弹炮结合武器智能协同作战网络研究

张 鹏，赵 凯，李 迪，任成才，王 琨

(1.西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099；2.陆军装备部装备项目管理中心，北京 100071；3.白城兵器试验中心，吉林 白城 137001)

传统的弹炮结合武器系统有连建制作战、主从车作战、单车独立作战等作战方式。随着信息技术革命和组织变革，需要研究并建立一种灵活多变的协同作战方式，以适应战场态势的迅速变化，取长补短、提升作战效能。协同作战通过信息流驱动，通过协同网络组织运作，协同策略保证协同作战的正常工作,其效能的发挥离不开高效、实时的协同网络。

协同网络是装备体系化、智能化作战的基础组织形式，是未来组织发展的一种趋势。协同作战网络按照协作范围划分，可分为武器系统内部的协同网络和对外协同网络。协同网络按照功能可分为协同搜索、协同跟踪和协同打击等[1]。

在新型作战体系下，未来战场地理环境和电磁干扰都日趋复杂化，为保障协同作战的顺利执行，对传输和网络提出了更高要求，协同网络向着高速、宽带、低时延、扁平化、抗干扰、自组织等方向发展。笔者采用系统分析方法，结合某弹炮结合武器系统的作战需求和作战应用，针对武器系统协同作战网络进行了分析，研究构建具有初步智能的协同作战网络，提出具有感知、动态拓扑调整、动态时隙变化的武器协同网络方案，为弹炮结合武器高效协同作战提供基础支撑。

1 弹炮结合武器协同作战分析

1.1 协同作战的建立原则

1.1.1 有利于打击和生存

弹炮结合武器系统构建协同作战编组应根据战车状态、空中目标的方位、航向，要有利于对目标的打击。构建的协同作战编组应考虑装备状态良好，编组成员可实现信息共享或信息互补，实现火力交叉、火力连续打击等，最终有利于对空射击和目标歼毁；同时应考虑战车所在位置，利用地理环境隐蔽、躲避攻击。通过协同编组作战实现盲区互补、交替开机等，有利于提高对目标的发现概率和自身的生存概率。

1.1.2 有明确的目的

协同作战编组建立应具有明确的目的，在于完成预定的目标和任务。如为了实现预警、补盲、导引、火力交叉等。当协同作战的目标是对某目标区域持久性监视，这时重点就应该是对目标区域的监视覆盖率；当攻击某目标区域内出现的目标时，重点就应该是对目标的毁伤。

1.1.3 快速构建

协同作战编组应可快速构建和快速重组，使其适应战场态势迅速变化的需求。如协同编组内各节点信息链路尽量一跳可达，满足信息交互的实时性；编组内火力节点在航路上，可实现对目标的多次打击；可根据战车数据业务需求，方便调整时隙配置，满足带宽需求。

1.2 协同作战网络模型

协同作战是指指挥车或多辆弹炮结合武器之间，通过网络进行资源共享、信息共享，完成对空搜索、目标跟踪，实现协同解算、协同打击的作战方式。协同作战网络模型按照节点数量可分为以下两种方式[2]。

1.2.1 连协同网络模型

连协同是指弹炮结合武器系统以全连队为组织的作战方式。由指挥车进行统一的作战指挥，协调分配作战资源，统筹作战预案。连协同网络拓扑模型如图1所示。

连协同作战网络是以指挥车为中心的星型网络，也可构成全联通网络，它能充分利用资源、信息量大。连协同作战对空目标歼毁概率大，但因需要集中指挥，受通信网络资源和能力限制，其作战不灵活，作战区域集中，不易实现对分散目标的有效保护。

1.2.2 编组协同网络模型

编组协同作战是指任意数量的弹炮结合武器按照上级命令或战场态势构建分队作战方式。由编组内战车作为“指挥车”进行作战指挥，协调分配作战资源和统筹作战预案。编组协同网络拓扑模型如图2所示。

编组协同网络节点数量受限于协同网络的能力。编组协同时可进行连内、跨连构建。编组协同作战方式灵活，但其编组策略较多，需要有相关的准则加以限制，使其快速构建[3]。

编组协同作战时，协同网络可通过宽带自组网组成分布式网状网络，各节点装备可任意组合，灵活变更，可实现信息多跳可达、按需分配网络资源等。比如，提供搜索情报的节点分配较多的时隙以提高实时性，提供跟踪信息的节点分配最多的信道资源以满足其对信息传输带宽的需求，利用资源较少的节点可分配较少的信道资源，满足作战指挥需求。

主从协同是一种典型2节点编组协同网络，是两辆战车按照主车指挥从车的方式进行的作战编组。主从协同作战网络拓扑模型如图3所示[4]。

1.3 协同网络构建策略

协同网络的建立从智能化程度可分为人工建立和装备自动构建两类。根据不同的构建策略，大致的协同网络构建流程如图4所示。

人工协同建立需要指挥人员进行指派或成员申请获批准后建立。而自动协同建立，由弹炮结合武器系统根据作战任务、装备状态、战场态势等相关准则自动建立。自动协同的建立涉及网络智能开通等相关准则和智能化技术。

2 协同网络任务需求分析

2.1 协同网络任务需求分析

按照弹炮结合武器系统在防空作战中承担的任务、武器系统组成、弹炮结合武器功能性能等因素进行综合分析，协同网络具有以下特点。

2.1.1 网络节点

应具备容纳指挥、火力、情报等节点能力，协同网络需支持连级规模的武器平台节点的作战应用，可扩展至营级规模的节点应用。主要需求如下：

1) 典型应用为支持大于6个节点小于18个火力节点以及无人机中继及情报节点的接入。

2)节点数量可变，满足部队扩编、缩编带来的变化。

2.1.2 自组网需求

按照防空武器协同网络对指挥信息、控制信息、状态信息、协同信息等传输的需求，主要需求如下：

1) 实现分布式、扁平化的网络拓扑，满足一点发现全网可知的信息共享模式需求。

2) 实现多跳可达的自组网功能，满足网内节点不同地域、地形的互联互通需求。

3) 实现无中心、自协商、自愈自组织的网络开通，支持节点移动、随遇入网需求。

4) 按需构建协同作战编组，网内节点根据位置、任务、状态按需要构建协同编组，协同网络带宽、时隙可动态调整。

5) 协同作战编组节点数量可变，协同网络可按需要建立、撤销[5]。

2.1.3 协同信息传输需求

按照防空作战对信息传输的需求，主要需求如下：

1) 指控信息：指挥节点可到达任意下属火力节点，信息传输时延应满足系统作战指挥需要。

2) 火控信息：任意协同节点间的信息传输时延应满足系统火控信息处理时间需求。

3) 通信距离：应满足系统作战覆盖范围，可通过多跳可达。

2.2 智能化网络需求

传统的网络构建方式是基于预案的协同网络开通，即根据预先规划好的作战方案，采取相应的网络配置、网络拓扑和时隙配置策略。由于战场环境的变化莫测，该方式具有局限性。如不同的地理位置、来袭目标的方位和特性、各节点的状态等因素较多，难以设计相对应的方案。因此，需要通过智能化的方式，根据上述因素，自适应的调整网络方案，有效利用网络资源，提高网络开通速度[6]。

2.2.1 自愈自组织的武器协同网络

自组织网络技术是一种能够临时快速自动组网的无线通信网络技术，在没有基础设施的情况下无需人为干预就能通过组网协议使相应节点完成网络自主构建、自主维护和自主管理，并通过多跳转发实现网络节点间的信息交互，网络具有良好的抗干扰能力和抗毁生存能力[7]。其特点如下：

1) 全分布式。采用移动Ad Hoc网络构建火指控网，完全由无线节点组成，没有固定基础设施。网络的运行、组织和管理都是分布式的，其可以自组织。

2) 网络动态拓扑。网内节点可以随机移动，网络拓扑在任意时刻可以发生变化。

3) 网络多跳可达。无线节点通信距离有限，当超过通信距离时，可以多跳可达。

2.2.2 宽覆盖智能电磁频谱感知

协同网络构建时，在对目标信号进行接入之前，可利用频谱感知技术监测待接入网络或者待接入设备，实时分析通信覆盖区域的频谱环境，自适应地调整系统的用频策略，避免与己方的用频设备产生自相干扰，从而可以缩短系统部署前的频率规划和协调时间。

实时监测和识别地方的干扰信号，针对不同的干扰方式，综合采用时域、频域和空域等多种智能抗干扰措施，灵活地调整通信波形参数，适应战场恶劣电磁环境，从而提高通信网络的生存能力和通信效能。

通过实时感知电磁环境的状态，通信系统能够调整工作参数，有效利用频谱资源，实现战场随时、随地高可靠通信，以及灵活、高效、自动化频谱协调与调度。

3 智能协同网络构建方案

3.1 智能协同网络总体方案

弹炮结合武器系统智能协同网络总体设计方案包括物理层的传输设备技术方案、网络层的组网控制方案和系统层的智能感知方案[8]，架构框图如图5所示。

在系统设计层面上，协同网络利用频谱感知技术实时分析武器平台所在区域的频谱环境，自适应地调整系统的用频策略和干扰对抗策略。采用认知无线电技术解决频谱分配与利用的难题，根据一定的学习和决策算法，实时自适应地改变系统的工作模式和参数，动态检测，有效利用频谱资源。同时利用机器学习技术实现自适应传输和网络智能规划，满足弹炮结合武器协同编组作战的网络快速开通、变更需求。

在网络层面，采用自愈自组织组网技术支持节点随机入网及退网，利用多跳路由支持网络内任意两个节点的通信。智能协同网络控制采用开放、统一的接入架构实现对网络节点的互联互通、智能转发、信息共享等功能，满足弹炮结合武器协同编组作战的高速、实时传输需求。

在物理层面，采用软件无线电平台和组件化波形设计，实现多种波形重构和自适应参数调节，同时在设计上考虑与现役设备的兼容，满足弹炮结合武器协同编组作战的抗干扰、可靠通信需求[9]。

3.2 基于认知的自适应协同网络构建

弹炮结合武器协同网络智能化的建立，应该基于认知无线电实现。认知无线电依靠智能化技术支持，具备感知无线通信环境，根据一定的学习和决策算法，实时自适应的改变系统的工作模式和参数，动态检测，有效利用空闲频谱、背景良好频谱，允许在时间、频谱以及空间上进行多维的复用，可以大大提高频谱利用率。自适应接入是利用认知无线电进行频谱监测，目的是自适应发现、识别、选择和接收用户子网的信号。

首先要进行宽频谱感知，即发现信号，发现弹炮结合武器节点；其次要解决对感知信号的模式识别。利用频谱感知自动寻找接入信号，通过调制识别和参数估计对信号的通信模式进行识别，从而依据波形库中的定义，判断其是否为可通信信号。

图6为基于认知技术的自适应接入方案的工作流程，接入设备的工作过程分为以下4个阶段[10]：

1)频谱感知：设备完成对外界电磁频谱的感知。

2)模式识别：通过模式识别手段，获得接收信号的详细信息，如功率、码速率、带宽、载频、调制模式等信息。

3)接入决策：根据识别结果结合通信波形库，最终完成信号是否接入的决策。

4)建立通信：对已确定为接入对象的信号，根据通信协议，建立通信，实现接入。

4 结束语

智能协同作战网络通过认知无线电技术，实现频谱感知，自适应选择，网络自适应开通，以及路由智能算法等，为弹炮结合武器系统提供高效、可靠的协同作战网络，提升武器系统整体作战效能。可通过智能化的网络资源配置、动态时隙策略，提供高速、高实时传输服务，为武器平台资源共享，实现相互导引、互操作等功能提供保障。总之，智能协同作战网络将成为武器平台从信息化向智能化发展的重要基础。