基于无人机集群的综合一体化告警自卫系统设计

王 昊，张 敏，张振华，胡继军，刘平原，刘少坤，纪永刚

（1.中国石油大学（华东）海洋与空间信息学院，山东青岛 266580；2.北京遥测技术研究所，北京 100076）

0 引 言

随着无人机技术的快速发展，其在电子战领域的应用不断受到重视。相比于传统的陆基和空中电子战平台，无人机在战场上具有成本低、转移性强、便于维护等优势，既可以搭载多种电子装备，又能够快速机动，还可以配备不同武器装备进行协同作战，鉴于其较小的雷达反射面积，还可以在复杂战场环境下实现对敌方雷达的干扰和瞄准，对增强作战效果具有重要作用[1]。

无人机集群由一定数量的同类或异类无人机组成，利用信息交互与反馈、激励与响应，实现相互行为协同，适应动态环境，共同完成特定任务的自主式空中智能系统。其可与有人机协同，组成作战群体，提供支持并额外增强有人平台的作战效能，无人机集群在现代战争中正以一种新的概念和应用方式逐渐崭露头角。作为无人机集群的重要组成部分，告警自卫系统在复杂战场环境中确保态势感知和生存能力至关重要。但传统的告警自卫系统在功能划分和战场适应性等方面存在一定局限性，往往集成化水平和智能化程度有待提高，在决策能力上对主指挥机的依赖性较强，且功能较为单一化，无法有效地对抗现代战争中复杂的战场威胁。因此，迫切需要为无人机集群设计一种多功能兼具智能化的告警自卫系统。

1 机载告警自卫系统的发展

机载告警自卫系统主要用于接收敌方雷达信号并进行快速决策的电子战设备，已被广泛应用于军用战斗机和直升机等平台，其可以通过截获和分析照射到载机上的雷达信号，向飞行员提供辐射源的类型、方位和威胁程度等信息，来帮助飞行员掌握战机的实时态势，以便采取恰当的电子对抗措施或战术机动措施等[2]。

传统有人机载告警自卫系统诞生于20 世纪60 年代，发展至今已经经历了多次升级换代，在技术上不断取得突破，大致可以归纳为以下几个阶段。

初期阶段：20 世纪50 年代—60 年代是机载告警自卫系统的起始阶段，系统设计相对简单，主要由射频前置器、接收机和信号处理器三部分组成。但由于当时技术水平的限制，机载告警自卫系统的信号适应能力较差。

发展阶段：20 世纪70 年代—90 年代，随着雷达技术、电子战技术和计算机技术的发展，机载告警自卫系统得到了很大的改进和发展。其主要的技术创新集中在以下几个方面：

1）波形振荡器：波形振荡器相当于一个具有高速计算能力的信号处理器，在告警自卫系统中起到至关重要的作用。它能够快速地变换雷达的信号波形，便于在信噪比低、干扰强的环境中更好地区分敌我目标。

2）数字信号处理：数字信号处理技术的引入可以实现更快、更准确的信号处理，这对于机载告警自卫系统而言有着极为重要的意义。该技术可以在提高告警自卫系统的处理速度和可靠性的同时还能保证信息传输的安全性。

3）HIRF 防护：HIRF（高强度辐射场）防护技术是一种电磁兼容技术，用于确保机载告警自卫系统在高电磁环境场景下仍能正常工作。采用HIRF 防护技术可以保证系统在受到高电磁辐射（如雷击、EMP 等）影响后继续执行指定任务。

相对于上一阶段的产品，它们在功能上得到了极大的拓展。首先，它们能够分析雷达的扫描方式并判断雷达的工作状态；其次，能够接收多个目标信号，收信能力极大提升。但是这些产品仍然延续了初期阶段产品的作用体制，仅能对少量特定目标进行告警，因此仍存在较大的局限性。

现代化阶段：20 世纪90 年代之后至今，随着计算机科学、通信技术、航空电子技术的飞速发展，机载告警自卫系统进一步向数字化、网络化、集成化和智能化方向发展。主要特点体现在以下三个方面：一是具有极强的电磁环境适应性，即使在非常复杂的百万级信号环境下也能准确识别信号源并保持良好的工作状态；二是能够与箔条、曳光弹、烟雾弹、反辐射导弹等电子对抗资源相互协作，形成一套更完整的综合一体化的告警自卫系统；三是能够显示多批次雷达类型、位置和威胁等级等信息，从而提高告警能力。相比于之前的告警自卫系统，该阶段的产品已经实现了全方面的提升，极大地满足了现代战争中作战飞机威胁告警的需求。

无人机载告警自卫系统作为一种新型电子战装备，于2000 年左右开始出现。当时，美国、以色列等国家陆续研发出了一些类型的无人机载告警自卫系统，其主要技术特点是集成可控的实时信号处理、目标跟踪和警告指示等模块，能够及时探测和对抗敌方雷达探测和干扰装置。近年来随着无人机技术的成熟和普及，无人机载告警自卫系统得到了广泛的关注和应用，告警自卫系统不仅仅局限于单独工作，而是与机载的其他载荷协同配合，这种配合可以使得无人机具有更强的侦察、监视和打击等能力，同时也有着更好的隐蔽性和机动性。当下，随着雷达技术、信号处理和计算机技术的快速发展，无人机载告警自卫系统进一步向数字化、集成化、网络化和智能化的方向发展。

2 无人机集群的告警自卫系统应用场景及设计需求

目前常规无人机载告警自卫系统设计已基本成熟，但各任务单元在信息共享和资源协调上还存在着效率不高的问题，这也成为当前各国的研究热点问题之一[3]。相比于传统无人机，无人机集群是现代无人机发展的一个新方向，作为一种具有一定智能化和自主化的无人机应用模式，其可以在高威胁环境下进行多种任务[4]，如主指挥机可在敌防空火力外通过数据链指挥多架无人机，使无人机集群在前方扮演“耳朵”和“眼睛”，执行目标搜索和跟踪甚至直接进行打击等任务。除此以外，还可以由多架不同类型的无人机混编成队，统一由防区外主机指挥，各无人机既可以分别搭载不同类型的载荷，承担不同作战任务，也可以搭载同类型载荷，协同交替掩护作战。

无人机集群告警自卫系统作战是以对作战对象的无源侦察/有源探测的目标识别、打击确认和引导打击、作战效果评估为链条。鉴于无人机集群丰富的应用场景，为保证无人机集群的作战效能，提高战场生存能力，其搭载的告警自卫系统需要及时发现威胁目标，并提供方位、类型和威胁等级等信息，倘若遭受打击，需第一时间告警并做出反应。由于集群对抗中信息的多元化和不完全、不确定性，无人机集群告警自卫是一个复杂的动态变化过程，空战对抗态势随着时空和作战进程的推进而不断更替[5-6]。即无人机依据敌我双方态势、自身飞行状态、自我资源等因素，采取任务与资源匹配的攻击策略，如攻击敌机、威胁回避、支援友机、战术协同等，使得在对敌攻击、瓦解敌方意图、态势评估和自身损失等方面的综合效益最大化。

尽管集群对抗的协同优势主要是基于信息融合和资源互补实现的，但单体无人机是任务的直接执行者，作为具有一定智能化的单体无人机，须依据动态态势和相应准则调整自身策略，并持续与集群中的其他平台协同交互，促使对抗过程不断演化，以达成作战使命[7-8]。故对于小规模的无人机集群告警自卫系统应同时具有电子侦察、告警及电子对抗等多种手段，来为集群自身和主指挥机提供安全的战场生存环境和态势情报支援，以进一步达到破坏敌方的电子战任务。为保证无人机的多功能性和机动灵活性，其搭载的小型化和轻量化的告警自卫系统在设计时需要尽可能地考虑到以下几个要点：

1）网络化：鉴于无人机集群的多种应用场景，其搭载的告警自卫系统可以通过与其他无人系统或作战平台的网络进行互联，以确保可以获取更多的情报和支持，实现更加高效的联合作战。

2）系统集成化：集成化的设计可以将多个功能模块和部件整合到一个统一的平台上，共用部分模块和组件，旨在提高系统的整体性能和操作效率，以提高系统的可靠性和稳定性[9]，在减少故障率和维护成本的同时，还能够大大减少系统重量和占用空间。

3）隐身能力：在现代战争中，隐身能力可以有效地降低被敌方侦察和攻击的风险，提高无人机的战场生存能力和作战效果，告警自卫系统的设计也需要充分考虑到这一点。

4）自主化作战：随着人工智能和自主化技术的不断发展，无人机集群告警自卫系统的设计同样要注重自主化作战能力。在无人机受到高等级的威胁告警时，应第一时间进行自主机动或干扰对抗，这样既可以大大提升作战效率和灵活性，又能够降低对主机操控人员的依赖性，减少反应时间，提高战场存活能力[10-13]。

5）多模式作战：相比于主指挥机，无人机集群往往前出到比较复杂的战场环境当中，也意味着会遇到各种各样的威胁情况，为适应不同的作战环境，要求告警自卫系统能够在不同的场景下切换不同的作战模式。

3 一体化告警自卫系统设计

为了满足无人机集群的应用设想，对其搭载的告警自卫系统进行了全面改进和完善。除了传统的告警功能外，该系统还集成了侦察和干扰对抗等功能。这使得无人机集群能够更好地感知和识别战场上的威胁，并采取相应的对策。此外，为了提升系统的智能化水平，还引入了智能信息处理设备，该设备能够对接收到的雷达信号进行智能分选和处理，从而提供更准确和及时的威胁情报。在特定情况下，该系统还具备自主决策的能力，使无人机集群能够更快地做出反应，提高其在战场上的任务完成能力。

本文系统主要分为无人机任务分系统、主机指挥分系统和地面数据管理支持分系统三部分，如图1 所示。

图1 无人机集群告警自卫系统组成

无人机任务分系统主要包含侦察告警单元、干扰对抗单元和数据存储单元，用以实现无人机集群的电子侦察、告警和对抗任务。

主机指挥分系统主要包含机载显示控制单元和数据融合终端，通过机载数据链，实时把握无人机集群动向，处理其采集的战场情报，对战场态势进行掌握以便做出对策。

地面数据管理支持分系统主要包含数据库加/卸载单元、综合数据分析单元和地面显示控制单元，该系统通常在战斗前对无人机集群、主机的数据库进行维护或在战斗后对战场采集到的情报进行处理分析。在系统的应用过程中，为实现更高效的任务执行和作战能力，无人机集群与主指挥机之间需要建立一个可靠的自适应指挥通信网络，以实现数据互联和指令交互。在该网络中，通过自适应的通信协议和算法，无人机之间可以智能地进行感知、决策和行动，同时还能够利用该网络与主指挥机实现集群感知，共享感知数据和任务信息。

3.1 无人机任务分系统

无人机任务分系统主要负责对作战区域内的雷达信号进行侦察、监视和跟踪，同时为保证其自身安全，可利用其搭载的智能信号处理机对截获到的雷达信号进行分析并自行测算辐射源方位，根据数据库判断威胁类型和等级等信息，并按照特定流程进行机动规避或对辐射源进行干扰对抗。同时，还可以通过机载数据链（自适应指挥通信网络）与主机驾驶员进行数据交互，及时提供威胁目标的方位威胁等级，以便主机驾驶员更好地把握战场态势，从更高的层级对辐射源进行电子干扰或引导己方火力对其实施打击。

该系统由侦察告警单元、干扰对抗单元和数据存储单元组成，各单元共用部分组件，系统采用模块化接口，具体组成如图2 所示。

图2 无人机任务分系统原理图

天线阵列射频前端、数据存储单元（雷达信号存储器、雷达信号数据库）和智能信号处理机为各单元通用组件，配合侦察/告警接收机组成侦察告警单元，配合干扰发生模块和诱饵发射装置组成干扰对抗单元。各模块/单元通过光纤总线进行数据传递，并可通过机载通信数据链（自适应指挥通信网络）将无人机集群的实时动态和采集的情报传递至主机指挥分系统。

为提升无人机的隐身性能，降低被敌方雷达探测到的概率，在天线布局上将采用蒙皮一体化的阵列天线布局，一方面能够减小机体受空气动力学干扰，提高载体的机动性能，另一方面还可以减轻载机的重量和空间占用；在通信过程中采用频率跳变、扩频、分集等加密技术和抗干扰手段，防止被敌方窃听和干扰，以增加通信的安全性和隐蔽性。同时，为了减轻系统重量、降低成本以及保证告警自卫系统和其他电子系统的电磁兼容性，避免传统电缆在传输过程中发生串扰的问题，本文系统在各单元的传输通道部分将采用微波光子技术，以便充分利用其在雷达组件的重量、体积、带宽、抗电磁干扰等方面的优势，构建性能优越的综合一体化告警自卫系统[14-15]，如图3 所示。

图3 无人机任务分系统微波光子技术示意图

3.1.1 侦察/告警单元

侦察/告警单元主要负责对辐射电磁源的搜寻、截获、定位、转存和分析。为保证无人机自身的安全，该单元通过测量和分析照射到无人机上的雷达信号，通过智能信号处理机和信号数据库对雷达信号进行智能分选，并识别威胁信号，提取该信号特征转存至雷达信号存储器，同时供辐射源的方位、工作模式、型号类型、威胁等级等特征参数并告警。

该单元还可通过自适应指挥通信网络与集群当中的其他无人机共享战场信息，协同对目标进行定位，或交替释放信号以掩护主指挥机的作战意图和行动方向，并根据无人机集群的感知信息，由各智能信号处理机的预置决策自行调整战术队形及侦察任务规划。侦察/告警单元工作原理如图4 所示。

图4 侦察/告警单元工作原理图

3.1.2 干扰对抗单元

干扰对抗单元主要以侦察/告警单元侦搜到的目标情报信息为基础，担负着对辐射目标进行欺骗干扰甚至引导火力摧毁的任务，单元工作原理如图5 所示。

图5 干扰对抗单元工作原理图

通过智能信号处理机对采集到的信号进行分选和比对，自主选择最佳决策，一方面可以经干扰发生模块对原信号进行修正，传输至天线阵列射频前端对目标源进行转发式干扰；另一方面可以根据实际威胁等级，在自主控制无人机机动的同时，调用诱饵发射装置释放箔条或红外诱饵弹，以降低被敌方雷达锁定的风险。除此以外，该单元同样可以通过自适应指挥通信网络进行战场情报交换，无人机集群既可以自行决策最佳的交替掩护方案，使其具备编队诱扰的能力，也可以接收主机指挥分系统的指令，用来完成其他多样式的协同干扰对抗任务，用以掩护主机的行动意图。

3.1.3 数据存储单元

数据存储单元主要由雷达信号数据库和雷达信号存储器组成，雷达信号数据库主要存储一些已知的信号类型、频率等参数，用于和侦察告警单元所截获的信号做类比，为智能信号处理机提供研判、决策信号库；雷达信号存储器主要存储战场上截获的经过智能信号处理机分选过的目标辐射源信号，为干扰发生模块提供信号源特征参数。

3.2 主机指挥分系统

主机指挥分系统通过机载数据链（自适应指挥通信网络）接收无人机集群侦察、截获、监视的数据，并配合各无人机自身的导航定位系统，主要负责无人机集群的任务规划、飞行姿态监控、侦察数据融合以及为干扰对抗单元直接下达指令任务等。该分系统由综合信号处理机、数据融合处理终端和显示控制单元组成，具体组成如图6 所示。

图6 主机指挥分系统原理图

综合信号处理机负责处理无人机集群在自适应指挥通信网络中的信息输出，并通过数据融合处理终端将该类信号进行融合处理，同时对目标的频率、类型、方位和威胁程度等参数做综合化，生成态势图，以便主机驾驶员可以更好地了解战场态势，并准确做出任务规划。

3.3 地面数据管理支持分系统

地面数据管理支持分系统主要工作在非交战时、空域内，通过地空通信数据链传输数据，负责战前情报传递和战后情报分析等任务。该系统由综合信号处理机、数据分析管理终端、显示控制单元和数据库加/卸载单元组成，如图7 所示。

图7 地面数据管理支持分系统原理图

数据库加/卸载单元主要是对无人机的数据存储单元进行操作，通常在任务准备阶段和任务完成后的数据分析阶段使用。

4 结 语

无人机集群是无人机技术的一个重要应用方向，随着现代战争形势的发展，无人机集群的告警自卫系统的研究和应用具有重要的现实意义。本文从需求出发，以无人机集群的应用场景和自身安全为出发点，阐述了其告警自卫系统的特点和设计原则，提出了一种基于无人机集群的告警自卫系统设计架构，并对系统的组成和各单元功能、作用流程等方面进行了阐述，该架构在设计中参照了模块化、综合一体集成化和智能化等要素，为今后更大规模无人机集群的网络化告警自卫系统设计提供了一定的参考。

注：本文通讯作者为王昊。