彈炮結(jié)合武器智能協(xié)同作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)研究

張 鵬，趙 凱，李 迪，任成才，王 琨

(1.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099；2.陸軍裝備部裝備項(xiàng)目管理中心，北京 100071；3.白城兵器試驗(yàn)中心，吉林 白城 137001)

傳統(tǒng)的彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)有連建制作戰(zhàn)、主從車作戰(zhàn)、單車獨(dú)立作戰(zhàn)等作戰(zhàn)方式。隨著信息技術(shù)革命和組織變革，需要研究并建立一種靈活多變的協(xié)同作戰(zhàn)方式，以適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的迅速變化，取長(zhǎng)補(bǔ)短、提升作戰(zhàn)效能。協(xié)同作戰(zhàn)通過(guò)信息流驅(qū)動(dòng)，通過(guò)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)組織運(yùn)作，協(xié)同策略保證協(xié)同作戰(zhàn)的正常工作,其效能的發(fā)揮離不開(kāi)高效、實(shí)時(shí)的協(xié)同網(wǎng)絡(luò)。

協(xié)同網(wǎng)絡(luò)是裝備體系化、智能化作戰(zhàn)的基礎(chǔ)組織形式，是未來(lái)組織發(fā)展的一種趨勢(shì)。協(xié)同作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)按照協(xié)作范圍劃分，可分為武器系統(tǒng)內(nèi)部的協(xié)同網(wǎng)絡(luò)和對(duì)外協(xié)同網(wǎng)絡(luò)。協(xié)同網(wǎng)絡(luò)按照功能可分為協(xié)同搜索、協(xié)同跟蹤和協(xié)同打擊等[1]。

在新型作戰(zhàn)體系下，未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)地理環(huán)境和電磁干擾都日趨復(fù)雜化，為保障協(xié)同作戰(zhàn)的順利執(zhí)行，對(duì)傳輸和網(wǎng)絡(luò)提出了更高要求，協(xié)同網(wǎng)絡(luò)向著高速、寬帶、低時(shí)延、扁平化、抗干擾、自組織等方向發(fā)展。筆者采用系統(tǒng)分析方法，結(jié)合某彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)需求和作戰(zhàn)應(yīng)用，針對(duì)武器系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了分析，研究構(gòu)建具有初步智能的協(xié)同作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)，提出具有感知、動(dòng)態(tài)拓?fù)湔{(diào)整、動(dòng)態(tài)時(shí)隙變化的武器協(xié)同網(wǎng)絡(luò)方案，為彈炮結(jié)合武器高效協(xié)同作戰(zhàn)提供基礎(chǔ)支撐。

1 彈炮結(jié)合武器協(xié)同作戰(zhàn)分析

1.1 協(xié)同作戰(zhàn)的建立原則

1.1.1 有利于打擊和生存

彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)構(gòu)建協(xié)同作戰(zhàn)編組應(yīng)根據(jù)戰(zhàn)車狀態(tài)、空中目標(biāo)的方位、航向，要有利于對(duì)目標(biāo)的打擊。構(gòu)建的協(xié)同作戰(zhàn)編組應(yīng)考慮裝備狀態(tài)良好，編組成員可實(shí)現(xiàn)信息共享或信息互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)火力交叉、火力連續(xù)打擊等，最終有利于對(duì)空射擊和目標(biāo)殲毀；同時(shí)應(yīng)考慮戰(zhàn)車所在位置，利用地理環(huán)境隱蔽、躲避攻擊。通過(guò)協(xié)同編組作戰(zhàn)實(shí)現(xiàn)盲區(qū)互補(bǔ)、交替開(kāi)機(jī)等，有利于提高對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率和自身的生存概率。

1.1.2 有明確的目的

協(xié)同作戰(zhàn)編組建立應(yīng)具有明確的目的，在于完成預(yù)定的目標(biāo)和任務(wù)。如為了實(shí)現(xiàn)預(yù)警、補(bǔ)盲、導(dǎo)引、火力交叉等。當(dāng)協(xié)同作戰(zhàn)的目標(biāo)是對(duì)某目標(biāo)區(qū)域持久性監(jiān)視，這時(shí)重點(diǎn)就應(yīng)該是對(duì)目標(biāo)區(qū)域的監(jiān)視覆蓋率；當(dāng)攻擊某目標(biāo)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的目標(biāo)時(shí)，重點(diǎn)就應(yīng)該是對(duì)目標(biāo)的毀傷。

1.1.3 快速構(gòu)建

協(xié)同作戰(zhàn)編組應(yīng)可快速構(gòu)建和快速重組，使其適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)迅速變化的需求。如協(xié)同編組內(nèi)各節(jié)點(diǎn)信息鏈路盡量一跳可達(dá)，滿足信息交互的實(shí)時(shí)性；編組內(nèi)火力節(jié)點(diǎn)在航路上，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的多次打擊；可根據(jù)戰(zhàn)車數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，方便調(diào)整時(shí)隙配置，滿足帶寬需求。

1.2 協(xié)同作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)模型

協(xié)同作戰(zhàn)是指指揮車或多輛彈炮結(jié)合武器之間，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行資源共享、信息共享，完成對(duì)空搜索、目標(biāo)跟蹤，實(shí)現(xiàn)協(xié)同解算、協(xié)同打擊的作戰(zhàn)方式。協(xié)同作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)模型按照節(jié)點(diǎn)數(shù)量可分為以下兩種方式[2]。

1.2.1 連協(xié)同網(wǎng)絡(luò)模型

連協(xié)同是指彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)以全連隊(duì)為組織的作戰(zhàn)方式。由指揮車進(jìn)行統(tǒng)一的作戰(zhàn)指揮，協(xié)調(diào)分配作戰(zhàn)資源，統(tǒng)籌作戰(zhàn)預(yù)案。連協(xié)同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ腿鐖D1所示。

連協(xié)同作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)是以指揮車為中心的星型網(wǎng)絡(luò)，也可構(gòu)成全聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)，它能充分利用資源、信息量大。連協(xié)同作戰(zhàn)對(duì)空目標(biāo)殲毀概率大，但因需要集中指揮，受通信網(wǎng)絡(luò)資源和能力限制，其作戰(zhàn)不靈活，作戰(zhàn)區(qū)域集中，不易實(shí)現(xiàn)對(duì)分散目標(biāo)的有效保護(hù)。

1.2.2 編組協(xié)同網(wǎng)絡(luò)模型

編組協(xié)同作戰(zhàn)是指任意數(shù)量的彈炮結(jié)合武器按照上級(jí)命令或戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)構(gòu)建分隊(duì)作戰(zhàn)方式。由編組內(nèi)戰(zhàn)車作為“指揮車”進(jìn)行作戰(zhàn)指揮，協(xié)調(diào)分配作戰(zhàn)資源和統(tǒng)籌作戰(zhàn)預(yù)案。編組協(xié)同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ腿鐖D2所示。

編組協(xié)同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量受限于協(xié)同網(wǎng)絡(luò)的能力。編組協(xié)同時(shí)可進(jìn)行連內(nèi)、跨連構(gòu)建。編組協(xié)同作戰(zhàn)方式靈活，但其編組策略較多，需要有相關(guān)的準(zhǔn)則加以限制，使其快速構(gòu)建[3]。

編組協(xié)同作戰(zhàn)時(shí)，協(xié)同網(wǎng)絡(luò)可通過(guò)寬帶自組網(wǎng)組成分布式網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點(diǎn)裝備可任意組合，靈活變更，可實(shí)現(xiàn)信息多跳可達(dá)、按需分配網(wǎng)絡(luò)資源等。比如，提供搜索情報(bào)的節(jié)點(diǎn)分配較多的時(shí)隙以提高實(shí)時(shí)性，提供跟蹤信息的節(jié)點(diǎn)分配最多的信道資源以滿足其對(duì)信息傳輸帶寬的需求，利用資源較少的節(jié)點(diǎn)可分配較少的信道資源，滿足作戰(zhàn)指揮需求。

主從協(xié)同是一種典型2節(jié)點(diǎn)編組協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，是兩輛戰(zhàn)車按照主車指揮從車的方式進(jìn)行的作戰(zhàn)編組。主從協(xié)同作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ腿鐖D3所示[4]。

1.3 協(xié)同網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建策略

協(xié)同網(wǎng)絡(luò)的建立從智能化程度可分為人工建立和裝備自動(dòng)構(gòu)建兩類。根據(jù)不同的構(gòu)建策略，大致的協(xié)同網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建流程如圖4所示。

人工協(xié)同建立需要指揮人員進(jìn)行指派或成員申請(qǐng)獲批準(zhǔn)后建立。而自動(dòng)協(xié)同建立，由彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)、裝備狀態(tài)、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)等相關(guān)準(zhǔn)則自動(dòng)建立。自動(dòng)協(xié)同的建立涉及網(wǎng)絡(luò)智能開(kāi)通等相關(guān)準(zhǔn)則和智能化技術(shù)。

2 協(xié)同網(wǎng)絡(luò)任務(wù)需求分析

2.1 協(xié)同網(wǎng)絡(luò)任務(wù)需求分析

按照彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)在防空作戰(zhàn)中承擔(dān)的任務(wù)、武器系統(tǒng)組成、彈炮結(jié)合武器功能性能等因素進(jìn)行綜合分析，協(xié)同網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)。

2.1.1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

應(yīng)具備容納指揮、火力、情報(bào)等節(jié)點(diǎn)能力，協(xié)同網(wǎng)絡(luò)需支持連級(jí)規(guī)模的武器平臺(tái)節(jié)點(diǎn)的作戰(zhàn)應(yīng)用，可擴(kuò)展至營(yíng)級(jí)規(guī)模的節(jié)點(diǎn)應(yīng)用。主要需求如下：

1) 典型應(yīng)用為支持大于6個(gè)節(jié)點(diǎn)小于18個(gè)火力節(jié)點(diǎn)以及無(wú)人機(jī)中繼及情報(bào)節(jié)點(diǎn)的接入。

2)節(jié)點(diǎn)數(shù)量可變，滿足部隊(duì)擴(kuò)編、縮編帶來(lái)的變化。

2.1.2 自組網(wǎng)需求

按照防空武器協(xié)同網(wǎng)絡(luò)對(duì)指揮信息、控制信息、狀態(tài)信息、協(xié)同信息等傳輸?shù)男枨?，主要需求如下?/p>

1) 實(shí)現(xiàn)分布式、扁平化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑵M足一點(diǎn)發(fā)現(xiàn)全網(wǎng)可知的信息共享模式需求。

2) 實(shí)現(xiàn)多跳可達(dá)的自組網(wǎng)功能，滿足網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)不同地域、地形的互聯(lián)互通需求。

3) 實(shí)現(xiàn)無(wú)中心、自協(xié)商、自愈自組織的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)通，支持節(jié)點(diǎn)移動(dòng)、隨遇入網(wǎng)需求。

4) 按需構(gòu)建協(xié)同作戰(zhàn)編組，網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)根據(jù)位置、任務(wù)、狀態(tài)按需要構(gòu)建協(xié)同編組，協(xié)同網(wǎng)絡(luò)帶寬、時(shí)隙可動(dòng)態(tài)調(diào)整。

5) 協(xié)同作戰(zhàn)編組節(jié)點(diǎn)數(shù)量可變，協(xié)同網(wǎng)絡(luò)可按需要建立、撤銷[5]。

2.1.3 協(xié)同信息傳輸需求

按照防空作戰(zhàn)對(duì)信息傳輸?shù)男枨?，主要需求如下?/p>

1) 指控信息：指揮節(jié)點(diǎn)可到達(dá)任意下屬火力節(jié)點(diǎn)，信息傳輸時(shí)延應(yīng)滿足系統(tǒng)作戰(zhàn)指揮需要。

2) 火控信息：任意協(xié)同節(jié)點(diǎn)間的信息傳輸時(shí)延應(yīng)滿足系統(tǒng)火控信息處理時(shí)間需求。

3) 通信距離：應(yīng)滿足系統(tǒng)作戰(zhàn)覆蓋范圍，可通過(guò)多跳可達(dá)。

2.2 智能化網(wǎng)絡(luò)需求

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方式是基于預(yù)案的協(xié)同網(wǎng)絡(luò)開(kāi)通，即根據(jù)預(yù)先規(guī)劃好的作戰(zhàn)方案，采取相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)配置、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蜁r(shí)隙配置策略。由于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的變化莫測(cè)，該方式具有局限性。如不同的地理位置、來(lái)襲目標(biāo)的方位和特性、各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)等因素較多，難以設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的方案。因此，需要通過(guò)智能化的方式，根據(jù)上述因素，自適應(yīng)的調(diào)整網(wǎng)絡(luò)方案，有效利用網(wǎng)絡(luò)資源，提高網(wǎng)絡(luò)開(kāi)通速度[6]。

2.2.1 自愈自組織的武器協(xié)同網(wǎng)絡(luò)

自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種能夠臨時(shí)快速自動(dòng)組網(wǎng)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在沒(méi)有基礎(chǔ)設(shè)施的情況下無(wú)需人為干預(yù)就能通過(guò)組網(wǎng)協(xié)議使相應(yīng)節(jié)點(diǎn)完成網(wǎng)絡(luò)自主構(gòu)建、自主維護(hù)和自主管理，并通過(guò)多跳轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的信息交互，網(wǎng)絡(luò)具有良好的抗干擾能力和抗毀生存能力[7]。其特點(diǎn)如下：

1) 全分布式。采用移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建火指控網(wǎng)，完全由無(wú)線節(jié)點(diǎn)組成，沒(méi)有固定基礎(chǔ)設(shè)施。網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行、組織和管理都是分布式的，其可以自組織。

2) 網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)?。網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)可以隨機(jī)移動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓谌我鈺r(shí)刻可以發(fā)生變化。

3) 網(wǎng)絡(luò)多跳可達(dá)。無(wú)線節(jié)點(diǎn)通信距離有限，當(dāng)超過(guò)通信距離時(shí)，可以多跳可達(dá)。

2.2.2 寬覆蓋智能電磁頻譜感知

協(xié)同網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建時(shí)，在對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行接入之前，可利用頻譜感知技術(shù)監(jiān)測(cè)待接入網(wǎng)絡(luò)或者待接入設(shè)備，實(shí)時(shí)分析通信覆蓋區(qū)域的頻譜環(huán)境，自適應(yīng)地調(diào)整系統(tǒng)的用頻策略，避免與己方的用頻設(shè)備產(chǎn)生自相干擾，從而可以縮短系統(tǒng)部署前的頻率規(guī)劃和協(xié)調(diào)時(shí)間。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和識(shí)別地方的干擾信號(hào)，針對(duì)不同的干擾方式，綜合采用時(shí)域、頻域和空域等多種智能抗干擾措施，靈活地調(diào)整通信波形參數(shù)，適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)惡劣電磁環(huán)境，從而提高通信網(wǎng)絡(luò)的生存能力和通信效能。

通過(guò)實(shí)時(shí)感知電磁環(huán)境的狀態(tài)，通信系統(tǒng)能夠調(diào)整工作參數(shù)，有效利用頻譜資源，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)隨時(shí)、隨地高可靠通信，以及靈活、高效、自動(dòng)化頻譜協(xié)調(diào)與調(diào)度。

3 智能協(xié)同網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案

3.1 智能協(xié)同網(wǎng)絡(luò)總體方案

彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)智能協(xié)同網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計(jì)方案包括物理層的傳輸設(shè)備技術(shù)方案、網(wǎng)絡(luò)層的組網(wǎng)控制方案和系統(tǒng)層的智能感知方案[8]，架構(gòu)框圖如圖5所示。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面上，協(xié)同網(wǎng)絡(luò)利用頻譜感知技術(shù)實(shí)時(shí)分析武器平臺(tái)所在區(qū)域的頻譜環(huán)境，自適應(yīng)地調(diào)整系統(tǒng)的用頻策略和干擾對(duì)抗策略。采用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)解決頻譜分配與利用的難題，根據(jù)一定的學(xué)習(xí)和決策算法，實(shí)時(shí)自適應(yīng)地改變系統(tǒng)的工作模式和參數(shù)，動(dòng)態(tài)檢測(cè)，有效利用頻譜資源。同時(shí)利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)傳輸和網(wǎng)絡(luò)智能規(guī)劃，滿足彈炮結(jié)合武器協(xié)同編組作戰(zhàn)的網(wǎng)絡(luò)快速開(kāi)通、變更需求。

在網(wǎng)絡(luò)層面，采用自愈自組織組網(wǎng)技術(shù)支持節(jié)點(diǎn)隨機(jī)入網(wǎng)及退網(wǎng)，利用多跳路由支持網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信。智能協(xié)同網(wǎng)絡(luò)控制采用開(kāi)放、統(tǒng)一的接入架構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)互通、智能轉(zhuǎn)發(fā)、信息共享等功能，滿足彈炮結(jié)合武器協(xié)同編組作戰(zhàn)的高速、實(shí)時(shí)傳輸需求。

在物理層面，采用軟件無(wú)線電平臺(tái)和組件化波形設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多種波形重構(gòu)和自適應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)，同時(shí)在設(shè)計(jì)上考慮與現(xiàn)役設(shè)備的兼容，滿足彈炮結(jié)合武器協(xié)同編組作戰(zhàn)的抗干擾、可靠通信需求[9]。

3.2 基于認(rèn)知的自適應(yīng)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

彈炮結(jié)合武器協(xié)同網(wǎng)絡(luò)智能化的建立，應(yīng)該基于認(rèn)知無(wú)線電實(shí)現(xiàn)。認(rèn)知無(wú)線電依靠智能化技術(shù)支持，具備感知無(wú)線通信環(huán)境，根據(jù)一定的學(xué)習(xí)和決策算法，實(shí)時(shí)自適應(yīng)的改變系統(tǒng)的工作模式和參數(shù)，動(dòng)態(tài)檢測(cè)，有效利用空閑頻譜、背景良好頻譜，允許在時(shí)間、頻譜以及空間上進(jìn)行多維的復(fù)用，可以大大提高頻譜利用率。自適應(yīng)接入是利用認(rèn)知無(wú)線電進(jìn)行頻譜監(jiān)測(cè)，目的是自適應(yīng)發(fā)現(xiàn)、識(shí)別、選擇和接收用戶子網(wǎng)的信號(hào)。

首先要進(jìn)行寬頻譜感知，即發(fā)現(xiàn)信號(hào)，發(fā)現(xiàn)彈炮結(jié)合武器節(jié)點(diǎn)；其次要解決對(duì)感知信號(hào)的模式識(shí)別。利用頻譜感知自動(dòng)尋找接入信號(hào)，通過(guò)調(diào)制識(shí)別和參數(shù)估計(jì)對(duì)信號(hào)的通信模式進(jìn)行識(shí)別，從而依據(jù)波形庫(kù)中的定義，判斷其是否為可通信信號(hào)。

圖6為基于認(rèn)知技術(shù)的自適應(yīng)接入方案的工作流程，接入設(shè)備的工作過(guò)程分為以下4個(gè)階段[10]：

1)頻譜感知：設(shè)備完成對(duì)外界電磁頻譜的感知。

2)模式識(shí)別：通過(guò)模式識(shí)別手段，獲得接收信號(hào)的詳細(xì)信息，如功率、碼速率、帶寬、載頻、調(diào)制模式等信息。

3)接入決策：根據(jù)識(shí)別結(jié)果結(jié)合通信波形庫(kù)，最終完成信號(hào)是否接入的決策。

4)建立通信：對(duì)已確定為接入對(duì)象的信號(hào)，根據(jù)通信協(xié)議，建立通信，實(shí)現(xiàn)接入。

4 結(jié)束語(yǔ)

智能協(xié)同作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)頻譜感知，自適應(yīng)選擇，網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)開(kāi)通，以及路由智能算法等，為彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)提供高效、可靠的協(xié)同作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)，提升武器系統(tǒng)整體作戰(zhàn)效能。可通過(guò)智能化的網(wǎng)絡(luò)資源配置、動(dòng)態(tài)時(shí)隙策略，提供高速、高實(shí)時(shí)傳輸服務(wù)，為武器平臺(tái)資源共享，實(shí)現(xiàn)相互導(dǎo)引、互操作等功能提供保障?？傊悄軈f(xié)同作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)將成為武器平臺(tái)從信息化向智能化發(fā)展的重要基礎(chǔ)。