對抗條件下艦船作戰(zhàn)導航保障能力評價研究?

王光源 毛世超 章堯卿 許李豐 陳永升

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

1 引言

艦船是海上作戰(zhàn)平臺的骨干組成之一，我國海軍、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，離不開可靠的導航保障服務，隨著信息技術的不斷發(fā)展，GPS現(xiàn)已成為艦船海上導航保障重要的手段。目前艦船作戰(zhàn)面臨著越來越復雜的戰(zhàn)場環(huán)境，作戰(zhàn)空間內可能存在大量的干擾、欺騙、壓制等電磁信息，對GPS導航保障能力帶來嚴重影響，成為制約艦船作戰(zhàn)能力發(fā)揮的瓶頸之一。因此，面對復雜的戰(zhàn)場對抗環(huán)境，綜合評價掌握艦船導航保障效能，有效發(fā)揮我方優(yōu)勢，削弱敵方作戰(zhàn)能力，是艦船作戰(zhàn)導航保障亟待解決的問題［1～2］。

艦船導航保障能力與采用導航手段、方法和環(huán)境有密切關系，本文面對的艦船重要導航手段GPS既是一個復雜的系統(tǒng)，其導航對抗既包含對我艦船平臺提供有效的導航服務，也包含阻止敵方目標的獲得有效的導航服務。導航對抗能力越強，艦船獲得的導航信息越準確，其作戰(zhàn)保障能力就越強［3～4］。由于導航保障能力涉及到眾多因素，因素屬性差異大，相互間存在復雜關聯(lián)關系，難以采用通過普通單一評價方法得到有效的結果，本文采用貝葉斯網絡方法進行綜合評價，具有處理不完備數據和學習變量之間因果關系的能力，有效結合了GPS導航能力因素的特點，即使某些數據難以有效得到，也能夠建立比較精確的評估模型［5］。因此，本文針對艦船GPS系統(tǒng)，在分析基本構成、功能與對抗方法手段的基礎上，運用貝葉斯網絡評價方法分析構建了對抗評價指標體系，建立了評價模型，結合算例開展了艦船導航保障效能評價應用。

2 艦船GPS導航系統(tǒng)及其對抗方法

2.1 艦船GPS導航系統(tǒng)組成

艦船GPS導航系統(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備，其中地面監(jiān)控部分主要由主控站、注入站、監(jiān)測站等設備組成。星座與配套監(jiān)控部分是國家的一項戰(zhàn)略資源，可為包括艦船在內的各類用戶提供導航服務，系統(tǒng)通過地面監(jiān)控站注入衛(wèi)星導航電文、控制指令，控制導航衛(wèi)星空間運行狀態(tài)，導航衛(wèi)星廣播導航信息，為用戶提供導航綜合服務［2］，其組成如圖1所示。

2.2 導航對抗方法

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

2.2.1 導航攻擊

導航攻擊按其特性不同可采用兩種方式，即對導航系統(tǒng)信息干擾和對導航系統(tǒng)設備武力攻擊。

對導航系統(tǒng)信息干擾將導致艦船等用戶接收機無法或收到錯誤導航信息，無法提供導航服務。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發(fā)射某種干擾信號來遮蔽敵方的信號頻譜，使艦船等平臺用戶接收機功能失?；騿适?，壓制性干擾對艦船導航保障的威脅最大，范圍最廣。欺騙性干擾按其工作機制不同分為“產生式”干擾和“轉發(fā)式”干擾兩類方法。產生式干擾是由干擾機發(fā)射與GPS系統(tǒng)相同的電信號來欺騙艦船用戶機，使其出現(xiàn)錯誤解碼；轉發(fā)式干擾是將把收到GPS系統(tǒng)信號重新編碼為錯誤信息再廣播轉發(fā)，使艦船接收機接收到錯誤導航信息。同時隨著干擾技術的發(fā)展，干擾對象從艦船用戶機延伸到天基衛(wèi)星，如對衛(wèi)星注入病毒程序等，均可達到破壞艦船導航保障能力的目標。

對導航系統(tǒng)的武力攻擊主要針對導航衛(wèi)星、主控站、注入站、監(jiān)測站等核心設備實施火力打擊，其中任一節(jié)點被摧毀，即可導致整個系統(tǒng)癱瘓失效。對地面控制、監(jiān)測和注入站可采用常規(guī)作戰(zhàn)手段對其實施遠程的導彈攻擊，而對導航衛(wèi)星反擊主要采用強激光打擊、中性粒子束定向能武器打擊和動能武器打擊（如電磁軌道炮等）等手段。因此，利用武器裝備將導致摧毀整個GPS系統(tǒng)的硬件設備，導致GPS導航資源的失效，短期無法恢復，將影響包括艦船在內等所有的用戶，會產生重大的政治和軍事影響，也是大規(guī)模戰(zhàn)爭爆發(fā)達成作戰(zhàn)目的最有效手段之一。

2.2.2 導航防御

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

1）船接收機抗干擾。主要是提高導航系統(tǒng)供給艦船軍碼導航信息的安全性，具體采用：（1）P碼信號直接捕獲技術［9～11］。P 碼信號的干信比為43dB，遠好于C/A碼的25dB，能有效提高艦船接收機的抗干擾能力。（2）自適應調零天線技術。通過多個陣元天線陣將接收到的干擾信號送至處理器，處理后改變各陣元的增益或相位，使天線陣方向圖中產生對著干擾源方向的零點，降低敵方干擾機的效能。（3）抗干擾濾波技術?？赏ㄟ^頻譜濾波（抑制帶外和帶內干擾）、空間濾波（多天線）和時間濾波（時域內處理信號特征）方法提高接收機抗干擾能力。

2）GPS干擾源定位技術。主要通過擴頻、三極短基線天線陣列和高靈敏接收及先進信號處理等技術手段對干擾源進行有效的探測、識別和定位，收集處理其干擾信息，并利用這些信息艦船對干擾源展開火力打擊。

3）偽衛(wèi)星技術。用飛行器充當偽衛(wèi)星，加裝大功率信號發(fā)射設備，并使其信號功率遠超敵方干擾信號功率，在艦船所在戰(zhàn)場上空構建導航星座，確保為艦船提供導航保障。

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

3 艦船作戰(zhàn)導航保障能力評價指標體系構建

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

1）導航偵察能力

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

2）導航攻擊能力

導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GPS導航系統(tǒng)的壓制和欺騙能力，對GPS的壓制式干擾主要包括瞄準式、阻塞式和相關式。前兩類干擾主要影響艦船接收機輸出的噪聲電平，相關式干擾同時影響相關設備的輸出峰值與噪聲電平，并且隨著干擾信號與偽碼信號的互相關性的增強。欺騙干擾包括產生式與轉發(fā)式，作用機理與實現(xiàn)難度不同。產生式干擾應用難點在于需要破譯導航信號的碼結構；轉發(fā)式不需破譯碼結構，技術難度相對容易，是常用的導航攻擊手段。

對GPS系統(tǒng)的關鍵節(jié)點進行摧毀性打擊也是導航對抗過程中有效的攻擊手段。目前針對導航衛(wèi)星的攻擊武器有強激光武器、中性粒子束定向能武器和動能武器，針對地面監(jiān)控站和用戶終端的攻擊武器主要是反輻射導彈及其他相關殺傷性武器。

3）導航防御能力

導航防御除采用北斗導航系統(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等各種組合導航保障方式。也可以增加艦船接收機的抗干擾性能，抗擊敵方使用的壓制干擾和欺騙干擾。同時還可對艦船接收機系統(tǒng)進行物理防護，防止遭受火力打擊而失效。

按照以上分析，可以建立對抗條件下艦船作戰(zhàn)導航保障能力的評價指標體系，如圖2所示。

4 艦船作戰(zhàn)導航保障能力評價模型

4.1 貝葉斯網絡概述

貝葉斯網絡是在貝葉斯統(tǒng)計分析的基礎上，結合圖論形成的基礎理論，是處理不確定性問題的有效理論方法［15～18］。經典的貝葉斯公式為

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

貝葉斯網絡由一系列變量的聯(lián)合概率分布圖表示，一個具有N個節(jié)點的貝葉斯網絡可以用N=G,P來表示。其中，G=V,E表示具有N個節(jié)點的有向無環(huán)圖，節(jié)點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系；條件概率P表示任意節(jié)點同其父節(jié)點的條件依賴關系，對于離散變量而言，代表的是父節(jié)點在一定的狀態(tài)下，子節(jié)點在不同狀態(tài)下的概率。假定有離散隨機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為結點Xi的父節(jié)點。

4.2 建立導航保障能力評價模型

1）屬性等級

選擇艦船GPS導航對抗領域的專家n人組成評價專家組，專家組對能力評價指標體系中的相關指標進行等級劃分，即W={W1,W2,…,Ws} ，確定各屬性等級的值域。

2）根結點先驗概率

確定貝葉斯網絡的根結點先驗概率是得到評估結果的先決條件，請專家根據導航保障能力評價指標體系對根結點的子指標進行打分，得到子指標數據的無量綱矩陣D：

其中，m表示根結點的m個子指標，n表示專家數量。運用熵權法確定D中各指標的權重，第i個子指標的熵為

根結點先驗概率采用隸屬度加權法確定。即第i個子指標屬于等級Wj的隸屬度為γij，則通過子指標隸屬度加權就可以求得根節(jié)點屬于等級Wj的先驗概率為

3）子節(jié)點條件概率

由于相關子節(jié)點的條件概率與裝備性能、對抗條件和使用方式等密切相關，反映導航對抗的裝備技術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，需要請專家根據相關先驗數據信息，對評價因子進行打分，形成條件概率，如表1所示。

表1 節(jié)點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個專家中有n11個專家認為J3的屬性為有效。同理，可以確定貝葉斯網絡中各個節(jié)點的條件概率表。

4）導航保障能力評價模型

求解得到根結點的先驗概率及子節(jié)點的條件概率后，根據式（1～2）計算出導航保障能力的值為：

5 算例分析

某艦船為評估其導航保障能力，邀請5名業(yè)內專家組成導航保障能力評價專家組對艦船導航對抗部門在導航對抗訓練過程中采集的數據進行評價分析。專家組按照導航保障能力及根節(jié)點的屬性等級分為｛好，一般，差｝三個等級，并規(guī)定80分以上為｛好｝，60～80分為｛一般｝，60分以下為｛差｝。以根結點A為例，其子指標數據如表2所示。

表2 A子指標數據

根據表2數據，通過式（3）～（5）解得根結點A的子指標權重ω={0 .3333,0.3335,0.3332}。分析表2給出的數據，根據評價等級規(guī)定得到A的子指標隸屬度如表3所示。

表3 A的子指標隸屬度

利用式（6）計算得根結點A的先驗概率pA=(0.4001 ,0.5333,0.0666)。

同理，可得其他根結點的先驗概率，如表4所示。

表4 根結點的先驗概率

在確定根結點的先驗概率后，邀請專家討論確定葉結點E的條件概率表，如表5所示。

表5 E的條件概率表

根據表5所列的條件概率，運用Netica軟件計算得到某艦導航保障能力評價值如圖3所示。

圖3 導航對抗能力評價結果

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，該水面該艦已經具備基本的作戰(zhàn)導航保障能力，能夠完成對抗強度不高戰(zhàn)場環(huán)境下的導航保障任務，但整體保障能力還有差距，有改進提升空間，特別是導航防御方面提升空間較大，因此，要重點優(yōu)化改進艦船GPS接收機抗干擾性能和組合導航保障能力。

6 結語

本文對復雜戰(zhàn)場環(huán)境下影響艦船對抗條件下有效完成作戰(zhàn)使命任務的導航對抗能力進行了綜合評估研究，針對艦船主要采用GPS導航手段帶來的導航對抗復雜性，在分析對抗方法手段的基礎上構建了綜合評價指標體系；同時針對導航對抗過程中存在的諸多不確定性因素及部分評價指標難以量化的問題，采用貝葉斯網絡的理論，建立了導航保障能力評價貝葉斯網絡模型，并通過算例驗證了評價模型的可行性。該評價方法充分考慮了導航對抗設備與訓練的主客觀復雜因素，評價結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)行動提供決策支撐和幫助。