引言
2001年以來,為改變煙囪式分散獨立的情報信息系統使用模式,美軍一直致力于情報、監視、偵察\\(ISR\\)一體化信息系統建設和技術探索。
2003年的伊拉克戰爭中,美國空軍部署了第一代空軍型分布式通用地面站系統\\(DCGS-AF Block 10.1\\),地面站和情報分析處理中心通過地面光纖網和衛星鏈路與U-2高空偵察機、“捕食者”無人機及“全球鷹”無人機等空中平臺實時連接,指揮員、情報參謀和作戰部隊可共享和獲取U-2高空偵察機、“捕食者”無人機和“全球鷹”無人機數據。伊拉克戰爭后,美軍將DCGS-AF Block 10.1型改進為DCGS-AF Block10.2型,使其具備了網絡中心戰能力。
2005年6月,美 空軍又將DCGS-AF Block 10.2型改 進 為DCGS-AF Block 20型。
DCGS-AF經過5個版本升級和3個能力增量實現了最終目標。其中,第2版和第3版屬于增量1,第4版屬于增量2,第5版屬于增量3。目前,DCGS-AF第4版涉及的3種關鍵技術均已成熟,并在2007年“帝國挑戰”演習中得以驗證[1]。2014年2月25日,美國諾斯羅普·格魯曼公司在試飛中成功完成了美國空軍E-8C聯合監視目標攻擊雷達系統\\(JSTARS\\)與“全球鷹”無人機系統之間的雷達數據交換,JSTARS飛機內的操作員可 將 “全 球 鷹”無 人 機 作 為 附 加 傳 感 器,在JSTARS平臺上顯示并利用其雷達數據。諾斯羅普·格魯曼公司項目負責人評價說:“通過將JSTARS和‘全球鷹’無人機平臺性能進行結合,擴大了監視覆蓋區域,提高了探測精度,改善了目標跟蹤能力,壓縮了瞄準和攻擊決策鏈?！币虼?ISR一體化技術具有重要軍事價值以及廣闊應用前景。
2002年以來,國內軍事院校和地方研究機構廣泛開展了ISR一體化相關理論研究,取得了一定成果。文獻[2]介紹了美空軍ISR的含義和任務,分析了戰略、戰役及戰術層次ISR的內容;文獻[3]闡述了聯合作戰ISR一體化運用的特點。本文以作戰需求為牽引,從ISR一體化活動實例入手,對ISR概念內涵進行了分析和拓展,提出了ISR一體化體系運用發展設想。
1 ISR基本概念
美國JP1-02聯合出版物《國防部軍事和相關術語詞典》對情報\\(intelligence\\)的定義為“對外國、敵對或潛在敵對力量或其部門、實際或潛在作戰地域的信息進行搜集、處理、綜合、評估及詮釋后得到的產品;該術語還適用于獲得此類產品的活動以及從事這些活動的組織”。這一新定義在著重強調情報的本質屬性知識性\\(信息性\\)的同時,明確了情報這種信息產品的對外性和敵對性,尤其是將情報從產品內涵擴展到了活動和組織。情報不僅包括各種知識和產品,而且包括各種“組織,過程,以及搜集、處理、加工、分析和分發決策的活動”[3]。
美國空軍條令文件2-2.1《空間對抗》對監視\\(surveillance\\)定義為“通過視覺、聽覺、電子、照相或其他手段,系統地觀察某個或某些空域、空間區域、地球表面區域、水下和地下區域、位置、人群或事件時所采取的行動”;對偵察\\(reconnaissance\\)定義為“通過視覺觀察或其他探測方法,獲取敵方或潛在敵方活動和資源的具體信息,或者極力獲取某特定區域的氣象、水文和地理資料。一般來說,偵察有與執行任務有關的時限性要求?！?/p>
由定義可見,最早出現在C3I或C4I中的情報既可理解為信息產品,也可理解為為獲取這種信息產品而進行的活動,美軍中尤指聯邦調查局、中情局的觀察、竊聽、刺探、搜索、截獲和捕獲戰俘等情報活動,現在擴展到利用開源\\(open source\\)手段,通過對互聯網及公開出版物中的海量信息進行挖掘,獲取有價值的軍事和科技成果。監視通常指長久觀察和注視,主要針對時間敏感目標\\(time sensitive tar-get\\),具有持續性和全面性,觀察范圍更廣。對象除了敵方還包括全球公域、中立方和友方。監視強調的是對一個領域或事物的系統觀察\\(持續且全面觀察\\)。美國空軍E-8CJSTARS就是一種典型監視手段。偵察手段主要是針對敵方及特定目標、區域和任務,行動方式具有靈活性,特別是針對固定目標或固定的電磁目標,美國空軍中R系列飛機執行偵察任務,如RQ-4“全球鷹”無人偵察機可對敵方機場、雷達站、導彈陣地、港口以及橋梁等進行成像偵察,RC-135電子偵察機可對敵方地面預警雷達、制導雷達和通信設施進行偵察。
各國對ISR概念理解基本一致,描述不盡相同,本文從隱蔽性、敵對性、持久性、專注性、知識性、效用性及典型手段7個方面進行比較,如表1所示?！?】
由表1可見,情報活動的隱蔽性最強,獲取信息最有價值;偵察活動隱蔽性次之,獲取信息對于軍事行動具有重大價值;監視活動為暴露和公開,獲取敵方動態變化情報以限制敵方的行動。實際軍事行動中,ISR三者的活動已越來越模糊。尤其對于美軍,實施的是全球一體化ISR作戰,3種活動之間日趨融合,界限越來越模糊。特別是對具有共性的偵察與監視活動間的區分,只是體現在定義與概念上,在實際行動和手段運用上區別已不明顯[4]。如“全球鷹”無人機既可執行監視任務,也可執行偵察任務,通過電子情報截獲,還可執行情報任務。因此,ISR已經成為一個相互依賴、相互支持且不可分割的有機整體。
2 一體化系統架構
2.1組成
ISR一體化系統由傳感器層、信息處理層和情報應用層組成。在傳感器層通過傳感器綜合集成和組網管理實現傳感器一體化運用,實現偵察探測資源利用效能最高;在信息處理層,通過情報橫向融合和分布處理實現ISR信息處理一體化,實現情報信息處理流程最優;在情報應用層,情報生產服務一體化組織,通過需求分析、需求反饋不斷完善產品要素,提高情報質量,確保滿足作戰籌劃、指揮決策、武器控制和打擊效果評估活動的需要。ISR一體化系統組成如圖1所示。
2.2傳感器運用
ISR傳感器運用一體化包括單個平臺傳感器高度集成和多個平臺ISR組網運用2個發展方向。
傳感器運用一體化在同一個平臺上指不同類型的ISR傳感器收發天線和信號處理設備高度一體化,以及多種傳感器從多個側面對同一目標進行立體觀察,獲取多方面不同特征和內涵的信息。例如,“全球鷹”無人偵察機在一個平臺上集成有光電/紅外\\(IRST\\)傳感器、合成孔徑雷達\\(SAR\\)、信號情報偵察裝置及威脅報警接收機等傳感器,各種傳感器兼容協調工作。通過使用搭載的側視SAR,可在20km高空繞著朝鮮邊界飛行,幾乎可窺視整個朝鮮國土。在中國臨海線上空飛行,可探測到沿海地區的 重 要 目 標,可 從 多 重 地 面 雜 波 中 識 別20~200km/h行駛的移動目標,可探測并定位雷達和通信設施,目標定位圓概率誤差最小可達20m,通過電子偵察設備可實時監聽該地區的通信。通過光學、紅外和SAR成像組合偵察,不但保證了成像清晰度,還獲取了目標的隱蔽特征以及組成結構信息。
麥道公司已研制成用于先進戰斗機的多傳感器信息處理系統,該系統采用專家系統技術,利用雷達、紅外IRST、雷達告警和數據鏈進行空空目標搜索和跟蹤,搜索時間對跟蹤時間的比例隨探測目標數量改變而動態變化。傳感器協同工作過程中,雷達和前視紅外可完成自動空對面傳感器引導與空空搜索交替工作。
傳感器運用一體化指在多個平臺上預警探測、圖像偵察及信號偵察等傳感器的組合運用,從時間、空間、頻率和能量多方面互相補充,以提高偵察連續性、覆蓋系數、感知能力和探測精度。美軍在“打擊鏈數字化”計劃中提出了ISR“鐵三角”構想[5],將空中預警機、聯合監視指揮飛機及電子偵察飛機編隊布陣使用,由ISR平臺組成分布式網絡,通過空中骨干通信網共享圖像、電磁、文字和戰場綜合態勢情報信息,基于統一的空海態勢,指揮控制作戰飛機和電子對抗飛機接敵作戰、轟炸機對海突擊以及艦船攔截敵空中突防飛機。
偵察衛星、空中預警機、聯合監視指揮飛機、電子偵察機、無人機、地面雷達站及偵察站空天地組網運用,情報在各網絡節點分布處理,通過地面網絡、衛星廣播及數據鏈等方式分發情報產品,形成空天地ISR一體化信息柵格。ISR傳感器運用一體化架構如圖2所示。
2.3信息處理
ISR信息處理一體化指分布在空基、天基、海上及陸地的情報處理平臺共享無源和有源探測信息,除縱向進行專業情報處理外,橫向上情報圍繞產品進行綜合融合,專業情報支持至綜合情報產品形成的每個步驟,提高情報及時性、準確性、連續性和完整性?？栈秃Ｉ锨閳筇幚砥脚_前出作戰時自主進行數據處理和態勢融合,形成支持本平臺作戰的態勢產品。陸地情報處理平臺與分布在空中和海上的其他平臺對傳感器組網使用,各種手段探測情報按類型分為文字、圖像、電磁及點跡等進行交互式處理,傳感器反饋控制,位置信息互相參照,識別信息互相補充,形成陸?？仗旖y一戰場態勢。ISR信息處理一體化架構如圖3所示。
美國DCGS是一種跨軍種和國防情報機構的情報共享網絡,該系統以DCGS集成主干\\(DIB\\)互操作能力為核心,利用通用標準和工具在不同軍種的DCGS之間實現情報數據共享和協同。
DCGS-AF系統 可 對E-8聯 合 星 \\(JSTAR\\)、E-3預 警 機\\(AWACS\\)、U-2高空偵察機、“全球鷹”無人機、“捕食者”無人機、RC-135“聯合鉚釘”等偵察機獲取的情報,以及國防部、海軍和陸軍等其他軍兵種甚至其他國家的信息源各種手段獲取的情報,按圖像、信號、測量特征和文字等情報進行處理,按產品綜合融合,按需分發服務應用。陸軍型DCGS\\(DCGS-A\\)連接偵察地面站、偵察車、偵察船、偵察艇、偵察飛機、偵察直升機、偵察氣球、偵察飛艇及偵察衛星等多個平臺,可對來自各平臺的情報信息進行融合處理,為一體化聯合作戰提供精確式情報保障。
2.4情報產品生產服務
根據情報來源的不同,美軍將專業情報分為圖像情報\\(IMINT\\)、信號情報\\(SIGINT\\)、測量與特征情報\\(MASINT\\)、人工情報\\(HUMINT\\)、公開來源情報\\(OSINT\\)、技術情報\\(TECHINT\\)和反情報7種。根據情報生產目的,將綜合情報分為征候與預警情報 \\(I&W\\)、動 向 情 報 \\(CI\\)和 基 本 軍 事 情 報\\(GMI\\)、目標情報\\(TI\\)、科學與技術情報\\(S&TI\\)、反情報和評估情報\\(AI\\)。對于專業情報和綜合情報,美軍從信息的特征和來源2個角度進行劃分,從信息處理技術的角度看,有交疊情況。為避免信息處理過程的重復,本文將專業情報重新劃分為雷達、圖像、聲像、電磁、氣象水文、網絡、地理和文字情報;根據情報的內涵和作用不同,將綜合情報劃分為敵情動向、作戰目標、戰場環境、戰場態勢和專題情報5大類。每種情報對應不同的信息處理過程和技術,解決不同的作戰應用問題。
各種傳感器信號、數據和信息通過綜合形成一體化的專業和綜合情報產品,通過ISR產品一體化為情報用戶提供統一理解的戰場態勢。綜合情報產品由專業情報綜合獲得,綜合情報產品面向最終的指揮控制用戶,邊生產邊分發,對于高實時目標及時間敏感目標打擊,指揮控制用戶可直接調度使用專業情報,情報生產服務采用以用戶為中心的任務分配、發布、處理和使用\\(TPPU\\)模式。情報產品生產服務一體化架構如圖4所示。
2005年,美軍在DCGS-AF Block 20版本發布時提出TPPU的情報生產服務模式。
TPPU模式相對于傳統的線性任務分配、處理、挖掘和分發\\(TPED\\)模式具有以下優點:
1\\)時效性強:情報邊收集邊利用,邊處理邊利用,提高了情報利用的及時性,對于打擊時間敏感目標具有重要意義;2\\)情報質量不斷優化:采用基于反饋的機制,情報處理過程和方法根據用戶需求不斷改進,情報處理反過來控制偵察探測傳感器,情報精度不斷提高,情報要素不斷豐富;3\\)情報效益最大化:基于個性服務原則,不同的作戰階段和情報用戶,情報發布內容不同,零散的及不同可信度的情報信息均得以充分利用,情報精細服務于作戰的全過程,情報使用效益最大化。
3 關鍵技術
3.1多平臺多傳感器規劃
傳感器規劃依據一定準則,對傳感器資源進行合理科學分配,利用有限資源,滿足各種軍事需求,以達到系統性能的整體最優。不同作戰階段有不同偵察探測任務要求,如預警階段要求目標盡遠發現;跟蹤階段要求目標掌握連續;攔截階段要求目標精確定位;評估階段要求掌握目標的圖像信息。對情報產品的質量整體需達到最優,如檢測概率、截獲概率、航跡精度或丟失概率、目標識別率、識別準確性、目標探測覆蓋時間、覆蓋空間、覆蓋率、覆蓋維度等都應達到綜合效能最大?，F代戰爭環境日益復雜,傳感器探測平臺越來越多,傳感器種類越來越多,目標越來越密集,目標機動隱蔽特性不斷增強,傳感器使用要求高,這些都增加了傳感器任務規劃的難度。
當多個平臺多個傳感器同時用于多目標的檢測、跟蹤和識別時,需解決傳感器平臺的路徑規劃、傳感器與目標之間分配、傳感器工作模式控制以及傳感器頻率和能量調度等問題。此外,傳感器的使用還需考慮戰場環境的具體限制,如避免友軍干擾、自身平臺暴露、自身手段或頻率暴露等。
傳統傳感器控制主要依靠人工操作,隨著作戰環境的變化和作戰要求提高,人工操作已不能滿足作戰時機把握及作戰效能提升的要求,必須依賴人工智能等方法來解決。多平臺多傳感器規劃涉及傳感器平臺航跡規劃、傳感器偵察探測建模、作戰規則知識庫、人工智能引擎、偵察探測效能評估以及傳感器反饋控制等技術。
3.2圖像自動篩選判讀
情報中心接收衛星、無人機、有人偵察機和技術偵察手段獲取的偵察圖像,截取視頻序列幀,裁剪和拼接生成靜態圖像,合成各種圖像數據,針對動向掌握、目標識別及目標整編進行分析處理,生成目標和打擊效果評估成果,圍繞時間、區域和事件等進行圖像情報應用分析,為地理測繪以及武器目標匹配生產專題圖像情報產品。近年來,隨著衛星、無人機偵察傳感器和情報傳輸能力的不斷提高,情報中心能夠接入的偵察圖像數據呈爆炸式增長,系統面臨大容量圖像信息處理的難題。例如,美國空軍DCSG-AF系統每天獲取的偵察圖像達到3TB。如何從海量圖像中快速篩選出有價值的信息,成為困擾情報分析人員的重要問題。圖像自動篩選判讀技術則是解決以上問題的有效途徑。圖像自動篩選判讀涉及圖像過濾、目標變化檢測、圖像配準、目標識別模板匹配和學習訓練[6]等技術。
3.3復雜電磁信號分選
目前電磁情報信息處理中主要采用了基于多參數的信號分選、模板匹配的型號識別及無源時差/交叉定位等技術,并在一些系統中得以應用。隨著戰場電磁信號越來越密集,體制越來越復雜,導致輻射源脈沖隨機交疊的概率增大,跳頻捷變頻體制使信號復雜多變。此外,輻射源工作模式隨機切換,導致信號的分選與識別越來越困難。為了提高電磁信號分選結果的可信度,應在最小漏警率條件下最大程度減少信號交疊和信號參數變化引起的虛警,才能形成目標數量清晰且型號準確的電子情報。
通過引入新方法和新技術,突破難點問題,對偵察信號在時域、頻域和空域上進行高效的并行處理,并結合有效的人機交互,采用自動與半自動相結合形式,可實時從偵察信號中生成有效和完整的偵察情報。復雜電磁信號分選可采用參數聚類算法、脈內特征分析和全脈沖包絡分布特征分析法等。
3.4敵情動向智能識別
敵情動向情報包括敵方部署、人員/裝備/后勤實力、裝備性能、戰術戰法、作戰計劃、行動樣式、動機意圖及活動規律等內容。一般在利用航天航空、技術、電子和諜報等偵察手段獲得的情報基礎上,綜合考慮地理、氣象、社情和電磁等戰場環境的約束,通過情報綜合研究和評估分析得出結論,對制定我方作戰計劃具有重要價值。如何基于大量歷史態勢和事實,建立敵情動向識別模型,用電腦模擬人腦,甚至超越人腦,得出更科學準確的結論,是ISR系統面臨的重大挑戰。
美國陸軍的全源信息分析系統\\(ASAS\\)具有強大的情報智能分析推理能力。該系統可接收處理來自數十個戰術情報系統和多個傳感器的信號、電子、圖像和人工等情報,建立專家系統,融合多類知識、事實和證據,根據一個或多個領域專家提供的知識和處理問題的邏輯思維方法,模仿專家決策過程,提供敵情動向分析結果。
ASAS可利用編制的軟件處理各種不確定問題。只需向計算機輸入各種情報信息,專家系統即可向情報分析員提供一種高效分析推斷方法,憑借專用計算機程序或推理機檢查知識庫,作出推理判斷,最后生成高可靠性情報?？梢?專家系統是解決敵情動向智能識別的重要途徑。
3.5態勢信息關聯聚合
指揮員為集中注意力,提高決策效率,往往更關注戰場綜合態勢。戰場綜合態勢是戰場敵我雙方整體形態、作戰能力及變化趨勢的反映,包括空天、空海、空地及信息對抗等作戰過程中目標任務編組、部隊集群及進攻梯隊等分布部署,以及屬性、狀態、作戰能力、作戰計劃、協同關系、行為意圖、威脅形勢、要害部位和薄弱環節等態勢要素。一般在基本軍情、動向意圖、作戰目標、陸?？仗?、網電態勢及戰場環境情報的基礎上,通過關聯聚合的方法獲得。情報處理和數據融合將傳感器獲取的信號翻譯為數據,對數據處理生成信息,再對信息加工和分析生成情報,對紛繁、零亂的情報信息進行整理、關聯和聚合后生成敵方和我方態勢。態勢信息關聯聚合具有重大的軍事應用價值。
態勢估計的首要任務是推斷實體\\(或復合實體\\)之間的關系,也稱關系估計,包括關系的分析、識別、表征和預測[4]。例如,通過敵機機型及相互間的位置關系和運動趨勢,可分析識別編隊或機群之間的掩護、空中加油、指揮控制及進攻梯隊等關系;通過識別的敵機與艦船的類型型號、相互距離和運動方向,可推斷敵機的起飛平臺和空海協同關系。關系估計需融入更多的關于戰場整體或關系領域的情報信息,如人工情報、開源文檔情報、部/技偵情報以及已有數據資料。態勢估計之后,實現敵方整體作戰能力估計、整體意圖和威脅形勢預測以及戰場態勢整體形態的可視化表示。解決態勢信息關聯聚合問題主要涉及能力-意圖-威脅建模、統計推理方法、模糊推理方法、神經網絡方法、遺傳算法及基于知識的非結構化情報數據挖掘方法等。
4 結束語
本文分析了ISR的基本概念,闡述了ISR三者行動的日益融合,且界限日趨模糊的觀點。從傳感器運用、信息處理和情報產品生產服務一體化3方面歸納了ISR一體化的具體內容,介紹了ISR一體化體系結構,對情報產品進行了分類。對ISR一體化軍事應用中涉及的亟需解決的多平臺多傳感器規劃、圖像自動篩選判讀、復雜電磁信號分選、敵情動向智能識別以及態勢信息關聯聚合等5個關鍵技術進行了分析,并提出了關鍵技術解決途徑設想,探討了ISR一體化信息系統研制理論。隨著傳感器偵察探測能力的不斷提高以及作戰運用的日趨深化,ISR一體化體系框架相關技術將在后續研究中不斷完善。
