朱 智，雷永林，朱一凡

(國防科技大學(xué)信息系統(tǒng)與管理學(xué)院，湖南長沙410073)

防空反導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展是與空襲技術(shù)的更新密不可分的，面對空襲目標(biāo)的多樣化、高速化、隱身化，空襲方式的超視距化，飽和攻擊和電子干擾的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，以及應(yīng)對高自我生存和高毀傷能力的要求，將網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)引入防空反導(dǎo)體系的研究和形成新型環(huán)境下的防空作戰(zhàn)樣式是必然的選擇與發(fā)展趨勢［1］。網(wǎng)絡(luò)化使得防空作戰(zhàn)體系中的武器裝備和作戰(zhàn)單元達到信息共享和協(xié)同作戰(zhàn)的目的，與以往的平臺中心戰(zhàn)或樹狀體系結(jié)構(gòu)相比，其能夠大幅度提高整個體系的反應(yīng)速度和一體化作戰(zhàn)效能［2－3］。

由于網(wǎng)絡(luò)化防空反導(dǎo)體系自身的復(fù)雜性，當(dāng)前國內(nèi)外對其建模與仿真的研究尚處于探索階段，或者由于保密而沒有公開關(guān)鍵技術(shù)的新進展。美軍在戰(zhàn)區(qū)導(dǎo)彈防御(Theater Missile Defense，TMD)、末段高空區(qū)域防御(Terminal High-Altitude Area Defense，THAAD)、國家導(dǎo)彈防御(National Missile Defense，NMD)等大規(guī)模防空反導(dǎo)體系的開發(fā)中，建立和使用了大量的仿真系統(tǒng)進行分析與論證工作，如EADSIM(Extended Air Defense Simulation)，A-STATS(Aegis-Simulation，Test And Training System)，ESAMS(Enhanced Surface to Air Missile Simulation)，COSMOS(C4ISR，Space and Missile Operation Simulation)等［4－6］。

1 體系結(jié)構(gòu)與作戰(zhàn)特點分析

唐蘇妍、朱一凡研究提出［7－8］，網(wǎng)絡(luò)化防空反導(dǎo)體系是由多個(種)探測制導(dǎo)設(shè)備、多個攔截干擾武器、多個可變中心的指控節(jié)點通過分布式網(wǎng)絡(luò)連接起來，對空襲目標(biāo)進行電子對抗并實施攔截的戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)級、一體化、靈活高效的作戰(zhàn)體系，體系結(jié)構(gòu)如圖1所示［9］。

根據(jù)隸屬單元的臨時組合與功能劃分可形成探測提示、超視距攔截、遠程交戰(zhàn)、接力制導(dǎo)和協(xié)同交戰(zhàn)五種網(wǎng)絡(luò)化防空作戰(zhàn)樣式［10－12］。探測提示指遠程雷達發(fā)現(xiàn)威脅目標(biāo)后，將該提示信息發(fā)送給本地火力單元，以使本地單元有充分的時間作發(fā)射防空導(dǎo)彈前的準(zhǔn)備工作(包括自身狀態(tài)估計、目標(biāo)提示信息的融合與解算、形成本地發(fā)射車和制導(dǎo)雷達的開機指令等);超視距攔截是在探測提示的基礎(chǔ)上，根據(jù)探測到的目標(biāo)提示信息發(fā)射防空導(dǎo)彈，然后在威脅目標(biāo)進入本地雷達探測范圍內(nèi)時利用本地雷達進行制導(dǎo)控制，制導(dǎo)權(quán)(計算和提供制導(dǎo)指令)沒有移交，仍然是在本地單元;遠程交戰(zhàn)是在探測提示的基礎(chǔ)上，本地單元基于遠程信息發(fā)射防空導(dǎo)彈，而繼續(xù)由遠程火力單元為本地防空導(dǎo)彈提供制導(dǎo)，制導(dǎo)權(quán)在遠程火力單元，如圖2所示［13］。

圖2 探測提示、超視距攔截與遠程交戰(zhàn)Fig.2 Detect prompt，beyond visual range interception and distance engagement

接力制導(dǎo)是指制導(dǎo)權(quán)的交接，即是由其他節(jié)點提供所需的制導(dǎo)能力，目的在于隸屬節(jié)點因故障等原因無法提供制導(dǎo)時，其他節(jié)點可以為本地發(fā)射的防空導(dǎo)彈提供精度更高的中末端制導(dǎo)，并且在面對多個目標(biāo)時，可以發(fā)射多枚防空導(dǎo)彈，分散和移交制導(dǎo)權(quán);協(xié)同交戰(zhàn)與接力制導(dǎo)的區(qū)別在于戰(zhàn)場環(huán)境的不確定性，制導(dǎo)權(quán)不是確定性的轉(zhuǎn)移，而是多了制導(dǎo)節(jié)點間協(xié)同的概念，通過對整個跟蹤制導(dǎo)網(wǎng)的全局掌握，動態(tài)地為防空導(dǎo)彈提供最方便、最精確的制導(dǎo)，如圖3所示。

圖3 接力制導(dǎo)與協(xié)同交戰(zhàn)Fig.3 Relay Guidance and cooperative engagement

2 模型設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)化防空反導(dǎo)體系屬于典型的復(fù)雜系統(tǒng)，建模難度高［14－15］，本節(jié)從目標(biāo)分配管理、武器狀態(tài)管理和指控優(yōu)選決策三方面基于統(tǒng)一建模語言(Unified Modeling Language，UML)進行建模。目標(biāo)的分配管理主要是在探測器發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、丟失目標(biāo)和自身毀傷后的目標(biāo)狀態(tài)控制;武器狀態(tài)管理的建模主要是武器在網(wǎng)絡(luò)化體系作戰(zhàn)下火控制導(dǎo)權(quán)的轉(zhuǎn)讓;指控優(yōu)選決策的優(yōu)化基于指數(shù)法，可根據(jù)實際需要適當(dāng)擴充因子或根據(jù)各因子的權(quán)重適當(dāng)調(diào)整指數(shù)系數(shù)。

2.1 目標(biāo)分配管理

體系作戰(zhàn)模式下，態(tài)勢信息通過體系內(nèi)的態(tài)勢圖為體系內(nèi)各成員所共享，各成員的態(tài)勢信息匯報經(jīng)由數(shù)據(jù)鏈接口，目標(biāo)的分配則由編隊在態(tài)勢變化時統(tǒng)一進行分配或調(diào)整分配。態(tài)勢變化的數(shù)據(jù)鏈觸發(fā)事件主要包括:探測器發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、探測器丟失目標(biāo)和毀傷結(jié)果匯報。每個事件觸發(fā)時的目標(biāo)分配調(diào)整分別如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 目標(biāo)發(fā)現(xiàn)Fig.4 Target discovery

圖5 目標(biāo)丟失Fig.5 Target loss

圖6 目標(biāo)摧毀Fig.6 Target destruction

圖7 火控武器狀態(tài)Fig.7 State of fire-control weapon

2.2 武器狀態(tài)管理

武器狀態(tài)管理指武器與火控之間的關(guān)系及處理機制，網(wǎng)絡(luò)化防空反導(dǎo)體系作戰(zhàn)下主要涉及武器發(fā)射前后火控丟失目標(biāo)后，判斷當(dāng)前情形是否處于體系作戰(zhàn)模式下，決定是否觸發(fā)事件TargetLost，從而進行網(wǎng)絡(luò)化體系作戰(zhàn)下的目標(biāo)分配管理及機制處理，如圖7所示。

2.3 指控優(yōu)選決策

異地制導(dǎo)中執(zhí)行火控優(yōu)選時，不能僅僅只考慮目標(biāo)與制導(dǎo)節(jié)點的距離，還需考慮制導(dǎo)節(jié)點本身性能以及其他諸如地理、氣候、兵力部署等關(guān)系。接力制導(dǎo)執(zhí)行火控優(yōu)選時要考慮到導(dǎo)彈飛行距離，因為在指令制導(dǎo)體制下，制導(dǎo)精度通常會隨導(dǎo)彈的飛行距離的增加而降低，且抗干擾能力較差。因此，對于中段采取指令制導(dǎo)體制的防空導(dǎo)彈，隨著導(dǎo)彈與火控防空陣地距離的增加，當(dāng)制導(dǎo)精度降低到某一個閾值時，應(yīng)執(zhí)行火控優(yōu)選，選擇更適合的制導(dǎo)節(jié)點。制導(dǎo)精度不僅與制導(dǎo)節(jié)點自身性能(包括探測范圍、最大俯仰角、方位視場角、距離分辨率、角度分辨率等)有關(guān)，而且與目標(biāo)、防空導(dǎo)彈當(dāng)前時刻的位置以及目標(biāo)雷達反射截面積(Radar Cross-Section，RCS)有關(guān)，可用制導(dǎo)節(jié)點的制導(dǎo)質(zhì)量(quality)來衡量。用指數(shù)法評估制導(dǎo)節(jié)點分值，其好處是只要其中一個要素分值為0，那么總得分就為0，例如在某個火控節(jié)點中，若要素中雷達剩余通道為0(NLeft=0)，不管其他因素的分值有多高，都不應(yīng)該選擇此火控節(jié)點承擔(dān)制導(dǎo)任務(wù)。因代碼框架龐大，式(1)僅展示T時刻制導(dǎo)節(jié)點quality的計算模型。

式中，quality為火控的評分值，σ為雷達探測RCS(不同的目標(biāo)與陣地方位相對于不同的雷達探測到的RCS)為目標(biāo)最大RCS值(定值)，R為制導(dǎo)雷達最大作用距離，RTarget為平臺到目標(biāo)距離，RWeapon為平臺到導(dǎo)彈距離，N為目標(biāo)最大RCS值(定值)，NLeft為雷達剩余通道數(shù)，α為雷達最大方位角，β為雷達最大俯仰角，e1為距離分辨率，e2為角度分辨率。

3 仿真實驗與分析

基于武器效能仿真系統(tǒng)(Weapon Effectiveness Simulation System，WESS)平臺［16］，通過接力制導(dǎo)的仿真實驗體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化防空反導(dǎo)體系的作戰(zhàn)特點。

3.1 接力制導(dǎo)

地空導(dǎo)彈在中段制導(dǎo)過程中，其制導(dǎo)雷達如果發(fā)生故障導(dǎo)致其不能正常工作，若此時還有其他雷達對目標(biāo)進行跟蹤，那么在體系統(tǒng)一調(diào)配下，此時地空導(dǎo)彈應(yīng)該由其他成員進行接力制導(dǎo)，消除武器對本地雷達的強隸屬性。

3.2 實驗想定

可設(shè)定火控雷達在武器的指令制導(dǎo)段關(guān)機，若武器進入中段時刻為t1，進入交班段時刻為t2，設(shè)置仿真時鐘t在t1與t2之間關(guān)閉火控雷達。紅方為機場，配屬一架A型戰(zhàn)斗機(裝配機載雷達1個，導(dǎo)彈告警器1個、反輻射導(dǎo)彈兩枚);藍方是由三個防空陣地單元(1、2、3)組成的防空陣地混編群，各陣地裝配愛國者雷達1架，地空導(dǎo)彈各8枚，如圖8所示。

圖8 實驗想定模型Fig.8 Scenario tree

3.3 型號數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

對抗雙方模型包括機場、固定翼飛機、空面導(dǎo)彈、機載火控雷達、導(dǎo)彈告警器、防空陣地、地基雷達和地空導(dǎo)彈，各模型型號準(zhǔn)備如表1所示，表中包括各模型的坐標(biāo)位置，及飛機航路點、高程和速度。

表1 紅藍雙方型號數(shù)據(jù)Tab.1 Prototype data of both sides

3.4 結(jié)果與分析

防空陣地1的火控雷達地基雷達A在t=412時刻建立“地基雷達A—地空導(dǎo)彈1—目標(biāo)”的火控關(guān)系且由防空陣地1發(fā)射攔截武器地空導(dǎo)彈，如圖9所示;地空導(dǎo)彈在t=445時刻助推段結(jié)束，進入中段;在t=520時刻地基雷達A關(guān)機;在t=535時刻建立新“地基雷達C—地空導(dǎo)彈—目標(biāo)”的火控關(guān)系，如圖10所示。圖11和圖12是仿真的二維表現(xiàn)圖，可看出制導(dǎo)權(quán)已從地基雷達A移交給地基雷達C。

圖9 防空陣地1模型消息Fig.9 Model message of air defense base 1

圖10 防空陣地3模型消息Fig.10 Model message of air defense base 3

圖11 防空陣地1火控關(guān)系的二維表現(xiàn)Fig.11 Dimensional display of fire control relationships for air defense base 1

4 結(jié)論

網(wǎng)絡(luò)化防空反導(dǎo)體系的作戰(zhàn)特點較之以前的非網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用而言，是根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢將分布在廣域戰(zhàn)場中的各種目標(biāo)、指控中心、探測裝置、武器等資源的配置關(guān)系實時調(diào)整，以實現(xiàn)戰(zhàn)場信息的透明和作戰(zhàn)資源的靈活運用，增強戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力，加快指揮決策速度，取得非對稱信息優(yōu)勢，將信息優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為決策優(yōu)勢，從而轉(zhuǎn)化為作戰(zhàn)優(yōu)勢。文章對網(wǎng)絡(luò)化防空反導(dǎo)體系作戰(zhàn)的特點進行描述，主要以簡潔的圖示方式集中體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化防空反導(dǎo)體系的武器資源制導(dǎo)權(quán)的轉(zhuǎn)讓、指控中心的協(xié)同、交戰(zhàn)方式等作戰(zhàn)優(yōu)勢，其后主要從目標(biāo)管理、武器狀態(tài)管理、指控中心決策三個方面對網(wǎng)絡(luò)化防空反導(dǎo)體系進行建模，最后通過設(shè)計接力制導(dǎo)的實驗案例展示網(wǎng)絡(luò)化防空反導(dǎo)體系作戰(zhàn)的過程，實現(xiàn)了初始概念到建模、建模再到實驗分析的研究方法，對網(wǎng)絡(luò)化防空反導(dǎo)體系的進一步研究具有一定的啟示意義。

圖12 防空陣地3火控關(guān)系的二維表現(xiàn)Fig.12 Dimensional display of fire control relationships for air defense base 3

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