反导预警作战信息协同交互方法研究

2019-07-22肉孜麦麦提王树文

舰船电子对抗 2019年3期

肉孜麦麦提，王树文，吴昊

(空军预警学院，湖北武汉 430019)

0 引言

随着导弹技术的迅速发展及其在近几次局部战争中的成功运用，弹道导弹已经成为对防空体系最具威胁的一种空袭武器。由于弹道导弹具有飞行速度快、探测识别难、突防能力强等特性，因此如何加速构建完善的反导预警体系，对弹道导弹实施高效的预警探测和跟踪，提供及时准确连续稳定的预警情报，不仅是准确打击的前提和基础，也对整个防空反导作战的成败具有重要、关键性的意义[1]。

反导预警是国家安全的重要保障，是国家战略防御和战略威慑的重要支撑，是军队体系作战能力的重要基础。反导预警信息协同交互是反导预警的核心要素，为适应未来联合作战需要、建立完善的反导预警情报系统，优化反导预警作战信息协同交互是无法绕过的重要课题。信息的协同交互是不同信息源之间、信息源与作战部队之间、信息源与指挥机构之间的联系纽带。纽带的质量直接关乎各作战单位战斗效能的发挥，关乎整个反导预警作战的成败。因此，研究反导预警作战信息协同交互是迫切需要的。

1 反导预警作战信息协同交互特点

反导预警是对来袭弹道导弹的探测、发现和预报。由于弹道导弹射程远、飞行速度快、杀伤力大和防御困难，所以反导预警就显得尤为重要。反导预警力量是战略预警力量的主体，由地基反导预警力量、海基反导预警力量、天(空)基反导预警力量组成，其骨干装备包括红外预警卫星、天波超视距雷达、远程预警相控阵雷达、地(海)基多功能相控阵雷达[2]。在作战实施过程中，需要根据各力量的装备性能和部署地域分配反导预警作战任务，使各力量所在部队之间信息在时间和空间上进行协同交互，并组织好各力量之间的情报传输和处理工作。

反导预警作战信息协同是指在反导预警作战任务的驱动下，反导预警作战中根据情报用户需求与认知特征，采用相应的技术和设施，以实现预警情报的价值延伸和创新性增值的过程中形成的关系。在情报用户与情报源间、情报源与情报源间采用多种媒介进行多向积极的异地、实时沟通或系列活动，进而正面影响情报用户的实践、行动和决策。

1.1 预警力量构成多元，信息协同复杂度高

反导预警作战的特点决定了预警力量构成复杂，既包括天基预警侦察卫星，也包括各种地(海)基预警监视装备，具有力量构成多元、部署分散、种类繁多的特点，不可避免地使反导预警信息协同呈现多元制约性，情报共享关系复杂，具有突出的不稳定性。反导预警情报收集广泛，情报源类型各异，情报获取技术机理也不同，有来自各种型号雷达获取的雷达数据情报业务，有通过对普通航空照片、红外传感器、激光、光电技术和雷达传感器等收集发掘而获得的图像情报业务，还有来自各类数据链的语音、报文业务，因此战略预警情报传输涉及数据、报文、语音、图像、视频等多种业务类型。

在各类传输业务中，有高数据率的高清图像信息，有低数据率的数据信息，还有对传输带宽要求不高的控制、状态信息等。例如，各类成像型侦察设备获取的高清图像信息，数据率为100～300 Mbit/s，最高可达kMbit/s量级。电子侦察卫星、导弹预警卫星、海洋监视卫星等获取的侦察或监视信息，数据率通常在1～10 Mbit/s量级以上[3]。

1.2 信息协同距离远，协同区域跨度大

反导预警的目的是尽早、尽远地发现并跟踪弹道导弹目标，因此反导预警装备往往都“站得高，看得远”，通常分布在陆地、海面(水下)、空中甚至太空，所获取的反导预警情报要走过“千山万水”才能到达目的地，往往情报传输距离远、区域跨度大。

另外，空基预警监视系统(比如空中预警机)，通常利用其机动性强的特点，在远离己方的空域发现与跟踪目标，尤其是在远离本土或海岸线、己方地面雷达网不能覆盖到的作战区域执行任务，因此情报传输跨越几百、上千甚至上万千米。而反导预警系统中的红外预警探测卫星所获取的预警情报信息需要经过天地之间的长距离无线传输才能进入情报中心，而且传输过程中的地理条件变化也非常大[4]。

1.3 战场状态变化快，信息协同实时性要求高

“赢得时间，争取主动”是信息化条件下军事行动的基本要求和重要保证。信息化条件下的局部战争，为达成战略目的，有效控制战局，防止外界介入，大多采取“闪电”行动，迅即反应，速决制胜；作为进攻性作战，弹道导弹打击发起十分突然，攻防节奏很快，反导预警必须把握有利时机，争取尽快尽早发现，精确跟踪和识别，准确计算拦截时间窗口，并将弹头跟踪识别信息发送至拦截武器系统，为反导拦截作战提供及时、准确、稳定的预警情报信息。这就要求反导预警必须建立在顺畅的信息协同关系之上，采取灵活多样的信息协同方法，确保反导预警信息协同实时高效。

1.4 预警时间紧迫，信息处理要求高

信息处理与分析是反导预警中的重要环节，是反导预警“大情报”和“大处理”特征的具体体现。可以说情报处理是保证反导预警情报价值得到最终体现的关键。信息处理的特点概括起来有5点，即需求性、时效性、准确性、连续性、完整性。

情报要素是构成反导预警情报的主要因素，是衡量其情报质量的重要依据。情报要素越齐全、越完整，内容越具体，情报质量就越高，其价值就越大。

2 反导预警作战信息协同需求

反导预警作战信息协同需求主要是指为提高反导作战过程中对敌方导弹的拦截率，各情报作战单位之间协同过程所应具备的能力。反导预警作战体系着眼于战略级、战术级导弹防御，依托天基预警卫星、地基远程预警雷达、地基多功能雷达、海基防空反导雷达，为弹道导弹拦截提供助推段、中段和末段的多层次信息保障。

弹道导弹在初始段、中段和末段各飞行阶段的目标特性有所不同，反导预警使用不同探测机理和功能的装备分别完成初始段、中段和末段预警任务。处于初始段的弹道导弹有着显著的红外特性，较容易被发现，同时在初始段实施拦截也是反导作战的最理想方式，即将反导作战造成的危害留给敌方；因此，初始段反导预警系统除实现对弹道导弹的初始段发现外，还担负着引导拦截火力实施初始段拦截的任务。

初始段反导预警系统以高轨红外预警卫星为主要装备，以天波超视距雷达、天基雷达和空基预警手段为辅助。弹道导弹在中段飞行时间长，且飞行空域高，拦截成功后不易造成次生灾害，是最有利于拦截的阶段，也是反导预警系统连续跟踪、精确识别和拦截引导的关键阶段。中断反导预警的主要任务是连续监视和跟踪中段飞行的来袭弹道导弹目标，识别真假弹头和诱饵，获取弹道导弹轨迹参数，为拦截火力提供目标指示信息，对拦截杀伤效果进行评估，为实施二次拦截提供决策依据。中断反导预警系统主要包括地(海)基中段反导预警装备和天基中段反导预警装备。

末段是弹道导弹飞行的最后阶段，也是实施反导拦截的最后时机。这一阶段，弹道导弹重返大气层，速度快，留给拦截作战的时间有限，要求预警情报与拦截火力一体化运用。因此，末段反导预警以地(海)基多功能相控阵雷达为主，为指挥控制系统提供反导预警和决策评估信息；反导作战依托拦截武器系统制导雷达提供的制导信息实施拦截。反导预警过程中各阶段各作战力量、指挥所、中心系统之间的协同关系如图1所示。

2.1 信息协同过程中的时空同步与一致性问题

在战场环境中，不同作战单元、不同信息系统之间的信息协同交互要确保时空同步和一致性，简单讲就是使各个单位获取情报的时间轴吻合起来，从而才能进行准确的信息融合预处理，形成完整可靠的战场态势，为指挥员的指挥决策活动提供有力保障。

但由于存在系统的异构性、信息获取机理不同、信息处理方法各异、信息流转效率不高等原因，导致分布式信息协同交互难以确保时空同步和一致，严重时会导致信息内容存在冲突或错误，导致无法对已有信息进行有效的汇总，对后续的信息处理、指挥决策带来了障碍，极大影响了指挥和作战行动的准确性和效果。

2.2 情报质量需求

随着反导预警情报的建设和发展，大量先进电子侦察监视技术和手段的运用，使情报获取的能力大大加强，战场感知能力持续提升。一个从声频、光频到电频，从水上、地面、空中到太空的全频谱、全方位、全时空的反导预警情报侦察监视体系将出现在战场上。反导预警情报手段的建设必然会带来情报种类和情报数量的剧增，如果不区分用户需求，而是直接提供给用户，“情报信息泛滥”将不可避免。

2.3 情报保障方式需求

由于信息化战争是以信息化条件为支撑的一体化联合作战，是由诸军兵种、多种力量、军民一体进行的作战，战场情报保障对战争的胜负乃至战争的成败有着重要影响。因此，参战的所有力量都需要情报支撑。基于信息化战争的特点，众多的情报用户面对浩如烟海的情报信息而无情报可用，其结果就是“用户情报缺乏”。

反导预警情报用户的情报需求与情报保障能力之间的矛盾将长期存在。反导预警情报保障不但要向最高作战指挥机构提供情报，而且各个预警作战单位之间还要进行情报的协同，以实现情报信息的高效应用，从而提高反导预警作战体系的整体作战实力，缩短导弹目标发现、判断、上报时间，提高导弹的拦截效率。

面对如此众多的情报作战单元，如果依然采用传统的情报协同方式，必将导致众多情报用户的个性需求得不到满足。因此，必须更新情报协同保障观念，以情报服务的思想为众多的情报用户提供可靠的情报保障。也就是要针对不同需求的情报用户，合理组织和调度各种情报资源，平衡不同用户情报需求侧重点，最大限度地解决情报用户个性需求的情报缺乏难题[5]。

2.4 针对用户多样化的需求

用户众多、需求各异是由信息化条件下多种力量联合作战和战场情报信息的重要作用决定的。通常弹道导弹防御系统按拦截时机的不同可将弹道导弹防御系统分为三大类：助推段拦截系统、中段拦截系统、末段拦截系统。

图1 反导预警体系协同关系图

各个拦截阶段情报用户对反导预警情报需求也各不相同，结合自身部队作战任务及部队装备探测性能，对弹道导弹不同时段的坐标、航向、高度等信息有着不同要求。这就要求作战管理指挥控制通信系统将各个预警侦察部队之间、预警侦察部队与导弹拦截部队之间直接连接起来，确保情报的直接传递，从而提高作战效能，实现对弹道导弹的预警、侦察、拦截。

信息化战争的特点预告了战争中情报用户及其需求状况，同时也让我们看到了信息化条件下多种力量联合作战情报保障的艰巨性。面对“生产”带来的“情报信息泛滥”和战争中情报用户的“情报缺乏”，反导预警情报服务必须深入研究对多情报用户的保障模式，在努力提高情报保障技术水准的同时，还应采取有效措施，力求以服务的思想对重要情报用户实施按需分发、精确保障。

3 反导预警作战信息协同交互方法

3.1 人机交互功能优化

任何有效的人机交互功能的完成，常常是4个基本功能组合的结果。这4个基本功能是：信息接收(敏感)功能、信息存储功能、信息处理和决策功能、执行功能，如图2所示。

图2 人机交互功能流程图

“宙斯盾”系统在不改动任何传感器、武器、计算机硬件的情况下，单凭交互软件设计优化，缩短人的认知和决策时间，系统的“人的回路”的一个拦截波次反应时间缩短了4 s，相当于来袭超音速反舰导弹的拦截半径外延了3.4 km，或MK41垂直导弹发射系统多打出8枚导弹，综合作战能力提升10%以上。科学地分割人与计算机的功能与任务，发挥作战人员的主观能动性、缩短“人的回路”时间，为反导预警作战人员提供直观、有效的辅助决策信息，对提高反导预警作战实力有着重要意义。

围绕指挥控制信息系统界面的显示布局、显示格式及显示要素等，研究如何确保人机界面呈现的图形、页面、字符等信息是指控人员在执行任务中需要关注的，保证其易于感知和理解。在人机交互功能设计时，围绕人这个中心，针对不同用户的工作特点，区别设计，提高界面的友好性，提高用户使用的舒适度，给用户以良好的操作体验，提高作战效率，最终缩短指挥决策的整体时间。

(1) 指挥员的人机交互功能优化。

在作战过程中，指挥员和反导预警系统互相配合才能达到最好的效果，指挥员通过灵活运用手中的武器装备快速、准确、不间断地获取作战态势信息，最后才能定下指挥决心。例如，指挥员身处后方指挥所，面对来自于反导预警部队各个作战单元、空中无人机和高空侦察卫星等多个渠道的多源作战态势信息，必须进行重组和筛选，经过融合处理后，借助增强现实技术以最佳的交互形式同步展现在各级指挥所内，供各级指挥员分析决策，进而实现信息协同，为各级指挥员指挥行动、做出决断提供有力的辅助决策。

(2) 参谋人员的人机交互功能优化。

反导预警作战中对于情报参谋和协同参谋，根据其工作性质侧重不同，需要针对性地提供符合其任务操作习惯的人机交互界面。情报参谋任务是进行反导预警信息的进一步处理、统计，为系统的运行提供主动的人工干预，落实上级指挥员的决策指示，快速跟进任务需要和战场环境的变更，在其交互界面上，尽量通过将所需要的情报处理功能按钮放置在醒目的位置或设置相应的快捷键，减少人员的繁琐操作就能使情报参谋员的意图输入到计算机中，将人的精力从无用的物理工作中解放出来，把注意力尽量投入到情报的监控、处理、统计与汇报中去，通过让人对计算机的输入以及计算机对人的输出变得简化与智能化，最终实现提高任务完成效率的目的。

协同参谋的工作重点是贯彻上级领导决策指示，下发上级命令，及时将相关情况反馈给指挥员。针对协同参谋人员的人机界面优化主要是强化交互界面指令的上传与下发功能，简化人的操作步骤，提高操作目的的准确度，将操作按钮放置于触手可及的位置，使协同参谋员的人工干预变得更加精准便捷，避免繁琐的计算机操作，而又能很好地达成作战目的，促进命令上传下达的整个流程推进，从而一定程度上提高协同参谋席的整体协同能力。

(3) 操作人员的人机交互功能优化。

反导预警作战中地基远程相控阵雷达、地基多功能相控阵雷达、反导预警卫星等装备的操作人员，其作战任务就是操作运用好反导预警装备，使装备在保持良好的各项参数指标的条件下，为部队持续提供优质的情报。对于反导预警各型号雷达操纵员，其主要任务是对情报进行获取与上传。优化其操作界面，首先是要摒弃现有的制式化的操作界面。

目前存在很多厂商，其装备不具有某种性能，但是操作界面中有不能发挥作用的按钮选项，也就是所谓的假功能。要针对不同雷达装备的性能特性，根据其作战任务不同，合理地规划操作界面，将有用、常用的功能按钮摆在醒目位置，方便操作。卫星等武器装备操作人员通过操作相关计算机设备进行远程情报获取与卫星运行参数修正调整。其工作量比较繁重，对于操作人员的要求比较高。其人机交互界面更应将人机功能合理分割，对于机器的分析、获取、显示及时醒目地反馈给操作人员，同时提高系统的人机友好性，方便操作员的情报查询与命令输入，将重要的选项按钮置于桌面上，尽可能在简化人的工作的同时密切人机联系[6]。

3.2 反导预警作战人机交互方法优化

在反导预警信息交互过程中，为满足信息化条件下联合作战中各作战单元信息协同交互更加准确、直观和高效的要求，瞄准提升作战用户信息协同交互智能化水平，研究不同战略方向、不同作战任务条件下、不同作战阶段中的作战用户之间信息协同交互内容、方式、时机、约束条件和智能化需求，根据不同作战人员岗位在反导预警作战中人机交互的特点，分析人与计算机的功能划分，以提高信息协同交互能力。

3.2.1 语音交互技术

作战信息协同交互系统中的语音交互技术，包含语音信号的预处理、处理后数据的端点检测、对检测出的语音段提取特征参数、利用提取出的特征序列与模板库进行匹配等。预处理是要对输入信号做一些简单的处理工作，方便后续操作。而端点检测则是语音识别中十分重要的环节，它的目的是要找到包含真实有效语音段的语音信号，这一步骤如果检测失败，则后续操作也就失去了意义。

检测出真实的语音段落后，就要从有效的语音信号中提取出随时间变化的特征参数，这个过程一般有若干的参数可供选择，并不唯一。最后，就要利用得到的特征序列与模板库中的特征序列进行逐一匹配，选定最佳的匹配结果为最终识别结果。当然，也可以用特征序列与声学模型进行匹配，这也是很常见的匹配方法[7]。语音交互技术研究的技术途径如下：

(1) 通过对原始语音信号进行预加重、分帧与加窗来完成预处理。

(2) 通过语音端点检测来检测语音的活动范围。通过提出一套高效精准的端点检测算法，避免系统浪费过多的时间与资源对噪音进行处理，从而提高系统的效率，增加实时性；而且也避免了大部分的非语音成分对识别系统造成的干扰，这对提高语音识别的识别率亦有很大帮助。

(3) 通过提出一套有效的降噪处理算法，对原始含噪语音进行降噪处理，进而得到一个相对纯净的语音数据，为接下来提取到更加准确的特征参数提供有力保证。

(4) 对包含真实语音部分的信号做进一步的特征提取，提取出特征参数——梅尔频率倒谱系数(MFCC)。

(5) 分析研究现有的技术手段，选取一套评价之前提取到的语音信号特征参数与语音模板特征参数相似性的最佳方法。为消除不同指挥人员的语音差异对语音识别造成的不利影响，用机器学习的方法提升语音识别系统对于不同人员口音的自适应性。同时，针对作战领域的特点，丰富与作战相关的语音样本，提升语音识别系统的识别准确率。

特别指出的是：虽然语音交互技术适用性广泛，但它不适合用在环境噪声较大的工作岗位上，同时也不适用于对弹道导弹参数等重要的精确数据录取上。由于操作人员发音不标准、降噪能力有限等因素，录入信息会出错，在重复识别录取中浪费时间。

3.2.2 手势交互技术

手势交互技术是指人通过双手与系统进行交互的技术，包括手势图像分割、手指指尖检测追踪、交互方式等。研究工作包括分析国内外近期有关手势识别以及实现方案的相关工作，着重研究手势分割、手指检测和手势跟踪定位等关键技术，对涉及到的算法进行实验、优化，提高交互的精确度和效率，并降低其对于硬件设备的要求，尝试突破对同时参与交互人数(手势数量)的局限，形成能够适用于作战信息协同交互系统中多人(手势)交互的技术体系。手势交互技术研究的技术途径如下：

(1) 针对手势分割时类肤色区域难识别的问题，依靠图像处理的相关技术，研究探索出从背景中准确分割出肤色区域的有效方法，得到单一的手势区域。

(2) 针对作战信息协同交互系统中环境复杂所带来的挑战，探索出一套有效的指尖检测方法，并对手指区域进行曲线拟合，进而实现对指尖的精确定位。

(3) 基于图像处理技术，结合指尖的运动轨迹，研究提出一种高鲁棒性的跟踪匹配算法，对检测到的指尖进行实时跟踪。

(4) 对跟踪到的手指的运动轨迹进行手势语义的定义，从而为手势与系统的实时交互搭建桥梁。

(5) 在实现单手手势精确交互的基础上，尝试同时支持多人手势跟踪、识别、处理、参与交互的技术方法。

3.2.3 眼控交互技术

在眼控交互中，需要借助许多客观的眼动指标，如眼注视的位置与次数、注视的时间长度、扫视距离来获取用户的认知和注意力的变化情况。也就是说，如果想要有效地使用视线，就必须先掌握眼动的生理及心理特征，深入了解常用的眼控交互方式，进而提出一种更加自然有效的眼控交互方式。与此同时，良好的眼动跟踪交互技术离不开精确的眼动分类算法，眼动分类算法的主要功能是根据一系列的眼动特征实现眼动类型的正确分类。因此，眼控交互技术研究的技术途径如下：

(1) 针对常用的眼动交互方式：注视、眨眼、注视姿势，分析各种方式的优劣，以及其在增强现实系统中交互应用的可行性。

(2) 从增强现实系统的实际需求出发，并结合以“用户为中心”的设计理念，通过大量实验论证，设计出既满足用户体验又具有良好实用性的眼动交互方式。

(3) 根据眼动仪获取的眼动数据，在分析和预处理的基础上，提出一套行之有效的眼动分类算法。

(4) 为不同的眼动类别定义所对应的交互操作事件，进而通过系统对于眼动类型的识别来触发相应的交互操作。在多通道交互系统中，同时允许多种交互方式并存，在给用户与系统的交互带来了巨大便利的同时，也会带来交互行为的不一致，甚至产生冲突。

对于同一个交互任务，当用户使用不同的交互方式，同时与系统进行交互，各种交互方式可以有效弥补彼此的不足，从而提升交互的有效性，确保交互的时效性。当不同的交互方式所指向的交互任务不一致时，需要根据交互场景、交互任务的不同，确定不同交互方式的优先级。不同作战任务、岗位特点对交互方式的需求不同，因此，需要制定自适应的交互策略，能够根据当前的任务、场景状态，自动选取合适的交互方式。各反导预警岗位对多通道交互系统的需求如表1所示。