王洪迅 ,王洪雷 ,鄧靖 ,向新
?目標特性與探測跟蹤技術(shù)?
電磁域主動防御理論研究*
王洪迅1,王洪雷2,鄧靖1,向新1
(1.空軍工程大學 航空工程學院,陜西 西安 710038; 2.中國人民解放軍93149部隊,甘肅 酒泉 735018)
長期以來域外國家對中俄實施各種敵對抵近偵察(HCR),這種現(xiàn)象愈演愈烈,并已經(jīng)提升到“偵察威懾”的理論層次,且呈現(xiàn)體系化、智能化的發(fā)展趨勢。分析了HCR的威脅、效能機理、技術(shù)原理、認知局限性,以及DHCR(拒止敵對進近偵察)傳統(tǒng)措施的局限性和認知誤區(qū)。以電子偵察在電子戰(zhàn)中的應(yīng)用和HCR/DHCR中的雷達反偵察為例,從奪回DHCR中的制電磁權(quán)及遏制HCR任務(wù)的角度出發(fā),針對性地提出了電磁域主動防御的新理論。結(jié)合DHCR任務(wù),針對性地提出了CRJ(反偵察干擾)的新戰(zhàn)術(shù)任務(wù)類型,為DHCR體系化奠定理論基礎(chǔ)。
敵對抵近偵察;拒止敵對抵近偵察;偵察威懾;電磁域;電磁戰(zhàn);主動防御
長期以來,域外國家對我國實施各種不友好抵近偵察(hostile close-in reconnaissance,HCR)行動屢拒不止[1],愈演愈烈,并已發(fā)展出了“偵察威懾(deterrence by detection)”[2-3]理論。然而,當前拒止敵方抵近偵察(deny hostile close-in reconnaissance,DHCR)的措施尚拘泥于傳統(tǒng)“制空權(quán)”,未考慮制電磁權(quán)[4-6]這一客觀需求,這一現(xiàn)狀迫切需要得到改變。
這種HCR威脅巨大,尤其在電磁域;DHCR的理論和技術(shù)尚不成熟。傳統(tǒng)認為拒止敵方電磁偵察屬于電磁戰(zhàn)(俗稱電子戰(zhàn))[7-8]領(lǐng)域,電磁戰(zhàn)是為控制頻譜而戰(zhàn),目的是保護己方通信、武器制導和態(tài)勢感知;主要包含電磁偵察、電磁進攻、電磁防御。電磁戰(zhàn)的作戰(zhàn)對象主要為各種雷達、通信類射頻源;其中的電磁防御[9],則主要針對雷達和通信個體。盡管雷達和通信也發(fā)展出了一些反偵察理論和技術(shù),但是這些理論和技術(shù)多數(shù)從個體的角度出發(fā),并且以提高技術(shù)難度、降低效能為代價。即使做到了這一點,仍不排除被偵察的可能,信號特征不僅包括各種信號的技術(shù)參數(shù)和特征,還包括輻射源位置特征,進而遭受反輻射攻擊的巨大威脅。
本文針對DHCR中反電磁偵察這一客觀需求,從電磁域的角度提出了主動防御理論,用以指導未來拒止域外不友好國家各種HCR的行動和措施。
實施HCR域外國家的裝備技術(shù)先進,已經(jīng)發(fā)展出了“偵察威懾”的理論。這種HCR理論和效用也得到了充分展現(xiàn)。
當前全世界范圍內(nèi),美國的HCR裝備最為先進。在電磁域,其HCR裝備類型繁多,技術(shù)先進。其中包括:
從領(lǐng)域來看,有航空型,航海型,以及太空偵察。其中航空平臺居多。
從傳統(tǒng)的電磁偵察角度看,有各種COMINT裝備、ELINT/ESM裝備、SAR裝備等。
從平臺來看,雖然大部分是未裝備武器,但是基本上可以做到平戰(zhàn)結(jié)合。既有客機平臺,也有無人機平臺。
2020年4月,2021年7月美國戰(zhàn)略與預算評估中心(CSBA)發(fā)布兩個關(guān)于“偵察威懾”(deterrence by detection)[10-12]的報告,針對大國競爭的需求提出了“偵察威懾”的新理論,構(gòu)建對關(guān)鍵區(qū)域的實時、持續(xù)的態(tài)勢感知,從而形成對其他大國的威懾。其中建議:
(1) 充分利用全域ISR平臺;
(2) 利用人工智能技術(shù)簡化ISR作戰(zhàn)程序;
(3) 參照“鄰里守望”概念建立區(qū)域多域融合中心,提升熱點地區(qū)的信息共享及融合能力。
“偵察威懾”理論的提出和完善,標志著HCR發(fā)展到了一個新層次,瞄準構(gòu)建高效費比、持續(xù)、可互操作的情報監(jiān)視偵察網(wǎng)絡(luò)體系,向體系化、智能化、效能化方向發(fā)展,追求對電磁頻譜的全域、全時控制。
美國及其仆從國的HCR建設(shè)以及運用可謂成效顯著。這也是其大力發(fā)展相關(guān)技術(shù),形成“偵察威懾”能力的現(xiàn)實基礎(chǔ)。
1.3.1針對俄羅斯的成效
根據(jù)文獻[13],可知2022-05-19—06-03期間,美國及其北約盟國沿黑海、烏克蘭和白俄羅斯邊境遂行的密集HCR如圖1所示。涉及G550、E3、S100D預警機,EP-3E、RC12X、RC135W,RC135V、S102B電子偵察機,RQ4全球鷹無人機,E8C戰(zhàn)場監(jiān)視機等。盡管其后期HCR有所減少,但其成效體現(xiàn)如下:
圖1 俄烏沖突中北約的抵近偵察(引用圖)
(1) 成功地預報了俄烏沖突。
(2) 俄烏沖突之后,根據(jù)HCR成果,精準掌握俄軍的軍事部署,對俄羅斯軍官和重要的目標(飛機、坦克等)、區(qū)域?qū)嵤┝擞行?、精確的殺傷[14]。
1.3.2針對中國的效果
長期以來,美日針對中國實施各種HCR,基本摸清了中國的電磁域態(tài)勢和能力,為其后續(xù)潛在的電磁作戰(zhàn)奠定了基礎(chǔ)。HCR主要有3種任務(wù)類型:①常規(guī)HCR,保持其常態(tài)化的偵察威懾;②特種HCR,針對我國新裝備、新型號的電磁輻射,專門實施的HCR;③沖撞HCR,通過實施沖撞HCR,試探我軍體系能力,試圖發(fā)現(xiàn)新的電磁目標[15]。
通過長期且持續(xù)的HCR,美國及其盟國基本摸清了對手的雷達、通信等信息化輻射源的部署情況、技術(shù)參數(shù)以及體系能力。
中國和俄羅斯作為HCR的針對對象,長期以來也采取了各種DHCR應(yīng)對措施,但是傳統(tǒng)的DHCR措施明顯效果不佳。
綜合來看DHCR主要有3種類型,分別是:軍事措施,外交措施,電磁措施。
2.1.1軍事措施
每當遭遇HCR事件,由作戰(zhàn)飛機進行伴飛、監(jiān)視、警告、驅(qū)離。驅(qū)離的基準通常為12海里(22.224 km)領(lǐng)海線。
2.1.2外交措施
中俄兩國多次就這些HCR事件,與當事國進行外交交涉與抗議。也通過外交渠道與當事國進行了部分約定。然而,實施HCR的當事國也常?;煜暵牐浴熬嚯x過近、影響飛行安全”為由大造輿論,實施外交抗議。
2.1.3電磁措施
中俄兩國也對己方的電磁資源采取管理和技術(shù)措施,防止被偵察,其中包括:
(1) 電磁管控與電磁靜默。一旦遭遇HCR,就采取電磁管控措施,使用簡單調(diào)制的信號輻射,甚至關(guān)機,實施電磁靜默。
(2) 發(fā)展LPI信號,降低被偵察概率。例如雷達,主要體現(xiàn)在如下方面:①寬帶/超寬帶相控陣;②雙/多基地雷達探測;③一體化探測;④寬帶、低副瓣相控陣天線;⑤低截獲概率(LPI) 波形設(shè)計。
前述這些傳統(tǒng)DHCR措施有很多局限性,主要表現(xiàn)如下:
(1) 軍事措施方面,往往由于抵近距離過近,導致事態(tài)升級,容易造成意外事件。
(2) 外交措施,基本只能表態(tài),達不到遏制其HCR的目的。從根本上而言,外交效果是以軍事實力為支撐。
(3) 傳統(tǒng)的電磁管控,被動措施多,往往以降低本身體系的效能為代價。
之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)狀,這與對HCR/DHCR的傳統(tǒng)認知誤區(qū)有關(guān),主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
(1) HCR/DHCR的競爭和博弈自二戰(zhàn)時期就已經(jīng)存在,雙方爭取的是制空權(quán):HCR通過進攻試探對方制空權(quán)的范圍和能力,多數(shù)情況下DHCR通過防御保衛(wèi)己方制空權(quán)。“制空權(quán)”是DHCR的認識基礎(chǔ),而且這種認識延續(xù)至今。
(2) 實施HCR的各種平臺,很多未裝備武器,例如機載平臺的多為各種客機改裝而來。這些平臺航程長、機動性差,在一定程度上減少了對方的警戒心理。中俄等大國防空能力很強,認為戰(zhàn)時可以迅速殺傷這些HCR目標,這使得中俄長期忽視HCR的威脅。
(3) 這些國家實施HCR過程中,HCR數(shù)量較少,使得中俄認為可以采取少數(shù)戰(zhàn)機進行警戒伴飛和驅(qū)離。而忽視了HCR的常態(tài)化和體系化使用,足以累積大量偵察數(shù)據(jù),得到有價值的感知信息[10]。
(4) DHCR電磁頻譜管控在平時尚有不錯的效果,從而使得DHCR認為戰(zhàn)時也可以通過改換頻點、改換調(diào)制實施電磁機動,但是忽視了HCR技術(shù)水平和能力。例如,現(xiàn)有SIGINT技術(shù)可以獲取輻射源的射頻“指紋”[16],輻射源即使改換了頻點和調(diào)制,但通常改換不了射頻“指紋”。
(5) “電磁戰(zhàn)”相關(guān)理論多源于美歐,主要是美國,中俄一定程度上形成了“跟跑”的思維定式,這部分影響了結(jié)合自身實際需求而進行理論方面的獨立創(chuàng)新。事實上就美歐而言,因其極少面臨中俄HCR,亦缺少DHCR的相關(guān)軍事經(jīng)驗、理論和手段。
以雷達為例,在進一步分析HCR/DHCR效能的基礎(chǔ)上,指出了傳統(tǒng)雷達和電子戰(zhàn)理論方面的局限,并基于此改弦更張,提出了適合DHCR的電磁域主動防御理論。
在電磁域,HCR本質(zhì)上是一種電磁偵察的軍事行動,采用OODA原理更容易解釋HCR效能機理。
依據(jù)電子戰(zhàn)“OODA”[17]作戰(zhàn)信息環(huán)(分別對應(yīng):“觀察”、“定位”、“決策”、“行動”)分析,HCR中的COMINT、ELINT/ESM、SAR等,可以達成如下效能:
(1) 直接的效能。通常能完成其中的前兩個“O”:觀察、定位。通過電磁偵察手段,獲得被偵察方的雷達、通信輻射源,地形地貌的分布,達成電磁態(tài)勢和目標的感知,并可初步篩選出重要目標。
(2) 間接的效能。為后續(xù)“D”和“A”奠定基礎(chǔ)。使得“D”依據(jù)更充分,“A”更有針對性,使得指揮控制、電磁戰(zhàn)等相關(guān)軍事行動更精確。
上述效能已經(jīng)在伊拉克戰(zhàn)爭、俄烏沖突等多次戰(zhàn)爭中得到了驗證。此外盡管航空HCR多無武裝,但迄今為止實際上少有被直接擊落的案例。常態(tài)、持續(xù)和成體系的HCR,使其在未來沖突中的初始階段能夠充分做到“有備而來”,從而主動抓住了作戰(zhàn)優(yōu)勢,后續(xù)階段中的HCR也能免遭對手的威脅。
現(xiàn)以HCR中的ELINT/ESM及其偵察的典型對象——雷達為例,闡述HCR技術(shù)機理。且后續(xù)在未特別說明的話,本文所述雷達均假定為收發(fā)一體的雷達;或從更廣義的概念范疇而言,是接收天線與發(fā)射天線幾乎在同一地理位置的雷達。
3.2.1機載ELINT/ESM偵察的空間態(tài)勢
如圖2所示為一個典型的HCR態(tài)勢,假設(shè)在處有一個雷達輻射源,其信號特性通常是HCR所密切關(guān)注的。在雷達、通信等電磁輻射源輻射電磁信號的過程中,敵方偵察機一般通過其機載ELINT/ESM裝備來獲取該雷達的信號特征以及地理位置[18]。
圖2 機載ELINT/ESM裝備對雷達的偵察
3.2.2雷達方程與機載ELINT/ESM偵察方程
圖2中雷達輻射源通過主動輻射電磁信號,獲取對方目標的信息;這種情況下并考慮其他因素,雷達的偵察方程一般表示為[19]
在雷達輻射過程中,HCR的機載ELINT/ESM裝備則可偵收雷達所輻射的電磁信號,獲取或者確認該輻射源的情報以及信號特性。ELINT/ESM的偵察方程[20],可表示為
傳統(tǒng)電子戰(zhàn)[5-8]中有源干擾主要針對雷達輻射源,同樣需要結(jié)合特定的空間態(tài)勢進行分析。
3.3.1有源干擾態(tài)勢
傳統(tǒng)的有源干擾態(tài)勢如圖3所示,在處有一個有源干擾設(shè)備,處有一個非友方的輻射源(以雷達為例),對實施有源干擾。
3.3.2有源干擾方程
圖3態(tài)勢中,處雷達通過主動輻射,探測獲取處的目標。而處的機載ECM裝備則通過偵收該雷達輻射的電磁信號,向雷達輻射有源干擾信號。在該過程中雷達接收的干擾功率為
式(4)化簡可得
圖 3 傳統(tǒng)有源干擾場景
3.3.3傳統(tǒng)有源干擾戰(zhàn)術(shù)
在航空兵作戰(zhàn)中,傳統(tǒng)的有源干擾可以按雷達、目標、干擾機相對位置分為如下4種基本戰(zhàn)術(shù):
遠距離支援干擾(stand-off jammer,SOJ),干擾機遠離目標,通過輻射強干擾信號掩護目標,一般為遮蓋性干擾,干擾雷達旁瓣。
隨隊干擾(escort support jamming,ESJ),干擾機在目標附近,通過輻射強干擾信號掩護目標,一般為遮蓋性干擾,干擾雷達主瓣或者旁瓣,大多用無人機實施。
自衛(wèi)干擾(self screening jamming,SSJ),干擾機位于雷達目標上,一般為欺騙性干擾,干擾雷達主瓣。
近距離干擾(stand forward jamming,SFJ),干擾機到雷達的距離領(lǐng)先于被保護目標,通過輻射干擾信號掩護后續(xù)目標。主要由投擲式或無人機實施。
綜上分析可知,傳統(tǒng)有源干擾主要針對敵方雷達、通信等輻射源,針對非友方ELINT/ESM的有源干擾尚不多見。然而對于非友方ELINT/ESM采取技戰(zhàn)術(shù)措施又非常必要,因此本文將電子戰(zhàn)有源干擾應(yīng)用于DHCR,形成了一種新的電磁域主動防御理論。
3.4.1一種新的有源干擾戰(zhàn)術(shù)
為了阻止HCR中的ELINT/ESM,本文提出了一種新的有源干擾作戰(zhàn)樣式:
反偵察干擾(counter-reconnaissance jamming,CRJ):伴隨敵方電子偵察機飛行,對我方雷達實施保護,防止我方雷達被對方電子偵察機偵察信號的干擾。并且期望在該過程中,我方雷達、通信等輻射源仍然能夠正常工作。
根據(jù)上述定義可見,這種CRJ與前述傳統(tǒng)有源干擾的4種基本戰(zhàn)術(shù)均不相同,是一種新型的戰(zhàn)術(shù)任務(wù),用于電磁域主動防御HCR中的ELINT/ESM。后續(xù)通過態(tài)勢建模,以雷達輻射源為例,并據(jù)此對其進行理論分析。
3.4.2DHCR的空間態(tài)勢
如圖4所示,在處有一個雷達輻射源,處有一個非友方的ELINT/ESM偵察機?,F(xiàn)在處有一個我方的CRJ有源干擾機,其接收我方雷達信號,對ELINT實施有源干擾。
圖4 反機載電子偵察任務(wù)場景
在這個過程中,期望達到2個效果:其一是對非友方ELINT實施的有源干擾,使得非友方ELINT對無法偵察和定位處友方雷達輻射源,起到遮蔽效果;其二是不干擾友方雷達的探測和跟蹤。
3.4.3保護己方輻射源的干擾機理
在圖3的態(tài)勢下,雷達到達敵方ELINT的信號功率可以表示為
CRJ有源干擾機到達敵方ELINT的信號功率可以表示為
則這種情況下的干信比可以表示為
(1) CRJ干擾機與非友方ELINT之間的相對距離。該距離越近,CRJ干擾效果越好。
(2) CRJ有源干擾的輻射功率。該功率越大,干擾效果越好。
(3) 友方雷達(被敵偵察的對象)的輻射功率。該功率越小,干擾效果越好。
(4) 極化特性。CRJ有源干擾與友方雷達極化特性應(yīng)該一致。
CRJ干擾的效能可以類比于“太陽”效應(yīng)。正如夜間滿天繁星,很多星星的實際溫度遠超太陽,分離度較大的星星難以達到互相遮蔽效果;而白天太陽出現(xiàn),則滿天星星一個也不可見。
3.4.4計算分析
上述各種影響因素在實際中需要綜合考慮和調(diào)整。下通過算例進行分析。
轉(zhuǎn)換成dB形式為
(1) 分析干擾距離
若非友方ELINT/ESM與我方雷達的距離按40 km預計,并假設(shè)已知有源干擾:250 W,增益200。則可分析我方干擾機與非友方ELINT/ESM之間的干擾距離需求。根據(jù)式(11)計算可得:
亦即我方CRJ干擾機與敵電子偵察機之間的距離要小于500 m,可以看出該數(shù)值的戰(zhàn)術(shù)要求還是非常高的。
(2) 分析干擾功率
若須我方CRJ干擾機與敵偵察機之間距離1 000 m達到干擾需求,則可分析我方CRJ干擾機的干擾功率與增益需求。根據(jù)式(11)計算可得
以目前的技術(shù)水平,可以實現(xiàn)這種干擾功率與增益的有源干擾。
(3) 限制雷達輻射效能
若已知干擾機干擾功率及其干擾距離,則電磁遮蔽效能就存在一個上限。在這種情況下就需要限制雷達輻射效能。也就是說,因有源干擾能力局限就需要限制雷達的輻射能力。
假設(shè)干擾距離1 000 m,有源干擾23 dBW,增益23 dB。為了達到干擾需求,根據(jù)式(11)計算可得:
亦即雷達功率增益積不大于69 dB。本例中天線增益33 dB,根據(jù)式(11)計算可得:
根據(jù)上述態(tài)勢以及干擾效果分析,需要克服某些傳統(tǒng)的認知誤區(qū),并且有些因素需要進一步補充說明。這些也正是與傳統(tǒng)理論相比,本理論的特別、新穎的體現(xiàn)。
3.5.1需要克服的認知誤區(qū)
(1) 需要進行全頻段壓制。但是根據(jù)上述技術(shù)原理分析,全頻段壓制會有2個缺點:①全頻段壓制往往失去了有源干擾的針對性、精確性;②全頻段壓制往往需要消耗相當大的輻射功率,這徒然增加工程實現(xiàn)的技術(shù)難度。
(2) CRJ干擾的距離要足夠遠。這是考慮到敵人有可能對我CRJ發(fā)動攻擊的情況。但實際上有2個現(xiàn)實因素需要考慮:①敵HCR平臺多數(shù)無武裝;②距離越遠干擾效果越差。
(3) 單一干擾即可達到效果。需要看到,針對敵方HCR的偵察威懾體系,單一平臺、沒有協(xié)同、非體系化不能達到DHCR的效果。需要遭受HCR的輻射源,CRJ源聯(lián)動,指揮協(xié)同,采用體系化的方式應(yīng)對。
(4) CRJ不能實現(xiàn)協(xié)同。實際上本文提出的CRJ可以感知己方側(cè)的電磁態(tài)勢,實現(xiàn)信號級協(xié)同。同時為敵方HCR營造了一個虛假的電磁環(huán)境,從源頭上遏制了其電子戰(zhàn)OODA進程。
3.5.2進一步的補充說明
(1) 在上述分析過程中未對干擾樣式提出需求,但是對于需要保護的頻點,需要進行窄帶壓制,但仍然會給敵方提供頻帶特征,因此需要旁頻、多頻干擾,以壓制敵方。
(2) 干擾效果可即時評估、預先評估。在己方輻射源工作的情況下,對非友方ELINT/ESM實施干擾的效果是可以進行評估的。只要知道地面輻射源的坐標,空中干擾機的坐標,和非友方ELINT/ESM的坐標,就可以進行干擾。
(3) 干擾發(fā)射極化特性不可忽略。干擾機的極化最好與地面雷達的極化一致,這樣容易取得更好的干擾效果。
(4) 干擾機的收發(fā)隔離需求。與傳統(tǒng)的有源干擾不同,本有源干擾是接收我方雷達信號,對非友方ELINT/ESM實施干擾。
(5) 己方雷達等輻射源尚需進行頻譜管控和功率管理。己方雷達功率輻射越大,對CRJ有源干擾的功率需求就越大,或?qū)RJ有源干擾與敵方偵察機之間的距離需求就越近。但是只要己方雷達輻射功率足夠低,可以通過本文所述特殊的機載CRJ有源干擾阻礙非友方ELINT/ESM工作。
另外,本文所述為平時態(tài)勢以及應(yīng)用,對于戰(zhàn)時的應(yīng)用有待深一步的討論和研究。
本文所提出的電磁域主動防御理論,以及CRJ干擾戰(zhàn)術(shù),可以打破敵方電子戰(zhàn)“OODA”作戰(zhàn)環(huán)路,阻礙其前兩個“O”的達成,因此可以作為DHCR的理論基礎(chǔ)。為便于讀者理解,盡管前述分析多有理想化、簡單化情景,但是并不妨礙其成為一種有意義的DHCR作戰(zhàn)樣式。更多的CRJ資源,可以形成“拒止電磁穹廬”,遏制對手HCR效能,期望本文所提的電磁域主動防御理論能夠應(yīng)用于未來的DHCR,在爭奪特定空域“制電磁權(quán)”的過程中,發(fā)揮獨特作用。
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Research on Active-Defense Theory in Electromagnetic Domain
WANGHongxun1,WANGHonglei2,DENGJing1,XIANGXin1
(1.AFEU,Aeronautical Engineering School, Xi'an 710038, China;2.PLA 93149 Troops, Jiuquan 735018, China)
For a long time, hostile close-in reconnaissance (HCR) against China by foreign countries has become increasingly fierce, and has been upgraded to the theoretical level of "deterrence by detection", showing a systematic and intelligent development trend. The threat, efficiency mechanism, technical theory, cognitive limitations of HCR are analyzed, limitations and cognitive misunderstandings of traditional DHCR (denial of hostile approaching reconnaissance) operations are analyzed. Taking electronic reconnaissance and radar counter-reconnaissance in electronic warfare as examples, regaining the electromagnetic right in DHCR is focused both with denying the tasks of HCR operations, a new theory of active defense in electromagnetic domain is proposed, and combined with the DHCR, a new tactical operation type is proposed with name of CRJ, laying a theoretical foundation for the systematization of DHCR.
hostile close-in reconnaissance(HCR);deny hostile close-in reconnaissance;deterrence by detection;electromagnetic domain;electromagnetic warfare;active defense
2023 -02 -19 ;
2023 -06 -04
王洪迅(1977-),男,河北吳橋人。副教授,博士,研究方向為航空電子信息理論與系統(tǒng)。
通信地址:710038 陜西省省西安市市灞橋區(qū)霸陵路1號 E-mail:whxwhxwhx@126.com
10.3969/j.issn.1009-086x.2023.03.012
E919
A
1009-086X(2023)-03-0099-08
王洪迅, 王洪雷, 鄧靖, 等.電磁域主動防御理論研究[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2023,51(3):99-106.
Reference format:WANG Hongxun,WANG Honglei,DENG Jing,et al.Research on Active-Defense Theory in Electromagnetic Domain[J].Modern Defence Technology,2023,51(3):99-106.