘漂移等干擾因素,所以時(shí)空校準(zhǔn)必須是時(shí)常進(jìn)行的。現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)時(shí)空校準(zhǔn)需要相對(duì)定位設(shè)備和通信設(shè)備,而要達(dá)到武器級(jí)精度的時(shí)空一致性,校準(zhǔn)算法的工作量會(huì)比較大。CEC系統(tǒng)以后會(huì)將GPS定位應(yīng)用到CEC系統(tǒng)的時(shí)空效準(zhǔn)的解決方案中,這可以減小時(shí)空效準(zhǔn)的難度,但也為干擾CEC系統(tǒng)提供了方法手段。

3.4 接口與互操作技術(shù)

CEC將系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的傳感器、武器、敵我識(shí)別器、指揮系統(tǒng)及傳輸設(shè)備緊密地鉸鏈在一起,這大大減少了從目標(biāo)發(fā)現(xiàn)到對(duì)目標(biāo)實(shí)施攻擊的時(shí)間?，F(xiàn)在的問(wèn)題是CEC系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的設(shè)備一般采購(gòu)于不同的廠家,且設(shè)備之間沒(méi)有互聯(lián)互通的接口[7]。為此,CEC系統(tǒng)需要考慮以下接口和互操作技術(shù)：制定統(tǒng)一的接口及互操作的標(biāo)準(zhǔn)、如何在已有的設(shè)備上實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通、現(xiàn)在的解決方案能否適應(yīng)未來(lái)接口的發(fā)展演變。CEC系統(tǒng)接口與互操作技術(shù)的發(fā)展,使得CEC系統(tǒng)的兼容性得到了提高,但也為對(duì)抗CEC系統(tǒng)提供了更多的“通道”。

4 CEC系統(tǒng)對(duì)抗策略

通過(guò)CEC系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究可以得出,CEC系統(tǒng)的安全性并不是無(wú)懈可擊,對(duì)抗方在對(duì)抗方面還是有所作為的。

4.1 多方位飽和干擾

相控陣天線的旁瓣對(duì)消技術(shù)采用輔助天線與主天線構(gòu)成自適應(yīng)陣,以抵消主天線接收到的干擾信號(hào)。其工作原理如圖2所示。

圖2 自適應(yīng)旁瓣對(duì)消器

旁瓣對(duì)消后,雷達(dá)的方向圖表示為

f(θ)=WHα(θ)

式中W=[ω0,ω1,ω2,ω3,…,ωN]T,α(θ)=[G(θ),ejφ1(θ),ejφ2(θ),…,ejφN(θ)]T,G(θ)為主天線方向圖函數(shù),φN(θ)(n=1,2,…,N)是干擾波以θ角入射時(shí),輔助天線n信號(hào)相對(duì)主天線信號(hào)的相移,因此f(θ)也可以表示為

若要旁瓣對(duì)消陣同時(shí)對(duì)消從m個(gè)方向來(lái)的干擾信號(hào),旁瓣對(duì)消后方向圖要在這m個(gè)方向上產(chǎn)生零點(diǎn),就要滿足以下齊次方程式：

由上式可推斷,M≤N,上式有解,M>N,則無(wú)解。由此可知,當(dāng)位于不同方向的干擾機(jī)數(shù)量超過(guò)對(duì)消陣中輔天線個(gè)數(shù)時(shí),此時(shí)對(duì)消陣便會(huì)失去抗干擾能力[8]。

4.2 對(duì)重點(diǎn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行攻擊

CEC系統(tǒng)的各節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中強(qiáng)調(diào)平等性,但在實(shí)戰(zhàn)中受空間自然因素的影響,也存在相對(duì)的重要節(jié)點(diǎn)。在沒(méi)有機(jī)載雷達(dá)的情況下,艦載雷達(dá)的探測(cè)視線受地球曲率影響,其最大視線探測(cè)距離R為

其中,hc為敵方目標(biāo)的飛行高度(m);ha為艦載雷達(dá)天線架的高度(m)。

根據(jù)上式可以得出艦載雷達(dá)天線架高、敵方目標(biāo)飛行高與雷達(dá)探測(cè)距離的關(guān)系如圖3所示。

圖3 艦載雷達(dá)探測(cè)距離與目標(biāo)飛行高度及天線架高關(guān)系圖

如圖3可知,若反艦導(dǎo)彈以10m的高度(最小飛行高度可為7m)、2馬赫的速度攻擊艦艇,可以得出發(fā)現(xiàn)目標(biāo)到目標(biāo)擊毀艦艇的時(shí)間僅為51s。另外,從馬島海戰(zhàn)中“謝非爾德”導(dǎo)彈護(hù)衛(wèi)艦及美國(guó)的“斯塔克”軍艦分別被“飛魚(yú)”空艦導(dǎo)彈擊沉的事件中表明,缺少預(yù)警機(jī)配合的艦艇編隊(duì),對(duì)于超低空突防的反艦導(dǎo)彈是幾乎是沒(méi)有防御能力的[9]。

由此得知,艦載預(yù)警機(jī)對(duì)于CEC系統(tǒng)作用的充分發(fā)揮起著“核心節(jié)點(diǎn)”的作用。所以,可以利用激光武器、電磁脈沖彈、彈道導(dǎo)彈對(duì)艦載預(yù)警機(jī)進(jìn)行攻擊,從而達(dá)到抑制CEC系統(tǒng)作用發(fā)揮的目的。

4.3 外圍傳感器干擾

美軍海上作戰(zhàn)幾乎都是艦艇編隊(duì)作戰(zhàn),艦艇編隊(duì)作戰(zhàn)又都以航母為中心,并圍繞航母的安全進(jìn)行體系布置。艦艇編隊(duì)的防御體系如圖4所示。艦艇編隊(duì)的探測(cè)和防御區(qū)域分為三部分。第一層為內(nèi)防區(qū)(也稱點(diǎn)防區(qū)),距離航母0.1km～45km,此時(shí)航母主要依靠艦載的雷達(dá)進(jìn)行防御探測(cè);第二層為中防區(qū),距離航母45km～185km,主要通過(guò)航母自身的中、遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)及空中的預(yù)警機(jī)、偵察機(jī)獲取情報(bào);第三層為外防區(qū),距離航母距離185km～400km,主要通過(guò)外層艦只的雷達(dá)、空中的預(yù)警機(jī)和偵察機(jī),以及軍用衛(wèi)星提供情報(bào)。因此,針對(duì)遠(yuǎn)程雷達(dá)精度低、易受干擾的特點(diǎn),可以對(duì)偵察遠(yuǎn)距離目標(biāo)的雷達(dá)實(shí)施隱身、示假等對(duì)抗方法,以縮短CEC系統(tǒng)的預(yù)警時(shí)間[10]。

圖4 艦艇編隊(duì)對(duì)空防御任務(wù)分層示意圖

4.4 病毒攻擊

計(jì)算機(jī)病毒對(duì)抗是電子戰(zhàn)的一種表現(xiàn)形式。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中,美軍運(yùn)用初級(jí)計(jì)算機(jī)病毒武器成功地攻擊了伊拉克的指揮中心,使伊方的防空網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)完全失去作用。計(jì)算機(jī)病毒對(duì)CEC系統(tǒng)的攻擊可以有多種方式,比如,可以通過(guò)電磁波將病毒傳入對(duì)方的無(wú)線通信系統(tǒng),再通過(guò)電磁波將病毒激活;可以在設(shè)備研制期間人為的注入病毒;另外CEC系統(tǒng)與其他通用數(shù)據(jù)鏈留有接口,以后也將與GPS系統(tǒng)互聯(lián),病毒可由這些接口注入。

4.5 主動(dòng)申請(qǐng)干擾

CEC是一個(gè)開(kāi)放式的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),新節(jié)點(diǎn)可以自由地向系統(tǒng)發(fā)起入網(wǎng)申請(qǐng)。所以干擾方可以模擬入網(wǎng)信號(hào)向系統(tǒng)最近的節(jié)點(diǎn)發(fā)起入網(wǎng)申請(qǐng),在對(duì)CEC偵察的基礎(chǔ)上,若干擾方獲取了準(zhǔn)確的CEC系統(tǒng)入網(wǎng)信息,干擾方將會(huì)作為一個(gè)新節(jié)點(diǎn)加入到系統(tǒng)中,進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行攻擊;若不能進(jìn)入系統(tǒng),干擾方也可以通過(guò)對(duì)CEC系統(tǒng)的某個(gè)節(jié)點(diǎn)持續(xù)發(fā)出入網(wǎng)申請(qǐng),讓該節(jié)點(diǎn)疲于進(jìn)行信息識(shí)別與身份驗(yàn)證,從而達(dá)到影響其正常工作的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

CEC系統(tǒng)的裝備使得艦艇編隊(duì)聯(lián)合作戰(zhàn)成為了現(xiàn)實(shí),也使艦艇編隊(duì)的作戰(zhàn)能力成倍增長(zhǎng)。CEC系統(tǒng)能夠綜合編隊(duì)各節(jié)點(diǎn)的作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì),及時(shí)發(fā)現(xiàn)來(lái)襲目標(biāo)并計(jì)算出最優(yōu)化的攔截方案,CEC系統(tǒng)的操作人員甚至只負(fù)責(zé)系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)機(jī)和是否對(duì)目標(biāo)進(jìn)行攻擊就可以了。因此,對(duì)抗CEC系統(tǒng)將是未來(lái)海上作戰(zhàn)的重要內(nèi)容之一。由于CEC系統(tǒng)具有強(qiáng)大的整體作戰(zhàn)性能,采用單一的對(duì)抗措施可能無(wú)法取得好的效果,隨著雷達(dá)探測(cè)、數(shù)據(jù)融合及處理技術(shù)的不斷發(fā)展,在對(duì)抗中應(yīng)用多種對(duì)抗樣式,并采取網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化的對(duì)抗方法,將會(huì)是對(duì)抗方的必然選擇。

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Counter Measures of Cooperative Engagement Capability for Surface Warship Formation

WANG Qingye WANG Ping LIN Qian SUN Zhe

(Collage of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

Cooperative Engagement Capability(CEC) system plays an important role in network centric operation. The equipment of system geatly improves the ability of surface warship formation’s air defense. This article summarizes the basic concept of the CEC system, introduces phased array antenna and other CEC system’s key technologies, emphatically presents multi-faceted saturated interference and other ways about how to counter CEC system.

cooperative engagement capability(CEC), key technologies, system counter

2014年7月2日,

2014年8月25日 基金項(xiàng)目:海軍工程大學(xué)社科基金項(xiàng)目(編號(hào):HGDSK2013E28)資助。

王慶業(yè),男,碩士研究生,研究方向:通信與信息系統(tǒng)。王平,男,副教授,研究方向:信息對(duì)抗。林茜,女,講師,研究方向:復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真。孫哲,男,碩士研究生,研究方向:海光纜通信。

E837

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.009