信息作战体系架构及关键技术

甘 翼, 南建设, 黄金元, 李 贵

(中国电子科技集团公司第十研究所, 四川 成都 610036)

自人类有记录的战争开始,基于信息传播的非致命性软杀伤(简称:信息作战)就是重要的战术、战役和战略手段。从作战类型来看,即使在电子设备出现之前, “信息战”、“心理战”、“法律/法理战”、“舆论战”和“意识形态战”都广泛出现于民族与民族、国家与国家以及军队与军队的战略和战术对抗过程。随着电子设备的出现,电子对抗逐步加入到信息作战范畴当中。20世纪20年代到70年代的模拟时代,电子对抗主要以能量对抗的方式出现,追求能够最大限度降低对方电子设备性能的干信比(JSR)是其典型技术特征,因此,可以定义为基于能量对抗的信息化作战样式(简称:能量战)。20世纪80年代开始,随着数字化电子设备的大规模使用,电子对抗的类型有所扩展,基于数字化信息对抗的作战模式开始出现,其作战样式和能量战有着显著的差别,并被广泛应用于非军事行动的民用网络攻击、恐怖袭击乃至普通刑事犯罪,由于其特征主要是数字信息的毁坏、篡改、伪造乃至接管,因此,可以定义为基于数字比特的信息化作战样式(简称:比特战)。时至今日,随着大国制衡、和平与发展成为世界主流、人员伤亡成为全球关心的最主要因素,传统硬杀伤作战行动不断减少;而在全球化过程中,各国冲突本质上还在急剧增加,政治、军事、经济、外交、安全、科学和文化各个层面的竞争与对抗还在进一步加剧;网络信息技术的不断发展,又进一步推动了各国大量使用信息作战手段达到其战略战术目的。

综上所述,由于上述原因,信息作战能力和作用不降反升,在多次战争和革命中显示出巨大的威力。信息作战中“法律战”、“舆论战”和“意识形态战”均属于战略层面,而“能量战”、“比特战”、“信息战”和“心理战”四种战法则根据作战环境、对象和用途不同,可分别用于战术、战役和战略层面。由此可知,信息作战虽然存在层次化的分类,但不是完全的递进关系,需要进行深入系统梳理各种做法间的关系;另一方面,为保证各种战法的有效性,还需研究各种战法必需的相关装备和关键技术。

1 信息作战体系架构

信息作战从战术到战略层面可以分为七种战法,如图1所示。从各种战法的相关关系来说,可分为两个层次,其中从“能量战”到“信息战”可归属为手段层次,从“心理战”到“意识形态战”可归属为目的层次。目的层次的作战样式,需要手段层次的样式做支撑,简而言之,目的层次是根据战略/战术目的选择合适的战法手段或战法组合,产生手段层次各种战法所需的关键内容和信息,并指导手段层次各种战法的配备与使用;手段层次在目的层次各种作战策略的要求下建立、摧毁或改变信息传播渠道及内容。两个层次之内各种战法存在一定的逻辑关系,但并无特别严格的上下级关系,多数战法可以并行使用。手段与目的层次之间的关系如图2所示。

从战术技术手段上讲,信息作战以信息战为中心,无论何种作战样式均是建立在对信息作用对象、信息传播渠道或信息本身的影响[1]。例如,能量战和比特战主要针对电磁网络空间传播渠道,心理战、意识形态战主要针对信息作用对象,而法律/法理战和舆论战则对信息本身和信息作用对象均有影响。因此,实现上述战法的战术技术手段间的关系如图3所示。

2 信息作战七种战法说明

2.1 能量战

能量战是指以能量/功率比拼的方式,破坏、瘫痪或降级敌对方供电、C4ISRK(通信、指挥、控制、计算机、侦察、监视、情报和打击)能力和信息基础设施服务能力,以及以此方式保护己方C4ISRK能力的作战方法。

该战法在电磁频谱领域的应用典型是针对敌方雷达和通信系统的压制干扰,在有效频谱带宽内和有效时间内,信号能量与干扰能量之比(SJR)远小于目标检测、信号解扩解调解码所需的信噪比(SNR)需求;反之则称为在有干扰条件下的能量保护,即接收装备天线口面SJR大于所需SNR需求。对供电系统来讲,则是干扰能量在一段时间内持续大于部分关键电路(如:变压电路)的最高熔断能量或核心芯片的晶体管击穿能量,造成电路的不可恢复性损坏;对供电系统无能量保护说法[2-3]。

2.2 比特战

比特战主要针对各种数字系统和网络,包括:数字通信、数字接收、数字发射、数字计算、数字显示和数字存储系统,几乎包括了现在所有的智能系统。通过毁坏、篡改数字系统中的关键数字BIT,达到破坏、瘫痪、降级对方数字系统能力或擦除、破坏、修改、窃取对方数字信息等目的。另一方面,通过基于比特的数据校检、加密、隐藏、伪装和封装,保护本方数字系统和网络免受敌方攻击与破坏,达到保护己方信息的目的。

比特战诞生于数字系统出现之后,已经在军民两个领域有广泛的应用,在民用领域的应用和发展更加频繁和快速[4-5]。广义上,民用领域的伪基站发送虚假信息、黑客行为、病毒攻击等均属于比特战范畴,军用领域和国家战略层面的“舒特系统”、“网震”、“拒绝服务攻击”、对数字调制(编码)雷达的欺骗式攻击等同样属于比特战范畴,只是其最终结果的表征在信息战层面,如:信息被破坏、信息不能访问、信息被篡改等,本质上,比特战是信息战在数字电子信息领域的一个子集。

2.3 信息战

信息战是为夺取和保持制信息权而进行的斗争,通过利用、破坏敌方信息系统和保护己方信息系统而开展的一系列活动的总称。信息战利用、破坏和保护的是信息,而不是信息系统(攻击信息系统的最终目的是为了信息),渠道也更加多样化,而不仅仅有电磁和光学等渠道,还有人工渠道[6-7]。

无论能量战、比特战都可以看作信息战的子集,其体现的最终目的也是对方不能获取我方信息,我方能够获取对方信息。其次,信息战的外延更广,从人力渠道获取的各种信息,不直接相关数据分析得到的信息,如:火车运次、邮件数量、用电量、通信量、口口相传的错误信息、故意泄露的虚假信息等一系列信息源、受众及其传播渠道的综合应用均属于信息战范畴。因此,信息战是战法手段层次与目的层次的分界点,如果说信息战以下均属于手段层次,那么信息战以上的心理战、法律战、舆论战和意识形态战均属于目的层次。

能量战、比特战在战术层面还可以支撑心理战——引起指挥员误判,“世界上并没有一种技术可以完全压制另一种技术,比如对于电子对抗,采用交替开机、短时开机、捷变频、雷达通信组网等等均能够在一定时间范围内完成信息传输与目标检测”。而关键在于指挥员的决策判断,能否根据情况进行随机应变的处置,该处置和心理状态直接相关。对于法律/法理战、舆论战和意识形态战,信息战则是其直接通道,常说现代社会“渠道为王”,谁掌握了信息传播渠道,谁就能够形成四个目的层次的绝对优势。这一点,从新疆暴恐事件、西藏暴恐事件和昆明暴恐事件以及南海问题、钓鱼岛问题等西方媒体宣传可以看出,由于其掌握了世界上绝大多数国家和国际组织的信息传播渠道,基于同一件事实,具有制信息权的一方完全可以颠倒黑白、指鹿为马,使被攻击方在各个层面非常被动。

因此,根据不同需求在不同层面获取一定的制信息权,是未来信息作战的重中之重。

2.4 心理战

心理战主要运用心理学原理原则,以人类心理为战场,有计划地采用各种手段,对人的认知、情感和意志施加影响,在无形中打击敌人的心志,以最小代价换取最大胜利和利益。心理战通过宣传等方式从精神上瓦解敌方军民斗志或消除敌方宣传所造成影响的对抗活动。心理战的最高目标是“不战而屈人之兵”[8-9]。

根据长期以来的军事理论特别是毛泽东军事思想,战争胜负的决定性因素是人。决定人的最关键因素则是和心理学相关的精神以及意志。一个国家、一个民族的心理防线如果被击穿,即使不需要太多流血,其政权也会被颠覆、国家也会灭亡、民族也会消融,如:二战前期法国的表现和伊拉克战争。与此对应,只要精神力量不灭,即使国土沦丧,人会一直坚持抵抗和反击,即使就普世价值来看其坚持的精神信仰是偏激和错误的,如:“基地”组织和“伊斯兰国”。就战术价值而言,心理战可以让指挥员、操作员和战斗员对态势/形势/局势出现误判。

综上所述,心理战是以目的为导向划分战法的第一层,也是舆论战和意识形态战的基础。另外,心理战和信息战紧密联系,没有制信息权,心理战很难获得成功。

2.5 舆论战

舆论战主要指冲突双方依据传播学原理,利用各种舆论媒体(含新型媒体),有计划、有目的地向受众传递经过选择的信息,宣扬己方对特定事件的立场、观点和看法,阻断、瓦解和反击对方的舆论攻势,从而影响受众的情感和行为,引导社会舆论、影响民意归属,造成有利于己方的舆论态势。

舆论战是配合国家政治、外交、军事斗争的重要形式,是信息化条件下一体化联合作战的重要组成部分,是发挥政治工作作战功能的基本途径。舆论战“古已有之,于今为烈”,在农耕时期、机械化战争时期和信息化战争时期,都发挥着不可替代的重要作用。舆论战是实现心理战和法律/法理战目标的主要手段,同样是信息战作为“渠道”需要夺取的“最重要阵地”,更是意识形态战达到目标的最关键手段。舆论战本质上是信息战最合法和最不易阻断的渠道,为心理战、法理战和意识形态战提供“武器和弹药”。

2.6 法律/法理战

法律战/法理战指冲突双方依据国内法、国际法、国际普遍原则、国际普示规定特别是国际贸易法则、海洋法则、战争法则或武装冲突法则等,通过各种形式(含国际法庭判决、各国际组织仲裁)揭露对方违法行为,夺取法理优势,争取国际判决、国际仲裁、国际政治及道义的支持而开展的有利于己、不利于敌的法律对抗活动[10-14]。

随着二战后新型国际关系的形成,无法律/法理支持的武装行动或制裁活动均会受到广泛的国际谴责、约束和制裁。因此,即使超级大国对其他国家从事武装行动、颠覆行动、争夺行动或经济制裁必须找到相应的法律/法理支撑,如:通过联合国授权(海湾战争)、找到相应支持己方的证据(即使是臆造,人权和大规模杀伤性武器是最常用的遮羞布)、历史依据(我方对南沙和钓鱼岛的主权确认)等。综上所述,法律/法理战的最终目的是为己方各种行动找到合法依据,占据道义制高点。法律/法理战和信息战紧密联系,没有制信息权和话语权很难获得法律/法理战的成功。

2.7 意识形态战

意识形态战指冲突双方由于对事物的理解、认知、观念、观点、概念、思想和价值观等哲学范畴要素的不同理解而造成的冲突,冲突一方希望通过暴力和非暴力(舆论和心理认同等)手段使冲突方接受己方意识形态的斗争[15-16]。

当今世界的意识形态战主要存在三个方面,第一:资本主义与共产主义之争;第二:伊斯兰原教旨主义和世俗社会原则之争;第三:基督教(含新教)与东正教之争,表现为西方和现代俄罗斯之争。意识形态战不独立存在,一般通过舆论战、心理战、法理战、信息战等综合达到相应效果。意识形态战方面,20世纪最后20年,以美国为首的西方在第一个方面取得了辉煌的胜利,彻底瓦解了以苏联为首的东欧社会主义阵营,达到了“不战而灭人之国”的最高目的。第二方面,经过将近20年的“热战”,从结果来看,不仅未取得理想的效果,还造成了一系列的全球问题。第三方面,罗马教廷与东正教有缓和的趋势。

3 信息作战面临的技术挑战

下面仅从自然科学角度简述信息作战在技术高速发展的当代面临的主要挑战。

3.1 能量对抗

能量战属于信息战和电子对抗最基本的技术手段,也是迄今为止最有效的手段。但是,随着时代的进步和发展,能量战遇到了如下问题。

1)能量不能无限增加

无论作为防御方的通信装备、雷达装备还是进攻方的电子对抗装备,受限于功率器件能力、平台能够提供的最大载荷,输出能量始终有限。同样,为了保证信号的全带宽线性度、平坦度和带外杂散抑制等关键指标,超大功率器件的设计和实现难度更大。为满足其功率需求将造成成本因子急剧上升,得不偿失。

2)扩频、跳频及编码纠错等低截获技术的联合应用使得非智能能量战效率大大降低

随着数字处理器件能力的快速提升,扩频、跳频和编码纠错等技术的联合应用,被攻击设备发射信号到达攻击设备口面的平均功率谱密度远低于噪声功率谱,传统能量战接收机很难有效检测其信号[17]。即使能够实现检测,要产生有效的干扰效果,其JSR需求应大于扩跳频增益、编码增益和传统SNR之和,对于传统能量战发射机来讲几乎不可接受。

3)反辐射武器的大量使用使得能量战的原则变为:能量够用就行

主动辐射电磁信号的雷达、通信、电子对抗、微波功率武器的设计原则逐渐改变:在面对战标要求时,能够达到威力指标就行,不求功率更大,低截获成为更重要的考虑方向。

3.2 数据攻防

数据攻防(比特战)是信息战和电子对抗的高级手段,也是各国争相研究的针对电子信息系统的主要战法。但是,受限于电磁信号物理传播特性、物理接入特性和加密原理的不可反演数学理论,比特战难度极大,遇到的主要问题如下。

1)进入“专网”难度极大

根据网络的安全分类,网络可以分为“公网”和“专网”。公网协议公开,可以自由出入并进行相关操作,如:国际互联网,专网则有物理隔离、逻辑隔离两种。采用物理隔离的网络一般还会采用逻辑隔离,其进入方式只有无线入侵有线以及由“内线”带入内部操作的方式。采用逻辑隔离的网络根据其安全等级不同,采用专用的或公开的安全审计和数据加密算法,即使采用公开的算法也属于不可反演算法,采用不同的初值则差别极大。

只要安全措施得当,如:加上数字化生理特征:视网膜扫描、指纹等,密码更换策略严密,进入及操作专网难度极大,需要耗费极大的人力物力。信息系统安全界认为:任何一个数字系统均有漏洞,安全措施的目的在于让攻击者找到漏洞的代价远大于漏洞被发现的代价即可。

2)传输过程中的比特替换可行性较差

数字信号无论有线还是无线传输现在主要采用幅度和相位单独或联合调制标准数据比特,因此如要破坏或篡改数据比特则必须修改传输信号的幅度和相位。以PSK调制为例,如果要更改数据比特则需先对消原传输信号数据比特(幅度一致、相位相反),同时产生所需数据比特的幅度和相位,或直接累加产生可以表征不同比特符号的信号。而通信和雷达属于同步系统,其数据流有专门的同步机制,那么数据比特的替换必须在其同步范围内完成,因此对数字信号的测量精度以及产生替换信号的精度均提出了极高要求。

另一方面,对于带多层编码、纠错、加扰等机制的通信信号,随意替换个别比特并不能达到较好效果,必须替换其关键比特或数字字符串才能实现有效破坏和篡改。这也提出了需对信源编码方式、信道编码方式、接入媒体控制方式、帧格式等能够有效掌握和快速比对分析,且分析精确度和实时性要求都较高。

由上可知,比特战相对能量战更为隐蔽,但是技术实现难度更大。需信息安全、信号处理、信号分析、信息处理和数字通信与数字雷达等多学科融合应用和协同创新。

3.3 信息对抗

本节主要从信息战在信息的获取、传输、融合、判证等方面提出面临的问题。

1)不同渠道多源信息数据标准不统一

信息战的关键基础在于信息的获取和判证,同一种信息有多种来源,以电磁信息为例,有来自雷达的信息也有来自无源探测的信息,即使同样类型的信息也有来自不同平台、不同部门和不同操作者,记录数据方式不统一。如何进行数据源格式转换并统一信息元数据标准,进而形成联合情报,具有较大难度。其难度不仅存在于技术层面,更关键在于体制、机制和习惯等管理和文化因素。如果要求将人工情报也纳入其中,其数据源的转换与标准统一难度更大。

美军于2003年在“自由伊拉克”行动中,在战术层面已经通过“战场纵深作战协调系统”和“分析与控制分队”实现战术级多源信息融合,目标判证时效性提高10倍以上,误伤率下降85%。由此可见,从技术层面,现代数字处理技术特别是神经网络与机器学习技术已经具备海量数据处理和转换能力。

2)根据不同用途、不同服务对象的信息联合处理时效性和准确性还需加强

例如,引导对时敏目标的打击,信息联合处理的时效性就要求在分钟级或秒级、判准误差概率小于10-6。对于法律/法理战所需情报的时效性要求可能就可以天计算,但准确率要求极高[18-22]。对于舆论战所需情报的时效性则根据需求可能在小时与天之间浮动,准确率要求则大大低于上述要求,意识形态战则对两方面的要求可能更低。另外不同用户、不同用途、不同终端能够获取的情报权限也需要详细界定。因此,为使有限的人力和技术信息处理资源能够有效使用,信息的分层分级处理与管理需进一步加强[23-26]。

3)实现多源数据统一与融合后,情报采集终端、使用终端与情报处理系统之间只有逻辑隔离而无物理隔离,核心系统安全性将面临严峻挑战

美军在实施网络中心战时提出,某些应用终端从物理上确实存在可以接入核心情报处理系统的路径,一旦应用终端被敌方获取且逻辑安全体系被突破,如何保证整个网络核心系统的安全性是必须考虑的问题。美军经过研究,宣称通过IPv6、AES(Advanced Encryption System 先进加密系统)以及经过加固和多层审计认证的路由和服务策略可以将入侵概率下降到10-12,根据其终端数量、通信频度等综合推算,需20～100年才可能破解某种密钥下的安全机制,配合严密的密钥管理与更新机制可确保安全。但是否能达到其预期效果,还需要进一步观察和研究。

4)联合信息攻击的一致性、协调性和攻击效果评估还有待研究

能量战与比特战协同不好,效果有可能会互相抵消,网络攻击、舆论战能否协同达到最好的效果,人力信息战与技术信息战如何协同,攻击效果如何准确评估都需要进一步研究。

5)对民用电子信息基础设施的信息攻击不可追溯性技术研究还需进一步加强,如:洋葱路由、身份伪装、路径自适应跳转、多点攻击等[27-30]。

4 信息作战关键技术探索

在信息化条件下,能量战发展的原则是:接收方面信号级精确侦察与精确关联,发射方面高效干扰信号产生与能量有效使用;比特战发展的原则是:精细化分析、精准化攻击和复合化防御;信息战发展的原则是:全域监视、全网感知、智能处理、协同攻防。根据上述原则,信息作战所需关键技术可分为基础支撑层面、电磁信号层面、逻辑数据层面和网络架构层面等四个方面。

4.1 基础支撑层面

需重点发展以下几项关键技术:第一,高能信号发射,主要包含超高功率辐射技术(激光武器、微波炮、电磁武器、高功率辐射雷达/电子战一体化装备)、增益可控超宽带高效信号放大技术、高集成度数字阵列T/R技术；第二,多源信息获取与融合,包括多源数据高效转换与接口技术、基于数学期望运算的信息融合与误差消除技术(最大似然、广义相关、多维互模糊函数等)、数据元自适应操作技术(增加、操作、分组及分类等)；第三,多路径自组织网络分布式信息处理,包括基于MESHADHOC的自组网技术、可转移式处理中心及策略选择技术、视距与超视距大容量抗干扰通信技术、基于环境和响应的自动路由选择技术；第四,信息处理“云”与攻击“云”,包括多芯片/多平台/多任务协同处理技术、分布式操作系统设计技术、神经网络与机器学习技术、基于负载均衡的任务分配与控制技术、自适应物理资源利用技术。

4.2 电磁信号层面

需重点发展以下几项关键技术:第一,低截获信号接收及参数测量,包括低噪声超宽带信号接收技术(超导接收、光电接收、光量子接收)、盲信号相关接收技术、空时频极化四维多信号分离技术、快速数字化多维参数测量技术、超分辨测量技术；第二,复杂信号分类与归集,包括基于时频域的信号分类技术、多维信号分类技术、基于数据库的信号分类技术；第三,有效干扰信号产生,包括实时超宽带干扰信号产生技术(DDS、瞬时波形产生)、精确干扰信号产生技术(扩频信号复制与产生、调频波形重构、精确多普勒调制、精确幅度调制)、直接数字上变频技术、波束数字赋形技术、物理层调制信号对消与重构技术、远程消磁技术。

4.3 逻辑数据层面

需重点发展以下几项关键技术:第一,辐射源及平台识别,包括辐射源指纹识别技术、多辐射源综合识别技术、多传感器信息融合技术、多平台多传感器信息融合技术；第二,信号分析,包括链路层编码与帧格式分析技术、链路层信号分类与关联技术；第三,信息攻击,包括远程授权及操作技术、身份伪造及合法信息伪造技术。

4.4 网络架构层面

需重点发展以下几项关键技术:第一,网络安全管理,包括网络安全漏洞搜索技术、密钥破译技术、身份审计与认证技术(含审计与认证加固以及身份伪造等)、数据路由技术；第二,信息获取,包括操作权限获取技术、无痕传输与无痕复制技术(水印传输、洋葱路由、虚拟合法节点复制等)；第三,全域全维联合信息服务,包括数据分层分级管理技术、多模式多体制自适应通信技术。

5 结束语

设计装备就是设计战争,选择技术路径就是选择未来作战模式。紧随21世纪网络信息技术的跨越式发展,从国家安全顶层需求考虑未来各种斗争和战争的形式,以“需求牵引、技术驱动”自顶向下梳理信息化条件下的作战体系架构、各种作战模式和所需关键技术,是未来信息化作战战法及武器装备规划和设计的必要条件。本文以公开资料为基础,从需求和技术角度出发对作战体系架构、作战模式到关键技术的分析做了一次有益的尝试,分析结果和过程方法对未来信息作战体系架构和装备发展的规划和论证有一定的借鉴意义。

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