戰(zhàn)術級空地聯(lián)合行動空域管控：空中“紅綠燈”技術

喬沛昊，陳 勇，薛文軍，馮培倫，邢 欣

（1.北方自動控制技術研究所，太原 030006；2.駐太原地區(qū)第二軍代室，太原 030006）

0 引言

隨著現(xiàn)代科技的不斷進步，在未來信息化裝備高度發(fā)展的情況下，一定會呈現(xiàn)“立體統(tǒng)一、空地協(xié)同、一域多分”的攻防作戰(zhàn)體系［1］?？罩凶鲬?zhàn)平臺具有機動性能好、視野廣闊、態(tài)勢感知能力強的優(yōu)勢，地面陸軍裝甲裝備具有防御性能好、部署隱蔽、火力覆蓋范圍廣的優(yōu)勢［2］。采用空中與地面協(xié)同作戰(zhàn)的方式，結合各自先天的優(yōu)勢，可以充分發(fā)揮整體作戰(zhàn)效能，提高各兵種武器裝備利用率，進而可以快速適應未來戰(zhàn)場的復雜多變。

空域管控技術是空地協(xié)同作戰(zhàn)中的一項關鍵技術。戰(zhàn)場空域管控的關鍵在于對空域的調(diào)配和控制，既要保證我方空域的充分利用，盡可能確保作戰(zhàn)任務的實現(xiàn)和作戰(zhàn)效能的充分發(fā)揮，又要關注敵方空域及敵我交戰(zhàn)空域的控制問題［3］。通過對戰(zhàn)場空域合理的管控，可以形成統(tǒng)一的聯(lián)合戰(zhàn)斗單元，保障空地協(xié)同作戰(zhàn)的流暢性，極大地提高防空能力［4］。

目前不論國內(nèi)還是美國、歐洲等軍事強國，在軍事領域上主流的空域管理方式是采取在二維、三維界面根據(jù)高程進行劃分的方法規(guī)劃空域［5］。作戰(zhàn)時，作戰(zhàn)部隊首先發(fā)起空域申請，由空域主管部門下發(fā)規(guī)劃后空域，其下發(fā)結果為空域劃分和時間區(qū)間?？展苋藛T通過對照具體場景在態(tài)勢圖上顯示的二維平面圖，對空域規(guī)劃進行二次細分，如：禁飛區(qū)、射擊區(qū)、攔截區(qū)、空中危險區(qū)等。綜合來講，目前戰(zhàn)術級空域使用不靈活，空域利用率較低，沒有對不同的層高進行充分利用，缺乏成熟的戰(zhàn)術級空域使用規(guī)劃技術。

本文針對空地協(xié)同作戰(zhàn)，提出了空中“紅綠燈”空域管控技術。首先通過對戰(zhàn)場空域進行科學切分，形成網(wǎng)格化戰(zhàn)術級空域，這是進行戰(zhàn)術級空域管控與調(diào)配的最基本單元。將信息與火力融為一體，實現(xiàn)信息與火力的一體化協(xié)同，形成體系化作戰(zhàn)能力。在戰(zhàn)術級空域管控技術中建立空域使用計劃自適應調(diào)整和控制機制，滿足執(zhí)行作戰(zhàn)任務和敵我態(tài)勢變化的要求，提高戰(zhàn)術級空域管理的時效性與空域使用效能。最后引入科學、高效的沖突檢測告警技術，增強了戰(zhàn)術級“紅綠燈”空域管控技術的安全性，以更好地發(fā)揮作戰(zhàn)效能。

1 網(wǎng)格化空域標識技術

傳統(tǒng)空域標識的方法是以空中走廊、航道的形式，在態(tài)勢圖上進行顯示。標識空中走廊、航道的形式不夠細化，對空域的使用效能不夠充分，顯示的力度不細。網(wǎng)格化標識空域的方法是對傳統(tǒng)方式的一個強有力的補充，很大程度上彌補了原有方法的不足。

1.1 網(wǎng)格化空域切分方法

首先建立戰(zhàn)術級空域管理模型，對空域主管部門規(guī)劃的戰(zhàn)術級空域進行切分，可以等分切分，也可以根據(jù)具體地理環(huán)境，如：高山、叢林等自然屏障對空域進行不等分切分。切分時嚴格遵照戰(zhàn)術級空域切分規(guī)定、具體作戰(zhàn)任務，如50 m 高程一切，將戰(zhàn)術級空域網(wǎng)格化并進行有序的空間編碼，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格化戰(zhàn)術級空域

切分后將網(wǎng)格化空域放大，可以看到網(wǎng)格化戰(zhàn)術級空域由一個個小立方體的空間構成，每一個小立方體為一個基本單位，如圖2 所示。每一個小立方體空間對應一個具體編碼，成為研究具體“紅綠燈”管控、防碰撞系統(tǒng)的基本單位。

圖2 切分后的網(wǎng)格化編碼戰(zhàn)術級空域

立方體塊的各個頂點不得超出空域邊界，空域內(nèi)坐標（Xij，Yij）應滿足下式要求，其中，∏（Boundary）為空域邊界。

1.2 空域內(nèi)航道分流合并技術

戰(zhàn)術級空域切分后，該空域范圍內(nèi)會有相關業(yè)務的航路，如：運輸、偵察航路等。每條航路構成一條空中走廊，每條空中走廊包含若干細分的立體網(wǎng)格。當對應具體任務時，在某一條空中走廊中的飛機可以根據(jù)實時變化航道的走向，組成若干通道；根據(jù)實時戰(zhàn)場變化，若干條航道也可以合并組成一條航道。

如圖3 所示，中間淺色航道因特殊情況臨時設為禁飛航道，通過“紅綠燈”空域管控技術可以開辟出若干條安全的臨時航道。所有空中走廊的變化均在整個細化切分的戰(zhàn)術級空域范圍內(nèi)，具體調(diào)配時只需對應相應空域編碼即可，因此，航道的臨時調(diào)整、管控都十分便捷。

圖3 網(wǎng)格化空域內(nèi)航道的分流、合并

1.3 網(wǎng)格化空域切分成效

傳統(tǒng)空域管理方法主要圍繞計劃下的空域劃分和時間規(guī)劃，一條條航道就好比生活中的普通馬路，使用不靈活，效率也比較低。網(wǎng)格化細分后的空域，每一塊相互區(qū)分又緊密聯(lián)系，戰(zhàn)術級空域內(nèi)的航道可以根據(jù)任務擴容擴路，結合空中“紅綠燈”運轉流程，就好比是生活中的高速公路。

在現(xiàn)有的戰(zhàn)術級空域管理方法中并沒有包含切分細化空域的做法，大多是根據(jù)一條條固有的空中走廊進行調(diào)配管理，這樣不僅空域利用率不高，空中走廊中飛機的靈活性也受到限制。通過網(wǎng)格化標識技術將戰(zhàn)術級空域進行細化切分，在提高空域利用率、靈活性的同時，也為戰(zhàn)術級空域內(nèi)進行空中“紅綠燈”的管控奠定架構基礎。

2 “紅綠燈”空域管控技術運轉流程

2.1 工作原理

以“紅綠燈”方式對戰(zhàn)場空域情況進行管控，能夠更加直觀地掌控空域態(tài)勢，更加合理高效地對空域進行管理，在避免誤傷的同時，極大提高作戰(zhàn)效能。這種方式以面向任務為驅(qū)動，根據(jù)不同的作戰(zhàn)任務，控制空域網(wǎng)格顯示紅燈、綠燈或者黃燈，紅燈表示火力通道有效、綠燈表示空中機動通道有效，黃燈表示存在風險。

從用戶視角來看，主要涵蓋空中機動及地面火力單元。對于空中機動，空中走廊由若干個空域網(wǎng)格構成，將包含飛行器當前位置以及一定安全間隔閾度的網(wǎng)格顯示為綠燈，飛機通過的空域或者剩余航路則顯示紅燈，紅燈則表示火力彈道可以覆蓋此空域。對于火力單元，會根據(jù)火力任務及火力計劃情況劃設火力通道，在火力處于射擊狀態(tài)或射擊過程時間段，火力通道則顯示紅燈，表示飛行器不能進入該區(qū)域，需改變航線。射擊結束后，火力使用的空域資源釋放，空域網(wǎng)格恢復初始狀態(tài)，顏色顯示灰色。

而從空域管理的視角出發(fā)，整個監(jiān)視界面形成統(tǒng)一的紅綠燈空域態(tài)勢圖，以及空域控制列表，列表呈現(xiàn)各空域用戶單元及權限。權限包含允許飛行、禁止飛行、禁止射擊、允許射擊等狀態(tài)。同時這種“紅綠燈”控制策略能夠處理臨機的用空任務，動態(tài)調(diào)整空域紅綠燈運行狀態(tài)。

2.2 典型場景應用

2.2.1 飛機與火力交互

在網(wǎng)格化戰(zhàn)術級空域內(nèi)有一條航道，與此同時有一條火力通道經(jīng)過該航道，如圖4 所示。從用戶視角觀察，箭頭處為我機當前位置，已經(jīng)過航道為紅色，隨著飛機不斷前進，紅色航道變?yōu)榫G色，另一條灰色航道為無作業(yè)打擊時的火力通道。圖中白色方塊為亮“紅燈”，三角形為亮“綠燈”，灰色方塊為無作業(yè)打擊時的火力通道。

圖4 飛機與火力交互前“紅綠燈”管控圖

當火力通道由無作業(yè)狀態(tài)變?yōu)榭梢赃M行打擊作業(yè)，此時火力通道亮“紅燈”。如果我機按原既定航道繼續(xù)前行可能發(fā)生碰撞，因此，我機只可以在交錯點前一塊方格空域內(nèi)做懸停（如直升機）或盤旋等待作業(yè)，任何飛行器不能經(jīng)過火力通道，如圖5所示。

圖5 飛機與火力交互時“紅綠燈”管控圖

當火力打擊完畢，火力通道由亮“紅燈”恢復無作業(yè)時的灰色狀態(tài)。此時可能發(fā)生碰撞的危機解除，我機可繼續(xù)沿著航道前行，如圖6 所示。

圖6 飛機與火力交互后“紅綠燈”管控圖

2.2.2 飛機與不明目標交互

在網(wǎng)格化空域內(nèi)有一條航道，此時航道前方經(jīng)過地面雷達偵察系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)不明目標駛入航道，如下頁圖7 所示，灰色箭頭為不明目標。如果我機繼續(xù)按原既定航道前行，可能發(fā)生碰撞或者交火，此時空中“紅綠燈”空域管控系統(tǒng)開始運作。

當我機接收到信號，“紅綠燈”管控系統(tǒng)運作，及時為我機開辟一條或多條亮“綠燈”的航道，避免與不明目標正面交錯，原既定航道此時全部亮“紅燈”，禁止一切飛行器進入，如圖8 所示。

圖7 飛機與不明目標交互“紅綠燈”運作管控圖

圖8 飛機與不明目標交互新航道開辟管控圖

2.3 管控成效分析

空中“紅綠燈”管控技術相比較傳統(tǒng)空域管控技術，最鮮明的特點就是提高了時效性與空域利用效率。

傳統(tǒng)空域管控技術運轉的時間周期為空域計劃時間、偵察計劃時間、地面火力計劃時間、沖突檢測時間、臨機調(diào)整時間等的總和?？罩小凹t綠燈”管控技術運轉的總時長僅僅為“紅綠燈”管控時間和各火力單元控制時間的總和。當我機在指定空域內(nèi)遇到突發(fā)狀況，可以根據(jù)“紅綠燈”網(wǎng)格顯示和管控策略及時作出調(diào)整，極大地提高了時效性。

空中“紅綠燈”管控技術不僅多層高可以同時利用，通過網(wǎng)格化空域切分，將整體空域進一步編碼細分，使所有節(jié)點可以同時關注“紅綠燈”情況，然后根據(jù)指示進行隨動操作，提高了空域利用效率。

3 沖突告警防碰撞技術

安全性是戰(zhàn)術級“紅綠燈”空域管控技術實施的基礎保障。傳統(tǒng)的沖突檢測方法是通過計劃監(jiān)控，以甘特圖的方式進行檢測告警。相比較傳統(tǒng)的告警方式，網(wǎng)格化后具有“紅綠燈”性質(zhì)的沖突檢測告警技術具有目標位置明確、圖形化后更直觀以及實時性更強的優(yōu)勢。研究網(wǎng)格化戰(zhàn)術級空域內(nèi)空域沖突問題，根據(jù)飛行曲線模型、火力彈道模型，推演出具有“紅綠燈”性質(zhì)的沖突檢測告警技術。該技術對指揮決策有著強有力的輔助作用，在態(tài)勢圖上可以定義為“黃燈”。

3.1 設置安全閾值

通過在網(wǎng)格化戰(zhàn)術級空域內(nèi)設置安全閾值，可以保障每一條航道在有臨時或計劃外火力覆蓋時的安全。當空域內(nèi)航道附近有火力打擊，火力彈道與飛行航道間的距離接近某一安全閾值時，“紅綠燈”管控系統(tǒng)作出判斷，為飛機開辟新的航道，避免碰撞發(fā)生，原航道亮“紅燈”，處于禁飛區(qū)。此時亮“紅燈”航道所在的網(wǎng)格化空域在用戶視角看亮“黃燈”，起到警示作用，即提示用戶此空域內(nèi)可能發(fā)生碰撞。如圖9 所示，箭頭表示我機航向，灰色為避免碰撞設置為禁飛的航道。

圖9 根據(jù)安全閾值防碰撞示意圖

3.2 網(wǎng)格化防碰撞陣地

網(wǎng)格化戰(zhàn)術級空域經(jīng)過空間編碼后，可以細分成每一塊空間，從俯視的角度看，可以將每一塊空間看成一個二維平面上的網(wǎng)格化小型陣地。當火力覆蓋該戰(zhàn)術級空域時，可以通過有序排列的網(wǎng)格化小型陣地，設置彈道航路，通過設置的安全閾值與空域內(nèi)的飛行航道避免交叉，防止碰撞。如圖10 所示，我機所在陣地亮“紅燈”，此時陣地內(nèi)火力停止射擊；火力打擊時可能與我機發(fā)生碰撞的火力陣地同樣停止射擊，亮“紅燈”；經(jīng)過推算可以安全進行火力打擊的陣地進行打擊作業(yè)。

圖10 網(wǎng)格化防碰撞陣地示意圖

3.3 防沖突調(diào)配建模

針對可能發(fā)生的航道與臨時火力彈道或者目標敵機沖突碰撞的情況，建立防沖突調(diào)配模型，通過在達到安全閾值前開辟新的航道來避免碰撞的發(fā)生。

假設通過安全開辟的新的航道避免碰撞的概率為Ps，避免碰撞開辟的可能安全的新航道有n條，n 條航道對應的絕對安全通道的概率為Pni，則有

式中，N 為針對可能發(fā)生碰撞采取的駛入新航道的次數(shù)，如果Pni=Pn，則有

由于目標敵機是由敵方指揮控制，航向無法確定，且可能來襲飛行器眾多，因此，在開辟的新航道仍有可能與目標敵機交互碰撞的情況下，假設每次開辟的新航道成功避免沖突碰撞的概率為Pn，開辟新航道的次數(shù)為

對于開辟新航道的次數(shù)Nob，其也可以用來表示成功避免沖突碰撞的概率，此時：

式中，No為探測到的來襲目標總數(shù)，Nob為開辟的新航道的次數(shù)，Pn為每次開辟的新航道成功避免沖突碰撞的概率，Nch為避免沖突碰撞需要開辟的新航線的數(shù)量，Ps為通過安全開辟的新的航道避免碰撞的概率。

3.4 仿真試驗分析

在3.3 節(jié)中防沖突調(diào)配模型的基礎上，設定在一次避免沖突進行飛行調(diào)配的過程中，預計開辟新航道的過程進行3 次，每次開辟的航道數(shù)不定，規(guī)劃的總航道數(shù)為10 條。當大約平均4 架/min 的目標敵機進入我方空域，經(jīng)過調(diào)配避免沖突的平均時間為0.75 min，Ps=0.8，分別對可能調(diào)配的結果進行計算，計算相對應的防沖突調(diào)配效能。表1 為經(jīng)過仿真實驗，從全部試驗結果中提取的典型代表性的幾組數(shù)據(jù)。

表1 開辟不同航道數(shù)下的防沖突調(diào)配效能

通過試驗仿真結果分析得出，當預計開辟新航道進行沖突避免時，經(jīng)過調(diào)配開辟新航道的次數(shù)依次為5，3，5 時，防沖突調(diào)配效能最大，此時防沖突調(diào)配模型為階梯狀。當經(jīng)過調(diào)配開辟新航道的次數(shù)為1，2，7 時，防沖突調(diào)配效能最小，此時防沖突調(diào)配模型為發(fā)散狀。

4 結論

未來的戰(zhàn)爭一定是空地一體、一域多層的聯(lián)合作戰(zhàn)。新軍事變革后，空中突擊旅、合成旅等新式部隊組織的出現(xiàn)，更加穩(wěn)固了空地協(xié)同作戰(zhàn)的方式，增強了陸軍地面部隊與陸軍航空兵的聯(lián)系。

空域管控技術是空地聯(lián)合行動作戰(zhàn)的關鍵技術，是連接地面與空中部隊的“紐扣”。本文針對戰(zhàn)術級空域管控，提出了空中“紅綠燈”技術。通過對空域切分、空中“紅綠燈”運轉以及沖突檢測告警的深入研究，在原有的戰(zhàn)場空管系統(tǒng)上形成了一套科學、高效的戰(zhàn)術級空域管控技術。該技術一方面提高了時效性，地面力量可以隨著空域情況隨變；另一方面提高了空域利用效率，多層高可以同時利用。戰(zhàn)術級空中“紅綠燈”空域管控技術，隨著我軍裝備、體系的不斷進步可以不斷升級、革新，可供我軍在未來空地協(xié)同作戰(zhàn)中的戰(zhàn)場空域管控中參考。