舰艇编队CEC系统对抗策略研究*

王庆业 王 平 林 茜 孙 哲

(海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)



舰艇编队CEC系统对抗策略研究*

王庆业 王 平 林 茜 孙 哲

(海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)

协同作战能力CEC系统是网络中心战的重要组成部分,该系统的运用极大地提高了美舰艇编队的防空作战能力。论文简述了CEC系统的基本概念,对相控阵天线技术等CEC系统关键技术进行了介绍,重点分析了多方位饱和干扰等CEC系统对抗策略。

协同作战能力; 关键技术; 系统对抗

Class Number E837

1 引言

美军为了防御巡航导弹对其舰艇编队的攻击,提高舰艇编队和海岸的防空能力,于上个世纪70年代提出了协同作战能力(Cooperative Engagement Capability,CEC)概念[1]。其实质是通过战场信息共享,采用多传感器融合技术,在舰艇编队各成员间共享实时探测信息、跟踪信息、火控信息,提高舰艇编队整体作战能力。随着CEC系统的功能在各型舰上的不断拓展,尤其是CEC系统在E-2C预警机上的应用,使得舰艇编队的防空作战能力大幅度提升。在未来的海上作战中,对抗CEC系统也必将会成为一个非常重要的课题。

2 CEC系统的概念

CEC系统协调和整合整个作战系统中所有传感器的信息,将其合成一个单一、实时的综合航迹,并用于武器级防空作战的信息支持。主要用于水面舰艇的防空作战及舰艇的自我防卫,功能还可扩展到整个作战区域对来自空中、陆地、海上的导弹防御。CEC系统由多个节点(称为协同作战单元CU)组成,每一个节点由协同作战处理器(CEP)、数据分发系统(DDS,含其与舰艇武器系统的接口)组成。该网络的核心是数据分发系统(DDS)。如图1所示。

图1 CEC系统网络节点设备组成框图[2]

2.1 协同作战处理机(Cooperative Engagement Processor,CEP)

CEP用于跟踪、处理主舰和系统内各节点提供的目标数据,通常与武器分系统的处理机相连接。每一个节点的CEP都要处理来自整个系统传感器的数据,所以每个节点的CEP的处理能力也是一致的。这一功能目前是由30台摩托罗拉68040处理器通过一个总线结构集成起来协同完成处理工作,且只有一个信息传递结构,这些结构封装在一个机箱中。一般情况下,CEP直接与自身的传感器对接,以保证本地探测数据能够在极少的时间内传输到CEP。CEP还要与本地指控子系统对接,保证与本地作战系统的行动协调。最后,CEP连接到武器子系统的计算机上,确保能够及时地把精确的火控数据送到武器子系统上,指导协同作战。

2.2 数据分发系统(Data Distribution System,DDS)

DDS在CEP的直接控制下进行操作,以保证对数据传输的控制和网络的连通性。每一个DDS终端都使用相控阵天线,并与大功率行波管(TWT)发射机接口工作,工作频段为C频段。其主要功能是通过相控阵天线定向、窄波束、猝发传送原始的传感器信息,并在传输过程中应用了变频、扩频及冗余编码等抗干扰措施,实现了将协同作战处理器处理所需的目标信息(包括目标位置、航迹、综合航迹、识别和协同攻击等数据)在CEC网络中可靠、高质量地传输。现阶段,机载的DDS只装备到了E-2C预警机上,更小、更轻、更廉价及更多样式将是DDS下一步的发展趋势,DDS也将随之装备更多的战机。

CEC系统能够使节点在自身雷达不能跟踪来袭目标时,利用其他作战平台传感器信息形成的合成航迹,向本地雷达提供精确的目标信息,帮助本地雷达对目标进行及时捕获;或者直接利用远程传感器获得的合成航迹,引导本地的武器系统对来袭目标进行攻击[3];另外,CEC系统还能计算出合适的位置及整个舰艇编队合适的武器系统对目标实施攻击,避免了多平台攻击同一目标造成武器资源的浪费,同时对导弹采取多个平台协同制导的方式,可以提高导弹的抗干扰能力及反隐身能力,提高导弹的打击能力。

3 CEC系统的关键技术

3.1 相控阵天线技术

相控阵天线技术是CEC系统实现十兆级的传输速率、强抗干扰能力所必需的。相控阵天线是阵列天线中各单元上电磁能量的相位受专门的移相器控制的天线。绝大多数情况下移相器改变相位由波控装置根据一定的程序来控制。移相器改变相位状态的时间为微秒量级。根据各单元上不同的相位配置,可以使阵列天线的波束在一定的范围内指向不同的方向或改变波束的形状[4]。根据相控阵天线的特点,DDS相控阵天线能实现约30dB的增益。如果使用1000W的发射机,则CEC发射的等效辐射功率在1MW以上。而且,由于CEC系统的信息接收节点同样采用相控阵天线,接收增益也会很高,这会大大降低接收机对于灵敏度的要求,同时也就大大降低了对于大功率干扰信号的敏感度。另外,相控阵天线采用了旁瓣对消技术,可大幅提高旁瓣的抗干扰性。但由文献[5]可知,旁瓣对消技术的实现是有一定限度的,所以由此对相控阵进行对抗是可行的。

3.2 数据融合技术

数据融合技术是把来自各节点不同传感器的数据加以关联、合并,以获得对目标的精确位置估计和身份判定,并形成统一的综合防空图像。由于CEC融合后的数据具有火控质量,能够直接指导火控雷达对目标进行“盲打”,对于数据的实时性和精度要求很高,所以CEC系统对原始数据采用了集中式融合的方式。集中式融合结构相比于分布式融合的主要优势是减少了数据处理的次数,进而就减少了计算时延、传输时延尤其是误差的累积[6]。据美军CEC系统实测数据,每个目标仅产生1.06个航迹(关联率约94%),而LINK16则产生1.35个航迹,其他方式则要产生1.5个航迹。

3.3 高精度时空效准技术

高精度时空效准技术是满足数据融合的需要。对来自网络中各传感器的不同精度,不同方位,不同时刻的数据进行融合,就必须要把这些数据统一到一致的空间坐标系和时间轴中。在时空校准过程中存在平台移动、误差累计、时钟漂移等干扰因素,所以时空校准必须是时常进行的。现阶段实现时空校准需要相对定位设备和通信设备,而要达到武器级精度的时空一致性,校准算法的工作量会比较大。CEC系统以后会将GPS定位应用到CEC系统的时空效准的解决方案中,这可以减小时空效准的难度,但也为干扰CEC系统提供了方法手段。

3.4 接口与互操作技术

CEC将系统网络中的传感器、武器、敌我识别器、指挥系统及传输设备紧密地铰链在一起,这大大减少了从目标发现到对目标实施攻击的时间。现在的问题是CEC系统相关联的设备一般采购于不同的厂家,且设备之间没有互联互通的接口[7]。为此,CEC系统需要考虑以下接口和互操作技术：制定统一的接口及互操作的标准、如何在已有的设备上实现互联互通、现在的解决方案能否适应未来接口的发展演变。CEC系统接口与互操作技术的发展,使得CEC系统的兼容性得到了提高,但也为对抗CEC系统提供了更多的“通道”。

4 CEC系统对抗策略

通过CEC系统关键技术的研究可以得出,CEC系统的安全性并不是无懈可击,对抗方在对抗方面还是有所作为的。

4.1 多方位饱和干扰

相控阵天线的旁瓣对消技术采用辅助天线与主天线构成自适应阵,以抵消主天线接收到的干扰信号。其工作原理如图2所示。

图2 自适应旁瓣对消器

旁瓣对消后,雷达的方向图表示为

f(θ)=WHα(θ)

式中W=[ω0,ω1,ω2,ω3,…,ωN]T,α(θ)=[G(θ),ejφ1(θ),ejφ2(θ),…,ejφN(θ)]T,G(θ)为主天线方向图函数,φN(θ)(n=1,2,…,N)是干扰波以θ角入射时,辅助天线n信号相对主天线信号的相移,因此f(θ)也可以表示为

若要旁瓣对消阵同时对消从m个方向来的干扰信号,旁瓣对消后方向图要在这m个方向上产生零点,就要满足以下齐次方程式：

由上式可推断,M≤N,上式有解,M>N,则无解。由此可知,当位于不同方向的干扰机数量超过对消阵中辅天线个数时,此时对消阵便会失去抗干扰能力[8]。

4.2 对重点节点进行攻击

CEC系统的各节点在网络中强调平等性,但在实战中受空间自然因素的影响,也存在相对的重要节点。在没有机载雷达的情况下,舰载雷达的探测视线受地球曲率影响,其最大视线探测距离R为

其中,hc为敌方目标的飞行高度(m);ha为舰载雷达天线架的高度(m)。

根据上式可以得出舰载雷达天线架高、敌方目标飞行高与雷达探测距离的关系如图3所示。

图3 舰载雷达探测距离与目标飞行高度及天线架高关系图

如图3可知,若反舰导弹以10m的高度(最小飞行高度可为7m)、2马赫的速度攻击舰艇,可以得出发现目标到目标击毁舰艇的时间仅为51s。另外,从马岛海战中“谢非尔德”导弹护卫舰及美国的“斯塔克”军舰分别被“飞鱼”空舰导弹击沉的事件中表明,缺少预警机配合的舰艇编队,对于超低空突防的反舰导弹是几乎是没有防御能力的[9]。

由此得知,舰载预警机对于CEC系统作用的充分发挥起着“核心节点”的作用。所以,可以利用激光武器、电磁脉冲弹、弹道导弹对舰载预警机进行攻击,从而达到抑制CEC系统作用发挥的目的。

4.3 外围传感器干扰

美军海上作战几乎都是舰艇编队作战,舰艇编队作战又都以航母为中心,并围绕航母的安全进行体系布置。舰艇编队的防御体系如图4所示。舰艇编队的探测和防御区域分为三部分。第一层为内防区(也称点防区),距离航母0.1km～45km,此时航母主要依靠舰载的雷达进行防御探测;第二层为中防区,距离航母45km～185km,主要通过航母自身的中、远程预警雷达及空中的预警机、侦察机获取情报;第三层为外防区,距离航母距离185km～400km,主要通过外层舰只的雷达、空中的预警机和侦察机,以及军用卫星提供情报。因此,针对远程雷达精度低、易受干扰的特点,可以对侦察远距离目标的雷达实施隐身、示假等对抗方法,以缩短CEC系统的预警时间[10]。

图4 舰艇编队对空防御任务分层示意图

4.4 病毒攻击

计算机病毒对抗是电子战的一种表现形式。海湾战争中,美军运用初级计算机病毒武器成功地攻击了伊拉克的指挥中心,使伊方的防空网络系统完全失去作用。计算机病毒对CEC系统的攻击可以有多种方式,比如,可以通过电磁波将病毒传入对方的无线通信系统,再通过电磁波将病毒激活;可以在设备研制期间人为的注入病毒;另外CEC系统与其他通用数据链留有接口,以后也将与GPS系统互联,病毒可由这些接口注入。

4.5 主动申请干扰

CEC是一个开放式的网络系统,新节点可以自由地向系统发起入网申请。所以干扰方可以模拟入网信号向系统最近的节点发起入网申请,在对CEC侦察的基础上,若干扰方获取了准确的CEC系统入网信息,干扰方将会作为一个新节点加入到系统中,进而对系统进行攻击;若不能进入系统,干扰方也可以通过对CEC系统的某个节点持续发出入网申请,让该节点疲于进行信息识别与身份验证,从而达到影响其正常工作的目的。

5 结语

CEC系统的装备使得舰艇编队联合作战成为了现实,也使舰艇编队的作战能力成倍增长。CEC系统能够综合编队各节点的作战优势,及时发现来袭目标并计算出最优化的拦截方案,CEC系统的操作人员甚至只负责系统的开关机和是否对目标进行攻击就可以了。因此,对抗CEC系统将是未来海上作战的重要内容之一。由于CEC系统具有强大的整体作战性能,采用单一的对抗措施可能无法取得好的效果,随着雷达探测、数据融合及处理技术的不断发展,在对抗中应用多种对抗样式,并采取网络化、系统化的对抗方法,将会是对抗方的必然选择。

[1] 乔明锋,程卫兵,何昭然.CEC技术体制研究[J].信息通信,2012(5):20-22.

[2] 蒋盘林.基于网络中心战概念的CEC网络[J].综述,2007(2):39-46.

[3] 李军.海军协同交战能力(CEC)分析[J].舰船电子工程,2011(5):25-37.

[4] 张光义,赵玉洁.相控阵雷达技术[M].北京:电子工业出版社,2006.

[5] 袁海杰.无源相控阵天线自适应波束算法优化及实现[D].西安:西安电子科技大学电子与通信工程系,2009.

[6] 詹克军,史海滨.CEC数据链关键技术研究[J].技术研发,2011:108-109.

[7] 许锐,吴燕.TCN对CEC发展的影响[J].情报指挥控制系统与仿真技术,2003(9):27-30.

[8] 张忠磊,丁凡,曹阳.对“宙斯盾”相控阵雷达的干扰方法研究[J].舰船电子工程,2011,31(6):97-100.

[9] 严永锋,王小军.海上编队对空防御作战能力研究[J].舰船电子工程,2012,32(5):15-21.

[10] 龚亮亮,罗景青.舰队CEC系统的对抗方法研究[J].现代防御技术,2007(5):42-44.

Counter Measures of Cooperative Engagement Capability for Surface Warship Formation

WANG Qingye WANG Ping LIN Qian SUN Zhe

(Collage of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

Cooperative Engagement Capability(CEC) system plays an important role in network centric operation. The equipment of system geatly improves the ability of surface warship formation’s air defense. This article summarizes the basic concept of the CEC system, introduces phased array antenna and other CEC system’s key technologies, emphatically presents multi-faceted saturated interference and other ways about how to counter CEC system.

cooperative engagement capability(CEC), key technologies, system counter

2014年7月2日,

2014年8月25日 基金项目:海军工程大学社科基金项目(编号:HGDSK2013E28)资助。

王庆业,男,硕士研究生,研究方向:通信与信息系统。王平,男,副教授,研究方向:信息对抗。林茜,女,讲师,研究方向:复杂系统建模与仿真。孙哲,男,硕士研究生,研究方向:海光缆通信。

E837

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.009