5. 电子战处理¶

在介绍电子战处理之前，需要强调三点。第一，电子战处理是一个非常宽泛的主题，本章并不试图覆盖整个领域。第二，其他章节中的一些内容也完全可以被视为处理过程，本章会不时引用那些章节，并将它们与当前讨论的脉络联系起来。第三，电子战处理的实现方式几乎每天都在发生变化，因为计算机硬件的性能正处于爆炸式增长期。因此，本章的重点在于“做什么”和“为什么做”，而不是实现它的具体硬件或软件。

5.1 处理任务¶

电子战的本质是对其环境中存在的威胁信号做出响应。因此，从 20 世纪 40 年代初现代电子战诞生以来，就必须进行某种形式的处理来确定何时以及如何使用正确的对抗措施。最初完全依赖熟练的操作员来判断是否存在威胁信号，以便使用恰当的对抗措施。由于人类无法直接探测射频信号，接收机检测信号后，需要经过某种形式的处理，使其呈现为操作员可以识别的形式。

随着信号环境日益复杂、雷达控制武器的杀伤力增强，以及反应时间的缩短，就必须自动检测和识别威胁。威胁识别至今仍然是几乎所有电子战系统中的主要处理任务。

发射源定位是电子战作战中的另一项基本任务。发射源定位（和测向）将在第 8 章讨论，因此这里不再展开，但其在更高层次处理功能中的作用是相关的。

由于现代电子战系统，尤其是机载应用，必须处理大量信号（包括每秒数百万个脉冲），因此从海量接收射频能量中分离出单个信号是一项至关重要的处理功能。

现代电子战系统通常高度集成，包括多种传感器和多种对抗手段。所有这些系统资源必须得到控制和协调。我们已经在第 4 章讨论过多接收机在搜索角色中的控制问题，但在某些电子战应用中还需要更具体的选择标准。

与干扰直接相关的处理功能可以从第 9 章对干扰技术的描述中推断出来，因此这里仅考虑与干扰机控制相关的处理。

表 5.1 给出了电子战处理主要类型及其在电子战任务中的作用的顶层概览。显然，这是对这个高度复杂领域的一种人为划分，电子战处理专家（如同任何领域的专家一样）对其领域的总体分类并不一致。本表的目的在于建立一个逻辑框架，以便我们讨论电子战处理。

表 5.1 电子战处理任务

处理任务	在电子战任务中的作用
威胁识别	根据信号参数确定发射源类型
信号关联	将信号分量分配给信号以支持威胁识别
发射源识别	识别单个发射源（区别于发射源类型）
发射源定位	确定信号入射方向或发射源位置
传感器控制	基于数据分析为电子战系统分配传感器资源
对抗控制	基于接收信号数据，为集成电子战系统中的对抗手段生成控制输入
传感器引导	缩小窄口径资源的参数搜索范围
人机接口	读取控制输入并生成显示
数据融合	融合来自多个传感器或系统的数据，生成电子战序列（EOB）

5.1.1 射频威胁识别¶

首先考虑如何根据接收射频信号的参数识别威胁。一般来说，威胁信号的参数包括：

有效辐射功率；
天线方向图；
天线扫描类型；
天线扫描速率；
发射频率；
调制类型；
调制参数。

当这些信号到达接收机时，其特征表现有所不同。接收信号参数包括：

接收信号强度；
接收频率；
观测到的天线扫描；
调制类型；
调制参数。

有些参数相对容易测量，但有些则很困难，需要使用特殊设备。由于电子战中的威胁识别通常是实时过程，因此必须仔细考虑参数分析的顺序。

5.1.2 威胁识别的逻辑流程¶

现代系统中的威胁识别极其复杂——既因为可能存在大量威胁，又因为威胁参数日益复杂。一般来说，我们必须知道威胁的类型、位置和工作模式。对于射频制导的威胁，这三项通常都依赖接收的射频信号来确定。

关于威胁识别逻辑流程，可以总结三条通用规律：

最简单的分析任务优先完成。这些通常是只需使用宽带设备和/或极短信号截获的任务。
来自早期、简单分析的信号数据被剔除，从而为更复杂的分析留下经过简化的数据。
一旦所有必要的歧义被消除，分析即终止。

例如，考虑一个对脉冲发射源工作的雷达告警接收机（RWR）。我们必须分析的信号参数包括：

脉冲宽度；
频率；
脉冲重复间隔；
天线扫描。

这些接收信号参数如图 5.1 所示。

图 5.1 雷达信号的脉冲与扫描参数被分析，用于确定产生它们的雷达类型。

如图 5.2 所示，RWR 首先会尝试利用每个脉冲中存在的参数（频率和脉冲宽度）来判断威胁类型。如果仅凭这两个参数即可识别威胁信号类型，处理器将立即停止分析并报告威胁 ID。

图 5.2 威胁识别处理通常按所需数据采集时间递增的顺序进行。

接下来，RWR 会考虑脉冲重复间隔，因为这只需确定两个脉冲之间的时间间隔即可。不幸的是，这里可能会遇到复杂情况。如果存在多个脉冲串，就必须将脉冲分拣为各个独立信号。此外，脉冲串可能并非简单的固定间隔，而是交错或抖动的。然而，脉冲间隔分析仍然是第二简单的任务，因此在第二步进行。如果这一步能给出识别结果，处理器也会在此终止。

最后，RWR 会考虑天线扫描。由于这涉及分析一系列脉冲的相对幅度，因此需要考虑已与单个信号关联的多个连续脉冲。这是最困难的任务，因为它最耗时。实际上，接收天线波束之间的间隔可能与 RWR 完成分析并报告威胁 ID 的总规定时间处于同一数量级。

图 5.3 电子战处理器通常只分析足够的数据，以消除其设计目标中的威胁类型歧义。

图 5.3 展示了一个假想的威胁识别案例。测量了三个信号参数，有四种可能的威胁类型。威胁 1 最容易识别，因为它可以通过参数 \(A\) 的测量值明确识别。威胁 2 和威胁 3 需要确定两个参数的值才能消除歧义，因此比威胁 1 需要更多分析工作。威胁 4 只能通过确定所有三个参数的值来明确识别。

5.2 参数取值的确定¶

对威胁信号进行分析的第一步是测量接收信号参数。为了理解这些测量机制，有必要回顾在雷达告警接收机出现计算机之前是如何实现的。那时，每个参数测量电路都是由分立元件构成的，只能执行单一任务。现代系统中的计算机完成了同样的工作，但方式更为优雅（至少效率更高）。

5.2.1 脉冲宽度¶

当一个脉冲通过高通滤波器时，会在前沿产生一个正尖峰，在后沿产生一个负尖峰，如图 5.4 所示。利用正尖峰启动计数器、负尖峰停止计数，就可以非常精确地测量脉冲宽度。第二种方法如图 5.5 所示。脉冲信号可以以高采样率数字化，然后通过分析确定脉冲宽度。这种方法还能提供有关脉冲形状的详细信息。在需要测量上升时间、过冲等参数的系统中，这种方法是必要的。

5.2.2 频率¶

在早期的雷达告警接收机（RWR）中（使用晶体视频接收机），接收信号的频率只能通过滤波器将输入划分为不同频段，并在每个滤波器输出端放置一个晶体视频接收机来确定。脉冲信号或连续波（CW）信号的频率也可以通过将窄带接收机调谐到某个信号来测量。此时，接收机的调谐频率就是信号频率。

图 5.4 通过前沿和后沿尖峰启动与停止计数器，可以非常精确地测量脉冲宽度。

图 5.5 如果以高采样率对脉冲波形进行采样，就可以数字化捕获脉冲的完整形状。

随着瞬时频率测量（IFM）接收机和数据采集计算机的出现，每个脉冲的频率都可以被测量并存储。

5.2.3 到达方向¶

每个脉冲的到达方向（DOA）通过第 8 章介绍的多种测向方法之一进行测量。低精度的 DOA 测量（过去和现在）采用幅度比较测向法；高精度的 DOA 测量（过去和现在）则采用干涉测向法。

5.2.4 脉冲重复间隔¶

在“美好（但艰难）”的早期年代，脉冲信号的脉冲重复间隔（PRI）通过所谓的“数字滤波器”来测量。该装置用于检测特定脉冲间隔的存在。数字滤波器会在接收到一个脉冲后，延迟一定时间打开一个接受门。如果在门打开时出现另一个脉冲，它会继续寻找相同间隔的下一个脉冲。当接收到足够数量的合格脉冲时，就可以判定存在具有该 PRI 的信号。每个威胁 PRI 都需要一个数字滤波器电路，并且必须增加电路来处理交错脉冲串。这种方法的一个优点是，可以将单个信号的脉冲从宽带接收机中多个信号的混合脉冲串中“去交织”出来。

现在，计算机可以收集大量脉冲前沿的到达时间，并通过数学方法确定多个 PRI 及其交错 PRI。

5.2.5 天线扫描¶

早期的 RWR 必须通过设定门限并测量超过该门限的连续脉冲数量，来确定威胁发射源的波束宽度，如图 5.6 所示。当威胁天线波束扫描过接收机位置时，接收脉冲的幅度会随之变化。因此，计数方法有效，除非在计数期间存在其他信号。如今，由于具备了更好的信号去交织工具，可以经常将单个信号的脉冲分离出来，并计算脉冲幅度历史曲线的形状。

DOA 与接收功率的直方图也可用于确定天线扫描类型。图 5.7 展示了一种（极不可能的）情况：三个不同扫描类型的信号恰好位于同一 DOA。纵轴为在某一功率水平下接收到的脉冲数量。结合不同扫描方式下的时间与接收功率历史，可以看出直方图形状能够区分三种扫描类型。

图 5.6 脉冲威胁信号的天线波束宽度可以通过计数超过门限的脉冲或分析脉冲幅度历史曲线来确定。

图 5.7 威胁天线扫描也可以通过 DOA 与幅度直方图确定。此图展示了来自同一 DOA 的三种直方图。

5.2.6 在存在连续波下接收脉冲¶

前文讨论过的 RWR 假设其运行环境中不存在 CW 信号或高占空比脉冲（主要是脉冲多普勒）信号。当 CW 信号与脉冲同时存在时，宽带接收机（如晶体视频接收机）的对数响应会被扭曲。当存在高占空比脉冲信号时，其脉冲会与低占空比脉冲重叠，导致同样的问题。由于确定 DOA 需要精确的幅度测量，因此 CW 信号会阻碍系统对脉冲的正确操作。此外，IFM 接收机本质上也是宽带接收机，一次只能处理一个信号。解决方法是用带阻滤波器滤除 CW 信号。这样，宽带接收机可以在其频率范围的其他地方“看到”脉冲，而窄带接收机则处理 CW（或脉冲多普勒）信号。

5.3 去交织¶

已经提到，增加接收机带宽可以提高截获概率——全开带宽的接收机在频率-时间性能上达到极致。同样，通过增加瞬时角覆盖范围也能提高截获概率——在许多电子战系统中需要实现 \(360^{\circ}\) 覆盖。然而，增加带宽和/或瞬时角覆盖范围的问题在于，在密集环境中更容易遇到多个同时存在的信号。本节专门讨论在同一接收机通道中同时接收多个脉冲信号的情况。此处故意忽略了高占空比信号，假设它们在分析开始前已被（某种方式）去除。

去交织的过程就是从包含两个或多个信号脉冲的脉冲流中分离出单个发射源的脉冲。图 5.8 给出了一个非常简单的脉冲环境示例，仅包含三个信号。注意，这些信号的占空比（脉冲宽度与脉冲重复间隔之比）都被描绘得很高。而在正常情况下，脉冲信号的占空比约为 \(0.1 \%\)。

这些信号的脉冲重复频率（PRF）都是固定的。信号 B 表示窄波束雷达波束经过接收机时的波束形状。另两个信号则表现为恒定幅度——可能是因为样本落在了发射源波束之内。

图 5.8 当在同一接收机通道中接收到多个脉冲信号时，必须进行去交织以分离单个信号。

图中“交织信号”一行表示在宽带接收机内看到的三个信号的组合。每个脉冲都标明了其所属信号。经过去交织后，三个脉冲串被分离为各自的单独信号，从而便于进一步处理。

5.3.1 脉冲重叠¶

注意，信号 C 的第二个脉冲覆盖了信号 B 的第四个脉冲。这被称为“脉冲重叠”或“POP”问题。如果系统在该位置只检测到一个脉冲，它就会将其中一个信号的脉冲排除在去交织结果之外。根据被排除脉冲的数量及后续信号识别处理的特性，这可能会对系统性能产生负面影响。

图 5.9 更详细地展示了两个重叠脉冲的情况。注意，组合视频信号中仍然包含每个脉冲的幅度和持续时间。如果系统处理具有足够的分辨率来测量这些值，那么两个脉冲都可以正确归属到各自的信号。然而需要指出的是，向处理模块提供视频波形的接收机必须具备足够的带宽，以高保真度传递组合视频，才能实现这些测量。

5.3.2 去交织工具¶

去交织过程利用我们对每个接收脉冲已知的全部信息——当然，这取决于接收系统的配置。表 5.2 展示了根据不同类型接收机截获信号时，系统对每个脉冲所掌握的信息。如果接收系统包含多种接收机资源，处理器就能获得应用于该接收机资源的脉冲的相关信息。然而，由于系统可能在不同频段之间分时使用部分接收机资源，因此通常不能假定每个脉冲都具备全部信息。

图 5.9 对两个重叠脉冲的视频波形进行详细观察，可以看出每个脉冲的幅度和宽度都是可恢复的。由于典型电子战接收机的对数视频输出会压缩幅度，重叠期间的组合幅度小于两者幅度之和。

表 5.2 各类接收机对每个脉冲可测得的信息

接收机或子系统类型	每个脉冲可测得的信息
晶体视频接收机	脉冲宽度、信号强度、到达时间、幅度随时间变化
单脉冲测向系统	到达方向
IFM 接收机	射频频率
带有 AM 和 FM 鉴频器的接收机	脉冲宽度、信号强度、到达时间、射频频率、幅度与频率随时间变化
数字接收机	脉冲宽度、信号强度、到达时间、射频频率、脉冲上的 FM 或数字调制
通道化接收机	脉冲宽度、信号强度、到达时间、频率（仅按通道）

需要注意的是，第 4 章已经介绍过电子战中使用的接收机类型。

显然，如果能够通过明确识别每个脉冲来区分信号，再将它们分类为不同的信号，那么去交织会更容易。这不仅需要测量参数，还需要有足够的分辨率来区分不同信号在这些参数上的差异。

在现代 RWR 发展的早期，通常只有单脉冲测向系统中的晶体视频接收机。由于威胁发射机天线扫描经过接收机时，接收脉冲的幅度可能会从一个脉冲到另一个脉冲发生变化，因此只能使用到达时间和到达方向。然而，到达方向测量的输出精度较低，并且会随接收天线增益方向图的变化而变化。因此，到达方向并不是一个可靠的参数。这意味着，除非可以通过脉冲宽度加以区分，否则脉冲的到达时间是唯一可行的去交织方法。

前文介绍过的脉冲间隔去交织技术在处理固定 PRF 信号时效果最好。如果是交错脉冲串，可以通过为交错的每个相位配置一个“数字滤波器”来识别，但抖动脉冲串则是一个明显的问题。利用计算机处理一系列脉冲的到达时间来识别脉冲间隔，简化了交错脉冲的处理，但如果无法识别单个脉冲，抖动脉冲串的去交织仍然相当困难。如果能够先识别并剔除简单脉冲串的数据，再处理复杂的脉冲串，这一过程会大大简化。

随着 IFM 接收机的出现，可以逐脉冲测量频率。这为将脉冲按频率分箱，并通常与单个信号相关联，提供了强有力的工具——只要有足够的处理能力和存储器，这就是一个非常有效的去交织方法。然而，如果威胁信号具有逐脉冲频率捷变特性，该技术可能会失效。同样，如果能先将简单脉冲串的数据剔除，再处理复杂信号，那么将频率变化的脉冲关联起来是可行的——除非接收机内同时存在多个相同类型的频率捷变雷达。

如果有高精度测向系统，并且它能够逐脉冲提供稳定的到达方向数据，就可以利用到达方向来进行去交织。在大多数情况下，这是一种非常理想的去交织方案，因为它甚至可以处理具有非常复杂调制的信号（例如脉冲与频率捷变同时存在的情况）。一旦隔离出单个信号的脉冲，就可以进行统计分析，从调制中提取所需的信息。

5.3.3 数字接收机¶

随着数字接收机的普及和性能提升，旧系统中使用的所有技术都将可以通过软件实现。只要信号能够以足够的保真度进行数字化，就几乎可以利用软件执行任何类型的处理，包括自适应解调、滤波、参数提取等。然而，“足够的保真度”是一个关键条件。数字化的限制包括每个采样的比特数（限制了可处理的动态范围）和采样速率（限制了处理的时间保真度）。这两方面的限制几乎每天都在被新技术突破——因此必须密切关注这一领域的进展。

5.4 操作员接口¶

电子战处理中的一项挑战是操作员接口（也称人机接口，MMI）。系统必须能够接受来自操作员的指令，并向其提供数据。挑战在于使电子战系统“用户友好”，即以对操作员最直观的方式接受命令，并以尽可能直接可用的形式向操作员呈现信息。这一简单的表述在实际应用中会产生深远的影响。我们将通过两个具体的电子战系统应用来说明这些问题：一个是集成化的机载电子战系统套件，另一个是与其他远程测向系统联网的战术发射源定位系统。对于这两个示例，我们将描述涉及的命令和数据，并讨论显示发展的历史、当前常用方法、预期趋势以及时间性问题。

5.4.1 总体情况（计算机与人类的差异）¶

普遍的问题是，计算机和人类在信息输入/输出（I/O）方面的方式完全不同（如图 5.10 和图 5.11 所示）。计算机希望其 I/O 信息与其内部运作方式兼容。这意味着控制输入必须以简单、明确的数字格式提供，并且在计算机准备使用时可用。这也意味着数据一旦计算完成，就会以数字形式输出。计算机的 I/O 速度可达每秒数百万比特。计算机输入既可以通过轮询（即计算机在需要时主动寻找数据），也可以通过中断（即计算机必须中断部分工作来接受输入）。计算机“更喜欢”轮询输入，因为中断会降低其处理效率。计算机生成的实际输出数据是数字形式，并倾向于以全速率输出。

图 5.10 信息输入与输出的形式在人类与计算机之间有显著差异。数据速率（尽管不一定是有效信息速率）也存在显著差异。

图 5.11 人类与计算机在信息处理方式上完全不同。人类能够利用不完整的信息得出情境适应性的结论。

计算机在 I/O 要求上非常“非黑即白”。例如，当计算机要求输入逗号时你输入句号，或当计算机要求小写字母时你输入大写字母，就能证明这一点。输入值必须完全正确，输出值以最大可用分辨率生成。一般而言，计算机会接受所有格式正确的数据——除非峰值数据速率过高或平均速率超过处理吞吐率。

而我们人类则喜欢将 I/O 与其他活动整合在一起。我们使用复杂且有时自相矛盾的人类语言交流，词语的含义会随着上下文、时间和地点而变化。尽管我们可以通过视觉、听觉或触觉接收信息，但约有 \(90\%\) 的信息是通过视觉获得的。如果信息能够通过两种渠道同时接收（视觉与听觉，视觉与触觉，或听觉与触觉），我们会更高效地接受信息（并记忆更久）。

如果信息有上下文并且与我们的经验相关，人类能够以惊人的速度接受大量信息。另一方面，我们接受随机或抽象信息的速度很慢，必须先将新信息与熟悉的参考框架联系起来，才能使用它。人类利用信息的另一特点是，我们能够接受多个不完全正确或完整的输入，并将其整合为正确信息。

解决人类与计算机在信息处理上的差异，是我们讨论的两个操作员接口示例的核心基础。

5.4.2 集成机载电子战系统中的操作员接口¶

当我们在越战初期开始升级作战飞机的电子战能力时，几乎所有的电子战系统和子系统都有各自独立的控制和显示器。操作员必须花费大量训练时间来学习“旋钮操作”。系统产生的数据需要由操作员吸收和解释，然后手动启动适当的对抗措施。例如，B-52D 的电子战操作员（EWO）席位上就有 34 个独立的面板（还有一些设备位于座椅后方）。这些面板包含 200 多个旋钮和开关，总共接近 1,000 种可能的开关位置，加上比例类比调节。

这些早期电子战系统的控制使得操作员能够（也必须）直接修改设备的特定性能参数。状态显示器显示的是设备的具体运行状态，而接收信号显示器则展示单个信号的参数细节。

也许使用最广泛的敌方信号检测设备是雷达告警接收机（RWR）。其显示包括矢量示波器和一个带有发光按键的面板。图 5.12 展示了 AN/APR-25 RWR 使用的矢量示波器。该矢量示波器安装在大多数作战飞机的仪表板上。接收信号在显示器上以光条的形式显示。显示器顶部代表飞机机头，光条表示威胁信号的相对到达方向。虽然光条不稳定，会在平均方向附近随机变化，但操作员仍能在几度范围内较为准确地确定到达方向。光条的长度代表接收信号强度，而信号强度指示了到发射机的大致距离。该系统使用了第 8 章中描述的多天线幅度比较测向技术，而接收信号强度随距离变化的方式在第 2 章中已有描述。RWR 还配有电路，能够使用早期的技术（如最后三栏所述）确定存在的威胁信号类型。发光按键面板则通过点亮的开关来指示威胁类型。操作员可以通过按下相应开关来改变系统的工作模式（例如，忽略某些威胁类型）。

图 5.12 早期的 RWR 显示器（用于越战初期）包括矢量示波器，用于显示单个脉冲的到达方向。操作员通过“眼睛整合”显示信息来判断光条的最大长度和在示波器上的角度。光条长度与接收信号强度成比例，其在示波器上的位置显示了相对飞机机头的到达方向。

操作员可用的另一种信号识别辅助是音频信号，它通过拉伸接收脉冲，使操作员能够听到脉冲重复频率。随着威胁天线扫描飞机，接收信号的幅度会发生变化，产生独特的声音，操作员接受过训练去识别这些声音。（例如，SA-2 的声音通常被描述为“像响尾蛇”。）

当存在多个威胁时，有时很难确定威胁类型与位置的对应关系。这种显示方式在低威胁密度环境中由高技能操作员使用时效果显著。

图 5.13 展示了矢量示波器光条的生成方式。每个接收脉冲对应一个光条，通过向阴极射线管周围的磁偏转线圈输入电流斜坡实现。光条的方向和幅度由四个偏转线圈峰值电流的矢量和决定。

随着战争的持续，第二代处理器取代了逐脉冲光条，改为带有编码的光条，可以提供每个到达方向信号类型的一些信息。

到目前为止，处理主要由专用的模拟和数字硬件完成。

在越战结束时，RWR 中引入了所谓的“数字显示器”。图 5.14 展示了一个典型的早期数字显示器。一旦威胁类型被识别，计算机会生成一个符号来表示该威胁类型。该符号被放置在矢量示波器上，显示其相对于飞机的位置。飞机通常位于屏幕中心，因此发射机越近，符号越靠近中心。这类显示器上使用了（并仍在使用）多种符号。在该例中，地空导弹（SAM）按类型区分，而高炮和空中截击机则以图形符号显示。显示器上还会使用各种符号修饰符。在图 5.14 中，数字 6（表示 SA-6 SAM）外面有一个菱形，表明它目前被认为是最高优先级威胁（尽管经验丰富的 EWO 可能会对七点钟方向的那架敌机更感兴趣）。符号修饰符用于指示威胁发射机的工作模式（例如跟踪或发射模式），或指示哪些威胁信号正在被压制。

图 5.13 矢量示波器的磁偏转线圈输入电流与飞机上四个天线接收的信号成比例。每当接收到脉冲，就会向每个线圈输入一个电流斜坡。这形成了显示屏上的光条。

图 5.14 第三代 RWR 显示器（越战末期）通过符号来识别威胁类型。符号在屏幕上的位置显示发射机的位置。典型符号如图所示；它们完全由设计项目经理决定。

在此期间，干扰机的控制仍然是独立的，但可以看到功能开始集成（例如在矢量示波器上修改符号）。

5.5 现代飞机的操作员接口¶

随着威胁环境变得更加密集（且更具致命性），必须在更短时间内向操作员传递更多信息。为了实现这一点，并使操作员能够在不断缩短的可接受反应时间内采取果断行动，信息必须以“情境化”的方式呈现。虽然这让一些工程师感到震惊，但战斗机飞行员——特别是在倒飞、承受 6G 过载、并试图在接下来的 5 秒内活下去时——并没有兴趣通过解微分方程来理解战术态势。为其提供信息的计算机必须能够流利地“说战斗机飞行员的语言”。

现代电子战显示器为操作员整合战术态势，并以快速可用的形式呈现信息。我们将讨论现代飞机显示器，然后再讨论地面战术显示器。

5.5.1 图像化格式显示¶

本节中的图示来自一份美国空军研究（AFWAL-TR-87-3047 最终报告）。图 5.15 展示了一般的仪表板布局——基本上是 F/A-18 及其他几种飞机使用的座舱布局。如图所示，面板上有五个图像化显示器：平视显示器（HUD）、垂直态势显示器（VSD）、水平态势显示器（HSD）以及两个多功能显示器（MFD）。这些显示器可用于任何机组人员工作站，但由于某些飞机只有一名飞行员，以下讨论将集中在飞行员的显示器上。

图 5.15 现代仪表板包括五个显示器：一个 HUD、一个 VSD、一个 HSD 和两个 MFD。

5.5.2 平视显示器（HUD）¶

使用HUD的主要原因是飞行员从“机舱内”到“机舱外”的转换需要耗费相当于几分之一秒的时间。处于“机舱内”时，飞行员的眼睛聚焦在近距离，其思维适应于仪表所呈现的人工世界。而处于“机舱外”时，飞行员的眼睛聚焦在远距离，其思维则适应于真实世界的颜色、亮度、角度变化以及移动目标。

HUD使飞行员无需“进入机舱内”即可获得部分关键的舱内信息。HUD显示器是一个阴极射线管，通过复杂的棱镜投射到直接位于飞行员视野中的玻璃上的全息图。在不含数据的区域，HUD是透明的。图5.16展示了HUD的基本符号系统。空速、航向和高度在标准位置显示。在显示器的中心，有一个“本机”符号，用作其他数据的参考。路径符号显示飞行员应飞向的位置，以避免威胁或地形。对于主动威胁的符号，可以显示在“零俯仰参考线”以下的区域。

在空对空作战模式中，与本机和敌方武器的致命区相关的特殊显示可以叠加在HUD上。

图5.16 HUD将“机舱内”可获得的信息直接呈现在飞行员向外看时的视线中。

5.5.3 垂直态势显示器（VSD）¶

图5.17展示了“地面模式”下的垂直态势显示器。这是从飞机后方视角的透视图。注意空速、航向和高度的位置与HUD相同。地形特征显示为如果能够直接看到时的样子。此显示最引人注目的部分是由飞机RWR探测到的威胁致命区。RWR确定威胁的类型及其位置。通过先前的电子情报分析，可以知道每种威胁的三维致命区。因此，计算机能够按态势显示每种武器的致命区，使飞行员能够避开它们。在大多数关于该类显示的描述中，致命区分为完整的致命区域（通常以黄色表示）和其中无法逃逸的部分（通常以红色表示）。由其他飞机探测到、但非本机探测到的武器致命区，也可以显示出来，并标识为“预先通报”。

图5.17 VSD显示了飞机周围的态势，就像从飞机后方位置观察到的情况。这是地面模式下的VSD。

VSD还具有“空中模式”，其中空中与地面威胁被放置在从显示器透视角度看应出现的位置。

5.5.4 水平态势显示器（HSD）¶

水平态势显示器（地面模式），如图5.18所示，是从飞机上方观察飞机及其周围环境的视角。本机符号位于中心，数字方位在顶部。由于飞行员可以调整显示比例，当前比例因子显示在左下角。飞行路径以一系列线条和航路点表示。威胁显示为在飞机当前飞行高度下的致命区域（中心区域的致命性更高）。地形则显示为高于飞机当前高度的区域。战术态势元素也显示在界面上。例如，前沿部队线（FLOT）显示为指向敌方的三角形线条。

HSD的空中模式显示与空对空作战相关的重要元素。本机空对空武器的致命范围显示在本机符号前方。敌机及其武器致命区则以相应颜色（通常为红色）显示。

图5.18 HSD显示飞行路径，以及飞机当前高度下的地形特征和威胁致命包络。

图5.19 典型的MPD（众多之一）显示了飞机对抗措施的状态。

5.5.5 多用途显示器（MPD）¶

多用途显示器（MPD）用于以图形化形式显示对机组而言非即时的信息。例如发动机推力、燃油状态、液压系统状态、武器状态等。图5.19展示了对抗措施状态的图形化显示。机组可以根据需要调出数十种此类显示。有些显示会自动呈现，因为其包含的信息已变得关键，例如“低油量警告”、发动机熄火、发动机起火等。

5.5.6 挑战¶

这些类型的显示器对显示计算机提出的挑战之一是确保其与飞行员所见保持一致。飞机的俯仰与偏航相对较慢，但其滚转速度可以极高。由于这些显示需要大量处理，必须小心确保显示更新速率与飞机滚转速率保持一致。

5.6 战术ESM系统中的操作员界面¶

战术电子支援措施（ESM）系统旨在为指挥员提供态势感知。ESM系统能够确定敌方的电子战序列（即敌方发射机的类型及其位置）。由于每种军事资产都有独特的辐射源组合，因此对辐射源类型及其相对与绝对位置的掌握，使分析人员能够判断敌方部队的构成与位置。甚至有可能通过电子战序列推断出敌方的意图。

5.6.1 操作员功能¶

一旦确定了辐射源位置，它们可以通过电子方式传递至更高级别的分析中心；然而，ESM系统的操作员需要能够评估数据以确定有效的辐射源位置，并通过特殊显示得到辅助。战术ESM系统在对地作战中的一个独特特征是，单个系统很少能够确定敌方辐射源的位置。必须从多个已知位置测量到达方向（DOA），如图5.20所示。然后通过三角测量确定辐射源的位置。所测得的辐射源位置，实际上是两条DOA线的交点。

在一个理想的（平坦且空旷的）世界中，两次DOA测量足以确定辐射源位置。然而在现实中，来自地形的反射会引起多径信号。地形也可能阻断接收机的视距路径。此外，同频率的其他发射机可能导致一个或多个测向（DF）接收机产生错误读数。这三种因素都会使每一条方位线的精度不够绝对。

图5.20 确定地面辐射源的位置通常需要至少两个已知位置的到达方向测量。三次DF测量可以用来评估定位的精度。

5.6.2 实际环境下的三边测量¶

当有三个测向接收机时，就会得到三个三角测量点。在现实世界中，这些点并不会完全重合（如图 5.21 所示）。多径和干扰效应越大，计算得到的线交点的分布范围就越大。如果进行了多次测向测量，可以利用这些位置点的统计分布来计算发射机位置的质量因子；统计分布越小，质量因子就越高。操作员如果能够看到方位线，并了解该区域的地形，就能将明显错误的方位线从计算中剔除，从而让计算机计算出尽可能准确的发射机位置。因此，操作员显示器需要将测向接收机的位置、方位线、战术态势与地形特征关联起来。

许多年前，当发射机密度相对较低、战术态势通常也不太复杂时，测向操作员可以通过口头方式将他们的到达方向（DOA）读数报告给分析中心。分析员会在战术地图上标出测向站的位置，并绘制出报告的方位线。随后，分析员就可以从地图上读取三角测量坐标。随着信号密度增加和战术更加灵活，计算机生成的显示成为显而易见的改进。

图 5.21 图 5.20 中三条方位线的交点在理想情况下应重合。通过多次测量得到的位置分布范围可以反映定位精度。

5.6.3 计算机生成的显示¶

早期的计算机显示如图 5.22 所示。系统首先绘制重要地形特征的线图，然后将战术态势叠加上去。测向接收机的位置和方位线由系统绘制在显示上。屏幕左侧的数据使操作员能够将三角测量点与信号频率（以及其他可用信号信息）相关联。通过该显示，操作员可以剔除明显错误的方位线，并放大以对三角测量点进行近距离分析。一旦数据被编辑，系统即可报告这些位置并将它们与已知的其他信号数据关联起来。

显然，将计算机生成的数据与战术地图合并到同一个显示上是理想的，但当时数字地图尚不可用。一种解决方案是在战术地图上方放置一个摄像机，生成电子图像。这样，视频地图就可以与计算机数据一起显示在阴极射线管上。在操作员控制下移动和缩放摄像机，可以展示关键地图位置的特写。问题在于如何将计算机数据与地图进行索引，从而使计算机生成的位置出现在正确的地图位置。一个解决办法是在地图上绘制索引点，并要求操作员用光标（通过鼠标或轨迹球）依次指向这些索引点。随后将通用横轴墨卡托（UTM）坐标（或经纬度）与每个索引点关联，计算机便可以将地图显示与其生成的位置点进行对齐。有趣的是，这一程序与手持计算机升级操作系统后校准触摸屏的方法相同。该过程对操作员的操作要求很高，如果操作员出错，就会引入额外且无法消除的误差。此外，当摄像机移动或缩放时，保持索引的准确性也很困难。

图 5.22 在早期计算机化系统中，测得的发射机位置与地形和战术信息结合，以线图形式显示。如果某些方位线看起来是由多径或同频干扰导致的错误，操作员可以将其剔除。

5.6.4 现代基于地图的显示¶

随着数字地图的出现，可以将地图加载到计算机中，并直接在数字数据文件上添加其他信息。现在，地图可以实时编辑，加入战术态势、测向接收机位置、方位线及其他所需信息。图 5.23 展示了一个经过编辑的数字地图显示。你可以看到，FLOT（前沿部队线）位于陡坡顶端附近，而三个测向接收机（一、二、三）位于高地，以获得良好的视距条件。你还可以看到，三条方位线指示敌方发射机位于宝石湖东岸。敌方司令部则（以符号方式）显示在长湖西侧。

这种显示为操作员提供了大量信息，使其能够评估发射机位置与战术态势及地形特征之间的关系。显示器可以缩放、重新定向或移动到另一个位置，而不会丢失任何显示精度。

这种显示可以方便地被多个操作员访问，并根据各自的需求进行优化。分析员或指挥官也可以快速查看原始数据，以解决高级分析中出现的任何问题。

图 5.23 现代 ESM 操作员显示器结合了数字地图和战术态势信息，并叠加了测向接收机位置和方位线。

尽管图 5.23 使用的数字地图基于商业产品（经 Wildflower Productions Inc. 许可），但军事显示使用的是国防制图局（DMA）的地图。DMA 地图包含大量附加数据（如地形表面等），并且可以根据需要通过电子方式传输到部署的系统中。