王光源 毛世超 章堯卿 許李豐 陳永升

（1.海軍航空大學(xué) 煙臺(tái) 264001）（2.92852部隊(duì) 寧波 315033）

1 引言

艦船是海上作戰(zhàn)平臺(tái)的骨干組成之一，我國(guó)海軍、海警等海上作戰(zhàn)力量擁有各類不同性能的水面艦船，為我海上安全提供了有效的裝備保障。艦船執(zhí)行海上作戰(zhàn)任務(wù)，離不開可靠的導(dǎo)航保障服務(wù)，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，GPS現(xiàn)已成為艦船海上導(dǎo)航保障重要的手段。目前艦船作戰(zhàn)面臨著越來越復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，作戰(zhàn)空間內(nèi)可能存在大量的干擾、欺騙、壓制等電磁信息，對(duì)GPS導(dǎo)航保障能力帶來嚴(yán)重影響，成為制約艦船作戰(zhàn)能力發(fā)揮的瓶頸之一。因此，面對(duì)復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)對(duì)抗環(huán)境，綜合評(píng)價(jià)掌握艦船導(dǎo)航保障效能，有效發(fā)揮我方優(yōu)勢(shì)，削弱敵方作戰(zhàn)能力，是艦船作戰(zhàn)導(dǎo)航保障亟待解決的問題［1～2］。

艦船導(dǎo)航保障能力與采用導(dǎo)航手段、方法和環(huán)境有密切關(guān)系，本文面對(duì)的艦船重要導(dǎo)航手段GPS既是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其導(dǎo)航對(duì)抗既包含對(duì)我艦船平臺(tái)提供有效的導(dǎo)航服務(wù)，也包含阻止敵方目標(biāo)的獲得有效的導(dǎo)航服務(wù)。導(dǎo)航對(duì)抗能力越強(qiáng)，艦船獲得的導(dǎo)航信息越準(zhǔn)確，其作戰(zhàn)保障能力就越強(qiáng)［3～4］。由于導(dǎo)航保障能力涉及到眾多因素，因素屬性差異大，相互間存在復(fù)雜關(guān)聯(lián)關(guān)系，難以采用通過普通單一評(píng)價(jià)方法得到有效的結(jié)果，本文采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，具有處理不完備數(shù)據(jù)和學(xué)習(xí)變量之間因果關(guān)系的能力，有效結(jié)合了GPS導(dǎo)航能力因素的特點(diǎn)，即使某些數(shù)據(jù)難以有效得到，也能夠建立比較精確的評(píng)估模型［5］。因此，本文針對(duì)艦船GPS系統(tǒng)，在分析基本構(gòu)成、功能與對(duì)抗方法手段的基礎(chǔ)上，運(yùn)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)方法分析構(gòu)建了對(duì)抗評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，建立了評(píng)價(jià)模型，結(jié)合算例開展了艦船導(dǎo)航保障效能評(píng)價(jià)應(yīng)用。

2 艦船GPS導(dǎo)航系統(tǒng)及其對(duì)抗方法

2.1 艦船GPS導(dǎo)航系統(tǒng)組成

艦船GPS導(dǎo)航系統(tǒng)是綜合的集成體系，主要由空間的星座部分與地面的監(jiān)控部分和艦船終端設(shè)備，其中地面監(jiān)控部分主要由主控站、注入站、監(jiān)測(cè)站等設(shè)備組成。星座與配套監(jiān)控部分是國(guó)家的一項(xiàng)戰(zhàn)略資源，可為包括艦船在內(nèi)的各類用戶提供導(dǎo)航服務(wù)，系統(tǒng)通過地面監(jiān)控站注入衛(wèi)星導(dǎo)航電文、控制指令，控制導(dǎo)航衛(wèi)星空間運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)航衛(wèi)星廣播導(dǎo)航信息，為用戶提供導(dǎo)航綜合服務(wù)［2］，其組成如圖1所示。

2.2 導(dǎo)航對(duì)抗方法

在現(xiàn)在復(fù)雜電磁對(duì)抗戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，GPS系統(tǒng)的導(dǎo)航保障也面臨著對(duì)抗與反對(duì)抗，美軍甚至已將其提升到導(dǎo)航戰(zhàn)的戰(zhàn)略高度加以重視，GPS導(dǎo)航對(duì)抗的主要目標(biāo)是保障有效為己方艦船等提供導(dǎo)航保障，而阻止對(duì)方目標(biāo)的導(dǎo)航保障服務(wù)。其對(duì)抗方法按其手段特性不同可以分為導(dǎo)航攻擊與對(duì)抗防御，兩種方法都能對(duì)艦船作戰(zhàn)的導(dǎo)航保障帶來重要影響。導(dǎo)航攻擊與防御應(yīng)用的前提條件是艦船自身或其他協(xié)同兵力要具備對(duì)導(dǎo)航源與干擾源的偵測(cè)識(shí)別能力，以下僅對(duì)導(dǎo)航攻擊與防御手段進(jìn)行分析。

2.2.1 導(dǎo)航攻擊

導(dǎo)航攻擊按其特性不同可采用兩種方式，即對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)信息干擾和對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)備武力攻擊。

對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)信息干擾將導(dǎo)致艦船等用戶接收機(jī)無法或收到錯(cuò)誤導(dǎo)航信息，無法提供導(dǎo)航服務(wù)。具體包括壓制性干擾和欺騙性干擾，其中壓制性干擾是干擾機(jī)發(fā)射某種干擾信號(hào)來遮蔽敵方的信號(hào)頻譜，使艦船等平臺(tái)用戶接收機(jī)功能失?；騿适?，壓制性干擾對(duì)艦船導(dǎo)航保障的威脅最大，范圍最廣。欺騙性干擾按其工作機(jī)制不同分為“產(chǎn)生式”干擾和“轉(zhuǎn)發(fā)式”干擾兩類方法。產(chǎn)生式干擾是由干擾機(jī)發(fā)射與GPS系統(tǒng)相同的電信號(hào)來欺騙艦船用戶機(jī)，使其出現(xiàn)錯(cuò)誤解碼；轉(zhuǎn)發(fā)式干擾是將把收到GPS系統(tǒng)信號(hào)重新編碼為錯(cuò)誤信息再?gòu)V播轉(zhuǎn)發(fā)，使艦船接收機(jī)接收到錯(cuò)誤導(dǎo)航信息。同時(shí)隨著干擾技術(shù)的發(fā)展，干擾對(duì)象從艦船用戶機(jī)延伸到天基衛(wèi)星，如對(duì)衛(wèi)星注入病毒程序等，均可達(dá)到破壞艦船導(dǎo)航保障能力的目標(biāo)。

對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的武力攻擊主要針對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星、主控站、注入站、監(jiān)測(cè)站等核心設(shè)備實(shí)施火力打擊，其中任一節(jié)點(diǎn)被摧毀，即可導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓失效。對(duì)地面控制、監(jiān)測(cè)和注入站可采用常規(guī)作戰(zhàn)手段對(duì)其實(shí)施遠(yuǎn)程的導(dǎo)彈攻擊，而對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星反擊主要采用強(qiáng)激光打擊、中性粒子束定向能武器打擊和動(dòng)能武器打擊（如電磁軌道炮等）等手段。因此，利用武器裝備將導(dǎo)致摧毀整個(gè)GPS系統(tǒng)的硬件設(shè)備，導(dǎo)致GPS導(dǎo)航資源的失效，短期無法恢復(fù)，將影響包括艦船在內(nèi)等所有的用戶，會(huì)產(chǎn)生重大的政治和軍事影響，也是大規(guī)模戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)達(dá)成作戰(zhàn)目的最有效手段之一。

2.2.2 導(dǎo)航防御

導(dǎo)航防御按其技術(shù)特性不同有艦船接收機(jī)抗干擾技術(shù)、GPS干擾源定位技術(shù)、偽衛(wèi)星技術(shù)和組合導(dǎo)航技術(shù)。

1）船接收機(jī)抗干擾。主要是提高導(dǎo)航系統(tǒng)供給艦船軍碼導(dǎo)航信息的安全性，具體采用：（1）P碼信號(hào)直接捕獲技術(shù)［9～11］。P 碼信號(hào)的干信比為43dB，遠(yuǎn)好于C/A碼的25dB，能有效提高艦船接收機(jī)的抗干擾能力。（2）自適應(yīng)調(diào)零天線技術(shù)。通過多個(gè)陣元天線陣將接收到的干擾信號(hào)送至處理器，處理后改變各陣元的增益或相位，使天線陣方向圖中產(chǎn)生對(duì)著干擾源方向的零點(diǎn)，降低敵方干擾機(jī)的效能。（3）抗干擾濾波技術(shù)?？赏ㄟ^頻譜濾波（抑制帶外和帶內(nèi)干擾）、空間濾波（多天線）和時(shí)間濾波（時(shí)域內(nèi)處理信號(hào)特征）方法提高接收機(jī)抗干擾能力。

2）GPS干擾源定位技術(shù)。主要通過擴(kuò)頻、三極短基線天線陣列和高靈敏接收及先進(jìn)信號(hào)處理等技術(shù)手段對(duì)干擾源進(jìn)行有效的探測(cè)、識(shí)別和定位，收集處理其干擾信息，并利用這些信息艦船對(duì)干擾源展開火力打擊。

3）偽衛(wèi)星技術(shù)。用飛行器充當(dāng)偽衛(wèi)星，加裝大功率信號(hào)發(fā)射設(shè)備，并使其信號(hào)功率遠(yuǎn)超敵方干擾信號(hào)功率，在艦船所在戰(zhàn)場(chǎng)上空構(gòu)建導(dǎo)航星座，確保為艦船提供導(dǎo)航保障。

4）組合導(dǎo)航技術(shù)?？刹捎肎PS、羅蘭C、慣導(dǎo)、天文等多種導(dǎo)航手段進(jìn)行有效結(jié)合，確保艦船GPS有效保障服務(wù)時(shí)，仍可以依托其他導(dǎo)航系統(tǒng)連續(xù)為艦船提供導(dǎo)航保障服務(wù)［6～8］。

3 艦船作戰(zhàn)導(dǎo)航保障能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

通過以上對(duì)艦船GPS導(dǎo)航對(duì)抗方法手段的分析可以看出，艦船作戰(zhàn)導(dǎo)航保障能力與艦船作戰(zhàn)環(huán)境與對(duì)抗條件等因素密切相關(guān)，導(dǎo)航保障能力與導(dǎo)航對(duì)抗能力具有高度的相關(guān)性和一致性［12～14］，因此，本文將通過分析海上作戰(zhàn)環(huán)境下綜合導(dǎo)航對(duì)抗能力來評(píng)價(jià)對(duì)抗條件下艦艇作戰(zhàn)導(dǎo)航保障能力，并從導(dǎo)航偵察能力、導(dǎo)航攻擊能力和導(dǎo)航防御能力三方面展開研究。

1）導(dǎo)航偵察能力

導(dǎo)航偵察能力是依靠艦船自身或其他方式搜索、截獲、分析識(shí)別各類導(dǎo)航信號(hào)的能力，這是開展導(dǎo)航攻擊與防御相關(guān)手段的前提，主要包括信號(hào)截獲能力、來向估計(jì)能力和干擾檢測(cè)與定位能力。其中，信號(hào)截獲能力是指對(duì)導(dǎo)航信號(hào)的攔截破譯能力，是遂行導(dǎo)航攻擊的基礎(chǔ)；信號(hào)來向估計(jì)能力是指根據(jù)截獲的導(dǎo)航信息推算出導(dǎo)航衛(wèi)星到達(dá)角的能力，是有采取防御抗干擾措施的前提；干擾檢測(cè)與定位能力是從復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境中檢測(cè)識(shí)別出影響艦船接收機(jī)工作的壓制、欺騙信號(hào)，并對(duì)其定位有效的能力。

2）導(dǎo)航攻擊能力

導(dǎo)航攻擊能力主要取決于電磁干擾能力和物理摧毀能力。電磁干擾能力是對(duì)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的壓制和欺騙能力，對(duì)GPS的壓制式干擾主要包括瞄準(zhǔn)式、阻塞式和相關(guān)式。前兩類干擾主要影響艦船接收機(jī)輸出的噪聲電平，相關(guān)式干擾同時(shí)影響相關(guān)設(shè)備的輸出峰值與噪聲電平，并且隨著干擾信號(hào)與偽碼信號(hào)的互相關(guān)性的增強(qiáng)。欺騙干擾包括產(chǎn)生式與轉(zhuǎn)發(fā)式，作用機(jī)理與實(shí)現(xiàn)難度不同。產(chǎn)生式干擾應(yīng)用難點(diǎn)在于需要破譯導(dǎo)航信號(hào)的碼結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)發(fā)式不需破譯碼結(jié)構(gòu)，技術(shù)難度相對(duì)容易，是常用的導(dǎo)航攻擊手段。

對(duì)GPS系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行摧毀性打擊也是導(dǎo)航對(duì)抗過程中有效的攻擊手段。目前針對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星的攻擊武器有強(qiáng)激光武器、中性粒子束定向能武器和動(dòng)能武器，針對(duì)地面監(jiān)控站和用戶終端的攻擊武器主要是反輻射導(dǎo)彈及其他相關(guān)殺傷性武器。

3）導(dǎo)航防御能力

導(dǎo)航防御除采用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)外，還可以采用慣性系統(tǒng)、地形輔助、天文以及GPS/INS、GPS/DNS、INS/GPS/TRN等各種組合導(dǎo)航保障方式。也可以增加艦船接收機(jī)的抗干擾性能，抗擊敵方使用的壓制干擾和欺騙干擾。同時(shí)還可對(duì)艦船接收機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行物理防護(hù)，防止遭受火力打擊而失效。

按照以上分析，可以建立對(duì)抗條件下艦船作戰(zhàn)導(dǎo)航保障能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖2所示。

4 艦船作戰(zhàn)導(dǎo)航保障能力評(píng)價(jià)模型

4.1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)概述

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是在貝葉斯統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合圖論形成的基礎(chǔ)理論，是處理不確定性問題的有效理論方法［15～18］。經(jīng)典的貝葉斯公式為

其中，P(AiB)、P(B Aj)分別是在時(shí)間上存在依賴關(guān)系的先驗(yàn)概率和后驗(yàn)概率。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)由一系列變量的聯(lián)合概率分布圖表示，一個(gè)具有N個(gè)節(jié)點(diǎn)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)可以用N=G,P來表示。其中，G=V,E表示具有N個(gè)節(jié)點(diǎn)的有向無環(huán)圖，節(jié)點(diǎn)V={V1,V2,…,Vn}代表變量，有向弧集合E表示變量之間的邏輯依賴關(guān)系；條件概率P表示任意節(jié)點(diǎn)同其父節(jié)點(diǎn)的條件依賴關(guān)系，對(duì)于離散變量而言，代表的是父節(jié)點(diǎn)在一定的狀態(tài)下，子節(jié)點(diǎn)在不同狀態(tài)下的概率。假定有離散隨機(jī)變量的有限集的取值為 xi。則聯(lián)合概率Xn=xn)可表示為

其中，Pai為結(jié)點(diǎn)Xi的父節(jié)點(diǎn)。

4.2 建立導(dǎo)航保障能力評(píng)價(jià)模型

1）屬性等級(jí)

選擇艦船GPS導(dǎo)航對(duì)抗領(lǐng)域的專家n人組成評(píng)價(jià)專家組，專家組對(duì)能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行等級(jí)劃分，即W={W1,W2,…,Ws} ，確定各屬性等級(jí)的值域。

2）根結(jié)點(diǎn)先驗(yàn)概率

確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的根結(jié)點(diǎn)先驗(yàn)概率是得到評(píng)估結(jié)果的先決條件，請(qǐng)專家根據(jù)導(dǎo)航保障能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)根結(jié)點(diǎn)的子指標(biāo)進(jìn)行打分，得到子指標(biāo)數(shù)據(jù)的無量綱矩陣D：

其中，m表示根結(jié)點(diǎn)的m個(gè)子指標(biāo)，n表示專家數(shù)量。運(yùn)用熵權(quán)法確定D中各指標(biāo)的權(quán)重，第i個(gè)子指標(biāo)的熵為

根結(jié)點(diǎn)先驗(yàn)概率采用隸屬度加權(quán)法確定。即第i個(gè)子指標(biāo)屬于等級(jí)Wj的隸屬度為γij，則通過子指標(biāo)隸屬度加權(quán)就可以求得根節(jié)點(diǎn)屬于等級(jí)Wj的先驗(yàn)概率為

3）子節(jié)點(diǎn)條件概率

由于相關(guān)子節(jié)點(diǎn)的條件概率與裝備性能、對(duì)抗條件和使用方式等密切相關(guān)，反映導(dǎo)航對(duì)抗的裝備技術(shù)特性與具體使用的綜合性能，難以用普通的量化方法給出具體值，需要請(qǐng)專家根據(jù)相關(guān)先驗(yàn)數(shù)據(jù)信息，對(duì)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行打分，形成條件概率，如表1所示。

表1 節(jié)點(diǎn)J3的條件概率表

例如：n11表示在J1和J2屬性為有效的條件下n個(gè)專家中有n11個(gè)專家認(rèn)為J3的屬性為有效。同理，可以確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的條件概率表。

4）導(dǎo)航保障能力評(píng)價(jià)模型

求解得到根結(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率及子節(jié)點(diǎn)的條件概率后，根據(jù)式（1～2）計(jì)算出導(dǎo)航保障能力的值為：

5 算例分析

某艦船為評(píng)估其導(dǎo)航保障能力，邀請(qǐng)5名業(yè)內(nèi)專家組成導(dǎo)航保障能力評(píng)價(jià)專家組對(duì)艦船導(dǎo)航對(duì)抗部門在導(dǎo)航對(duì)抗訓(xùn)練過程中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。專家組按照導(dǎo)航保障能力及根節(jié)點(diǎn)的屬性等級(jí)分為｛好，一般，差｝三個(gè)等級(jí)，并規(guī)定80分以上為｛好｝，60～80分為｛一般｝，60分以下為｛差｝。以根結(jié)點(diǎn)A為例，其子指標(biāo)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 A子指標(biāo)數(shù)據(jù)

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，通過式（3）～（5）解得根結(jié)點(diǎn)A的子指標(biāo)權(quán)重ω={0 .3333,0.3335,0.3332}。分析表2給出的數(shù)據(jù)，根據(jù)評(píng)價(jià)等級(jí)規(guī)定得到A的子指標(biāo)隸屬度如表3所示。

表3 A的子指標(biāo)隸屬度

利用式（6）計(jì)算得根結(jié)點(diǎn)A的先驗(yàn)概率pA=(0.4001 ,0.5333,0.0666)。

同理，可得其他根結(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率，如表4所示。

表4 根結(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率

在確定根結(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率后，邀請(qǐng)專家討論確定葉結(jié)點(diǎn)E的條件概率表，如表5所示。

表5 E的條件概率表

根據(jù)表5所列的條件概率，運(yùn)用Netica軟件計(jì)算得到某艦導(dǎo)航保障能力評(píng)價(jià)值如圖3所示。

圖3 導(dǎo)航對(duì)抗能力評(píng)價(jià)結(jié)果

其中，E好=0.282，E一般=0.477，E差=0.241。通過圖3可以直觀地看出，該水面該艦已經(jīng)具備基本的作戰(zhàn)導(dǎo)航保障能力，能夠完成對(duì)抗強(qiáng)度不高戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的導(dǎo)航保障任務(wù)，但整體保障能力還有差距，有改進(jìn)提升空間，特別是導(dǎo)航防御方面提升空間較大，因此，要重點(diǎn)優(yōu)化改進(jìn)艦船GPS接收機(jī)抗干擾性能和組合導(dǎo)航保障能力。

6 結(jié)語

本文對(duì)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下影響艦船對(duì)抗條件下有效完成作戰(zhàn)使命任務(wù)的導(dǎo)航對(duì)抗能力進(jìn)行了綜合評(píng)估研究，針對(duì)艦船主要采用GPS導(dǎo)航手段帶來的導(dǎo)航對(duì)抗復(fù)雜性，在分析對(duì)抗方法手段的基礎(chǔ)上構(gòu)建了綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；同時(shí)針對(duì)導(dǎo)航對(duì)抗過程中存在的諸多不確定性因素及部分評(píng)價(jià)指標(biāo)難以量化的問題，采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的理論，建立了導(dǎo)航保障能力評(píng)價(jià)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，并通過算例驗(yàn)證了評(píng)價(jià)模型的可行性。該評(píng)價(jià)方法充分考慮了導(dǎo)航對(duì)抗設(shè)備與訓(xùn)練的主客觀復(fù)雜因素，評(píng)價(jià)結(jié)果具有較高的可信性，豐富完善了艦船作戰(zhàn)指揮的影響要素，可協(xié)助指揮員優(yōu)化決策方案，為有效展開作戰(zhàn)行動(dòng)提供決策支撐和幫助。