基于無人機集群的綜合一體化告警自衛(wèi)系統(tǒng)設(shè)計

王 昊，張 敏，張振華，胡繼軍，劉平原，劉少坤，紀永剛

（1.中國石油大學（華東）海洋與空間信息學院，山東青島 266580；2.北京遙測技術(shù)研究所，北京 100076）

0 引 言

隨著無人機技術(shù)的快速發(fā)展，其在電子戰(zhàn)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷受到重視。相比于傳統(tǒng)的陸基和空中電子戰(zhàn)平臺，無人機在戰(zhàn)場上具有成本低、轉(zhuǎn)移性強、便于維護等優(yōu)勢，既可以搭載多種電子裝備，又能夠快速機動，還可以配備不同武器裝備進行協(xié)同作戰(zhàn)，鑒于其較小的雷達反射面積，還可以在復雜戰(zhàn)場環(huán)境下實現(xiàn)對敵方雷達的干擾和瞄準，對增強作戰(zhàn)效果具有重要作用[1]。

無人機集群由一定數(shù)量的同類或異類無人機組成，利用信息交互與反饋、激勵與響應(yīng)，實現(xiàn)相互行為協(xié)同，適應(yīng)動態(tài)環(huán)境，共同完成特定任務(wù)的自主式空中智能系統(tǒng)。其可與有人機協(xié)同，組成作戰(zhàn)群體，提供支持并額外增強有人平臺的作戰(zhàn)效能，無人機集群在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中正以一種新的概念和應(yīng)用方式逐漸嶄露頭角。作為無人機集群的重要組成部分，告警自衛(wèi)系統(tǒng)在復雜戰(zhàn)場環(huán)境中確保態(tài)勢感知和生存能力至關(guān)重要。但傳統(tǒng)的告警自衛(wèi)系統(tǒng)在功能劃分和戰(zhàn)場適應(yīng)性等方面存在一定局限性，往往集成化水平和智能化程度有待提高，在決策能力上對主指揮機的依賴性較強，且功能較為單一化，無法有效地對抗現(xiàn)代戰(zhàn)爭中復雜的戰(zhàn)場威脅。因此，迫切需要為無人機集群設(shè)計一種多功能兼具智能化的告警自衛(wèi)系統(tǒng)。

1 機載告警自衛(wèi)系統(tǒng)的發(fā)展

機載告警自衛(wèi)系統(tǒng)主要用于接收敵方雷達信號并進行快速決策的電子戰(zhàn)設(shè)備，已被廣泛應(yīng)用于軍用戰(zhàn)斗機和直升機等平臺，其可以通過截獲和分析照射到載機上的雷達信號，向飛行員提供輻射源的類型、方位和威脅程度等信息，來幫助飛行員掌握戰(zhàn)機的實時態(tài)勢，以便采取恰當?shù)碾娮訉勾胧┗驊?zhàn)術(shù)機動措施等[2]。

傳統(tǒng)有人機載告警自衛(wèi)系統(tǒng)誕生于20 世紀60 年代，發(fā)展至今已經(jīng)經(jīng)歷了多次升級換代，在技術(shù)上不斷取得突破，大致可以歸納為以下幾個階段。

初期階段：20 世紀50 年代—60 年代是機載告警自衛(wèi)系統(tǒng)的起始階段，系統(tǒng)設(shè)計相對簡單，主要由射頻前置器、接收機和信號處理器三部分組成。但由于當時技術(shù)水平的限制，機載告警自衛(wèi)系統(tǒng)的信號適應(yīng)能力較差。

發(fā)展階段：20 世紀70 年代—90 年代，隨著雷達技術(shù)、電子戰(zhàn)技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，機載告警自衛(wèi)系統(tǒng)得到了很大的改進和發(fā)展。其主要的技術(shù)創(chuàng)新集中在以下幾個方面：

1）波形振蕩器：波形振蕩器相當于一個具有高速計算能力的信號處理器，在告警自衛(wèi)系統(tǒng)中起到至關(guān)重要的作用。它能夠快速地變換雷達的信號波形，便于在信噪比低、干擾強的環(huán)境中更好地區(qū)分敵我目標。

2）數(shù)字信號處理：數(shù)字信號處理技術(shù)的引入可以實現(xiàn)更快、更準確的信號處理，這對于機載告警自衛(wèi)系統(tǒng)而言有著極為重要的意義。該技術(shù)可以在提高告警自衛(wèi)系統(tǒng)的處理速度和可靠性的同時還能保證信息傳輸?shù)陌踩浴?/p>

3）HIRF 防護：HIRF（高強度輻射場）防護技術(shù)是一種電磁兼容技術(shù)，用于確保機載告警自衛(wèi)系統(tǒng)在高電磁環(huán)境場景下仍能正常工作。采用HIRF 防護技術(shù)可以保證系統(tǒng)在受到高電磁輻射（如雷擊、EMP 等）影響后繼續(xù)執(zhí)行指定任務(wù)。

相對于上一階段的產(chǎn)品，它們在功能上得到了極大的拓展。首先，它們能夠分析雷達的掃描方式并判斷雷達的工作狀態(tài)；其次，能夠接收多個目標信號，收信能力極大提升。但是這些產(chǎn)品仍然延續(xù)了初期階段產(chǎn)品的作用體制，僅能對少量特定目標進行告警，因此仍存在較大的局限性。

現(xiàn)代化階段：20 世紀90 年代之后至今，隨著計算機科學、通信技術(shù)、航空電子技術(shù)的飛速發(fā)展，機載告警自衛(wèi)系統(tǒng)進一步向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化和智能化方向發(fā)展。主要特點體現(xiàn)在以下三個方面：一是具有極強的電磁環(huán)境適應(yīng)性，即使在非常復雜的百萬級信號環(huán)境下也能準確識別信號源并保持良好的工作狀態(tài)；二是能夠與箔條、曳光彈、煙霧彈、反輻射導彈等電子對抗資源相互協(xié)作，形成一套更完整的綜合一體化的告警自衛(wèi)系統(tǒng)；三是能夠顯示多批次雷達類型、位置和威脅等級等信息，從而提高告警能力。相比于之前的告警自衛(wèi)系統(tǒng)，該階段的產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)了全方面的提升，極大地滿足了現(xiàn)代戰(zhàn)爭中作戰(zhàn)飛機威脅告警的需求。

無人機載告警自衛(wèi)系統(tǒng)作為一種新型電子戰(zhàn)裝備，于2000 年左右開始出現(xiàn)。當時，美國、以色列等國家陸續(xù)研發(fā)出了一些類型的無人機載告警自衛(wèi)系統(tǒng)，其主要技術(shù)特點是集成可控的實時信號處理、目標跟蹤和警告指示等模塊，能夠及時探測和對抗敵方雷達探測和干擾裝置。近年來隨著無人機技術(shù)的成熟和普及，無人機載告警自衛(wèi)系統(tǒng)得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，告警自衛(wèi)系統(tǒng)不僅僅局限于單獨工作，而是與機載的其他載荷協(xié)同配合，這種配合可以使得無人機具有更強的偵察、監(jiān)視和打擊等能力，同時也有著更好的隱蔽性和機動性。當下，隨著雷達技術(shù)、信號處理和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，無人機載告警自衛(wèi)系統(tǒng)進一步向數(shù)字化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的方向發(fā)展。

2 無人機集群的告警自衛(wèi)系統(tǒng)應(yīng)用場景及設(shè)計需求

目前常規(guī)無人機載告警自衛(wèi)系統(tǒng)設(shè)計已基本成熟，但各任務(wù)單元在信息共享和資源協(xié)調(diào)上還存在著效率不高的問題，這也成為當前各國的研究熱點問題之一[3]。相比于傳統(tǒng)無人機，無人機集群是現(xiàn)代無人機發(fā)展的一個新方向，作為一種具有一定智能化和自主化的無人機應(yīng)用模式，其可以在高威脅環(huán)境下進行多種任務(wù)[4]，如主指揮機可在敵防空火力外通過數(shù)據(jù)鏈指揮多架無人機，使無人機集群在前方扮演“耳朵”和“眼睛”，執(zhí)行目標搜索和跟蹤甚至直接進行打擊等任務(wù)。除此以外，還可以由多架不同類型的無人機混編成隊，統(tǒng)一由防區(qū)外主機指揮，各無人機既可以分別搭載不同類型的載荷，承擔不同作戰(zhàn)任務(wù)，也可以搭載同類型載荷，協(xié)同交替掩護作戰(zhàn)。

無人機集群告警自衛(wèi)系統(tǒng)作戰(zhàn)是以對作戰(zhàn)對象的無源偵察/有源探測的目標識別、打擊確認和引導打擊、作戰(zhàn)效果評估為鏈條。鑒于無人機集群豐富的應(yīng)用場景，為保證無人機集群的作戰(zhàn)效能，提高戰(zhàn)場生存能力，其搭載的告警自衛(wèi)系統(tǒng)需要及時發(fā)現(xiàn)威脅目標，并提供方位、類型和威脅等級等信息，倘若遭受打擊，需第一時間告警并做出反應(yīng)。由于集群對抗中信息的多元化和不完全、不確定性，無人機集群告警自衛(wèi)是一個復雜的動態(tài)變化過程，空戰(zhàn)對抗態(tài)勢隨著時空和作戰(zhàn)進程的推進而不斷更替[5-6]。即無人機依據(jù)敵我雙方態(tài)勢、自身飛行狀態(tài)、自我資源等因素，采取任務(wù)與資源匹配的攻擊策略，如攻擊敵機、威脅回避、支援友機、戰(zhàn)術(shù)協(xié)同等，使得在對敵攻擊、瓦解敵方意圖、態(tài)勢評估和自身損失等方面的綜合效益最大化。

盡管集群對抗的協(xié)同優(yōu)勢主要是基于信息融合和資源互補實現(xiàn)的，但單體無人機是任務(wù)的直接執(zhí)行者，作為具有一定智能化的單體無人機，須依據(jù)動態(tài)態(tài)勢和相應(yīng)準則調(diào)整自身策略，并持續(xù)與集群中的其他平臺協(xié)同交互，促使對抗過程不斷演化，以達成作戰(zhàn)使命[7-8]。故對于小規(guī)模的無人機集群告警自衛(wèi)系統(tǒng)應(yīng)同時具有電子偵察、告警及電子對抗等多種手段，來為集群自身和主指揮機提供安全的戰(zhàn)場生存環(huán)境和態(tài)勢情報支援，以進一步達到破壞敵方的電子戰(zhàn)任務(wù)。為保證無人機的多功能性和機動靈活性，其搭載的小型化和輕量化的告警自衛(wèi)系統(tǒng)在設(shè)計時需要盡可能地考慮到以下幾個要點：

1）網(wǎng)絡(luò)化：鑒于無人機集群的多種應(yīng)用場景，其搭載的告警自衛(wèi)系統(tǒng)可以通過與其他無人系統(tǒng)或作戰(zhàn)平臺的網(wǎng)絡(luò)進行互聯(lián)，以確?？梢垣@取更多的情報和支持，實現(xiàn)更加高效的聯(lián)合作戰(zhàn)。

2）系統(tǒng)集成化：集成化的設(shè)計可以將多個功能模塊和部件整合到一個統(tǒng)一的平臺上，共用部分模塊和組件，旨在提高系統(tǒng)的整體性能和操作效率，以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性[9]，在減少故障率和維護成本的同時，還能夠大大減少系統(tǒng)重量和占用空間。

3）隱身能力：在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，隱身能力可以有效地降低被敵方偵察和攻擊的風險，提高無人機的戰(zhàn)場生存能力和作戰(zhàn)效果，告警自衛(wèi)系統(tǒng)的設(shè)計也需要充分考慮到這一點。

4）自主化作戰(zhàn)：隨著人工智能和自主化技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機集群告警自衛(wèi)系統(tǒng)的設(shè)計同樣要注重自主化作戰(zhàn)能力。在無人機受到高等級的威脅告警時，應(yīng)第一時間進行自主機動或干擾對抗，這樣既可以大大提升作戰(zhàn)效率和靈活性，又能夠降低對主機操控人員的依賴性，減少反應(yīng)時間，提高戰(zhàn)場存活能力[10-13]。

5）多模式作戰(zhàn)：相比于主指揮機，無人機集群往往前出到比較復雜的戰(zhàn)場環(huán)境當中，也意味著會遇到各種各樣的威脅情況，為適應(yīng)不同的作戰(zhàn)環(huán)境，要求告警自衛(wèi)系統(tǒng)能夠在不同的場景下切換不同的作戰(zhàn)模式。

3 一體化告警自衛(wèi)系統(tǒng)設(shè)計

為了滿足無人機集群的應(yīng)用設(shè)想，對其搭載的告警自衛(wèi)系統(tǒng)進行了全面改進和完善。除了傳統(tǒng)的告警功能外，該系統(tǒng)還集成了偵察和干擾對抗等功能。這使得無人機集群能夠更好地感知和識別戰(zhàn)場上的威脅，并采取相應(yīng)的對策。此外，為了提升系統(tǒng)的智能化水平，還引入了智能信息處理設(shè)備，該設(shè)備能夠?qū)邮盏降睦走_信號進行智能分選和處理，從而提供更準確和及時的威脅情報。在特定情況下，該系統(tǒng)還具備自主決策的能力，使無人機集群能夠更快地做出反應(yīng)，提高其在戰(zhàn)場上的任務(wù)完成能力。

本文系統(tǒng)主要分為無人機任務(wù)分系統(tǒng)、主機指揮分系統(tǒng)和地面數(shù)據(jù)管理支持分系統(tǒng)三部分，如圖1 所示。

圖1 無人機集群告警自衛(wèi)系統(tǒng)組成

無人機任務(wù)分系統(tǒng)主要包含偵察告警單元、干擾對抗單元和數(shù)據(jù)存儲單元，用以實現(xiàn)無人機集群的電子偵察、告警和對抗任務(wù)。

主機指揮分系統(tǒng)主要包含機載顯示控制單元和數(shù)據(jù)融合終端，通過機載數(shù)據(jù)鏈，實時把握無人機集群動向，處理其采集的戰(zhàn)場情報，對戰(zhàn)場態(tài)勢進行掌握以便做出對策。

地面數(shù)據(jù)管理支持分系統(tǒng)主要包含數(shù)據(jù)庫加/卸載單元、綜合數(shù)據(jù)分析單元和地面顯示控制單元，該系統(tǒng)通常在戰(zhàn)斗前對無人機集群、主機的數(shù)據(jù)庫進行維護或在戰(zhàn)斗后對戰(zhàn)場采集到的情報進行處理分析。在系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，為實現(xiàn)更高效的任務(wù)執(zhí)行和作戰(zhàn)能力，無人機集群與主指揮機之間需要建立一個可靠的自適應(yīng)指揮通信網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)和指令交互。在該網(wǎng)絡(luò)中，通過自適應(yīng)的通信協(xié)議和算法，無人機之間可以智能地進行感知、決策和行動，同時還能夠利用該網(wǎng)絡(luò)與主指揮機實現(xiàn)集群感知，共享感知數(shù)據(jù)和任務(wù)信息。

3.1 無人機任務(wù)分系統(tǒng)

無人機任務(wù)分系統(tǒng)主要負責對作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)的雷達信號進行偵察、監(jiān)視和跟蹤，同時為保證其自身安全，可利用其搭載的智能信號處理機對截獲到的雷達信號進行分析并自行測算輻射源方位，根據(jù)數(shù)據(jù)庫判斷威脅類型和等級等信息，并按照特定流程進行機動規(guī)避或?qū)椛湓催M行干擾對抗。同時，還可以通過機載數(shù)據(jù)鏈（自適應(yīng)指揮通信網(wǎng)絡(luò)）與主機駕駛員進行數(shù)據(jù)交互，及時提供威脅目標的方位威脅等級，以便主機駕駛員更好地把握戰(zhàn)場態(tài)勢，從更高的層級對輻射源進行電子干擾或引導己方火力對其實施打擊。

該系統(tǒng)由偵察告警單元、干擾對抗單元和數(shù)據(jù)存儲單元組成，各單元共用部分組件，系統(tǒng)采用模塊化接口，具體組成如圖2 所示。

圖2 無人機任務(wù)分系統(tǒng)原理圖

天線陣列射頻前端、數(shù)據(jù)存儲單元（雷達信號存儲器、雷達信號數(shù)據(jù)庫）和智能信號處理機為各單元通用組件，配合偵察/告警接收機組成偵察告警單元，配合干擾發(fā)生模塊和誘餌發(fā)射裝置組成干擾對抗單元。各模塊/單元通過光纖總線進行數(shù)據(jù)傳遞，并可通過機載通信數(shù)據(jù)鏈（自適應(yīng)指揮通信網(wǎng)絡(luò)）將無人機集群的實時動態(tài)和采集的情報傳遞至主機指揮分系統(tǒng)。

為提升無人機的隱身性能，降低被敵方雷達探測到的概率，在天線布局上將采用蒙皮一體化的陣列天線布局，一方面能夠減小機體受空氣動力學干擾，提高載體的機動性能，另一方面還可以減輕載機的重量和空間占用；在通信過程中采用頻率跳變、擴頻、分集等加密技術(shù)和抗干擾手段，防止被敵方竊聽和干擾，以增加通信的安全性和隱蔽性。同時，為了減輕系統(tǒng)重量、降低成本以及保證告警自衛(wèi)系統(tǒng)和其他電子系統(tǒng)的電磁兼容性，避免傳統(tǒng)電纜在傳輸過程中發(fā)生串擾的問題，本文系統(tǒng)在各單元的傳輸通道部分將采用微波光子技術(shù)，以便充分利用其在雷達組件的重量、體積、帶寬、抗電磁干擾等方面的優(yōu)勢，構(gòu)建性能優(yōu)越的綜合一體化告警自衛(wèi)系統(tǒng)[14-15]，如圖3 所示。

圖3 無人機任務(wù)分系統(tǒng)微波光子技術(shù)示意圖

3.1.1 偵察/告警單元

偵察/告警單元主要負責對輻射電磁源的搜尋、截獲、定位、轉(zhuǎn)存和分析。為保證無人機自身的安全，該單元通過測量和分析照射到無人機上的雷達信號，通過智能信號處理機和信號數(shù)據(jù)庫對雷達信號進行智能分選，并識別威脅信號，提取該信號特征轉(zhuǎn)存至雷達信號存儲器，同時供輻射源的方位、工作模式、型號類型、威脅等級等特征參數(shù)并告警。

該單元還可通過自適應(yīng)指揮通信網(wǎng)絡(luò)與集群當中的其他無人機共享戰(zhàn)場信息，協(xié)同對目標進行定位，或交替釋放信號以掩護主指揮機的作戰(zhàn)意圖和行動方向，并根據(jù)無人機集群的感知信息，由各智能信號處理機的預置決策自行調(diào)整戰(zhàn)術(shù)隊形及偵察任務(wù)規(guī)劃。偵察/告警單元工作原理如圖4 所示。

圖4 偵察/告警單元工作原理圖

3.1.2 干擾對抗單元

干擾對抗單元主要以偵察/告警單元偵搜到的目標情報信息為基礎(chǔ)，擔負著對輻射目標進行欺騙干擾甚至引導火力摧毀的任務(wù)，單元工作原理如圖5 所示。

圖5 干擾對抗單元工作原理圖

通過智能信號處理機對采集到的信號進行分選和比對，自主選擇最佳決策，一方面可以經(jīng)干擾發(fā)生模塊對原信號進行修正，傳輸至天線陣列射頻前端對目標源進行轉(zhuǎn)發(fā)式干擾；另一方面可以根據(jù)實際威脅等級，在自主控制無人機機動的同時，調(diào)用誘餌發(fā)射裝置釋放箔條或紅外誘餌彈，以降低被敵方雷達鎖定的風險。除此以外，該單元同樣可以通過自適應(yīng)指揮通信網(wǎng)絡(luò)進行戰(zhàn)場情報交換，無人機集群既可以自行決策最佳的交替掩護方案，使其具備編隊誘擾的能力，也可以接收主機指揮分系統(tǒng)的指令，用來完成其他多樣式的協(xié)同干擾對抗任務(wù)，用以掩護主機的行動意圖。

3.1.3 數(shù)據(jù)存儲單元

數(shù)據(jù)存儲單元主要由雷達信號數(shù)據(jù)庫和雷達信號存儲器組成，雷達信號數(shù)據(jù)庫主要存儲一些已知的信號類型、頻率等參數(shù)，用于和偵察告警單元所截獲的信號做類比，為智能信號處理機提供研判、決策信號庫；雷達信號存儲器主要存儲戰(zhàn)場上截獲的經(jīng)過智能信號處理機分選過的目標輻射源信號，為干擾發(fā)生模塊提供信號源特征參數(shù)。

3.2 主機指揮分系統(tǒng)

主機指揮分系統(tǒng)通過機載數(shù)據(jù)鏈（自適應(yīng)指揮通信網(wǎng)絡(luò)）接收無人機集群偵察、截獲、監(jiān)視的數(shù)據(jù)，并配合各無人機自身的導航定位系統(tǒng)，主要負責無人機集群的任務(wù)規(guī)劃、飛行姿態(tài)監(jiān)控、偵察數(shù)據(jù)融合以及為干擾對抗單元直接下達指令任務(wù)等。該分系統(tǒng)由綜合信號處理機、數(shù)據(jù)融合處理終端和顯示控制單元組成，具體組成如圖6 所示。

圖6 主機指揮分系統(tǒng)原理圖

綜合信號處理機負責處理無人機集群在自適應(yīng)指揮通信網(wǎng)絡(luò)中的信息輸出，并通過數(shù)據(jù)融合處理終端將該類信號進行融合處理，同時對目標的頻率、類型、方位和威脅程度等參數(shù)做綜合化，生成態(tài)勢圖，以便主機駕駛員可以更好地了解戰(zhàn)場態(tài)勢，并準確做出任務(wù)規(guī)劃。

3.3 地面數(shù)據(jù)管理支持分系統(tǒng)

地面數(shù)據(jù)管理支持分系統(tǒng)主要工作在非交戰(zhàn)時、空域內(nèi)，通過地空通信數(shù)據(jù)鏈傳輸數(shù)據(jù)，負責戰(zhàn)前情報傳遞和戰(zhàn)后情報分析等任務(wù)。該系統(tǒng)由綜合信號處理機、數(shù)據(jù)分析管理終端、顯示控制單元和數(shù)據(jù)庫加/卸載單元組成，如圖7 所示。

圖7 地面數(shù)據(jù)管理支持分系統(tǒng)原理圖

數(shù)據(jù)庫加/卸載單元主要是對無人機的數(shù)據(jù)存儲單元進行操作，通常在任務(wù)準備階段和任務(wù)完成后的數(shù)據(jù)分析階段使用。

4 結(jié) 語

無人機集群是無人機技術(shù)的一個重要應(yīng)用方向，隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭形勢的發(fā)展，無人機集群的告警自衛(wèi)系統(tǒng)的研究和應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義。本文從需求出發(fā)，以無人機集群的應(yīng)用場景和自身安全為出發(fā)點，闡述了其告警自衛(wèi)系統(tǒng)的特點和設(shè)計原則，提出了一種基于無人機集群的告警自衛(wèi)系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)，并對系統(tǒng)的組成和各單元功能、作用流程等方面進行了闡述，該架構(gòu)在設(shè)計中參照了模塊化、綜合一體集成化和智能化等要素，為今后更大規(guī)模無人機集群的網(wǎng)絡(luò)化告警自衛(wèi)系統(tǒng)設(shè)計提供了一定的參考。

注：本文通訊作者為王昊。