战场电磁态势感知关键技术研究

摘要：首先，概述战场电磁态势感知的含义、特点及度量方法；其次，分别对电磁信息获取技术、电磁态势估计技术、态势预测技术和战场电磁环境可视技术等关键技术的研究发展现状进行论述；最后指出：战场电磁态势感知对指挥员及时、准确和全面地掌握电磁态势，并作出有效的作战策略有重要意义。总结了目前的研究趋势和研究中存在的问题。

关键词：战场电磁；态势感知；关键技术

中图分类号：TN97文献标识码：A文章编号：1005-3824（2013）05-0020-04

0引言

现代战争不光取决于武器是否精良，也与信息获取是否充分密切相关，其中，制电磁权已成为赢得信息化战争的关键因素。电磁波在信息化战争中起到信息获取与传递、反侦察和干扰敌方等作用。电磁波是一把双刃剑，在对抗敌方的同时，难免会干扰到我方的设备。如果我们能随时准确地掌握周围电磁场的状态，及时调整我们的电磁策略，就可使得电磁波既可为我所用又可将电磁影响降到最小。在这种形势下，电磁态势感知应运而生。

态势可视化是电磁态势感知过程中人机交流必不可少的环节。而且，好的可视化技术能更直观、科学地展现战场电磁环境， 不仅有助于指挥员对战场电磁态势做出准确判断和科学决策，合理部署和调配战场力量， 而且对于联合作战指挥员准确把握战场态势也至关重要。

1战场电磁态势感知

电磁态势感知是指感知目标周围的电磁场数据，并把得到的数据经过处理、分析，得出周围的电磁环境当前状态以及预测将来的变化趋势，再将抽象数据转化成形象逼真的图像。普通电磁态势研究侧重于提高频谱的占用率及效率，而对于电磁干扰攻击研究较少。但在战场这种特殊环境中，电磁环境的成分除了我方的联络通信、设备控制和侦察电波等，还有大量敌方发射的干扰电波，甚至是针对我方通信的攻击电波，所以其环境更为复杂。

1.1战场电磁态势感知的特点

战场电磁环境的复杂性体现在其样式复杂、数量繁多、密集重叠、动态交迭的电磁信号上。战场电磁环境的特点是主观性、动态性、随机性和复杂性等，其中最本质的特性描述是复杂性。战场电磁环境的这些特点要求战场的态势感知应该具备以下主要特点[12]：

1）多类型、多功能和高性能的传感器。

战场环境更加复杂，为了对目标进行更好地探测、分类与处理，需要更先进的传感器来广泛地收集目标的多维特征，而且精确打击的使命还要求这些传感器有着较高的精度。广泛的传感器协同为态势感知提供了重要的性能优势。

2）通过战术数据链进行外部信源数据的传输与集成。

未来战术数据链的发展方向是高可靠性、低误码率、宽带的拓扑结构。但是未来的数据链不应仅是链路层进行数据通信的“网络控制器”，更应该是涉及应用层面进行互操作的主角。

3）具有高超的网络使能能力。

面向共享的态势感知的开发系统，是搭建网络使能能力的支柱，其能够完美地克服战术网络受到电子欺骗、干扰以及其他中断、拦截和易被地面终端捕获的主要弱点。

4）优化了的传感器管理能力。

针对广泛分布的各类传感器进行覆盖感知建模，从而辅助制定多种传感器部署方案，并对该方案进行评估和优化，同时考虑到战术侦察、电磁兼容管制等要求，及时对各类传感器进行控制。

5）直接与作战任务相关的人性化的战术图像表达。

根据作战任务实时性的要求编辑不同级别的战术图像，而且每一个作战任务都可以以灵活、有序的方式进行内容和版面的组织，具有非常友好的人机交互界面。

1.2度量方法

度量指标的选取各有不同，但都是描述电场的特点，如电场强度、信号频率分布、极化方式、功率大小和距离等。

对战场电磁环境复杂性的描述既要符合一般共同的宏观度量标准，又要满足根据不同个体和群体的特殊感知能力而产生不同的特定的度量标准的要求。为了满足这个要求，邵国培等人将战场电磁环境的复杂性评估划分为一般复杂性评估和特定复杂性评估。战场电磁环境一般复杂性的描述选取电磁辐射源空域分布、电磁信号频域分布、电磁信号强度分布、电磁信号种类和样式分布、背景噪声强度、信号密度、频率占用度、频率重合使用度等作为度量指标。而文献[3]更为详细地讨论了战场初始电磁态势信息的度量，将初始电磁态势信息划分为语法信息、语义信息、语用信息和态势全信息，从不同角度度量战场态势。

2战场电磁态势感知关键技术研究现状

Endsley提出了第一个态势感知3层模型：态势要素提取、态势理解和态势预测。由于态势感知的结果要呈现给人们，所以态势感知系统通常是4层：态势要素提取、态势理解、态势预测和态势可视化，如图1所示。该模型对网络安全态势感知、战场电磁态势感知等的研究有重要意义。

我国近十几年才开始对战场电磁态势感知技术进行深入研究，从宏观模型到每个环节的技术，从信息获取到数据分析，从目标分辨到态势估计、预测直至可视化、仿真都有涉及。本文根据图1所示，将各研究技术划分为电磁信息获取技术、电磁态势估计技术、态势预测技术和电磁环境可视化技术4类来阐述。

2.1电磁信息获取技术

战场电磁态势复杂多变，电磁信息种类繁多，随机性大，如何及时、有效、全面地获取态势信息对准确把握战场态势起着基础性作用。首先，电磁态势监测采集的信号包含多种源信号，需经过分离才能够分析各信号。采用FastICA分离算法，可将相互统计独立的源信号从观测的未知源混合信号中分离，其中的FastICA算法采用定点迭代的优化算法，使得收敛更稳、更快[4]。对雷达型号的准确识别需要融合多个传感器的信息，采用基于确定性理论的不确定推理技术可以把多个传感器在多个周期的侦察信息进行融合。不过要求的正确识别率越高，融合次数就越大，该算法所需的时间也就越多[5]。针对先验概率和条件概率不确定、参数信息不完整的辐射源，先使用模糊匹配方法完成一个周期的识别，再用DS证据理论融合多周期的结果数据，可以有效提高辐射源识别的正确率[6]。或者采用Vague聚类方法，通过对构建的布尔矩阵逐行扫描，能同时考虑目标数据的全部正确信息和不精确性信息，方便地实现对目标的分选[7]。

2.2电磁态势估计技术

电磁态势估计技术是在前面提出的电磁信息获取技术的基础上提出的一种基于直觉模糊决策的战场态势评估方法，其对整个战场当前态势进行综合评价[8]。针对单架飞机对单个保护目标的威胁估计，可以使用基于混合贝叶斯网络的电磁态势估计模型，也可使用稳态条件高斯推理算法。稳态条件高斯推理算法不仅能够计算查询变量的均值和方差，还能精确计算连续变量的边缘概率密度，有利于掌握威胁变量的取值规律，因此，是解决电磁态势估计问题的一种有效方法，而且威胁估计的精度高。将以上2种模型推广，均可估计多架飞机对多个保护目标形成的威胁[910]。针对复杂电磁环境下观测数据的不确定性，可利用模糊动态贝叶斯网络来进行电磁态势估计，及时跟踪辐射源威胁等级随时间的动态变化，而且模糊动态贝叶斯网络法还可以滤除传感器的误差甚至失误，保持评估过程的鲁棒性[11]。

编队辐射源态势评估涉及到威胁等级划分的问题，宏观上划分过细，不利于指挥员把握战场电磁态势，微观上精细的划分才能体现差异，利于资源分配。文献[12]通过先宏观划分威胁等级，再从微观上计算威胁系数来解决这个矛盾，这个方法为指挥员全面把握战场电磁态势、合理分配资源带来便利。

2.3态势预测技术

获取态势信息，做出威胁估计后，我们可以根据经验来估计下一刻的态势演变。将博弈论应用于通信对抗态势预测是一种从战略角度预测的方法[13]，预测过程如图2所示。

这种方法通过分析、对比敌我双方的通信电台和通信干扰机性能参数，列出一个由不同接收方式和干扰方式组合的受益矩阵，从矩阵中可以很清楚地看到双方选取哪种方式最有利，从而预测对方可能采取的攻击方式，有针对性地加强防御。

关于态势预测，网络安全态势感知中有一些成熟技术，在以后的研究工作中可以考虑借鉴使用。

2.4战场电磁环境可视化技术

在战场态势感知中，电磁环境可视化技术是将抽象数据转化为图像的技术。可视化技术作为一种用于知识发现与理解的工具将成为战场电磁环境的最重要的表现手段和核心技术， 由此将给指挥人员带来思维方式与认识方式的根本性改变。

为了让指挥员直观、快速地了解战场电磁态势，态势可视化应遵循以下原则：

1）以指挥员的需要为出发点；

2）真实、贴切地反映战场实际态势；

3）全面反映客观电磁环境；

4）在全面的基础上，做到重点突出；

5）表达方式必须迅速、简洁、直观和可用。

2.4.1可视化内容的划分

战场电磁态势可视内容划分有以下3种方法：一种方法是从电磁信号密度特征、强度特征、样式特征及信号分布特征来划分电磁环境构建的要素[14]；第二种方法是将战场电磁环境的构成分为人为电磁辐射、自然电磁辐射和辐射传播因素等3个部分[15]；第三种方法对可视化的内容划分更详细，如图3所示。

2.4.2可视化研究现状

国内电磁态势感知可视化技术研究在加入地图，提高速度，绘制方法GIS具有空间分析能力强、数据来源广泛、工作方式直观形象等特点方面，比一般意义上的信息系统更适合在对空间数据的查询和分析功能要求较高的领域使用。利用GIS技术的地图功能可以简化战场电磁环境可视化的模块[1618]，不过GIS数据库中的综合自然环境模型会对作战模型产生什么影响以及怎样产生影响、实现方式和结果如何，有待进一步的研究[18]。此外，MapX技术可以将地图功能方便地添加到任何应用中去，提高地图处理和显示的速度，将MapX应用到电磁环境态势显示系统中，更利于分析仿真数据[19]。

战场上时间就是生命，为此，人们对可视化算法的效率和速度做了各种研究。GIS中获取整个区域态势的方法主要是空间插值算法，这种算法误差较大，卢涵宇等人改用曲面样条插值算法可以更有效地逼近真实值[20]。利用Delaunay 三角网构建二维电磁态势图时，对三角网生长算法中的前沿边推进算法中点的搜索方法进行的改进，提高了构网效率，从而提高了电磁态势显示的速度[21]。而文献[22]利用GPU的通用计算能力，将等值面的提取放进GPU里面执行，提高了等值面的提取速度。

对于整个系统的仿真研究如下。将基于脉冲流描述的态势显示方法用于可视化，选取电磁环境中的侦察接收机为对象，利用脉冲描述字对作战空间内各辐射源的射频脉冲进行建模，生成接收机处密集而时变的脉冲流，经过时域、频域、空域、功率域等的统计分析， 完成战场电磁环境态势的综合显示[23]。基于HLA并采用模块化结构的仿真体系结构便于综合电磁环境感知和可视化的各项技术[24]。

电磁态势体数据的可视化的体绘制、面绘制和切片法是三维可视化的方法，在此基础上进行的各种改进优化了绘制算法。一种方法是采用LongleyRice电波传播衰落模型生成可视化数据，然后采用多层等值面的方法来表现不同强度的电磁环境分布，解决了针对面绘制方法在对体数据内部细节表现的缺陷[22]。另一种方法是把OpenGL引入电磁态势三维可视化系统中，作体数据切片渲染[24]。还有将粒子系统用于绘图，并开发了球状、雷达、扇面等不同的电磁符号，以便更有区分度地表现不同态势。粒子系统可以更好地绘制不规则图形，不过占用内存大，绘制效率较低[25]。

作为战场指挥员“眼睛”的雷达在认识战场环境中起着至关重要的作用。人们对于雷达的表现模型进行专门的研究，这些模型可以根据实际的雷达参数快捷地给出雷达的作用范围[2628]。

3结束语

战场电磁态势感知对指挥员及时、准确、全面地掌握战场电磁态势，作出有效的作战策略有重要意义。目前的研究从速度、效率、辨认精确率等方面不断改进战场电磁态势感知技术，但针对电磁态势感知要素的获取与预测的研究还很少；此外，由于战场环境较为特殊，研究中如何尽可能全面地还原真实环境，严谨地检验仿真结果还有待深入研究。

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