联合电子对抗装备体系仿真模型建模思路探析_于翔.pdf filename-=utf-8''联合电子对抗装备体系仿真模型建模思路探析_于翔.pdf

第 38 卷第 2 期2023 年 4 月系 统 工 程 学 报JOURNAL OF SYSTEMS ENGINEERINGVol.38 No.2Apr.2023联合电子对抗装备体系仿真模型建模思路探析于翔,何杰,宿丁(中国电子科技集团公司第二十九研究所,四川 成都 610036)摘要:电子对抗作战力量是信息化战争背景下电磁频谱作战的核心支撑.从体系的视角出发,围绕电子对抗体系作战能力的影响因素研究了电子对抗装备体系的定义和组成.数字空间仿真模拟是开展电子对抗装备体系运用研究的基础手段,围绕联合电子对抗装备的体系仿真,提出了电子对抗仿真模型的分级架构,全面研究了体系要素、体系关联关系、体系运行环境等三个维度的模型构建思路,形成了一整套联合电子对抗装备体系仿真模型的建模框架,为联合电子对抗装备体系仿真推演提供建模理论基础.关键词:电子对抗;装备体系;仿真模型中图分类号:TP273文献标识码:A文章编号:10005781(2023)02016908doi:10.13383/ki.jse.2023.02.003Research on modeling framework of joint electronic countermeasureequipment SoSYu Xiang,He Jie,Su Ding(The 29th Research Institude of China Electronics Technology Group Corporation,Chengdu 610036,China)Abstract:Electronic countermeasure is a core support in electromagnetic spectrum warfare in modern infor-mation warfare.From the perspective of the SoS(system of system),this paper gives an depth analysis ofthe definition and composition of electronic countermeasure equipment SoS according to the impact factors ofelectronic countermeasure abilities.Around the system simulation of joint electronic countermeasure equip-ment SoS,this paper proposes the model construction ideas,thoroughly investigates the three dimensions ofmodel construction in SoS:Elements,correlations,and operation environments in SoS,and forms a set of mod-eling framework of joint electronic countermeasure equipment SoS simulation model.This model can providea foundation for the simulation and deduction of joint electronic countermeasure equipment SoS.Key words:electronic countermeasure;equipment SoS;simulation model1引引引言言言2017 年,美国防部正式发布首部 电子战战略,明确将电磁频谱作为独立的作战空间,视为与陆、海、空、天等物理环境等同的作战域,将电磁空间所有要素作为一个整体进行统一考虑1.2020 年,我国通过立法形式在新版国防法中明确提出“国家采取必要的措施,维护在太空、电磁与网络空间等重大安全领域的活动、资产和其它利益的安全”2,电磁空间是具有新时代典型特征的国家重大安全领域3.信息化战争拼的就是体系作战能力,电子对抗作战力量作为电磁空间作战的核心,其装备体系建设和体系运用研究是形成电收稿日期:20221106;修订日期:20221126.170系 统 工 程 学 报第 38 卷磁空间体系作战能力的基础,是夺取和保持信息优势的关键.学术界对复杂体系的研究思路是以基于模型的系统工程方法(MBSE)为指导4,在数字空间构建联合电子对抗装备体系仿真模型,开展体系运用研究,研提装备体系建设需求和体系化运用方案,支撑电子对抗装备成体系建设、成体系发挥效能.目前,电子对抗装备体系的建模方法主要是根据电磁波空间传播和信号处理理论、电子对抗装备工程研制参数构建装备仿真模型5,6,可以满足电子对抗侦察、电子干扰等装备理论作战效能的仿真模拟79.但是,针对联合电子对抗装备的体系化运用和体系作战效能的建模仿真,还存在体系关联关系描述不充分,作战环境和人为因素考虑不足,体系作战效能计算缺失等问题.2电电电子子子对对对抗抗抗装装装备备备体体体系系系的的的认认认识识识体系(system-of-system,SOS)的基本含义是系统之系统,是相互关联起来实现指定能力的独立系统集合.从体系的组成和发展来看,体系的组成要素多样化,其运行需适应环境的变化,具备多样性、进化性和涌现性等本质特点4,10,体系的典型特征示意图如图 1 所示.等本质特点5,体系的典型特征示意图如图 1 所示 相互作用体系组成节点关联适应环境多样性能力涌现进化性环境图1 体系特征示意图装备体系是在国家安全和军事战略指导下,为发挥最佳的整体作战效能,由功能上相互联系、性能上相互补充的各种武器装备系统,按一定结构综合集成的更高层次的武器装备系统 联合电子对抗装备体系作为电磁空间领域的装备体系实体,是体系要素按照某种相关关系,在特定的环境中部署和运行的复杂巨系统,其基本组成是实体要素(体系要素)、关联关系(体系关系)和运行环境(体系环境),典型联合电子对抗装备体系组成如图 2 所示 体系要素由功能上相互关联的各类电子战装备及与装备相关的人员、组织、知识等实体 体系要素中每个系统的性能指标最优并不能保证体系效能最优,而体系结构的优化才是发挥体系效能的关键1112 因此,在联合电子对抗装备体系的体系要素基本完整的情况下,研究优化适应信息化作战环境的联合电子对抗装备体系关系是体系研究的重中之重 图 1体系特征示意图Fig.1Schematic diagram of feature in SoS装备体系是在国家安全和军事战略指导下,为发挥最佳的整体作战效能,由功能上相互联系、性能上相互补充的各种武器装备系统,按一定结构综合集成的武器装备系统集合.联合电子对抗装备体系作为电磁空间领域的装备体系实体,是体系要素按照某种相关关系,在特定环境中部署和运行的复杂巨系统,其基本组成是实体(体系要素)、体系关系和体系环境,联合电子对抗装备体系组成如图 2 所示.体系要素由功能上相互关联的各类电子战装备及与装备相关的人员、组织和知识等组成.体系要素中每个系统的性能指标最优并不能保证体系效能最优,而体系结构的优化才是发挥体系效能的关键11,12.因此,在联合电子对抗装备体系的体系要素基本完整的情况下,研究优化适应信息化作战环境的联合电子对抗装备体系关系是体系研究的重中之重.等本质特点5,体系的典型特征示意图如图 1 所示 相互作用体系组成节点关联适应环境多样性能力涌现进化性环境图1 体系特征示意图装备体系是在国家安全和军事战略指导下,为发挥最佳的整体作战效能,由功能上相互联系、性能上相互补充的各种武器装备系统,按一定结构综合集成的更高层次的武器装备系统 联合电子对抗装备体系作为电磁空间领域的装备体系实体,是体系要素按照某种相关关系,在特定的环境中部署和运行的复杂巨系统,其基本组成是实体要素(体系要素)、关联关系(体系关系)和运行环境(体系环境),典型联合电子对抗装备体系组成如图 2 所示 体系要素由功能上相互关联的各类电子战装备及与装备相关的人员、组织、知识等实体 体系要素中每个系统的性能指标最优并不能保证体系效能最优,而体系结构的优化才是发挥体系效能的关键1112 因此,在联合电子对抗装备体系的体系要素基本完整的情况下,研究优化适应信息化作战环境的联合电子对抗装备体系关系是体系研究的重中之重 图2 联合电子对抗装备体系组成示意图 电子对抗仿真模型结构电子对抗是通过电磁频谱发挥作用,关联了传统陆、海、空、天等物理空间 在现代信息化战中,电子对抗不仅是传统火力的辅助力量,充当着火力打击效能的“倍增器”,更是电磁域的“新质火力”,充当夺取战场制信息权和主动权的“定海神针”5 联合电子对抗装备体系关联的要素众多、关系复杂,对抗性和敏捷性突出 因此,围绕缩短电子对抗武器装备的建设周期、提高装备体系运用的效能,在数字空间运用数字模型和数据,对电子对抗装备体系进行仿真模拟是有效满足作战任务、快速适应作战环境、有力提升体系作战能力的重要手段 电子对抗装备体系仿真模拟环境主要包括了工具软件、仿真引擎、数据资源和仿真模型13,其核心基础是仿真模型 从仿真模拟的粒度划分,电子对抗装备体系仿真模型主要分为工程级、交战级、任务级和战役级四级 工程级聚焦装备研制和技术研究,仿真验证性能指标和技术可行性,包括机械、热力、结构、射频微波、信号处理等专业化仿真;交战级聚焦战术优化改进和作战效能,关注任务的具体交战环节,研究人、装备、关系、环境的最优适配;任务级聚焦协同任务,研究多平台、多兵力联合的规则、过程、关系;战役级模型聚焦联合作战,在战役级研究作战资源的优化配置、联合运用、能力聚合的关系 聚焦电子对抗装备的体系作战能力,电子对抗装备体系研究主要构建交战级和任务级模型,重点围绕装备及相关的体系要素、体系关系、体系环境进行建模,建模对象主要分为装备、人员设施、关系、行为规则、环境等,如图 3 所示 图 2联合电子对抗装备体系组成示意图Fig.2Form of joint electronic countermeasure equipment SoS第 2 期于翔等:联合电子对抗装备体系仿真模型建模思路探析1713电电电子子子对对对抗抗抗仿仿仿真真真模模模型型型结结结构构构电子对抗通过电磁频谱发挥作用,关联了传统陆、海、空与天等物理空间.在现代信息化战中,电子对抗不仅仅是传统火力的辅助支援力量,火力打击效能的“倍增器”,还是电磁域的“新质火力”,是夺取战场制信息权和主动权的定海神针4.联合电子对抗装备体系关联的要素众多、关系复杂,对抗性和敏捷性突出.因此,围绕缩短电子对抗武器装备的建设周期,提高装备体系运用的效能,通过在数字空间运用数字仿真模型和数据,对电子对抗装备体系进行仿真模拟是优化体系结构,敏捷适应作战环境,有力提升体系作战能力的重要手段.电子对抗装备体系仿真模拟环境主要包括了工具软件、仿真引擎、数据资源和仿真模型13,其核心基础是仿真模型.从仿真模拟的粒度划分,电子对抗装备体系仿真模型主要分为工程级、交战级、任务级和战役级四级.工程级聚焦装备研制和技术研究,仿真验证性能指标和技术可行性,包括机械、热力、结构、射频微波和信号处理等专业化仿真;交战级聚焦战术优化改进和作战效能,关注任务的具体交战环节,研究人、装备、关系与环境的最优适配;任务级聚焦协同任务,研究多平台、多兵力联合的规则、过程与关系;战役级模型聚焦联合作战,在战役级研究作战资源的优化配置、联合运用与能力聚合的关系.聚焦电子对抗装备的体系作战能力,电子对抗装备体系研究主要构建交战级和任务级模型,建模对象涵盖电子对抗武器装备、人员设施、关系、行为规则和环境,主要分为体系要素、体系关系和体系环境等 3 类,如图 3 所示。体系仿真模型组成装备体系要素模型体系环境模型装备体系关系模型 图 3电子对抗装备体系仿真模型组成Fig.3Form of joint electronic countermeasure equipment SoS simulation model4体体体系系系仿仿仿真真真模模模型型型构构构建建建聚焦数字空间模拟联合电子对抗装备的体系作战效能,需围绕体系仿真所需数字模型对各个环节开展建模,主要从联合电子对抗装备体系的组成要素、体系关系和体系环境等三个方面开展建模研究.4.1体体体系系系要要要素素素建建建模模模在信息化战争中,发挥电子对抗装备体系作战能力的要素不仅仅局限于联合电子对抗装备,还包括作战人员、保障能力、知识等要素,典型作战效能影响传递如图 4 所示.其中作战人员操作电子对抗装备的水平决定了装备作战能力发挥的大小;保障能力高低决定了装备故障后恢复作战能力的时间;知识是电子对抗装备发挥效能的核心,知识的完备性决定了作战效能,比如目标辐射源的电子目标信号库、识别库和干扰库等.因此,联合电子对抗装备的作战效能不是一成不变的固有能力,是敌我博弈、操作人员水平、保障能力与知识完备性综合影响的结果,体系要素建模需要进行统一考虑.电子对抗天然的对抗属性决定了敌我博弈关系是影响作战效能发挥的重要因素.以雷达干扰作战为例,雷达目标工作模式、抗干扰策略和信号辐射样式的变化改变了雷达的信号处理性能,影响了干扰机发射的172系 统 工 程 学 报第 38 卷干扰信号在频率域、能量域的积累,直接决定了干扰的作战效能.人员操作水平固有能力概率电子对抗装备理论作战效能电子侦察电子干扰侦察概率干扰概率统计操作人员水平,按等级划分建模保障能力知识完备性维修时间、执勤率、装备完好率建模目标对象完整性建模电子对抗装备作战效能模型 图1 电子对抗装备作战效能影响传递示意图 图 4电子对抗装备作战效能影响传递示意图Fig.4Schematic diagram of fighting efficiency transfer in electronic countermeasure equipment在作战能力概率特性的体现方面,电子对抗侦察综合考虑侦察装备射频通道传输、信号处理能力,构建信号截获概率模型,进而计算分析目标态势感知(测向、定位)、侦察监视(持续精确定位跟踪)的概率;电子干扰方面,要综合考虑雷达工作模式运用概率、干扰装备对特定雷达不同工作模式的对抗效果等信息,统计分析干扰机对特定雷达干扰起效的概率.4.2体体体系系系关关关系系系建建建模模模在关注单装能力的数字仿真中,关系建模重点以单个装备和系统为对象,描述装备系统内部的组成关系、通信关系,模拟仿真单个装备系统的作战效能14,15.围绕联合电子对抗装备体系作战能力的生成,体系关系的概念扩展为影响体系作战能力的系统所有关联,主要包括网络通信、协同关系、任务关系、影响关系以及对抗关系等方面,如图 5 所示.系统设施装备系统1装备系统装备系统2设备1设备2设备3设备4设备X组成关系系统内通信关系1234作战对象扩展对抗关系业务交互协同关系通信链路任务关系任务关系通信链路业务数据通信链路业务数据影响关系体系关系与系统示意 图 5系统关系与体系关系的对比Fig.5 Comparison of system relation and SoS relation在体系要素组成相对固定的条件下,体系关系的不同优化组合是体现体系进化型、涌现性的关键.围绕体系化对抗.体系关系的建模可以分为物理关系和任务关系.其中物理关系主要是装备实体间客观存在的关系,包括装备系统的物理组成、通信链路;任务关系是对灵活可变的信息化作战关联性的抽象和描述,包括指挥关系、协同关系、对抗关系和保障关系等,如图 6 所示.物理关系的建模主要体现装备实体的固有关联,而任务关系主要体现电磁空间作战的灵活多变特性.根据敌我态势、作战形势、目标及环境的变化,灵活调整体系要素间的关联关系,实时重构指挥链、态势感知链、火力打击链、电子进攻链和作战保障链,支撑体系化对抗过程的动态仿真.在联合电子对抗作战行动中,军委/战区的战略要求是联合电子对抗装备体系的总目标,总目标可以分解为电子对抗任务具体实现的子目标,子目标关联相应的作战任务,作战任务指派执行单元,即作战编组或者系统,实现体系总体目标、任务、执行单元的分解6,体系目标与任务、执行单元的关系如图 7 所示.通过优化任务,执行单元间的体系关系,支撑任务目标和体系总体目标的实现.第 2 期于翔等:联合电子对抗装备体系仿真模型建模思路探析173体系关系模型物理 关系物理链路关系逻辑链路关系数据链光纤卫通指挥数据流指挥关系共享数据流任务关系协同关系对抗关系保障关系上报数据流引导数据流物理组成关系电台 图 6体系关系模型组成图Fig.6Form of models on SoS relationship任务A装备1战略目标联合电子对抗体系总目标作战对象电子对抗指挥控制目标电子侦察目标电子进攻目标电子防御目标任务间协作关系任务B任务C任务D。装备2装备3。执行单元协作关系任务目标任务集/包任务执行单元对抗关系 图 7 体系目标任务执行单元关系图Fig.7 Schematic diagram of relationship on SoS entity-task-execution unit在联合电子对抗装备体系动态仿真过程中,体系关系的构建、调整和消除受外界客观条件的影响,通常分为决策机构人工调整、行为规则自主调整两类.对于战役级任务中可预见的敌我态势变化,由联合电子对抗指挥机构进行调整16,具体以行动指令、导调控制指令等方式进行人工配置,比如指挥关系、协同关系和保障关系等;对于战术级任务中战场态势的临机变化,在电子对抗作战规则、装备行为规则等规则模型的约束下,对装备执行单元的作战行为进行自主调整,比如临机协同作战关系、目标对抗关系等.以电子干扰无人机群执行防空压制任务为例,基于敌我态势和威胁度排序17、目标价值和干扰效益动态计算18等维度,分配电子干扰的对抗目标,实时调整无人机群间的协作分工关系、敌我目标对抗关系,在体系要素组成多样的基础上通过任务聚合产生多样性,实现任务目标效能的最优化,如图 8 所示.以协同侦察为例,空中预警机、电子侦察机、指挥所和地面侦察站等组成的电子对抗协同侦察体系按照既定作战流程执行空中、地海面电子目标的侦察任务.在空中侦察机截获高价值、高威胁的空中目标后,通过协同规则自动引导相关的地面侦察站对空中目标进行协同侦察、高精度定位,在传统电子对抗信号侦察能力的基础上产生能力涌现,形成高精度持续侦察监视的能力,如图 9 所示.4.3体体体系系系环环环境境境建建建模模模狭义上的电子对抗装备的体系环境特指在一定的战场空间内的电磁环境.根据电磁环境的定义和形成机理,电磁环境主要包括人为因素电磁辐射、自然因素电磁辐射和电磁传输影响因素等15,如图 10 所示.通过对战场电磁环境的建模,实时计算环境对装备作战效能的影响.174系 统 工 程 学 报第 38 卷协同网蜂群无人机无人机预警机防空反导驱逐舰航空母舰图 8无人机群体系对抗关系调整示意图Fig.8 Schematic diagram of confrontation relation adjustment of UAV swarm system协同运用指挥中心侦察机预警机地面侦察站辐射源地面侦察站地面侦察站协同运用指挥中心侦察机预警机地面侦察站辐射源地面侦察站地面侦察站协作关系临时调整图 9协作关系灵活调整示意图Fig.9Schematic diagram of adjustment in cooperation广义的体系环境是在电磁环境的基础上,面向体系作战效能进一步扩展,是影响电磁频谱作战能力发挥的外部环境要素总和,涵盖陆、海、空、天与电磁等物理空间对电子对抗作战效能的综合影响.例如,针对某一方向的联合电子对抗侦察能力,电磁环境对电子侦察装备个体效能产生影响,但是通过体系内电子侦察装备的结构优化,主要包括协同关系、空间位置关系和频域重复覆盖关系等,可以将电磁环境对整体综合能力的影响降低.5结结结束束束语语语信息技术的发展催生了电磁频谱作战,电磁频谱连接并控制陆、海、空与天等物理空间,是获取制信息权的关键.电子对抗是电磁频谱作战的核心手段,各军事强国均着力提升其体系作战能力.本文站在联合电子对抗装备体系的视角,围绕电子对抗装备体系的仿真模拟,研究了电子对抗装备体系的内涵,分析了电子对抗装备体系的仿真模型构建思路,形成了一整套联合电子对抗装备体系仿真模型的建模框架,可有效支第 2 期于翔等:联合电子对抗装备体系仿真模型建模思路探析175撑数字工程和数字平行战场中电子对抗装备体系构建和集成运用研究.信息化作战背景下,电子对抗作战力量的整体作战能力高低与装备体系要素组成合理性、体系结构关系优化程度及战场环境适应性等紧密相关.围绕体系作战能力的提升,通过联合电子对抗装备体系研究环境开展体系仿真模拟,牵引装备成体系建设,成体系发挥效能逐渐成为共识.后续将在体系仿真模型建模思路和框架的基础上,持续开展电子对抗装备体系模的构建和优化校验研究,支撑联合电子对抗装备体系建设与运用.影响的外部环境要素的总和 狭义上的联合电子对抗装备体系环境特指在一定的战场空间内的电磁环境 根据电磁环境的定义和形成机理,电磁环境主要包括人为因素电磁辐射、自然因素电磁辐射和电磁传输影响因素等14,如图 10 所示 通过对战场电磁环境的建模,实时计算环境对装备作战效能的影响 电磁环境模型人为电磁辐射自然电磁辐射电磁背景辐射雷电磁场宇宙辐射电磁对抗辐射电磁传输影响地理空间传输大气传输模型气象环境模型地形模型地貌模型地形遮蔽大气传输衰减大气波导传输电离层反射移动基站电视广播民用雷达电磁诱饵干扰源温度、湿度、气压、雨雾 图10 电磁环境模型组成图 广义的体系环境是在电磁环境的基础上,面向体系作战效能进一步扩展,重点考虑环境对体系组成要素的综合影响 例如,针对某一方向的联合电子对抗侦察能力,电磁环境对电子侦察装备个体效能产生影响,但是通过体系内电子侦察装备的结构优化,主要包括协同关系、空间位置关系、频域重复覆盖关系等,可以将电磁环境对整体综合能力的影响降低 总结与展望信息技术的发展催生了电磁频谱作战,电磁频谱连接、控制陆、海、空、天等物理空间,是高科技战争制信息权的关键 电子对抗是电磁频谱作战的核心手段,各军事强国均着力提升体系作战能力 本文站在联合电子对抗装备体系的视角,从电子对抗装备体系的认识出发,围绕数字空间的体系仿真模拟,分析了电子对抗装备体系的仿真模型构建思路,形成了一整套联合电子对抗装备体系仿真模型的建模框架,可有效的支撑数字工程、数字战场的装备体系构建和集成运用研究 在世界军事变革浪潮中,军队整体作战能力的高低逐渐与体系要素组成的合理性、体系结构关系的优化程度、以及与战场环境的适应性强相关 从体系作战能力的维度,构建联合电子对抗装备体系的研究环境,通过数字空间的体系仿真推演牵引装备体系的成体系建设、成体系的发挥效能逐渐成为共识 后续将在本文体系仿真模型建模思路和框架的基础上,持续构建、优化电子对抗装备体系模型和研究环境,不断开展装备体系建设与运用研究 参考文献:石荣 电子战战略推进 电磁频谱成为独立作战空间电子对抗布莱恩克拉克等 决胜电磁波 重塑美国在电磁频谱领域的优势地位国际电子战 编辑部译中华人民共和国国防法北京 法律出版社张晓康等 装备体系基本概念辨析兵工自动化高原 于翔等 网络信息体系中的电子战电子对抗刘永坚等 基于雷达干扰的对抗系统模型分析现代雷达侯道琪等 电子对抗作战实验系统中的雷达模型框架研究航天电子对抗图 10电磁环境模型组成图Fig.10Form of models on electromagnetic environment参参参考考考文文文献献献:1 石荣.电子战战略推进:电磁频谱成为独立作战空间.电子对抗,2018,(1):3645.Shi R.Electromagnetic spectrum become an independent battle space.Electronic Warfare,2018,(1):3645.(in Chinese)2 美国战略与预算评估中心.决胜电磁波重塑美国在电磁频谱领域的优势地位.国际电子战 编辑部译.2015.Center for Strategic and Budgetary Assessments.Winning the Airwaves-Regain Americas Dominance in the Electromagnetic Spec-trum.International Electronic Warfare,2015.(in Chinese)3 法律出版社.中华人民共和国国防法.北京:法律出版社,2021.Law Press China.National defense law of the Peoples Republic of China.Beijing:Law Press China,2021.(in Chinese)4 高原,于翔,熊键.网络信息体系中的电子战.电子对抗,2021(1):2632.Gao Y,Yu X,Xiong J.EW in network 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Chinese)作者简介:于翔(1983),男,四川达州人,硕士生,高级工程师,研究方向:电子对抗体系工程和信息系统,Email:;何杰(1987),男,四川简阳人,硕士生,工程师,研究方向:雷达对抗协同侦察和联合电子对抗体系集成运用,Email:;宿丁(1979),男,四川成都人,博士生,高级工程师,研究方向:电子作战仿真,Email:.