引言
2001年以来,为改变烟囱式分散独立的情报信息系统使用模式,美军一直致力于情报、监视、侦察(ISR)一体化信息系统建设和技术探索。
2003年的伊拉克战争中,美国空军部署了第一代空军型分布式通用地面站系统(DCGS-AF Block 10.1),地面站和情报分析处理中心通过地面光纤网和卫星链路与U-2高空侦察机、“捕食者”无人机及“全球鹰”无人机等空中平台实时连接,指挥员、情报参谋和作战部队可共享和获取U-2高空侦察机、“捕食者”无人机和“全球鹰”无人机数据。伊拉克战争后,美军将DCGS-AF Block 10.1型改进为DCGS-AF Block10.2型,使其具备了网络中心战能力。
2005年6月,美 空军又将DCGS-AF Block 10.2型改 进 为DCGS-AF Block 20型。
DCGS-AF经过5个版本升级和3个能力增量实现了最终目标。其中,第2版和第3版属于增量1,第4版属于增量2,第5版属于增量3。目前,DCGS-AF第4版涉及的3种关键技术均已成熟,并在2007年“帝国挑战”演习中得以验证[1]。2014年2月25日,美国诺斯罗普·格鲁曼公司在试飞中成功完成了美国空军E-8C联合监视目标攻击雷达系统(JSTARS)与“全球鹰”无人机系统之间的雷达数据交换,JSTARS飞机内的操作员可 将 “全 球 鹰”无 人 机 作 为 附 加 传 感 器,在JSTARS平台上显示并利用其雷达数据。诺斯罗普·格鲁曼公司项目负责人评价说:“通过将JSTARS和‘全球鹰’无人机平台性能进行结合,扩大了监视覆盖区域,提高了探测精度,改善了目标跟踪能力,压缩了瞄准和攻击决策链。”因此,ISR一体化技术具有重要军事价值以及广阔应用前景。
2002年以来,国内军事院校和地方研究机构广泛开展了ISR一体化相关理论研究,取得了一定成果。文献[2]介绍了美空军ISR的含义和任务,分析了战略、战役及战术层次ISR的内容;文献[3]阐述了联合作战ISR一体化运用的特点。本文以作战需求为牵引,从ISR一体化活动实例入手,对ISR概念内涵进行了分析和拓展,提出了ISR一体化体系运用发展设想。
1 ISR基本概念
美国JP1-02联合出版物《国防部军事和相关术语词典》对情报(intelligence)的定义为“对外国、敌对或潜在敌对力量或其部门、实际或潜在作战地域的信息进行搜集、处理、综合、评估及诠释后得到的产品;该术语还适用于获得此类产品的活动以及从事这些活动的组织”。这一新定义在着重强调情报的本质属性知识性(信息性)的同时,明确了情报这种信息产品的对外性和敌对性,尤其是将情报从产品内涵扩展到了活动和组织。情报不仅包括各种知识和产品,而且包括各种“组织,过程,以及搜集、处理、加工、分析和分发决策的活动”[3]。
美国空军条令文件2-2.1《空间对抗》对监视(surveillance)定义为“通过视觉、听觉、电子、照相或其他手段,系统地观察某个或某些空域、空间区域、地球表面区域、水下和地下区域、位置、人群或事件时所采取的行动”;对侦察(reconnaissance)定义为“通过视觉观察或其他探测方法,获取敌方或潜在敌方活动和资源的具体信息,或者极力获取某特定区域的气象、水文和地理资料。一般来说,侦察有与执行任务有关的时限性要求。”
由定义可见,最早出现在C3I或C4I中的情报既可理解为信息产品,也可理解为为获取这种信息产品而进行的活动,美军中尤指联邦调查局、中情局的观察、窃听、刺探、搜索、截获和捕获战俘等情报活动,现在扩展到利用开源(open source)手段,通过对互联网及公开出版物中的海量信息进行挖掘,获取有价值的军事和科技成果。监视通常指长久观察和注视,主要针对时间敏感目标(time sensitive tar-get),具有持续性和全面性,观察范围更广。对象除了敌方还包括全球公域、中立方和友方。监视强调的是对一个领域或事物的系统观察(持续且全面观察)。美国空军E-8CJSTARS就是一种典型监视手段。侦察手段主要是针对敌方及特定目标、区域和任务,行动方式具有灵活性,特别是针对固定目标或固定的电磁目标,美国空军中R系列飞机执行侦察任务,如RQ-4“全球鹰”无人侦察机可对敌方机场、雷达站、导弹阵地、港口以及桥梁等进行成像侦察,RC-135电子侦察机可对敌方地面预警雷达、制导雷达和通信设施进行侦察。
各国对ISR概念理解基本一致,描述不尽相同,本文从隐蔽性、敌对性、持久性、专注性、知识性、效用性及典型手段7个方面进行比较,如表1所示。【1】
由表1可见,情报活动的隐蔽性最强,获取信息最有价值;侦察活动隐蔽性次之,获取信息对于军事行动具有重大价值;监视活动为暴露和公开,获取敌方动态变化情报以限制敌方的行动。实际军事行动中,ISR三者的活动已越来越模糊。尤其对于美军,实施的是全球一体化ISR作战,3种活动之间日趋融合,界限越来越模糊。特别是对具有共性的侦察与监视活动间的区分,只是体现在定义与概念上,在实际行动和手段运用上区别已不明显[4]。如“全球鹰”无人机既可执行监视任务,也可执行侦察任务,通过电子情报截获,还可执行情报任务。因此,ISR已经成为一个相互依赖、相互支持且不可分割的有机整体。
2 一体化系统架构
2.1组成
ISR一体化系统由传感器层、信息处理层和情报应用层组成。在传感器层通过传感器综合集成和组网管理实现传感器一体化运用,实现侦察探测资源利用效能最高;在信息处理层,通过情报横向融合和分布处理实现ISR信息处理一体化,实现情报信息处理流程最优;在情报应用层,情报生产服务一体化组织,通过需求分析、需求反馈不断完善产品要素,提高情报质量,确保满足作战筹划、指挥决策、武器控制和打击效果评估活动的需要。ISR一体化系统组成如图1所示。
2.2传感器运用
ISR传感器运用一体化包括单个平台传感器高度集成和多个平台ISR组网运用2个发展方向。
传感器运用一体化在同一个平台上指不同类型的ISR传感器收发天线和信号处理设备高度一体化,以及多种传感器从多个侧面对同一目标进行立体观察,获取多方面不同特征和内涵的信息。例如,“全球鹰”无人侦察机在一个平台上集成有光电/红外(IRST)传感器、合成孔径雷达(SAR)、信号情报侦察装置及威胁报警接收机等传感器,各种传感器兼容协调工作。通过使用搭载的侧视SAR,可在20km高空绕着朝鲜边界飞行,几乎可窥视整个朝鲜国土。在中国临海线上空飞行,可探测到沿海地区的 重 要 目 标,可 从 多 重 地 面 杂 波 中 识 别20~200km/h行驶的移动目标,可探测并定位雷达和通信设施,目标定位圆概率误差最小可达20m,通过电子侦察设备可实时监听该地区的通信。通过光学、红外和SAR成像组合侦察,不但保证了成像清晰度,还获取了目标的隐蔽特征以及组成结构信息。
麦道公司已研制成用于先进战斗机的多传感器信息处理系统,该系统采用专家系统技术,利用雷达、红外IRST、雷达告警和数据链进行空空目标搜索和跟踪,搜索时间对跟踪时间的比例随探测目标数量改变而动态变化。传感器协同工作过程中,雷达和前视红外可完成自动空对面传感器引导与空空搜索交替工作。
传感器运用一体化指在多个平台上预警探测、图像侦察及信号侦察等传感器的组合运用,从时间、空间、频率和能量多方面互相补充,以提高侦察连续性、覆盖系数、感知能力和探测精度。美军在“打击链数字化”计划中提出了ISR“铁三角”构想[5],将空中预警机、联合监视指挥飞机及电子侦察飞机编队布阵使用,由ISR平台组成分布式网络,通过空中骨干通信网共享图像、电磁、文字和战场综合态势情报信息,基于统一的空海态势,指挥控制作战飞机和电子对抗飞机接敌作战、轰炸机对海突击以及舰船拦截敌空中突防飞机。
侦察卫星、空中预警机、联合监视指挥飞机、电子侦察机、无人机、地面雷达站及侦察站空天地组网运用,情报在各网络节点分布处理,通过地面网络、卫星广播及数据链等方式分发情报产品,形成空天地ISR一体化信息栅格。ISR传感器运用一体化架构如图2所示。
2.3信息处理
ISR信息处理一体化指分布在空基、天基、海上及陆地的情报处理平台共享无源和有源探测信息,除纵向进行专业情报处理外,横向上情报围绕产品进行综合融合,专业情报支持至综合情报产品形成的每个步骤,提高情报及时性、准确性、连续性和完整性。空基和海上情报处理平台前出作战时自主进行数据处理和态势融合,形成支持本平台作战的态势产品。陆地情报处理平台与分布在空中和海上的其他平台对传感器组网使用,各种手段探测情报按类型分为文字、图像、电磁及点迹等进行交互式处理,传感器反馈控制,位置信息互相参照,识别信息互相补充,形成陆海空天统一战场态势。ISR信息处理一体化架构如图3所示。
美国DCGS是一种跨军种和国防情报机构的情报共享网络,该系统以DCGS集成主干(DIB)互操作能力为核心,利用通用标准和工具在不同军种的DCGS之间实现情报数据共享和协同。
DCGS-AF系统 可 对E-8联 合 星 (JSTAR)、E-3预 警 机(AWACS)、U-2高空侦察机、“全球鹰”无人机、“捕食者”无人机、RC-135“联合铆钉”等侦察机获取的情报,以及国防部、海军和陆军等其他军兵种甚至其他国家的信息源各种手段获取的情报,按图像、信号、测量特征和文字等情报进行处理,按产品综合融合,按需分发服务应用。陆军型DCGS(DCGS-A)连接侦察地面站、侦察车、侦察船、侦察艇、侦察飞机、侦察直升机、侦察气球、侦察飞艇及侦察卫星等多个平台,可对来自各平台的情报信息进行融合处理,为一体化联合作战提供精确式情报保障。
2.4情报产品生产服务
根据情报来源的不同,美军将专业情报分为图像情报(IMINT)、信号情报(SIGINT)、测量与特征情报(MASINT)、人工情报(HUMINT)、公开来源情报(OSINT)、技术情报(TECHINT)和反情报7种。根据情报生产目的,将综合情报分为征候与预警情报 (I&W)、动 向 情 报 (CI)和 基 本 军 事 情 报(GMI)、目标情报(TI)、科学与技术情报(S&TI)、反情报和评估情报(AI)。对于专业情报和综合情报,美军从信息的特征和来源2个角度进行划分,从信息处理技术的角度看,有交叠情况。为避免信息处理过程的重复,本文将专业情报重新划分为雷达、图像、声像、电磁、气象水文、网络、地理和文字情报;根据情报的内涵和作用不同,将综合情报划分为敌情动向、作战目标、战场环境、战场态势和专题情报5大类。每种情报对应不同的信息处理过程和技术,解决不同的作战应用问题。
各种传感器信号、数据和信息通过综合形成一体化的专业和综合情报产品,通过ISR产品一体化为情报用户提供统一理解的战场态势。综合情报产品由专业情报综合获得,综合情报产品面向最终的指挥控制用户,边生产边分发,对于高实时目标及时间敏感目标打击,指挥控制用户可直接调度使用专业情报,情报生产服务采用以用户为中心的任务分配、发布、处理和使用(TPPU)模式。情报产品生产服务一体化架构如图4所示。
2005年,美军在DCGS-AF Block 20版本发布时提出TPPU的情报生产服务模式。
TPPU模式相对于传统的线性任务分配、处理、挖掘和分发(TPED)模式具有以下优点:
1)时效性强:情报边收集边利用,边处理边利用,提高了情报利用的及时性,对于打击时间敏感目标具有重要意义;2)情报质量不断优化:采用基于反馈的机制,情报处理过程和方法根据用户需求不断改进,情报处理反过来控制侦察探测传感器,情报精度不断提高,情报要素不断丰富;3)情报效益最大化:基于个性服务原则,不同的作战阶段和情报用户,情报发布内容不同,零散的及不同可信度的情报信息均得以充分利用,情报精细服务于作战的全过程,情报使用效益最大化。
3 关键技术
3.1多平台多传感器规划
传感器规划依据一定准则,对传感器资源进行合理科学分配,利用有限资源,满足各种军事需求,以达到系统性能的整体最优。不同作战阶段有不同侦察探测任务要求,如预警阶段要求目标尽远发现;跟踪阶段要求目标掌握连续;拦截阶段要求目标精确定位;评估阶段要求掌握目标的图像信息。对情报产品的质量整体需达到最优,如检测概率、截获概率、航迹精度或丢失概率、目标识别率、识别准确性、目标探测覆盖时间、覆盖空间、覆盖率、覆盖维度等都应达到综合效能最大。现代战争环境日益复杂,传感器探测平台越来越多,传感器种类越来越多,目标越来越密集,目标机动隐蔽特性不断增强,传感器使用要求高,这些都增加了传感器任务规划的难度。
当多个平台多个传感器同时用于多目标的检测、跟踪和识别时,需解决传感器平台的路径规划、传感器与目标之间分配、传感器工作模式控制以及传感器频率和能量调度等问题。此外,传感器的使用还需考虑战场环境的具体限制,如避免友军干扰、自身平台暴露、自身手段或频率暴露等。
传统传感器控制主要依靠人工操作,随着作战环境的变化和作战要求提高,人工操作已不能满足作战时机把握及作战效能提升的要求,必须依赖人工智能等方法来解决。多平台多传感器规划涉及传感器平台航迹规划、传感器侦察探测建模、作战规则知识库、人工智能引擎、侦察探测效能评估以及传感器反馈控制等技术。
3.2图像自动筛选判读
情报中心接收卫星、无人机、有人侦察机和技术侦察手段获取的侦察图像,截取视频序列帧,裁剪和拼接生成静态图像,合成各种图像数据,针对动向掌握、目标识别及目标整编进行分析处理,生成目标和打击效果评估成果,围绕时间、区域和事件等进行图像情报应用分析,为地理测绘以及武器目标匹配生产专题图像情报产品。近年来,随着卫星、无人机侦察传感器和情报传输能力的不断提高,情报中心能够接入的侦察图像数据呈爆炸式增长,系统面临大容量图像信息处理的难题。例如,美国空军DCSG-AF系统每天获取的侦察图像达到3TB。如何从海量图像中快速筛选出有价值的信息,成为困扰情报分析人员的重要问题。图像自动筛选判读技术则是解决以上问题的有效途径。图像自动筛选判读涉及图像过滤、目标变化检测、图像配准、目标识别模板匹配和学习训练[6]等技术。
3.3复杂电磁信号分选
目前电磁情报信息处理中主要采用了基于多参数的信号分选、模板匹配的型号识别及无源时差/交叉定位等技术,并在一些系统中得以应用。随着战场电磁信号越来越密集,体制越来越复杂,导致辐射源脉冲随机交叠的概率增大,跳频捷变频体制使信号复杂多变。此外,辐射源工作模式随机切换,导致信号的分选与识别越来越困难。为了提高电磁信号分选结果的可信度,应在最小漏警率条件下最大程度减少信号交叠和信号参数变化引起的虚警,才能形成目标数量清晰且型号准确的电子情报。
通过引入新方法和新技术,突破难点问题,对侦察信号在时域、频域和空域上进行高效的并行处理,并结合有效的人机交互,采用自动与半自动相结合形式,可实时从侦察信号中生成有效和完整的侦察情报。复杂电磁信号分选可采用参数聚类算法、脉内特征分析和全脉冲包络分布特征分析法等。
3.4敌情动向智能识别
敌情动向情报包括敌方部署、人员/装备/后勤实力、装备性能、战术战法、作战计划、行动样式、动机意图及活动规律等内容。一般在利用航天航空、技术、电子和谍报等侦察手段获得的情报基础上,综合考虑地理、气象、社情和电磁等战场环境的约束,通过情报综合研究和评估分析得出结论,对制定我方作战计划具有重要价值。如何基于大量历史态势和事实,建立敌情动向识别模型,用电脑模拟人脑,甚至超越人脑,得出更科学准确的结论,是ISR系统面临的重大挑战。
美国陆军的全源信息分析系统(ASAS)具有强大的情报智能分析推理能力。该系统可接收处理来自数十个战术情报系统和多个传感器的信号、电子、图像和人工等情报,建立专家系统,融合多类知识、事实和证据,根据一个或多个领域专家提供的知识和处理问题的逻辑思维方法,模仿专家决策过程,提供敌情动向分析结果。
ASAS可利用编制的软件处理各种不确定问题。只需向计算机输入各种情报信息,专家系统即可向情报分析员提供一种高效分析推断方法,凭借专用计算机程序或推理机检查知识库,作出推理判断,最后生成高可靠性情报。可见,专家系统是解决敌情动向智能识别的重要途径。
3.5态势信息关联聚合
指挥员为集中注意力,提高决策效率,往往更关注战场综合态势。战场综合态势是战场敌我双方整体形态、作战能力及变化趋势的反映,包括空天、空海、空地及信息对抗等作战过程中目标任务编组、部队集群及进攻梯队等分布部署,以及属性、状态、作战能力、作战计划、协同关系、行为意图、威胁形势、要害部位和薄弱环节等态势要素。一般在基本军情、动向意图、作战目标、陆海空天、网电态势及战场环境情报的基础上,通过关联聚合的方法获得。情报处理和数据融合将传感器获取的信号翻译为数据,对数据处理生成信息,再对信息加工和分析生成情报,对纷繁、零乱的情报信息进行整理、关联和聚合后生成敌方和我方态势。态势信息关联聚合具有重大的军事应用价值。
态势估计的首要任务是推断实体(或复合实体)之间的关系,也称关系估计,包括关系的分析、识别、表征和预测[4]。例如,通过敌机机型及相互间的位置关系和运动趋势,可分析识别编队或机群之间的掩护、空中加油、指挥控制及进攻梯队等关系;通过识别的敌机与舰船的类型型号、相互距离和运动方向,可推断敌机的起飞平台和空海协同关系。关系估计需融入更多的关于战场整体或关系领域的情报信息,如人工情报、开源文档情报、部/技侦情报以及已有数据资料。态势估计之后,实现敌方整体作战能力估计、整体意图和威胁形势预测以及战场态势整体形态的可视化表示。解决态势信息关联聚合问题主要涉及能力-意图-威胁建模、统计推理方法、模糊推理方法、神经网络方法、遗传算法及基于知识的非结构化情报数据挖掘方法等。
4 结束语
本文分析了ISR的基本概念,阐述了ISR三者行动的日益融合,且界限日趋模糊的观点。从传感器运用、信息处理和情报产品生产服务一体化3方面归纳了ISR一体化的具体内容,介绍了ISR一体化体系结构,对情报产品进行了分类。对ISR一体化军事应用中涉及的亟需解决的多平台多传感器规划、图像自动筛选判读、复杂电磁信号分选、敌情动向智能识别以及态势信息关联聚合等5个关键技术进行了分析,并提出了关键技术解决途径设想,探讨了ISR一体化信息系统研制理论。随着传感器侦察探测能力的不断提高以及作战运用的日趋深化,ISR一体化体系框架相关技术将在后续研究中不断完善。
