基于实战任务的舰艇信息传输效能评判及控制方法

王 睿,苏志金

(海军大连舰艇学院,辽宁 大连 116018)

现代海上作战是基于多军兵种密切协同的体系作战,水面舰艇作为海战场重要任务兵力,承担着火力进攻、体系防御、兵力输送和信息支援等综合使命任务。水面舰艇平台属性特殊,具有高度的机动性、集成性和技术密集性,遂行作战任务时远离大陆,对外信息传输主要依托无线通信手段达成,而无线通信链路不可避免地直接暴露于战场空间,极易受到外部环境影响和敌方人为干扰,建立科学合理的、满足不同维度需求的信息传输体系并采取针对性较强的效能管控方法对作战效能的高效发挥至关重要[1]。

目前,相关学者在信息传输效能评判控制领域已进行了较深入研究并取得了一定成果,侧重点主要围绕以下两个方面:一是聚焦信号处理层级,围绕环境噪声干扰对通信信号进行保真优化方法研究,并进行必要的分析验证;二是聚焦理想链路层级,以发射功率、信道编码增益、天线增益等关键影响因素为切入点,围绕可通率、传输容量、覆盖范围等度量指标开展能力评判及方法论证[2-7]。上述虽从不同视角有针对性地实现了信息传输效能评价控制,但对接军事通信任务时,功能性和适用性普遍不强,特别是无法满足攻守双方动态博弈过程中,诸多随机因子融入时不同指挥层级对信息传输保障的评判控制需求。如,敌方增加通信干扰空中平台时,信息传输链路效能评判标准及模型选择将做较大改变。此外,舰艇指挥员更加关注信息传输效果及可控空间的直观反馈,以便为编组整体作战资源配置提供支持。因此,本文以满足现实军事作战需求为目标,以体系编组对抗作战为任务背景,提出一套基于实战任务的舰艇信息传输效能评判及控制方法体系,为海上作战编组整体作战能力可靠发挥提供辅助决策支撑。

1 实战任务舰艇信息传输效能影响因子

海上作战在敌我双方体系攻防快速转换不断变化之中展开,为客观反映信息保障真实效果,需更加关注攻防双方人为潜在主观因素产生的影响。因此,本文对影响因子整体上从信息传输维、电子进攻维两个层面分析,外部自然环境影响以及其他静态因素融入二维之中,不单独分析。

1.1 作战编组信息传输体系

1)通信装备保障能力

海上作战编组中,不同类型舰艇通常装备与其使命任务、作战能力相匹配的通信装备,通信保障手段、覆盖范围、传输效率存在较大差异,进而间接反映了不同舰艇通信保障固有能力。从通信手段视角,可划分为微波通信、超短波通信、短波通信、中波通信以及长波通信;从信道数量视角,可划分为单台单通道、多台多通道以及综合系统复合通道;从防侦抗扰视角,可划分为无抗扰、一般抗扰和多重抗扰等多个级别。

2)通信网系规划实效

舰艇通信装备数量及性能反映舰艇通信保障的固有能力,而舰艇通信保障网系的构建则展现了通信指挥员对执掌装备的摆兵布阵。科学合理的资源配置和通信网系规划能够大限度提升作战编组信息传输实效,反之则浪费资源制约体系作战效能。优质的通信网系规划,必须紧密围绕作战任务、作战编组、信息传输需求、战场态势、对方通信对抗能力等战场动态影响因素灵活配置,进而确保整个网系“全维覆盖、体系压制、主备互补、备有冗余”。

1.2 敌方信息通信对抗体系

1)通信对抗装备能力

通信对抗装备是实施通信电子干扰的硬支撑,通常包括通信侦察装备和通信干扰装备(部分通信电子战装备可实现侦察干扰一体),从通信防御实战视角,通信侦察装备重点关注指标包括侦察频率范围、接收机灵敏度、搜索速度;通信干扰装备重点关注指标包括干扰频率范围、干扰功率、干扰样式、干扰目标数量。此外,通信对抗设备配置于不同平台,作战效能也存在较大差异。

2)对抗资源配置运用

作战任务、力量配置不同,通信攻防双方战术运用也具有不同的特点和发挥空间。攻强守弱时,通信电子进攻重点是全维压制;攻弱守强或攻守力量均衡时,通信电子进攻方的战术目的达成难度更大,但对抗资源战术配置模式方法也更具有特殊性,作战思想主要围绕如何制约通信方骨干信息传输链路,即统筹优势力量实现核心压制。

2 强干扰背景下舰艇信息传输量化模型

实际作战中,海上作战编组必然要面对对方强烈的电磁干扰,为实现信息传输效果及合理管控,需要对通信攻防制约程度进行量化。强干扰环境下信息传输效果衡量指标较为繁杂,不同视角选用的指标也不一致,如,干扰方可选择通信干扰有效压制功率、通信干扰压制临界干信比、通信干扰有效压制区等;通信方可选择有效通信最小功率、有效通信临界信干比、有效通信临界误码率、通信有效区域等[8-10]。鉴于各项度量指标具有强相关性,本文按照便于模型构建及量化实施的原则,主要以干信比和信干比两个互为反向的指标进行分析建模。

2.1 基于直射波的信息传输量化模型

在不考虑超视距传输的情况下,舰艇卫星通信、超短波通信、微波通信均属于直射波信息传输范畴,即满足通信收发信设备、通信干扰设备均在同一平面内,可按照各平台空间位置分布关系进行信息传输模型的具体量化。

1)基础干信比量化模型

依据经典电子对抗原理,为确保干扰效果,在达到通信攻防频率一致、工作样式一致基础上,通信接收机收到的干信比还应满足:

(1)

式中,Kj为达成干扰效果的临界干信比,Prj、Prs分别为接收机接受通信干扰场强、通信场强,下文出现同类变量含义均以此为准。

2)通信链路与干扰链路均处于自由空间

(2)

式中,Pj、Pt分别为干扰机场强、发信机通信场强,Rj、Rt分别为干扰距离和通信距离,其他参量为各种增益、损耗带宽等[1],不具体赘述,下文出现同类变量时含义均以此为准。

3)通信链路与干扰链路均处于地表(海面)

通信链路、干扰链路均为地表(海面)时,干信比可表示为

(3)

4)自由空间干扰对应地表(海面)通信

通信链路为地表(海面)、干扰链路处于无遮挡自由空间时,干信比可表示为

(4)

式中,A为电磁波海面传输衰减因子。

2.2 基于反射波/绕射波的信息传输量化模型

舰艇通信手段中除直射波以外,还涵盖可以通过电离层反射、地表绕射进而实现远距离通信的电磁波,信息传输模型较直射波存在一定差异。鉴于舰艇长波通信只收不发且不易受到干扰,本文仅对短波信息传输进行量化建模。依据短波通信距离、短波干扰距离,可将信息传输模型进行对应分类。

1)地波受地波干扰信干比模型

当通信距离和干扰距离不大于50 km时

I=10lgPt-20lgRt-10lgPj+20lgRj

(5)

式中,I为接收机收到信号的信干比(单位dB),以下相同。

当通信距离不大于50 km时、干扰距离在50～200 km之间时

I=21+10lgPt-20lgRt-10lgPj+10lgRj

(6)

当通信距离在50～200 km之间、干扰距离不大于50 km时

I=10lgPt-10lgRt-20lgPj+10lgRj

(7)

当通信距离和干扰距离在50～200 km之间时

I=10lgPt-10lgRt-10lgPj+10lgRj

(8)

2)地波受天波干扰信干比模型

当通信距离不大于50 km时

(9)

式中,f为工作频率、Lpj为系统额外损耗,以下均相同。

当通信距离在50～200 km之间时

10lgPj+20lgRj+Lpj-9.75

(10)

式中,f为工作频率、Lpj为干扰机系统额外损耗。

3)天波受地波干扰信干比模型

为保证计算信干比的可靠,必须将电离层对天波的衰减和天波传播中存在的衰落现象考虑进去。结合天波场强计算知识,整理得到接收信干比

(11)

式中,Gs是系统增益,n是跳数,I为吸收系数,fH为100 km高处的磁旋频率,i100表示在100 km处的电波入射角,以下均相同。

4)天波受天波干扰信干比模型

从通信方视角,为确保可靠性,此种态势下接收信干比关键在于忽略干扰方部分损耗,通信方接收损耗不能忽略,接收信干比为

2(n-1)-Lps-10lgPj+20lgRj+Lpj

(12)

式中,Lps为发信机系统额外损耗。

3 舰艇信息传输效能综合控制流程方法

准确判断战场态势,预先谋划行之有效的海上作战编组信息传输体系,能够适应战场电磁环境变化并采取针对性较强的应变措施是确保体系作战中信息传输效能的关键[11]。舰艇信息传输效能控制应贯穿海上作战全流程,并在资源配置层面根据影响因子变化进行快速高效的动态调整,进而构建科学合理、行之有效的效能控制方法流程。

3.1 控制原则及标准

整体上遵循“非必要无须调整、受干扰适度调整、强干扰专项调整”的原则进行信息传输效果控制,主要目的在于兼顾确保信息传输可靠、避免通信资源浪费和避免工作频率暴露三方面总要求。信息传输体系因外部干扰而迫切需要调整控制时,对于已开放链路可采用必要方法提升接收机信干比,信干比超过临界值时即视为调整完毕可恢复通信。不同类别的信息传输,临界信干比存在较大差异,大量实验数据表明常见的几类军事通信业务种类中,临界信干比大小依次为数据、报文、话音,即话音抗干扰能力最优、数据抗干扰能力最弱,这与业界普遍认知基本吻合。不同类别通信业务的临界信干比如表1所示。

表1 不同工作种类对应临界信干比Tab.1 Critical sir of different work type

3.2 控制必要性评判

1)单链路受扰程度判定

海上作战编组中,舰艇与水面、岸基、空中、水下平台之间的两两通信可视为单信息传输链路(涵盖多平台通信网络内部点对点信息传输),单链路信息传输效果评判是战场整体通信保障效果评判的基础,判定主要在明确收发信装备性能、通信干扰设备性能和双方各平台空间位置分布基础上,按照对应的模型量化计算。通过评判模型及相关参量确定通信畅通/干扰压制区,进行位置直接比对是较为便捷直观的做法[12]。

2)信息传输体系保障效果判定

鉴于海上作战编组使命任务中各平台节点贡献度不同,整体信息传输效能并不完全受制于单链路通信效果,还与整个网系配置拓扑结构合理性强相关。如表2所示,单链路中断对作战编组体系任务产生较大影响时,需要分析信息传输体系的整体健康性,即是否存在等效通信并行链路或迂回链路,如存在则视为整体信息传输效果无影响。但对“等效”概念应加以强调,必须以不影响平台之间信息传输时效性为评价标准。

表2 作战编组信息传输效果制约因素及判定Tab.2 The affective factors and judgement for Combat Formation information transmission efficiency

如表2所示,按照相关网系配设结构进行分析,当判定结论为“优”时,作战编组信息传输体系无须进行管控,而当判定结论为“差”时,则需要对作战编组信息传输体系进行整体能力升级。

3)基于作战需求的信息传输效果判定

信息化海战场,海上作战编组遂行作战任务要充分关注全流程、全要素,体系作战效能取决于武器系统、指挥信息系统的衔接配合程度。通信系统作为指挥信息系统重要组成部分,信息传输效果评判标准需要与体系作战需求精准对接[13-15]。典型量化标准为时间限额度量,以作战编组防空反导任务为例,达成作战任务需满足防空反导时间Ts不得大于导弹抵达防空安全区域的时间TD,即Ts≤TD,而Ts可分解为侦察预警、信息传输、信息融合、指挥控制、武器使用等多个环节存在对应的配置时间{TJ,TX,TR,TZ,TW,…},从体系作战视角对不同环节可支配时间进行分配,信息传输最大可支配极限时间为TXM,则可依据实际占用时间与最大配置时间关系明确信息传输效果。作战任务完成度制约的信息传输效果判定如表3所示。

表3 作战任务完成度制约的信息传输效果判定Tab.3 The information transmission efficiency judgement on combat mission

3.3 综合判定及控制方法

海上作战环境及战场态势瞬息万变,攻守双方整体局势及制约因素也呈动态属性调整,而海上作战编组本身遂行任务过程中需经由不同阶段子任务,导致作战编组信息保障需求及效果评判具有多维性和动态性,因此,信息传输效果控制需要区分类别、按需而定。舰艇信息传输效能评判及管控可按照单链路、体系编组和作战需求反馈三个维度灵活组织实施,以满足不同层面的信息传输任务保障需求。基于不同需求的舰艇信息传输效能评判及管控流程如图1所示。

图1 基于不同需求的舰艇信息传输效能评判及管控流程Fig.1 Judgement and control flow of warship information transmission efficiency based on different requirements

1)单链路信息传输效果判定。分析攻防双方资源配置以及力量编组模式,在单舰艇信息传输装备及模式、通信对抗能力基础上,重点关注通信链路节点位置、通信频率、干扰平台属性(岸基/空中/水面)、干扰平台位置等要素。根据量化模型进行实测干信比与临界值对比,进而实现基于单舰艇平台单链路可通性判定,同时,根据需要选择恰当可行的能力拓展方式。单链路判定是作战编组信息传输效果综合评判的基础,适用于不同类别作战任务各阶段。

2)体系作战编组信息传输效果判定。以单链路信息传输效果为判定输入,重点分析单链路对作战编组整体信息传输效果的制约程度,主要从编组作战任务和信息传输拓扑网络结构展开判定。单链路通信质量良好时,体系保障效果评定为优,无须进行方法拓展;单链路质量较差时,依托保障方案进行体系等效能力评判,进而实现体系保障能力判定。

3)作战需求反馈的信息传输效果判定。根据海上作战编组体系作战任务目标,区分体系信息流各环节分配最低时间限度,以单链路、体系传输量化结论为输入,通过信息传输时间与分配额度比较进行体系作战效能制约程度评判,进而提出管控方法措施。

4 应用示例

为突出本文所给具体方法流程的实用性和可操作性,以具备一定攻防态势的红蓝编组对抗任务为例,对给定方法进行具体阐述说明。红方编组遂行防空反导任务,兵力包括预警机1架、大型驱逐舰3艘,构成预警机、岸上指挥所共同信息引导舰艇编队超视距防空反导作战,主要信息链路见表4;蓝方编组遂行空中打击任务,兵力以突袭飞机为主,在机载电子战兵力(具有1路直射波、1路反射波干扰能力)配合下实施远程火力打击。

表4 作战编组指挥关系及主要信息链路Tab.4 The combat formation command interference and main information link

评判组织实施过程如下:1) 聚焦红方重点保障方向进行信干比计算,以假定干扰距离大于300 km、通信距离80 km为输入,发信机、干扰机功率为标准配置,两条数据链路收信节点处于压制区(接收信干比低于临界值),单方向维度舰机链路中断、信息传输效果差;2) 作战编组核心节点编队指挥舰,预警机对指挥舰数据信息传输仍可通过预警机-岸站-指挥舰迂回链路实现,岸基指挥所也可通过岸-舰数据链路推送态势、目指信息,迂回、替代链路等效性分析结论为优,体系保障效果为优;3) 对预警机-岸指-编指-打击平台信息传输时间量化,并与上级给定信息传输时限比对,可实现基于作战需求的信息传输效果评判,当无法满足传输时限时,可按照表3所提供方法进行能力提升。

5 结束语

实战背景下信息传输时效判定影响因素多,基准不统一,针对不同层级需求的控制方法区别大。传统方法更多聚焦单一链路保障效能评价,“重技术、轻战术”现象表现较为突出,无法反映作战进程动态更新过程中,攻防双方态势变化对作战编组整体信息传输实效的影响,极大影响信息传输保障效果。本文秉承动态调整管控的整体思想,以实战任务为背景,对不同类别通信电磁波传输模型进行量化,选用经典且广泛认可的干信比/信干比为核心评价点,针对不同维度信息传输保障需求,在外部制约因素输入基础上,提出了链路、体系和编组作战全覆盖的信息传输评判控制方法体系架构。此外,文章提出的思路方法可依托计算机语言予以工程实现,辅以必要的“情景库”“方法库”,构建完整的通信指挥决策系统,为舰艇编队体系作战提供有效支持。