对抗条件下舰船作战导航保障能力评价研究∗

王光源 毛世超 章尧卿 许李丰 陈永升

（1.海军航空大学 烟台 264001）（2.92852部队 宁波 315033）

1 引言

舰船是海上作战平台的骨干组成之一，我国海军、海警等海上作战力量拥有各类不同性能的水面舰船，为我海上安全提供了有效的装备保障。舰船执行海上作战任务，离不开可靠的导航保障服务，随着信息技术的不断发展，GPS现已成为舰船海上导航保障重要的手段。目前舰船作战面临着越来越复杂的战场环境，作战空间内可能存在大量的干扰、欺骗、压制等电磁信息，对GPS导航保障能力带来严重影响，成为制约舰船作战能力发挥的瓶颈之一。因此，面对复杂的战场对抗环境，综合评价掌握舰船导航保障效能，有效发挥我方优势，削弱敌方作战能力，是舰船作战导航保障亟待解决的问题［1～2］。

舰船导航保障能力与采用导航手段、方法和环境有密切关系，本文面对的舰船重要导航手段GPS既是一个复杂的系统，其导航对抗既包含对我舰船平台提供有效的导航服务，也包含阻止敌方目标的获得有效的导航服务。导航对抗能力越强，舰船获得的导航信息越准确，其作战保障能力就越强［3～4］。由于导航保障能力涉及到众多因素，因素属性差异大，相互间存在复杂关联关系，难以采用通过普通单一评价方法得到有效的结果，本文采用贝叶斯网络方法进行综合评价，具有处理不完备数据和学习变量之间因果关系的能力，有效结合了GPS导航能力因素的特点，即使某些数据难以有效得到，也能够建立比较精确的评估模型［5］。因此，本文针对舰船GPS系统，在分析基本构成、功能与对抗方法手段的基础上，运用贝叶斯网络评价方法分析构建了对抗评价指标体系，建立了评价模型，结合算例开展了舰船导航保障效能评价应用。

2 舰船GPS导航系统及其对抗方法

2.1 舰船GPS导航系统组成

舰船GPS导航系统是综合的集成体系，主要由空间的星座部分与地面的监控部分和舰船终端设备，其中地面监控部分主要由主控站、注入站、监测站等设备组成。星座与配套监控部分是国家的一项战略资源，可为包括舰船在内的各类用户提供导航服务，系统通过地面监控站注入卫星导航电文、控制指令，控制导航卫星空间运行状态，导航卫星广播导航信息，为用户提供导航综合服务［2］，其组成如图1所示。

2.2 导航对抗方法

在现在复杂电磁对抗战场环境中，GPS系统的导航保障也面临着对抗与反对抗，美军甚至已将其提升到导航战的战略高度加以重视，GPS导航对抗的主要目标是保障有效为己方舰船等提供导航保障，而阻止对方目标的导航保障服务。其对抗方法按其手段特性不同可以分为导航攻击与对抗防御，两种方法都能对舰船作战的导航保障带来重要影响。导航攻击与防御应用的前提条件是舰船自身或其他协同兵力要具备对导航源与干扰源的侦测识别能力，以下仅对导航攻击与防御手段进行分析。

2.2.1 导航攻击

导航攻击按其特性不同可采用两种方式，即对导航系统信息干扰和对导航系统设备武力攻击。

对导航系统信息干扰将导致舰船等用户接收机无法或收到错误导航信息，无法提供导航服务。具体包括压制性干扰和欺骗性干扰，其中压制性干扰是干扰机发射某种干扰信号来遮蔽敌方的信号频谱，使舰船等平台用户接收机功能失常或丧失，压制性干扰对舰船导航保障的威胁最大，范围最广。欺骗性干扰按其工作机制不同分为“产生式”干扰和“转发式”干扰两类方法。产生式干扰是由干扰机发射与GPS系统相同的电信号来欺骗舰船用户机，使其出现错误解码；转发式干扰是将把收到GPS系统信号重新编码为错误信息再广播转发，使舰船接收机接收到错误导航信息。同时随着干扰技术的发展，干扰对象从舰船用户机延伸到天基卫星，如对卫星注入病毒程序等，均可达到破坏舰船导航保障能力的目标。

对导航系统的武力攻击主要针对导航卫星、主控站、注入站、监测站等核心设备实施火力打击，其中任一节点被摧毁，即可导致整个系统瘫痪失效。对地面控制、监测和注入站可采用常规作战手段对其实施远程的导弹攻击，而对导航卫星反击主要采用强激光打击、中性粒子束定向能武器打击和动能武器打击（如电磁轨道炮等）等手段。因此，利用武器装备将导致摧毁整个GPS系统的硬件设备，导致GPS导航资源的失效，短期无法恢复，将影响包括舰船在内等所有的用户，会产生重大的政治和军事影响，也是大规模战争爆发达成作战目的最有效手段之一。

2.2.2 导航防御

导航防御按其技术特性不同有舰船接收机抗干扰技术、GPS干扰源定位技术、伪卫星技术和组合导航技术。

1）船接收机抗干扰。主要是提高导航系统供给舰船军码导航信息的安全性，具体采用：（1）P码信号直接捕获技术［9～11］。P 码信号的干信比为43dB，远好于C/A码的25dB，能有效提高舰船接收机的抗干扰能力。（2）自适应调零天线技术。通过多个阵元天线阵将接收到的干扰信号送至处理器，处理后改变各阵元的增益或相位，使天线阵方向图中产生对着干扰源方向的零点，降低敌方干扰机的效能。（3）抗干扰滤波技术。可通过频谱滤波（抑制带外和带内干扰）、空间滤波（多天线）和时间滤波（时域内处理信号特征）方法提高接收机抗干扰能力。

2）GPS干扰源定位技术。主要通过扩频、三极短基线天线阵列和高灵敏接收及先进信号处理等技术手段对干扰源进行有效的探测、识别和定位，收集处理其干扰信息，并利用这些信息舰船对干扰源展开火力打击。

3）伪卫星技术。用飞行器充当伪卫星，加装大功率信号发射设备，并使其信号功率远超敌方干扰信号功率，在舰船所在战场上空构建导航星座，确保为舰船提供导航保障。

4）组合导航技术。可采用GPS、罗兰C、惯导、天文等多种导航手段进行有效结合，确保舰船GPS有效保障服务时，仍可以依托其他导航系统连续为舰船提供导航保障服务［6～8］。

3 舰船作战导航保障能力评价指标体系构建

通过以上对舰船GPS导航对抗方法手段的分析可以看出，舰船作战导航保障能力与舰船作战环境与对抗条件等因素密切相关，导航保障能力与导航对抗能力具有高度的相关性和一致性［12～14］，因此，本文将通过分析海上作战环境下综合导航对抗能力来评价对抗条件下舰艇作战导航保障能力，并从导航侦察能力、导航攻击能力和导航防御能力三方面展开研究。

1）导航侦察能力

导航侦察能力是依靠舰船自身或其他方式搜索、截获、分析识别各类导航信号的能力，这是开展导航攻击与防御相关手段的前提，主要包括信号截获能力、来向估计能力和干扰检测与定位能力。其中，信号截获能力是指对导航信号的拦截破译能力，是遂行导航攻击的基础；信号来向估计能力是指根据截获的导航信息推算出导航卫星到达角的能力，是有采取防御抗干扰措施的前提；干扰检测与定位能力是从复杂战场电磁环境中检测识别出影响舰船接收机工作的压制、欺骗信号，并对其定位有效的能力。

2）导航攻击能力

导航攻击能力主要取决于电磁干扰能力和物理摧毁能力。电磁干扰能力是对GPS导航系统的压制和欺骗能力，对GPS的压制式干扰主要包括瞄准式、阻塞式和相关式。前两类干扰主要影响舰船接收机输出的噪声电平，相关式干扰同时影响相关设备的输出峰值与噪声电平，并且随着干扰信号与伪码信号的互相关性的增强。欺骗干扰包括产生式与转发式，作用机理与实现难度不同。产生式干扰应用难点在于需要破译导航信号的码结构；转发式不需破译码结构，技术难度相对容易，是常用的导航攻击手段。

对GPS系统的关键节点进行摧毁性打击也是导航对抗过程中有效的攻击手段。目前针对导航卫星的攻击武器有强激光武器、中性粒子束定向能武器和动能武器，针对地面监控站和用户终端的攻击武器主要是反辐射导弹及其他相关杀伤性武器。

3）导航防御能力

导航防御除采用北斗导航系统外，还可以采用惯性系统、地形辅助、天文以及GPS/INS、GPS/DNS、INS/GPS/TRN等各种组合导航保障方式。也可以增加舰船接收机的抗干扰性能，抗击敌方使用的压制干扰和欺骗干扰。同时还可对舰船接收机系统进行物理防护，防止遭受火力打击而失效。

按照以上分析，可以建立对抗条件下舰船作战导航保障能力的评价指标体系，如图2所示。

4 舰船作战导航保障能力评价模型

4.1 贝叶斯网络概述

贝叶斯网络是在贝叶斯统计分析的基础上，结合图论形成的基础理论，是处理不确定性问题的有效理论方法［15～18］。经典的贝叶斯公式为

其中，P(AiB)、P(B Aj)分别是在时间上存在依赖关系的先验概率和后验概率。

贝叶斯网络由一系列变量的联合概率分布图表示，一个具有N个节点的贝叶斯网络可以用N=G,P来表示。其中，G=V,E表示具有N个节点的有向无环图，节点V={V1,V2,…,Vn}代表变量，有向弧集合E表示变量之间的逻辑依赖关系；条件概率P表示任意节点同其父节点的条件依赖关系，对于离散变量而言，代表的是父节点在一定的状态下，子节点在不同状态下的概率。假定有离散随机变量的有限集的取值为 xi。则联合概率Xn=xn)可表示为

其中，Pai为结点Xi的父节点。

4.2 建立导航保障能力评价模型

1）属性等级

选择舰船GPS导航对抗领域的专家n人组成评价专家组，专家组对能力评价指标体系中的相关指标进行等级划分，即W={W1,W2,…,Ws} ，确定各属性等级的值域。

2）根结点先验概率

确定贝叶斯网络的根结点先验概率是得到评估结果的先决条件，请专家根据导航保障能力评价指标体系对根结点的子指标进行打分，得到子指标数据的无量纲矩阵D：

其中，m表示根结点的m个子指标，n表示专家数量。运用熵权法确定D中各指标的权重，第i个子指标的熵为

根结点先验概率采用隶属度加权法确定。即第i个子指标属于等级Wj的隶属度为γij，则通过子指标隶属度加权就可以求得根节点属于等级Wj的先验概率为

3）子节点条件概率

由于相关子节点的条件概率与装备性能、对抗条件和使用方式等密切相关，反映导航对抗的装备技术特性与具体使用的综合性能，难以用普通的量化方法给出具体值，需要请专家根据相关先验数据信息，对评价因子进行打分，形成条件概率，如表1所示。

表1 节点J3的条件概率表

例如：n11表示在J1和J2属性为有效的条件下n个专家中有n11个专家认为J3的属性为有效。同理，可以确定贝叶斯网络中各个节点的条件概率表。

4）导航保障能力评价模型

求解得到根结点的先验概率及子节点的条件概率后，根据式（1～2）计算出导航保障能力的值为：

5 算例分析

某舰船为评估其导航保障能力，邀请5名业内专家组成导航保障能力评价专家组对舰船导航对抗部门在导航对抗训练过程中采集的数据进行评价分析。专家组按照导航保障能力及根节点的属性等级分为｛好，一般，差｝三个等级，并规定80分以上为｛好｝，60～80分为｛一般｝，60分以下为｛差｝。以根结点A为例，其子指标数据如表2所示。

表2 A子指标数据

根据表2数据，通过式（3）～（5）解得根结点A的子指标权重ω={0 .3333,0.3335,0.3332}。分析表2给出的数据，根据评价等级规定得到A的子指标隶属度如表3所示。

表3 A的子指标隶属度

利用式（6）计算得根结点A的先验概率pA=(0.4001 ,0.5333,0.0666)。

同理，可得其他根结点的先验概率，如表4所示。

表4 根结点的先验概率

在确定根结点的先验概率后，邀请专家讨论确定叶结点E的条件概率表，如表5所示。

表5 E的条件概率表

根据表5所列的条件概率，运用Netica软件计算得到某舰导航保障能力评价值如图3所示。

图3 导航对抗能力评价结果

其中，E好=0.282，E一般=0.477，E差=0.241。通过图3可以直观地看出，该水面该舰已经具备基本的作战导航保障能力，能够完成对抗强度不高战场环境下的导航保障任务，但整体保障能力还有差距，有改进提升空间，特别是导航防御方面提升空间较大，因此，要重点优化改进舰船GPS接收机抗干扰性能和组合导航保障能力。

6 结语

本文对复杂战场环境下影响舰船对抗条件下有效完成作战使命任务的导航对抗能力进行了综合评估研究，针对舰船主要采用GPS导航手段带来的导航对抗复杂性，在分析对抗方法手段的基础上构建了综合评价指标体系；同时针对导航对抗过程中存在的诸多不确定性因素及部分评价指标难以量化的问题，采用贝叶斯网络的理论，建立了导航保障能力评价贝叶斯网络模型，并通过算例验证了评价模型的可行性。该评价方法充分考虑了导航对抗设备与训练的主客观复杂因素，评价结果具有较高的可信性，丰富完善了舰船作战指挥的影响要素，可协助指挥员优化决策方案，为有效展开作战行动提供决策支撑和帮助。