电子战及其试验与评估技术的一些发展

2019-06-17冯润明吴若无

航天电子对抗 2019年2期

冯润明，吴若无

(电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室, 河南洛阳 410073)

0 引言

未来的战争将不仅仅在陆、海、空、天等传统作战领域，还将在赛博空间、在电磁频谱领域进行，且为多域作战、一体化联合作战。受各种威胁、技术和信息速度的发展影响，现代作战越来越依赖于信息和电磁频谱，主宰电磁频谱已成为所有现代作战任务的基线需求，或者说新的高地。为实现电磁频谱的主宰，电子战(EW)各元素之间的平衡、赛博电磁行动(CEMA)、情报以及作战行动都是必须研究的。特别是由于现代战场电磁频谱更为复杂(网络化&错综复杂的波形)、拥挤、竞争且不断变化的(动态的)，如何通过探测各种行为而不仅仅利用信号情报来管理频谱活动、如何通过大量可得的数据筛选明智决策所需的精确信息、如何准确理解并可视化战场综合态势，已成为实现电磁频谱主宰所需解决的首要问题。而电子战技术、战术及其试验与训练等能否适应或超前雷达、通信、导航、制导以及作战平台等等相关用频装备领域的快速发展，更影响着电磁频谱主宰的实现。

1电子战的一些发展趋势[1-4]

1.1 开发、采办与投入

北约组织中的国家受经费预算的限制，其电子战能力的开发、采办更多采用升级而不是开发新系统的模式，更多采用多功能和集成的方案、软件和硬件模块化以及增量式的方法。为了保证适宜性和有效性并获得合适的能力，采办项目通常是联合的且短于18个月。在开发试验和作战试验与评估中使用螺旋式的过程，设计一点、开发一点、测试一点，而不是传统的系统工程方法。要想获得合同，不能仅靠最好的技术，而是要有最好地解决用户需求的技术。从技术角度来说，分布式协作和互操作性是必须的，需要开放的体系结构和公共标准，不能产生更多的烟囱，且聚焦于能力。此外，随着定向能武器(DEW)和高功率射频武器(HPRF)发展成具有网络使能、多频谱特性的高速武器(系统)，EW将进入可硬摧毁、省钱的时代。

比如美国，一方面由于技术的快速变化，另一方面经费有限，需要更多的创新(如第三次抵消战略)来重返EW技术领先(不必是新的装备)的地位。美国第三次抵消战略始于2014年11月，主要投资创新性和双重用途的技术，包括反介入和区域拒止(A2/AD)能力(30亿美元)；抗干扰制导武器(5亿美元)；水下战，包括无人潜艇(USV)(30亿美元)；人机交互，包括使用无人机作战(30亿美元)；电子战和赛博战，包括赛博电磁行动(CEMA)(20亿美元)；作战推演，包括新的作战概念(5亿美元)；定向能武器(243.1亿美元)。只有大约25%的经费会花费在传统的EW上。美国还增加了赛博战专家的人数，到2016年已达到6000多人，预算也从2014年的4.47亿美元增加到2016年的55亿美元，并且EW和赛博战已经实现融合。在电子战的发展中，政府和工业部门等之间需要联合才能形成标准；而建模和仿真也变得更加重要，它可能是获得对电子战二阶效应理解的唯一方法。

1.2 电子战系统

电子战系统和平台的变化有以下表现：

1)从单一功能发展到模块化、高度可重配置的、多用途的系统；

2)从预先编程发展到灵活的(频率、功率、时间、波束方向和形状等可机动)、自适应的、认知的；

3)从大型、专用、昂贵的系统发展到低尺寸/质量/功率/费用(SWAP-C)、模块化、高度可重编程、分布式和协作式的微型系统；

4)从模拟的发展到数字的、越来越软件定义的(可自适应)；

5)从高功率感知/电子攻击(EA)，发展到低功率至无功率感知、低功率EA；

6)从单站感知发展到多站感知；

7)从机上发展到机下/角度欺骗；

8)每个平台/武器从单一频率感知，发展到多谱系统(射频(RF)和光电/红外(EO/IR)阵列)；

9)从远距离支援干扰(SOJ)(非外科手术式，也会干扰己方)，发展到伴随式干扰(SIJ)(外科手术式)；

10)从动能干扰发展到物理毁伤的DEW和HPRF等。其中，高能激光(HEL)比对抗简易爆炸装置(IED)系统的高功率射频武器更成熟。

11)从单一电子战发展到赛博电磁行动(EW和赛博的融合)；

12)从传统的被动反应发展到基于认知的先发制人。

电子战平台已从平台为中心(节点)发展成联网、由系统组成的系统(SoS)、系统族(FoS)，每个平台都作为一个网络统一整体中的一个节点运行(如现代战机多功能集成的射频系统(MIRFS)、现代战舰集成的甲板上部结构(INTOP)等支持平台网络中心战)。如美国从聚焦于低密度/高要求的EW平台转向分布式、平台不可知的战略，使每个平台都作贡献/充当传感器、射手、共享者，包括EW，并正利用新兴技术集成多个平台、负荷、节点和能力，给指挥官提供有组织的和持久的EW能力。由美国海军研究实验室(NRL)开发的软件可重编程载荷(SRP)是一个开放体系结构、政府拥有的、用于灵活的、使用中可重新配置的软件无线电参考设计[4]，是一个使具有不同协议的空中和地面部队之间能数字互联的关键使能器。SRP增量1支持当今的联合使命；SRP增量2增加了4种广泛使用的波形，即：机载联网波形(ANW)2，支持地面作战元素(GCE)；战术瞄准网络技术(TTNT)，支持IWCC(信息战协调单元)；LINK-16，支持空中管制；通用数据链(CDL)，支持全运动视频。SRP还可升级通信和网络能力，而不用在平台上集成新设备。美国空军的电子战平台也发展成大量是软件定义的、从系统体系(SoS)转向系统族(FoS)状态(从平台上发展到平台上下，具有特定的网络能力)。如F-35战机87%的作战能力是软件定义的，它有2千万行代码(其中一半是机下(大多数在地上))，用于满足其FoS能力。

这种作战平台的网络化、电磁频谱多功能集成化的发展，也使得电子战可以在赛博空间作战，电磁频谱是其进入赛博空间的入口，反过来赛博战也可以在网络化的电磁频谱领域发挥作用。如今，EA通过无线连接将恶意代码发送到赛博空间中，即通过电子战发起计算机网络攻击，这已成为下一代干扰机(NGJ)的主要功能之一。新一代的电子攻击系统可以在三个层次上发起赛博攻击[3]，即通过使用经典的技术(如阻塞、点噪声、梳状干扰等等)对通信物理层进行电子攻击的标准干扰；通过利用网络弱点(如时间同步、信标等等)对通信网络层(基础设施)进行电子攻击的灵巧干扰；利用“假身份”或“人在中间”等技术对通信信息层进行电子攻击的认知干扰。因此，今后的雷达等抗干扰除了要设计加固对抗传统的电子干扰外，还需考虑防护拒绝服务(DOS)等赛博空间的攻击。

1.3 电子战相关的系统

电子战的发展与电磁相关的(威胁)系统环境的发展密不可分，电子战要想适应或超前威胁电磁环境的发展，就必须跟踪了解相关的系统技术的商业化发展和趋势。

1)作战平台和无人飞行器。除了俄罗斯的T-50战机、美国的Ghost隐形战舰、波兰的PL-01战车等等作战平台值得关注外，下一代无人飞行器(UAV)也犹为值得关注。下一代UAV将具备隐形能力、高性能引擎、高级负荷、可重配置、可自治，载荷将包括干扰机(干扰IED、通信、雷达&导航定位授时(PNT))、HPRF、空对空导弹、还可潜水艇发射等。UAV的市场从2015年的40亿美元预计到2024年将扩大到140亿美元。预计在随后的10年间军用UAV的研究与开发(R&D)花费将额外增加300亿美元，C4I负荷预计从2015年31亿美元增加到2024年64亿美元。

2)武器弹药。从非制导武器弹药发展到精确的、可徘徊的武器弹药。典型的如美国陆军的精确155大炮弹(GPS制导)；自杀式无人机/攻击武器，如以色列UVision Air Ltd公司的英雄系列，优化用于压制敌方防空的IAI Harop可徘徊无人机等；美国的滑翔导弹(Seaglider)；波音公司的高空反潜艇战武器能力(HAAWC)；GBU-53/B小直径炸弹，具备GPS和惯导系统，毫米波雷达，非冷却红外成像(IIR), 半主动激光&数据链；宝石路(Paveway)IV，具有数字式半主动激光导引头、带选择性可用反欺骗模块(SAASM)接收机的GPS辅助惯性导航系统(GAINS)、数据链、可编程的引信、距离扩展套件等。

3)导弹。从单一传感器发展到多频谱(包括无源的)传感器、带数据链、具有远距离、隐形、超音速的特点。典型导弹如远距离反舰导弹(LRASM)、Kh-58UshE反辐射导弹(ARM)、MBDA公司的SPEAR导弹等。便携式导弹(MANPADS)则从单一探测器发展到多色探测、敌我识别(IFF)，再到成像制导。

4)雷达。从单一功能发展到多功能(有源电扫阵列(AESA))；从高功率发展到低功率(无功率)；从低分辨率发展到高分辨率；从单基地发展到双基地、多基地、多输入多输出(MIMO)；从网络化、灵活、低功率发展到低截获概率/低探测概率(LPI/D)、随队干扰机(SIJ)。典型的有意大利Finmeccanica集团的OSPREY分布式AESA雷达(256个收发模块和120°覆盖)；Leonardo-Finmeccanica公司的RAVEN ES-05雷达，用于瑞典萨博(Saab)公司的GRIPEN E战机；美国的可重配置收发机可伸缩毫米波体系结构(SMART)项目，圆片规模集成了用于雷达和通信的射频和微波收发模块(44 GHz)；欧洲的硅基超紧凑划算系统(SUCCESS)项目实现“系统在芯片上(SoC)”雷达，工作频率超过100GHz；单个芯片上集成32单元60 GHz的收发相控阵。

5)通信。从军用电台发展到5G商用通信、物联网(IoT)，任何机器都将彼此相连，频谱分配可根据互联的需要，实时动态地智能理解需要并分配网络资源(地面的或卫星)。

6)定位导航授时(PNT)。从地图发展到全球导航卫星系统(GNSS)，再到GNSS的替代方案(如授时&惯性测量单元(TIMU)、全球精确时间分发(超快激光科学与工程项目)、量子辅助感知与读出(光原子钟)等)；相应的GNSS干扰机的发展，以及GNSS干扰降低的发展(如空基增强系统(SBAS)、地基增强系统(GBAS)、PNT传感器集成、波束形成/调零天线等)。

1.4 电子战行动及训练

电磁频谱已从静态管理(固定的频率分配)发展到动态管理，再到电磁作战管理(EMBM)，传统的信号情报(SIGINT)能力不足以刻画新出现的各种威胁，灵活的环境更需要精确的、实时的电子支援。北约16个国家参与的NATO MACE trials 2016演练，获得的主要电子战空战经验是：对于射频，只使用机载自卫(相干、非角度欺骗)肯定不行，多个随队干扰机的运用可提高战机存活能力；对于红外，对抗红外成像导弹90%的效能证明了有效战法是先用定向红外对抗(DIRCM)，随后使用频谱匹配的曳光弹。

对于电子战训练而言，像作战那样训练/像训练那样作战是不变的原则，逼真性是关键。为了保持非对称性优势，需要在逼真的环境中跟伙伴联合训练演练(JI2M)，包括对抗的全电磁频谱环境、定向能、高功率射频武器、GNSS、反辐射导弹、网络攻击等等所有方面。其中，建模与仿真成为训练新出现的(甚至是尚未出现的)威胁系统的关键，需从模拟的转向数字化的系统、平台、概念。如态势感知(SA)方面，美国陆军使用概念开发、实验&仿真(CDE&S)来确定开发数字化公共作战画面(COP)的各个层次的细节和需求，包括部署、准备和维护概念，而CDE&S需要真实的(L)、虚拟的(V)、构造的(C)和严肃游戏(LVC-G)等各类仿真训练和混合学习。但仿真不等于廉价，仿真的真正价值通过合格训练来体现。

简言之，电磁(威胁)环境永远在变化，将变得越来越复杂，EW的发展必与之相适应。理解未来威胁电磁环境的最好方法是密切关注商业化的技术和趋势。EW和传感器系统的发展将具有以下属性：网络化(分布式)；灵活(功率、频率、空间和时间方面可机动)；多频谱和多功能；低尺寸(空间)/质量/功率/费用(SWaP-C)；自适应(模块化、可伸缩、可升级/软件定义的)。电子战的未来将是：跟赛博集成；分布式协作；认知电子战；电磁作战管理(EMBM)；DEW；HPRF武器；低到无功率的传感器和效应器，等等。

2 美军加强电子战试验能力建设的技术项目[5]

以美国为首的北约国家采用贯穿于采办全寿命周期、阶段式的过程方法对电子战装备进行试验与评估(T&E)，相应运用的试验设施包括计算机建模与仿真(M&S)、测量设施(MF)、系统集成实验室(SIL)、硬件在回路试验设施(HITL)、平台安装的系统试验设施(ISTF)、野外靶场(OAR)，以及综合利用以上各类设施构建分布式的LVC环境(LVC-DE)的分布式试验能力。地面各类实验室试验环境提供划算的早期发现、组件和系统级的试验，野外靶场飞行试验以及LVC-DE分布式试验则通常支持任务级、单机或多机作战完全端到端的性能评估和效能试验。

但是，随着美军NGJ、F-35、F-22、B-2、F-15等平台电子战系统、小型空射诱饵弹/干扰机(MALD/MALD-J)及其他电子战项目的试验需要，美军深感已有的电子战试验能力不足。2009年，美国国防部长办公室(OSD)指示进行的三军电子战试验能力研究(TEWTCS)，表明需要在所有的试验领域(M&S、MF、SIL、HITL、ISTF、OAR)建立平衡的投资；需要加强物理使命环境和威胁环境的标准化、公共的M&S表示，从而加强各试验领域的试验结果之间的相关性；需要从数量和质量上充分逼真地表示已有的和新出现的威胁(如俄罗斯的现代化综合防空系统(IADS)威胁)；同时需增强综合利用各类试验设施、基于LVC-DE环境的分布式试验能力，如加强联合使命环境试验能力(JMETC)、联合分布式红外对抗地面试验系统(JDIGS)、联合信息作战靶场(JIOR)等能力，以便最佳使用有限的高价值试验资源、支持在逼真的任务环境下试验SoS/FoS的系统性能和作战效能。

为此，美国批准开发了一个平衡的投资策略，并计划了大约4亿5千万美元的中心试验与评估投资项目(CTEIP)预算，通过电子战基础设施改进项目(EWIIP)在FY14-18财年进行开发，以切实提高FY17-20财年及以后开发、试验和部署高级技术EW能力的水平。除此以外，CTEIP还有支持EW能力联合改进与现代化的长期投资项目(JIM-EW)。EWIIP项目由美国防部试验资源管理中心(TRMC)跟各军种以及科学与技术情报(S&TI)中心协作，共同致力于确定并解决电子战试验资源的能力不足，下文介绍其主要计划。

2.1 野外靶场(OAR)计划

2.1.1 雷达信号等效模拟器(RSE)开环发射机工程

开发和部署高逼真度的S和C波段的雷达威胁信号模拟器，可重编程、可重部署，采用基于氮化镓(GaN)的AESA技术，每个发射机可表示多种威胁，需高逼真度地模拟威胁信号集(有效辐射功率(ERP)/扫描模式/复杂波形/信号密度)，主要用于解决当前OAR对当前和将出现的威胁特别是西太平洋威胁不能精确模拟的不足。在经费支持下，将研制14—18套系统，计划最先部署到空军内华达试验训练靶场(NTTR)并用于F-35初始作战试验与评估(IOT&E)，2018—2019年时间段再部署到海军等其他靶场，支持F-35、NGJ、B-2 DMS、F-15 EPAWSS以及FY16-20时间段的其他电子战项目的试验。

2.1.2 高级对抗空中威胁模拟器-批次B(AATS-B)

采用无源电子扫描阵列(PESA)空馈天线，提供可重配置的接收机和信号处理能力，支持单一威胁到多威胁模拟，可高逼真度模拟威胁信号集(ERP/扫描模式/复杂波形/信号密度)，具有搜索、跟踪和导弹飞行功能。将部署到海军电子作战靶场(ECR)、NTTR，支持F-35、NGJ、B-2 DMS、F-15 EPAWSS以及FY16-20时间段的其他电子战项目的开发试验/作战试验(DT/OT)。

2.2 地面试验设施改进

2.2.1 下一代电子战环境生成器-批次B(NEWEG-B)

NEWEG支持高逼真度的电子战信号生成，具有模块化、开放体系结构、可伸缩、可重配置特性，信号可直接注入，也可空间辐射，与电子战集成可重编程数据库(EWIRDB)接口，支持OAR、ISTF以及硬件在回路试验设施(HITL)的开环和闭环试验。直接注入配置将部署到海军的空战环境试验与评估设施(ACETEF)、电子作战仿真与评估实验室(ECSEL)以及空军的贝利菲尔德暗室设施(BAF)等；自由空间暗室辐射配置将部署到BAF和ACETEF；还可部署OAR作为威胁发射机。

2.2.2 对CEESIM改进与现代化-生命周期延长(CIMPLEX)

升级由诺斯罗普-格鲁曼公司研制的已有的作战电磁环境仿真(CEESIM)系统发射车，以适应更高密度的作战想定，提供桥接能力以满足近期试验顾客的需要，升级其控制计算机(CC)和数字化生成系统(DGS)，并增加高级脉冲生成器(APG)射频源。

2.2.3 高级动态发射阵列(ADTRA)

为BAF提供12部高级射频发射吊车，用于在BAF中生成密集且多样化的威胁环境。采用AESA技术取代喇叭天线，复制RF威胁信号的功率、带宽、动态波束模式和极化，可跟NEWEG和已有的CEESIM互操作。

2.2.4 时间分段BAF升级方法CIMPLEX/ADTRA/NEWEG (C-A-N)

重点针对空军BAF的整体能力提升，采用时间分段、逐步升级的方法，最终将C-A-N能力依次综合集成到BAF中。

2.3 电子战情报/分析计划

2.3.1 综合防空系统(IADS)增强

图1 EA-18G机载NGJ攻击现代综合防空系统(IADS)的简单作战想定

为了给OAR及M&S环境提供对快速发展的威胁IADS的指挥、控制和通信(C3)能力的逼真模拟，该项目利用经过情报中心(IC)确认的指挥所模型，对数字综合防空系统(DIADS)基线进行升级，并在海军ECR部署经过升级的威胁IADS C3模拟能力。该项目还跟多源综合技术评估与分析(ITEAMS)项目紧密结合，并考虑情报源数据不确定性对威胁模拟的影响。

2.3.2 ITEAMS

对各情报中心的多源情报进行综合技术评估和分析，刻画威胁的国外装备开发国所使用的技术/技巧，开发支持威胁建模与仿真项目(TMAP)的“权威情报基线”模型，产生详细的设计以支持相应威胁的模拟器开发工作，以支持其他的CTEIP项目如用于作战试验的IADS以及IADS增强项目。

3 基于LVC-DE环境试验NGJ对抗现代IADS的方法[6-7]

以美军EA-18G机载电子攻击(AEA)系统NGJ攻击现代综合防空系统(IADS)的任务级试验为例。设想美军典型的AEA系统作战体系(AEA SoS)主要包括天基情报侦察监视系统、空基前沿侦察传感器系统、空中指挥与控制系统、航母舰队、远距离支援干扰/打击系统、B-52轰炸机、近距离干扰/打击系统。

设想敌方的一种现代IADS系统体系参见图1，包括目标截获雷达/电子战系统(TAR/EW)、目标截获雷达1(TAR 1)、目标截获雷达2(TAR 2)、地面指挥所、上级指挥所、地空导弹1/目标交战雷达(TER SAM 1)、地空导弹2/目标交战雷达(TER SAM 2)、地空导弹3/目标交战雷达(TER SAM 3)。显然，通过OAR有限的真实资源，无论是完整地表示AEA SoS还是完整地表示IADS SoS，通常情况下都是很困难的。这时，利用分布在各地的已有真实的、虚拟的、构造的(LVC)仿真资源的恰当混合，构建LVC-DE，可以经济高效地实现逼真任务条件下的系统试验。

作为例子，这里简化AEA SoS的作战想定(见图1)，一架战斗机对敌方IADS防护的目标执行打击任务，一架EA-18G/NGJ提供远距离支援干扰另一架EA-18G/NGJ提供伴随式干扰或远距离干扰支援。在此作战想定下试验NGJ系统对抗敌方IADS威胁时，通过OAR的真实环境也是很难全部复制敌方IADS的体系组成的，但通过综合利用来自OAR的真实环境、来自实验室的虚拟环境、来自一个或多个场所的计算机仿真，构建LVC-DE，可以逼真地表示以上作战想定。

这种作战想定的一种LVC-DE环境表示如图2所示。可在某个野外靶场(如内利斯空军基地)飞行一架配备一套NGJ吊舱的真实EA-18G战机，执行远距离支援干扰任务；靶场同时部署敌方IADS的真实TER SAM 1；执行目标打击任务的战机也采用真实战机，飞临靶场上空并面对真实的地面威胁TER SAM 1。作战想定中的另一架EA-18G/NGJ则可采用位于海军穆古角基地的硬件在回路(HITL)试验设施表示(即虚拟的EA-18G/NGJ)；而敌方IADS中的地面指挥所、上级指挥所、以及TER SAM 2、TER SAM 3、TAR 1、TAR 2、TAR/EW系统都可采用位于不同的实验室(如爱德华兹空军基地、海军中国湖基地、陆军红石兵工厂导弹与空间情报中心(MSIC)等)中的虚拟的或构造的仿真表示。这些位于OAR和不同地点的实验室中的各种LVC仿真实体之间，可使用TENA、HLA或DIS协议并通过JMETC或JIOR网络实现互联、互通和互操作，逻辑上就像它们完全是真实的系统试验一样。

图2 基于LVC-DE环境逼真表示机载NGJ干扰IADS的作战想定试验环境

在以上真实的、HITL虚拟仿真以及计算机构造仿真的IADS系统及EA-18G/NGJ干扰的作战想定试验中，到IADS指挥所的各方向的数据流格式是相同的，每个方向的数据流也都可分析。利用这种试验环境，通过回放多种场景的真实数据并修改仿真的参数，还可以进行效能试验。但在试验之前，必须对试验环境进行校核、验证与确认(VV&A)，必须对每个实体进行V&V。通过跟情报界合作并在构造的系统中使用其模型，同时尽可能地利用真实的试验数据对HITL和仿真的系统进行V&V，通常可以取得较好的效果。