基于作戰(zhàn)模式驅(qū)動的巡航導彈協(xié)同作戰(zhàn)任務規(guī)劃研究

張明星　程光權　黃金才　房茂燕

現(xiàn)代戰(zhàn)爭是體系與體系,平臺與平臺之間的對抗.在這樣的戰(zhàn)爭背景下,提高單枚導彈的突防能力無法有效改變戰(zhàn)爭進程,而提高多導彈的協(xié)同突防能力更加符合現(xiàn)代高技術局部戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)思想和作戰(zhàn)方式[1?2].作為一種新型的體系作戰(zhàn)方法,多導彈協(xié)同作戰(zhàn)為現(xiàn)代高技術局部戰(zhàn)爭提供了一種高效快速的導彈打擊模式,大大提高了導彈的整體作戰(zhàn)效能[3].

1　問題的提出

多巡航導彈協(xié)同作戰(zhàn)是指為完成某一作戰(zhàn)任務,將多枚巡航導彈按照一定的戰(zhàn)術和技術原則組織起來,使其形成一個相互關聯(lián)、相互作用的有機整體,并通過智能任務規(guī)劃系統(tǒng)動態(tài)調(diào)整各枚導彈的行為,對戰(zhàn)場態(tài)勢及時做出動態(tài)響應和調(diào)整,以達到協(xié)同、高效地完成作戰(zhàn)任務的目的[4?5].巡航導彈多彈協(xié)同作戰(zhàn)要考慮眾多因素,如時間的協(xié)同、空間的協(xié)同以及任務之間的協(xié)同.文獻[6]認為,多導彈協(xié)同作戰(zhàn)不僅可以有效提高導彈的突防能力,還能夠?qū)崿F(xiàn)單枚導彈不可能實現(xiàn)戰(zhàn)術隱身和對運動目標的識別搜捕能力等功能.

2　巡航導彈協(xié)同作戰(zhàn)的方式

巡航導彈協(xié)同作戰(zhàn)任務規(guī)劃與巡航導彈協(xié)同作戰(zhàn)方式有很大關系[7?8].針對不同威脅分布,不同的攻擊目標,采用不同的協(xié)同作戰(zhàn)方式,能夠達到比各枚巡航導彈單獨突防和攻擊目標更高的效果.巡航導彈的主要協(xié)同作戰(zhàn)方式有以下幾種[9?11].

2.1　多彈齊射與靜默攻擊

多彈齊射是指在一次進攻中采用不同頻率和不同類型的導彈從不同的方向上對目標進行齊射[9].文獻[9]還指出,在電子對抗過程中,即便敵方對某次齊射中的某一類型的導彈能夠進行有效干擾,但也沒有充足時間對不同頻率和不同攻擊方向和其他類型的導彈進行有效的干擾.文獻[10]指出,受制于防空武器的反應時間、射擊能力大小以及作戰(zhàn)人員的訓練水平等綜合因素的影響,敵方對多彈齊射的反應能力往往不高.由此可見,多彈齊射可以有效提高導彈的電子對抗能力和有效突防能力.

靜默攻擊是指多枚導彈(或單枚導彈)在接近攻擊目標時,開啟主動雷達,以獲取目標實時信息,并吸引目標的注意力,以此實現(xiàn)轉(zhuǎn)移火力的作戰(zhàn)意圖[10].這種類型的導彈通過把獲取的目標實時信息傳輸給協(xié)同攻擊的其他導彈,讓它們有機會從其他方向悄然抵近,實現(xiàn)出其不意攻其不備的打擊.

2.2　多彈突防與領彈/攻擊彈組合方式

為了提高巡航導彈的突防能力,必須要尋找對方防空力量的薄弱環(huán)節(jié)進行突破,同時還應當采取科學高效的進攻方式.其中,多彈突防就是提高多導彈突防能力的有效策略.文獻[10]認為,從不同發(fā)射陣地非同時發(fā)射的多枚導彈同時到達敵方目標區(qū)域時,對于地空導彈陣地而言,如果同時到達的導彈大于其防空能力,就可以確保一部分導彈有效突破敵方的防線.因此,可以認為敵方對多彈同時突防的抵御能力是非常有限的.

領彈/攻擊彈(Leader-Follower)協(xié)同作戰(zhàn)模式是俄羅斯和美國分別針對對方的軍事實力,提出的一些新的導彈打擊概念和打擊方式[10].這類攻擊方式能更好地提高多導彈之間的信息共享能力,從而提高多導彈的整體突防能力和綜合作戰(zhàn)效能.

巡航導彈的協(xié)同作戰(zhàn)主要是為了提高巡航導彈的突防概率.從上面的幾種巡航導彈的協(xié)同作戰(zhàn)方式來看,巡航導彈協(xié)同作戰(zhàn)戰(zhàn)前的任務規(guī)劃可以分為兩大類,一類是多枚巡航導彈從不同方向同時突防,這個一半是在巡航導彈飛行的末端;另一類是多枚巡航導彈編隊飛行突防,突防后對目標進行攻擊.

3　瞄準點選擇與導彈數(shù)量

巡航導彈協(xié)同作戰(zhàn)攻擊可分為多目標攻擊和單目標攻擊,確定某一波次打擊巡航導彈的需求數(shù)量和攻擊點是巡航導彈協(xié)同攻擊前火力規(guī)劃的主要任務之一.

巡航導彈攻擊點和數(shù)量求解與攻擊目標的類型、結構、材料等密切相關.因此,要確定巡航導彈的攻擊點以及導彈的數(shù)量,首先就要確定這一波次打擊的目標,確定了攻擊目標之后,根據(jù)攻擊目標的類型、結構、材質(zhì)等特點,確定攻擊目標的薄弱點或關鍵點,以此作為巡航導彈的攻擊點.對于多目標攻擊來說,攻擊點的選擇方法與單目標類似,首先確定每個目標的攻擊點.

確定了攻擊點之后,根據(jù)目標的結構材質(zhì)特點選擇戰(zhàn)斗部,并根據(jù)目標的抗打擊能力以及要達到的毀傷效果,確定每個攻擊點的導彈需求,從而確定突破防御后的巡航導彈數(shù)量.根據(jù)不同協(xié)同作戰(zhàn)方式下,巡航導彈的突防概率,計算要達到攻擊效果需要的巡航導彈數(shù)量.

4　巡航導彈協(xié)同作戰(zhàn)任務規(guī)劃

導彈協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)中的重要子系統(tǒng)是導彈任務規(guī)劃系統(tǒng)[12?13],它是指揮協(xié)同作戰(zhàn)的關鍵,文獻[12]認為任務規(guī)劃系統(tǒng)可以根據(jù)戰(zhàn)場實時態(tài)勢,再結合給定的約束條件,擬制出火力分配計劃,并為每枚導彈制定一條從發(fā)射點到攻擊目標的最優(yōu)飛行航跡.因此,從某種意義上可以認為任務規(guī)劃系統(tǒng)的核心功能就是進行火力分配與航跡規(guī)劃.本文主要針對前文提到的兩類協(xié)同作戰(zhàn)方式下火力分配計劃擬制和導彈最優(yōu)飛行航跡規(guī)劃問題開展研究。

4.1　不同方向同時突防作戰(zhàn)方式下的任務規(guī)劃

對于不同方向同時突防的巡航導彈作戰(zhàn)方式,主要針對巡航導彈飛行末端,攻擊目標周圍被防御雷達與防空火力包圍,巡航導彈從各個方向進行突防.對于這種協(xié)同作戰(zhàn)方式,戰(zhàn)前的任務規(guī)劃主要解決下面幾個問題:一是巡航導彈不同方向突防時的突防方向與各突防點的位置;二是巡航導彈與各瞄準點之間的火力分配;三是協(xié)同作戰(zhàn)巡航導彈的航跡規(guī)劃,要保證不同陣地發(fā)射的巡航導彈能夠同時到達各瞄準點.

4.1.1　突防方向與突防點的確定

突防方向是巡航導彈協(xié)同作戰(zhàn)時各巡航導彈的攻擊方向.根據(jù)敵方雷達的布防可以分為兩種情況:一種是多部雷達配合防空火力單元協(xié)同防御;二是單個雷達配合防空火力進行防御.對于第1種情況,巡航導彈同時突防主要選擇敵方雷達防御薄弱的方向.第2種情況下,由于各個方向的雷達探測概率相同,因此,采用均勻分布的方法進行突防.

突防點即協(xié)同作戰(zhàn)巡航導彈在突防方向上同時到達的點.對于突防點來說,為了增加巡航導彈突防的突然性,一般情況下突防點選在突防方向上敵方雷達探測范圍的稍前方.

4.1.2　突防點與巡航導彈陣地之間的分配

對于巡航導彈于突防點的分配問題,為了增加巡航導彈突防的突然性,要保證協(xié)同作戰(zhàn)的各巡航導彈同時到達突防點,就需要保證從不同發(fā)射陣地發(fā)射的巡航導彈能夠同時到達突防點,即實現(xiàn)巡航導彈的飛行時間可控.因此,要對巡航導彈飛行時間進行控制,可以采用以下幾種方法:一是適時調(diào)節(jié)巡航導彈的飛行速度;二是適時改變巡航導彈的飛行航跡[14];三是控制巡航導彈的發(fā)射時間.對于第2種方法,不妨假設巡航導彈在巡航過程中飛行速度不變,這樣便將導彈攻擊時間約束轉(zhuǎn)化為導彈飛行路徑的長度約束[10],這種方法在航跡規(guī)劃過程中不僅需要考慮地形、威脅因素,還要考慮各導航巡航導彈航程等因素,使得巡航導彈的航跡規(guī)劃更為復雜.而第1種方法在巡航導彈的航跡規(guī)劃中主要考慮戰(zhàn)場環(huán)境威脅,航跡規(guī)劃比第2種要簡單,同時能夠較好地保證巡航導彈的安全,控制巡航導彈同時到達.第3種方案相對于前兩種來說,在任務規(guī)劃方面更靈活,但是對發(fā)射時間要求較高,但是隨著巡航導彈發(fā)射控制技術的發(fā)展,這種方法不失為一種協(xié)同作戰(zhàn)重要的作戰(zhàn)方式.確定導彈發(fā)射陣地與突防點之間的對應關系,就是在保證巡航導彈同時到達突防點的同時,盡可能減少巡航導彈的飛行航程和戰(zhàn)前任務規(guī)劃時間.

4.1.3　發(fā)射陣地到突防點的航跡規(guī)劃

確定了發(fā)射陣地與其各自對應的突防點,下面要做的就是根據(jù)發(fā)射陣地與其對應的突防點的戰(zhàn)場相對位置進行航跡規(guī)劃[15?16].對于巡航導彈的航跡規(guī)劃,當前方法很多,但是對于協(xié)同作戰(zhàn)來說如果采用前文提到的第2種方法,還需要保證協(xié)同作戰(zhàn)巡航導彈的各航跡的航程滿足下式:

其中,smax,smin為各巡航導彈飛行航跡航程最大值與最小值,vmax,vmin為巡航導彈最大與最小巡航速度,t為巡航導彈由發(fā)射陣地到突防點的飛行時間.

4.2　編隊突防協(xié)同作戰(zhàn)方式下的任務規(guī)劃

對于巡航導彈編隊突防的協(xié)同作戰(zhàn)方式,每枚巡航導彈從所屬平臺發(fā)射之后,將沿著預先設置的導航點同時到達集結區(qū),隨后,彈上自主任務規(guī)劃系統(tǒng)或地面任務規(guī)劃系統(tǒng)將根據(jù)實時戰(zhàn)場態(tài)勢進行火力分配,并制定協(xié)同作戰(zhàn)的末制導策略.因此,對于這種協(xié)同作戰(zhàn)方式,發(fā)射前的任務規(guī)劃需要確定兩個點:導彈突防集結點與導彈分散攻擊點,而巡航導彈的航跡也將分為3個階段:發(fā)射陣地到突防集結點,突防集結點到分散攻擊點,分散攻擊點到目標瞄準點.從上面的分析可以看出,對這種協(xié)同作戰(zhàn)方式的任務規(guī)劃研究,主要包含以下幾個部分:

1)集結點與分散點的確定;

2)巡航導彈3個階段的航跡規(guī)劃;

3)巡航導彈分散之后的火力分配.

4.2.1　集結點與分散點

巡航導彈的飛行區(qū)域可分為3個區(qū)域:我方控制區(qū)域、敵方控制區(qū)域以及末端攻擊區(qū)域.集結點是巡航導彈協(xié)同作戰(zhàn)集中編隊,然后協(xié)同突防的位置點.因此,它應該選在我方控制區(qū)與敵方控制區(qū)交界處,同時敵方防御較為薄弱的地方.對于同一波次的攻擊可能會有多個集結點.對于集結點來說,從不同發(fā)射陣地發(fā)射的巡航導彈要在同一時刻到達集結點進行編隊,因此,集結點與發(fā)射陣地之間的飛行航跡同樣需要滿足巡航導彈同時達到的條件.因此,需要確定不同集結點對應的可用發(fā)射陣地,同樣可以采用前文提到的不平衡指派問題算法,在此不再重復.

若巡航導彈編隊攻擊多個目標,則巡航導彈編隊突防后,需要分散開攻擊各自的目標,巡航導彈編隊的分散區(qū)域便是分散點.若編隊作戰(zhàn)的巡航導彈只攻擊單個目標,則不需要分散點.巡航導彈的分散點,一般選在巡航導彈飛行的末端,巡航導彈脫離編隊后直接飛向攻擊目標.巡航導彈的分散有兩種方式:第1種方式是設置單一分散點,巡航導彈編隊飛臨分散點后,各自按照自己的攻擊目標分散飛行;第2種方式是巡航導彈編隊飛行時,當靠近某一攻擊目標時,對目標攻擊的巡航導彈脫離飛行編隊對目標進行攻擊,其他巡航導彈繼續(xù)編隊飛行.第1種方式在航跡規(guī)劃方面比較容易實現(xiàn),而第2種方式實現(xiàn)起來比較復雜,因此,本文主要研究第1種方式.

4.2.2　巡航導彈編隊作戰(zhàn)航跡規(guī)劃

根據(jù)上面的分析,巡航導彈編隊作戰(zhàn)的航跡規(guī)劃可分為3個階段:第1階段是巡航導彈發(fā)射陣地到集結點的航跡規(guī)劃,第2階段是由集結點到分散點,第3階段是由分散點到攻擊目標,如圖1所示.

圖1　巡航導彈編隊作戰(zhàn)航跡示意圖

對于第1個航跡規(guī)劃階段,從發(fā)射陣地到集結點,這個階段是巡航導彈在我方控制區(qū)域內(nèi)的航跡規(guī)劃,主要考慮的是地形對巡航導彈造成的威脅,按照集結點對應的巡航導彈發(fā)射陣地進行航跡規(guī)劃,其規(guī)劃算法前文已經(jīng)作了詳細的研究.在這個階段的航跡規(guī)劃中,雖然多個發(fā)射陣地發(fā)射,但是規(guī)劃的飛行航跡中可能某些區(qū)域會同時有多枚巡航導彈飛過,因此,在航跡規(guī)劃過程中對于多枚巡航導彈同時飛行的區(qū)域,要保證同一時刻此段飛行航跡的巡航導彈數(shù)量不能超過它的航跡容量,即同一時刻巡航導彈的最大數(shù)量,從而防止導彈飛行過程中與其他導彈發(fā)生碰撞,造成不必要的損失.

第2階段由集結點到分散點的航跡規(guī)劃,此階段巡航導彈編隊飛行.此階段巡航導彈主要在敵方控制區(qū)域飛行,因此,巡航導彈面臨的威脅除了地形威脅外,還有敵方的雷達與防空火力形成的威脅,同時由于多枚導彈編隊飛行,在航跡規(guī)劃的過程中,對于某些地形要考慮航跡的容量,以免導彈發(fā)生碰撞.同時對多枚巡航導彈編隊飛行時,其隊形是需要研究的,如領彈/攻擊彈協(xié)同作戰(zhàn)模式,一枚巡航導彈在高空飛行探測戰(zhàn)場信息,其他巡航導彈根據(jù)領彈傳遞的信息低空飛行;或者“靜默”攻擊模式,一枚或幾枚巡航導彈末制導雷達開機并提高飛行彈道,一方面獲取戰(zhàn)場信息并傳遞給其他巡航導彈,另一方面吸引敵方火力,編隊中的其他巡航導彈低彈道靜默飛行,從而提高編隊的突防概率.

第3階段由分散點到攻擊目標為末端攻擊區(qū),巡航導彈飛離分散點后首先利用滾動使導彈的航跡角與由導彈實時位置和目標位置確定的應飛航向相同,然后將此時導彈位置與目標點重新建立新的理想航線,使導彈按此航線飛向目標.

4.2.3　巡航導彈分散之后的火力分配

巡航導彈編隊在分散點分散后,各自攻擊自己的預定目標.雖然編隊中的各巡航導彈同時到達集結點,但由于由發(fā)射點到集結點的飛行航跡長度不同,因此,在分散點各巡航導彈攻擊各自目標時,剩余飛行航程不盡相同.對于這種情況,為了防止出現(xiàn)巡航導彈因燃油耗盡而無法攻擊目標的情況,在巡航導彈火力分配方面,可以按照剩余飛行航程少的巡航導彈攻擊距離分散點近的目標這樣一種原則進行火力分配.

5　結論

本文圍繞巡航導彈協(xié)同作戰(zhàn)戰(zhàn)前的任務規(guī)劃問題,研究了巡航彈協(xié)同作戰(zhàn)的主要方式,分析了瞄準點選擇與導彈數(shù)量求解問題,核心針對多彈協(xié)同任務規(guī)劃中的火力分配計劃和導彈飛行航跡進行了建模和求解,并通過案例分析驗證了方法的有效性.

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