戰場敵我識別系統及其主要技術分析

劉萬洪，葛海龍，柯銘銘，郎 杰

（63892部隊 河南 洛陽 471003）

敵我識別（Identification Friend or Foe，IFF）技術被廣泛用于各種作戰飛機，船舶（船）平臺和地面防空導彈系統，可以大大提高各作戰單元的作戰指揮、控制和協調，加快作戰反應，減少意外傷害的可能性。快速準確地識別戰場上的敵人，是打敗敵人的一個先決條件，更是實現一體化聯合作戰的一個關鍵因素。在美軍近年的幾場戰爭中，就出現了因錯誤識別而造成誤傷自己的事件。美軍在上世紀90年代的海灣戰爭中，誤傷事件的28起就有11起是因為目標識別方面出了問題。而在本世紀的美伊戰爭期間，由于敵我識別系統失誤，美國的F-16戰斗機誤炸了“愛國者”導彈陣地，美國的“愛國者”導彈擊中了英國的旋風式戰斗機。這些事實充分證明，先進、可靠的敵我識別系統和敵我識別對抗技術的研究和開發，是如今世界各國必須高度關注的重點[1-2]。

1 敵我識別系統及其工作模式分析

敵我識別系統[3]分為協同式敵我識別系統、非協同式敵我識別系統和綜合敵我識別系統。協同式敵我識別系統按應答手段可分為有源和無源2種；按詢問方式可分為雷達敵我識別系統和激光敵我識別系統。雷達敵我識別系統主要用于遠距離作戰，激光敵我識別系統主要用于近距離的戰場作戰，二者相輔相成。

1.1 協同式敵我識別系統

協同式敵我識別系統[4]（CooperativeTarget Recognition，CTR），就是為了獲取目標敵我屬性信息，識別方與被識別目標之間相互配合的一種工作方式。其優點是識別過程簡單、速度快、精度高，系統體積小易于裝備和更換，密碼有效期短，并可有效防止敵方對我方密碼的測控、破譯和利用。協同式敵我識別系統（IFF，IdentificationFriend or Foe）系統基本上是詢問應答式系統。該系統由目標應答機接收詢問機發出的一個無線電詢間信號，如果應答機接收到電子代碼正確的詢問信號，則應答機將自動發送出所請求的應答信號給詢問機，詢問機對應答信號正確解碼后，目標的敵我屬性就能被正確識別。

1.2 非協同式敵我識別系統

非協同式敵我識別系統[5]（Non-Cooperative Target Recognition，NCTR）則是通過傳感器對被識別目標結構特征（目標二維投影的長度、寬度、周長和面積等）、統計特征（均值和均方偏差等）、空間特征（方向、位置、速度和距離等）和輻射參數信號特征進行觀測，并將被識別目標看作系統的外部環境，依靠系統處理器對數據進行相關分類、特征匹配等綜合分析、采取特定算法，基于多方信息來綜合確定目標的敵我屬性。這種工作方式是通過信息融合技術，利用各種不同傳感器收集的信息匯總到數據處理中心，經過數據處理分析最終得到識別結果。其優點主要有：1）被識別目標技術上不需要做任何配合，2）對戰場上所有探測到的信息（如：目標的電磁輻射和反射信號、紅外輻射、聲音信號、光電信號、GPS信息等）可充分加以利用，3）能同時對多目標進行識別，作用范圍大，各種作戰武器可共享其識別結果，但其計算量大且時間長，結構負雜，加上數據融合處理方法目前還不夠完善，識別的可靠性很難保證，因此不能作為一個獨立的識別系統的使用，但可作為輔助識別手段，為戰場指揮和決策提供信息。

1.3 新型敵我識別系統

新型敵我識別系統[5]是敵我識別技術不斷發展的必然結果，它應用數據融合、專家系統、模糊理論及神經網絡等新技術，利用敵我識別器、熱源、視覺及紅外的數據，配合嚴密的空間管理及通信聯絡，以提高識別系統的性能。其主要由兩部分組成，一部分是直接分系統，由用戶直接識別未知目標。另一部分是間接分系統，向用戶提供有關目標潛在的信息，計算機通過這些信息的分析判斷進行識別。直接分系統又分為兩種：一種是需要目標與其協作；另一種則無需目標的協作，如探測雷達。這種技術靠分析被觀測的平臺特性（如射頻輻射、雷達調制、噴氣式發動機調制及紅外與聲頻信號特征等），無需己方回答，從而進行正確的識別。

1.4 敵我識別系統的工作模式

敵我識別系統的工作模式[1-2，6-7]有民用工作模式和軍用工作模式。其中民用工作模式有A、B、C、D 4種，軍用工作模式有 1、2、3、4、5 5種。 其中，民用模式 A同軍用模式 3幾乎完全相同，所以也稱為模式3/A。模式B為完全民用模式，模式C軍民兼用，用于高度詢問，模式D為備用模式，模式1、2、4、5 僅用于軍用識別。

另外還有一種選擇性詢問模式S，該模式對每一架飛機都分配一個特定的識別碼，進行一對一的點名問答，每次只詢問一架特定的飛機，且每一詢問要求不同的問答，因此S模式具有很高的識別效率和安全性。下面以Mark-XII敵我識別系統為例作以分析。

Mark-XII敵我識別系統工作模式有5種，模式1、2、4用于識別軍用飛機和和艦船，模式3/A和C用于航空交通管制，其詢問頻率工作在1 030 MHz，應答頻率工作在1 090 MHz。

除模式4外，其他模式詢問的信息均由詢問脈沖P1和P2之間的時隙長度來表示。為使詢問器天線波束旁瓣輻射的詢問信號不觸發應答器，在脈沖P1過2μs之后脈沖P2再發送。只有當P1比P2的電平大于9 dB時，應答器才響應并發送應答信號。模式4利用32位編碼脈沖組作為詢問信號使其保密性大大提高。應答信號是編碼脈沖組，除模式4之外，應答信號的信息脈沖位于同步脈沖F1和F2總是作為應答信號的一部分發送。脈沖組重復周期為1.45μs，脈沖寬度為0.45μs。模式4用3個脈沖的脈沖串作為其應答信號，為進行時間編碼，脈沖串的起始時刻可以改變。脈沖串的起始時刻利用16個可能的時延傳輸有限的信息。模式1、2、3/A、C都采用三脈沖體制進行詢問，都采用脈沖幅度調制（PAM）進行詢問和應答。

需要指出的是，由于應答機的地址沒有分配，當詢問機發出詢問信號時，應答機只要在詢問波束范圍內，就會做出應答（模式4的波束內的友方會應答）。而詢問機如果在應答覆蓋的范圍內，就能收到應答信號，所以詢問機容易造成誤解碼，從而形成誤判。

2 敵我識別系統主要技術分析

敵我識別系統中詢問機的工作波束較寬，而應答機為全向應答，會受到己方的異步干擾和交錯干擾，識別效能會大大降低。采用“應答”方式，一旦敵我識別系統因故障或關閉而無法作出應答時，將會產生誤判。其工作頻率固定又使其易受敵方同頻率的大功率阻塞干擾機威脅，尤其是當許多識別系統同時工作時竄擾、混擾顯得更為突出。傳統的敵我識別系統因為工作在L波段，戰場上難以消除風雨、沙暴、硝煙等影響。在戰場態勢快速變化的現代作戰環境下，又因波束很難做窄，所有區分近距離的陸地戰場目標就很困難。因此，敵我識別系統采用了許多技術措施，以提高系統的識別性 能[3，8-9]。

2.1 旁瓣干擾抑制技術

敵我設備系統采用旁瓣抑制技術消除旁瓣引起的繞環效應，以提高方位角分辨率。旁瓣抑制有普通旁瓣抑制及和差旁瓣抑制兩種。前者是早期的旁瓣抑制技術，它用一個輔助天線產生在方位面無方向性的輻射去“淹沒”IFF系統定向天線的旁瓣，通過接收系統中的幅度比較器來實現旁瓣抑制的目的。和差旁瓣抑制要求IFF天饋線首先要產生一個和波束（S）和一個差波束（Δ），用差波束去“淹沒”和波束的旁瓣。顯然和差旁瓣抑制技術不僅能抑制旁瓣而且能有效地銳化主波束，使IFF系統有一個比原始波束更窄的有效波束，從而提高了IFF系統的方位分辨率。

一次雷達作用距離與發射功率成四次方根關系，而敵我識別系統二次雷達的詢問機作用距離與發射功率成二次方根關系，如式（1）所示。

因此，旁瓣引起應答的可能性比一次雷達大得多，特別是在識別目標附近時，各旁瓣都可能引起應答，產生所謂的”繞環”效應而形成干擾，造成方位精度下降，分辨力降低。

在采用和差詢問旁瓣抑制時，天線及饋線系統首先通過邏輯網絡產生和波束、差波束，如圖1所示，和波束發射P1和 P3，差波束發射P2。

和差旁瓣抑制的技術原理是：在距離P1 2μs處設一個詢問旁瓣抑制脈沖P3，P3在P1和P3之間。P1、P2、P3脈沖由模式產生電路產生，其時間間隔固定，調制成射頻信號后經功率放大器放大后至PIN開關，分為兩路脈沖，一路由天線和端口饋入，形成如圖2實線所示的等幅同相輸出的和方向圖；一路由天線差端口饋入，形成如圖2虛線所示的等幅反相輸出的差方向圖。

圖1 和波束及差波束示意圖Fig.1 Sum beam and difference beams schematic diagram

圖2 某敵我識別器詢問天線水平方向圖及應答關系Fig.2 IFF asked antenna horizontal pattern and response relationship schematic diagram

圖中所示的3個區域的天線方向圖對應的應答區如下：

1）當P1、P3的幅度比P2小，和波束增小于差波束增益，此時在距離中心±7.5°以外范圍，此區域即使收到詢問脈沖信號，應答機也不應答；

2）當 P1、P3比 P2大 0～9 dB，此企業為模糊應答區，即在距中心±3～7.5°范圍內；

3）當 P1、P3比 P2大9 dB以上，應答機才應答，此企業在距中心±3°范圍內。

2.2 非同步干擾抑制技術

非同步干擾的情形如圖3所示，它是由敵我識別器的自身特性而產生的。圖中所示，當“詢問機1”向“機1”“機2”發出詢問時，目標機“機1”“機2”將作出應答并發送應答信號。由于敵我識別系統的頻率相同，圖中的“詢問機2”也會收到“機1”“機2”的應答信號，這個應答信號對于“詢問機2”來說就是非同步干擾。我們知道，其實這個應答信號是由“詢問機1”觸發產生的，而不是由“詢問機2”觸發的。對于“詢問機2”來說，非同步干擾必須得到抑制，否則在“詢問機2”的顯示器上將會跳躍地出現許多不同距離的目標標志。而如果戰場上被識別的目標機較多時，敵我識別系統將會造成混亂繁雜的顯示而影響識別效果。

圖3 非同步干擾形成圖Fig.3 Non－synchronous interference formed schematic diagram

而非同步干擾抑制技術就是為了克服這一不利狀況，其工作原理是：當“詢問機1”發出一次詢問，“目標機”根據“詢問機1”發來的詢問給出應答信號。需要注意的是，“目標機”發出的應答碼出現的時間與“目標機”相對于“詢問機1”的距離，二者是相關的，而這一相關性正是用來抑制非同步干擾的。如圖中所示，“目標機”發出的應答信號對于“詢問機2”來說，因為應答碼出現的時間與“目標機”相對于“詢問機2”的距離不具有相關關系，因此是非同步干擾。非同步干擾抑制技術就是對于具有相關關系的信號保留用于識別，而對于無相關關系的信號加以去除。具體來說，就是“目標機”每次發出識別詢問時，同時觸發相關波形計數器開始工作，距離計數器每計完10個CP（代表一個距離單元）就計數一次，距離單元總數與一個雷達周期相對應。距離計數器計數的結果對應距離存儲器的地址碼，距離存儲器的作用是將一系列相隔一個距離單元的回波信號存儲起來。同時，相關定時邏輯提供定時控制信號，用來刷新距離存儲器及存儲器邏輯，相關定時邏輯地址由相關波形計數器提供。因此在一個詢問周期內，在定時信號的控制下，邏輯中新的應答信號不斷被存儲器刷新并與舊的應答信號相比較。若新的應答信號與舊的應答信號相關則認為應答有效。若二者不相關則繼續比較，直到比較達到由相關準則開關設定的某一極限值為止。

2.3 寬窄脈沖抑制技術

本文第3節中，對敵我識別系統中的詢問信號與應答信號的格式作了論述，若應答機收到的詢問信號脈寬過大或過小就會引起識別錯誤。所以在敵我識別系統中設計了寬窄脈沖抑制電路，對脈寬小于0.435μs的窄脈沖加以濾除，而對于脈寬大于1.16μs的脈沖也不應答和譯碼。

對于詢問機來說，接收到的應答脈沖信號的寬度要求為0.45±0.1μs，對于脈寬小于0.35μs的窄脈沖信號則加以濾除。在進行應答框架檢測時，應答框架的脈沖間隔要求為20.3±0.1μs，對于脈沖間隔大于20.4μs或小于20.2μs的框架都予以剔除，不對其解碼和響應。

2.4 靈敏度時間控制（STC）技術

由式（1）二次雷達方程可知，其作用距離和接收靈敏度有關，因此可以通過只控制接收機的靈敏度時間而不需要控制發射功率就可實現旁瓣抑制。由于目標距離正好與時間差（從詢問機發射詢問信號到接收應答信號之間的時差）成正比，為此可預先在接收機設置STC曲線，其目標距離與比較電平具有相關性如圖4所示。在敵我識別系統運行時，比較詢問機接收到的應答信號與STC曲線，只有應答信號大于比較電平時接收機才響應。這就相當于不同距離信息的應答信號在被接收到的同時，對靈敏度時間不斷調整，詢問機就不能接收到旁瓣信號，也就不會在顯示器上出現多個信號標志。

2.5 信息加密技術

對協同式識別系統來說其密碼必須相同一致，否則整個敵我識別系統就會發生混亂，嚴重時會導致整個系統癱瘓，造成“誤傷”、“誤炸”，從而影響戰爭結果。敵我識別密碼一般有存儲和直接產生2種方式。存儲產生方式是密碼以數字方式存儲起來，需要時從事先設計好的在有效期內的密碼中隨時調用即可，直接產生方式是每次使用的密碼直接由密碼發生器產生，每個設備上配備一個密碼發生器，當然這樣產生出來的密碼是有規律的。

敵我識別的加密形式有傳輸參數加密和信息加密2種。傳輸參數加密是對原始設定的密碼和傳輸敵我識別詢間、應答信號的載波頻率等射頻參數進行加密打包，從而得到系統密碼；信息加密是先把敵我識別詢問、應答信息加密后，再傳送到對方，而加密信息被接收方收到后，只有經過相應的解密處理、恢復原信息后才能判定應答信號是否有效。所以對于任何的加密系統，必須把安全性放在首位，為了安全性要求，一條密碼使用一次以后不允許再次使用，即“一次一密”。

敵我識別系統對安全性要求非常高，只有每個密碼有效期愈短、數量大、規律變化雜亂無章，系統才會愈安全。加密系統的密鑰控制密碼的變化規律，密鑰改變則密碼變化規律也相應變化，即使一臺設備丟失，只需改變密鑰，敵我識別系統仍能安全正常工作[9]。

3 結束語

敵我識別技術在戰爭中的重要地位，使得對敵我識別技術的研究不斷深入，如何在戰場上認清敵我，是作戰的首要問題，尤其在多兵種聯合作戰中，正確快速地分清敵我是作戰的前提。我軍敵我設備技術與外軍尤其是美軍相比，還存在一定差距，加強敵我識別技術研究，采取先進技術提高敵我識別準確率，才能在作戰中減小誤傷率，贏得戰場主動。

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