初豐文

(海軍航空工程學院研究生管理大隊 煙臺 264001)

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航空火力指揮控制系統(tǒng)研究*

初豐文

(海軍航空工程學院研究生管理大隊 煙臺 264001)

通過分析航空火力指揮控制系統(tǒng)的需求,建立系統(tǒng)的功能結構和組成結構,將“動態(tài)網絡型”指揮結構和“動態(tài)分權式”指揮方式應用于飛行編隊指揮,分析了具備航空火力指揮控制系統(tǒng)的飛行編隊兩種作戰(zhàn)過程,闡明系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術以及各關鍵技術下一步的研究方向及重點。

航空火力指揮控制系統(tǒng); 體系結構; 作戰(zhàn)流程; 關鍵技術

Class Number V271.4

1 引言

信息技術的發(fā)展推動現(xiàn)代戰(zhàn)爭正在由以平臺為中心的機械化戰(zhàn)爭向以網絡為中心的信息化戰(zhàn)爭轉變。網絡中心戰(zhàn)的核心是整合資源,實現(xiàn)信息共享、統(tǒng)一指揮、聯(lián)合作戰(zhàn)。當前,綜合航電火控系統(tǒng)可以解決單架飛機內部信息流通互聯(lián),無法實現(xiàn)飛機之間的信息共享,難以充分發(fā)揮整體作戰(zhàn)、編隊作戰(zhàn)效能。為適應網絡中心戰(zhàn)要求,提升空中作戰(zhàn)能力,必須將火力控制與指揮控制融為一體,研發(fā)適應網絡信息環(huán)境的航空火力指揮控制系統(tǒng)。航空火力指揮控制系統(tǒng)是在包含了飛機的本機參數(shù)、武器系統(tǒng)、目標傳感系統(tǒng)和態(tài)勢傳感系統(tǒng)在內的機內網絡系統(tǒng)基礎之上,增加了和飛機外的信息網的連接,可進一步提高信息共享水平,增強態(tài)勢感知能力,加快指揮決策速度,加強作戰(zhàn)協(xié)同程度,增強響應能力、殺傷能力和生存能力[1～2]。本文基于航空火力指揮控制系統(tǒng)的概念,進行系統(tǒng)需求分析,研究了系統(tǒng)結構以及系統(tǒng)作戰(zhàn)和指揮流程,指出了系統(tǒng)實現(xiàn)所需的關鍵技術。

2 系統(tǒng)需求

航空火力指揮控制系統(tǒng)定義如下:根據作戰(zhàn)任務、敵我態(tài)勢及載機武器配置,輔助制定作戰(zhàn)方案,將載機引導至作戰(zhàn)空域,探測、識別、截獲、跟蹤目標,引導載機以一定方向、時機、密度和持續(xù)時間控制武器彈藥投射并完成制導彈藥中末制導交班,判定作戰(zhàn)效果,在作戰(zhàn)過程中產生、傳輸、處理、顯示、控制、記錄載機火力控制與指揮控制信息的設備或裝置[3]。信息化戰(zhàn)爭中,編隊戰(zhàn)斗指揮隨著戰(zhàn)斗環(huán)境的變化而瞬息萬變,戰(zhàn)斗行動指揮最大的特點是實時性,需要將武器火力的控制與制導和指導戰(zhàn)斗行動及協(xié)調戰(zhàn)斗組合并與控制飛行機動能力融合一體。只有使系統(tǒng)具備強大的信息處理能力、輔助決策能力和協(xié)調控制能力,才能更有利于多機協(xié)同作戰(zhàn),實現(xiàn)整體作戰(zhàn)的目標,才能發(fā)揮機載武器的最佳作戰(zhàn)效能,保障網絡中心戰(zhàn)條件下空戰(zhàn)體系作戰(zhàn)指揮的高效和穩(wěn)定。航空火力指揮控制系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力需求有以下幾方面。

2.1 信息處理能力

網絡中心戰(zhàn)環(huán)境下,戰(zhàn)場空間向多領域延伸,呈現(xiàn)立體化、多層次化,是陸、海、空、天、電磁高度一體化的多維綜合戰(zhàn)場。航空火力指揮控制系統(tǒng)將從三方面獲取信息[4]: 1) 接收來自廣域網的指揮部和預警機所傳達的上級命令與戰(zhàn)場態(tài)勢數(shù)據; 2) 接收來自局域網的機間數(shù)據鏈相互傳來的目標與威脅數(shù)據及戰(zhàn)斗預案; 3) 接收本機雷達、紅外等傳感系統(tǒng)所獲取的目標與威脅數(shù)據以及本機電子戰(zhàn)設備偵察監(jiān)視的威脅定位數(shù)據和告警級別。航空火力指揮控制系統(tǒng)作為飛行員與作戰(zhàn)環(huán)境發(fā)生聯(lián)系的中介和橋梁,必須具備全維信息融合處理能力,最大限度地減小情報信息的復雜性,放大決策信息對指揮對象的控制力,使決策這一作戰(zhàn)指揮的核心職能達到科學、高效。

2.2 輔助決策能力

當今信息化戰(zhàn)爭,作戰(zhàn)發(fā)起突然、階段轉化迅速、樣式更迭頻繁、戰(zhàn)場節(jié)奏加快,作戰(zhàn)雙方都將力求速戰(zhàn)速決。對飛行員(特別是長機飛行員)能力提出了極為苛刻的要求[5]: 1) 海量的傳感與通信信息雖帶來“眼觀四處,耳聽八方”的效益,但“信息爆炸”的災難使飛行員往往無從下手。 2) 超視距作戰(zhàn)中機載傳感器所體現(xiàn)的目標相對本機的作戰(zhàn)意圖與特征不明顯,使飛行員很難做出敵我戰(zhàn)術態(tài)勢與攻擊決策的判定; 3) 在超視距多目標攻擊時,要求飛行員在瞬息萬變的空戰(zhàn)中準確完成武器對目標的匹配,又要確保飛機的安全和武器的引導。為減輕飛行員消化數(shù)據的工作負擔,集中注意力處理關鍵任務,及時掌握戰(zhàn)斗態(tài)勢變化,就要解決航空火力指揮控制系統(tǒng)中閉合控制回路的飛行員環(huán)節(jié),這樣一種隨機、非線性、不確定性的決策與控制問題。因此,航空火力指揮控制系統(tǒng)必須具備輔助決策能力。

2.3 動態(tài)構建能力

空戰(zhàn)中,飛行編隊的戰(zhàn)斗環(huán)境和戰(zhàn)斗條件與戰(zhàn)斗力在不斷改變,在戰(zhàn)斗現(xiàn)場需要適時更新組織框架與指揮方式,進行指揮權限轉移,發(fā)揮該飛行編隊的潛力與優(yōu)勢。航空火力指揮控制系統(tǒng)不再是飛機的簡單組合,而是在作戰(zhàn)區(qū)域內每架飛機所組成的網絡體系,系統(tǒng)在作戰(zhàn)過程中并非每時每刻所有飛機都參與作戰(zhàn),而是根據作戰(zhàn)任務的需要以及各節(jié)點的狀態(tài)臨時組成有效集合體,稱其為虛擬組織(VO)[6]。系統(tǒng)中的任意一架飛機都能夠根據作戰(zhàn)需要和戰(zhàn)場態(tài)勢的變化,隨時加入/退出VO,并且當VO中的節(jié)點失效時,能夠自動重建。因此每架飛機必須具有戰(zhàn)斗編隊的指揮及綜合能力,適應長機與僚機和指揮與被指揮的角色轉換。

3 系統(tǒng)體系結構

體系結構是一個系統(tǒng)的基本框架,它規(guī)定了系統(tǒng)的組成原則、組成部分以及各部分之間的關系和實現(xiàn)這些關系的方式[7]。體系結構支持系統(tǒng)全生命周期內的活動,有助于系統(tǒng)從最初的概念直到最后退役的開發(fā)、運用和維護,是復雜大系統(tǒng)設計中不可缺少的內容。下面對航空火力指揮控制系統(tǒng)的功能結構和物理結構進行設計。

3.1 功能結構

根據網絡中心戰(zhàn)原理,航空火力指揮控制系統(tǒng)體系結構按照功能分為三層邏輯網結構:信息獲取網、指揮控制網和火力控制網。三層邏輯網建立在數(shù)據鏈網絡基礎之上,如圖1所示。

圖1 航空火力指揮控制系統(tǒng)功能結構圖

3.1.1 信息獲取網

信息獲取網的主要組成及功能如表1所示。

表1 信息獲取網組成及功能

3.1.2 指揮控制網

指揮控制網的主要組成及功能如表2所示。

表2 指揮控制網組成及功能

3.1.3 火力控制網

火力控制網的主要組成及功能如表3所示。

表3 火力控制網組成及功能

3.1.4 高速通信網

高速通信網包括廣域網/局域網內的數(shù)據鏈和飛機內部的總線通信。其功能是在各功能節(jié)點之間提供高速率、低延時和低誤碼率的通信鏈路,實現(xiàn)了系統(tǒng)各個功能節(jié)點之間的互連通性,為系統(tǒng)各功能節(jié)點之間信息的交互提供了可靠保障。

3.2 組成結構

基于航空火力指揮控制系統(tǒng)的作戰(zhàn)方式,將傳統(tǒng)作戰(zhàn)中物理、地理上緊密耦合的各個功能系統(tǒng)分解為獨立的作戰(zhàn)節(jié)點,利用高速通信網絡將作戰(zhàn)區(qū)域的作戰(zhàn)節(jié)點連接成一個有機的整體,如圖2所示。

圖2 航空火力指揮控制系統(tǒng)組成結構

以某型飛機火控系統(tǒng)為例,分析其組成結構及各部分的功能,如圖3所示。

圖3 某型飛機航空火力指揮控制系統(tǒng)組成結構

顯控處理機主要任務是進行信息融合,評估戰(zhàn)場態(tài)勢,進行威脅排序,輔助生成作戰(zhàn)預案,完成目標分配和火力分配,通過飛行員控制操作,產生顯示、控制、告警,實現(xiàn)人機交互。

任務計算機主要功能是解算系統(tǒng)的任務數(shù)據,進行導航計算,并計算編隊內導彈航路、發(fā)射時間和控制武器發(fā)射。

數(shù)據鏈設備完成飛機與外界的通信,主要接收上級作戰(zhàn)指令和友機狀態(tài)等信息,向編隊內友機發(fā)送目標分配和火力分配結果,以及導彈航路數(shù)據等信息。

外掛物管理分系統(tǒng)主要功能是管理外掛物配置,管理和存儲武器投放程序,激活武器,控制制導信號等。

雷達分系統(tǒng)主要完成目標的探測與跟蹤任務。

吊艙設備完成對導彈的制導和引導。

4 系統(tǒng)指揮層次、指揮體制和指揮方式

4.1 指揮層次

航空火力指揮控制一般有三種指揮層次[5]。

1) 聯(lián)合編隊。聯(lián)合編隊指揮員下轄三個以內編隊指揮員以及本編隊內三架僚機,每個編隊指揮員還下轄三架僚機。即大隊級(16架機)。

2) 獨立編隊。編隊指揮員指揮本編隊內的三架僚機。即中隊級(4架機)。

3) 雙機編隊。即長僚機編隊。

以常見的獨立編隊為例分析長僚機各自承擔的任務,如圖4所示。長機指揮員在飛行作戰(zhàn)中要對從自身飛機和僚機那里獲取態(tài)勢信息進行分析,并在長僚機間進行目標分配和火力分配,確定聯(lián)合攻擊與協(xié)同作戰(zhàn)方法,其顯示器上有編隊內所有飛機及攜帶武器的信息。僚機將自動在本編隊內交換所有的態(tài)勢信息和指揮指令,其顯示器上均有編隊飛機與攻擊目標的標志,并有聯(lián)合攻擊與協(xié)同作戰(zhàn)指示,以及長僚轉換的指示。

圖4 航空火力指揮控制系統(tǒng)物理結構圖

4.2 指揮體制

指揮體制描述的是“誰指揮誰”的問題,其實質是系統(tǒng)中各節(jié)點的交流、使用信息的關系。

信息化戰(zhàn)爭中的飛行編隊作戰(zhàn),不斷有飛機加入或者退出網絡,指揮權也有可能隨著戰(zhàn)場態(tài)勢的變化而不斷變化。傳統(tǒng)的樹狀層次式指揮結構,主要是上下之間的縱向聯(lián)系,缺乏同一層次內的橫向聯(lián)系,指揮關系固定、僵化,很難適應瞬息萬變的戰(zhàn)場態(tài)勢和網絡化作戰(zhàn)的需要。當系統(tǒng)的指揮中心(長機)遭到破壞時,系統(tǒng)將無法運行,因此,系統(tǒng)的適應性很差。

在飛行編隊作戰(zhàn)中,信息的交流可能在任意兩架飛機之間進行,也可能在任意的飛機或者武器之間進行。此外,當有飛機加入或者退出網絡時,要能夠根據變化的情況重組指揮結構[9～10]。因此,航空火力指揮控制系統(tǒng)的指揮體制應為“動態(tài)網絡型結構”,如圖5所示。

圖5 航空火力指揮控制系統(tǒng)指揮體制結構

在飛行編隊作戰(zhàn)中,要根據作戰(zhàn)需要和戰(zhàn)場態(tài)勢對飛機制定優(yōu)先級,優(yōu)先級高的飛機擔負區(qū)域指揮(長機)任務。在動態(tài)網絡結構的支持下,系統(tǒng)的指揮關系在整個作戰(zhàn)過程中不是固定不變的。每架飛機都可以根據需要成為編隊指揮中心(長機),其余飛機作為僚機受長機的指揮,同時也作為長機的備份,當長機出現(xiàn)問題或者退出戰(zhàn)斗時,選取其中一個僚機作為指揮中心。每架飛機在授權的情況下,可以對任意一架飛機進行指揮。

4.3 指揮方式

指揮方式解決的是“怎么指揮”的問題。指揮方式按照指揮職責和權力的不同分配為標準,典型的指揮方式分為兩種:指令性指揮和指導性指揮。

· 指令性指揮方式,即長機直接指揮控制編隊內所有的武器節(jié)點。僚機的火控系統(tǒng)只負責傳達命令,權力高度集中于長機,其任務繁重,指揮周期長,但利于統(tǒng)一指揮和調度。

· 指導性指揮方式,即長機可以將部分指揮權下放給僚機,給僚機分配任務,由僚機負責指揮完成,長機只需要監(jiān)控僚機的任務完成情況,并進行適當?shù)母深A。

網絡中心戰(zhàn)環(huán)境下,指揮權力需要根據戰(zhàn)場態(tài)勢的發(fā)展變化作出迅速的調整,進行重新分配,提高權力的運行效率,以此滿足網絡化作戰(zhàn)的要求。因此,應該將指令性指揮方式和指導性指揮方式相融合,并加以改進,使得指揮權在作戰(zhàn)過程根據情況收放自如,動態(tài)分配,稱其為“動態(tài)分權式”指揮方式,這樣才能很好地與“動態(tài)層次式結構”指揮體制相匹配[11]。

5 系統(tǒng)作戰(zhàn)指揮過程

根據系統(tǒng)指揮方式的不同,系統(tǒng)的作戰(zhàn)指揮也應分為長機決策式(指令性指揮方式)和長機決策僚機輔助決策式(指導性指揮方式)

5.1 長機決策式作戰(zhàn)指揮過程

以雙機編隊為例,長機決策式編隊作戰(zhàn)信息流程可描述如下,如圖6所示。

1) 當接到作戰(zhàn)命令后,飛機編隊進入戰(zhàn)區(qū)后,編隊內通過數(shù)據鏈形成局域網。雷達開機搜索識別目標,并通過數(shù)據鏈與僚機/指揮所/預警機給出的雷達信息進行融合處理,形成統(tǒng)一的信息場。

2) 長機根據敵我雙方兵力情況及我機態(tài)勢,判斷戰(zhàn)場態(tài)勢,為下一步作戰(zhàn)方案的產生提供依據。

3) 根據目標類型、屬性、位置、火力的重要程度,以及飛行編隊的武器配置、狀態(tài)等因素,對敵方目標機型威脅程度排序。

4) 系統(tǒng)輔助生成作戰(zhàn)預案,進行目標分配與火力分配,并將分配結果通報給僚機。

5) 長機對編隊內所有導彈進行航路規(guī)劃,并將導彈航路信息及發(fā)射時間通報僚機。

6) 在約定的時間發(fā)射導彈。

7) 飛行編隊實時監(jiān)控作戰(zhàn)效果,僚機將情況匯報給長機。

8) 若達到編隊作戰(zhàn)效果,或編隊失去作戰(zhàn)能力,則戰(zhàn)斗結束,返航。

9) 若還有未殺傷的目標重新進入雷達搜索區(qū)域或上級給出新任務,則返回2)。

5.2 長機決策僚機輔助決策式作戰(zhàn)指揮過程

以雙機編隊為例,長機決策僚機輔助決策式編隊作戰(zhàn)信息流程可描述如下,如圖7所示。

1) 當接到作戰(zhàn)命令后,飛機編隊進入戰(zhàn)區(qū)后,編隊內通過數(shù)據鏈形成局域網。雷達開機搜索識別目標,并通過數(shù)據鏈與僚機/指揮所/預警機給出的雷達信息進行融合處理,形成統(tǒng)一的信息場。

2) 長機根據敵我雙方兵力情況及我機態(tài)勢,判斷戰(zhàn)場態(tài)勢,為下一步作戰(zhàn)方案的產生提供依據。

3) 根據目標類型、屬性、位置、火力的重要程度,以及飛行編隊的武器配置、狀態(tài)等因素,對敵方目標機型威脅程度排序。

4) 系統(tǒng)輔助生成作戰(zhàn)預案,進行目標分配與火力分配,將分配結果通報給僚機;規(guī)劃編隊內所有導彈的攻擊角度,將結果分配給相應的僚機;根據飛行狀態(tài)和敵我位置關系約定導彈到達時間,并通報僚機。

圖6 長機決策式作戰(zhàn)信息流程

5) 長僚機依據到達時間和攻擊角度分別對所攜帶的導彈進行航路規(guī)劃,僚機導彈航路信息反饋給長機。

6) 長機作出統(tǒng)一的攻擊決策,在約定的時間發(fā)射導彈。

7) 飛行編隊實時監(jiān)控作戰(zhàn)效果,僚機將情況匯報給長機。

8) 若達到編隊作戰(zhàn)效果,或編隊失去作戰(zhàn)能力,則戰(zhàn)斗結束,返航。

9) 若還有未殺傷的目標重新進入雷達搜索區(qū)域或上級給出新任務,則返回2)。

6 需要解決的關鍵技術

6.1 信息融合技術

信息融合是一種多層次、多方面的處理過程,包括對多源信息進行檢測、相關、組合和估計,從而提高狀態(tài)和身份估計的精度,以對戰(zhàn)場態(tài)勢和威脅的重要程度進行適時完整的評價[12]。網絡中心戰(zhàn)體系中,單純依靠單機自己的傳感與認知能力和所帶的資源及武器進行戰(zhàn)斗是極少數(shù)的特定任務下的特殊行動。因此需要根據作戰(zhàn)任務,進行多雷達組網,獲取更準確的空情信息。由于雷達精度不同、體制不同、探測距離誤差、復雜空情等的影響,導致目標航跡不一致或不連續(xù)平滑,必須進行信息融合。信息融合技術是利用計算理論和方法,將網內每個雷達測量得到的目標航跡,傳送到組網數(shù)據處理中心進行互聯(lián)、相關、估計等處理,得到融合后的航跡,以便獲得準確的目標狀態(tài)、及時的戰(zhàn)場態(tài)勢和威脅估計。

圖7 長機決策僚機輔助決策式作戰(zhàn)信息流程

6.2 目標分配技術

目標分配輔助決策是將確定的作戰(zhàn)指揮程序與目標分配原則在指揮控制系統(tǒng)中實現(xiàn),形成以自動生成戰(zhàn)斗方案并對武器系統(tǒng)實施指揮控制為主、人工干預為輔的戰(zhàn)斗程序。目標分配能在激烈復雜的戰(zhàn)爭環(huán)境中,減少人工決策的差錯,提高指揮效率。目標分配是為了充分發(fā)揮各火力單元的整體優(yōu)勢,將空中目標在給定的約束條件下分配到不同火力單元的一系列決策過程,它是一個動態(tài)的、多因素優(yōu)化分析的決策過程。在目標達到分配終線之前,對該目標的分配決策將一直進行,而且分配預案將隨著目標飛行諸元參數(shù)、各火力單元的戰(zhàn)技指標和射擊準備狀況進行動態(tài)調整[13]?；诤娇栈鹆χ笓]控制系統(tǒng)的飛行編隊作戰(zhàn)模式中,導彈的發(fā)射都由長機控制完成,其目標分配和火力分配僅僅需要考慮目標、武器與系統(tǒng)之間的關系。網絡化作戰(zhàn)模式下的動態(tài)目標分配模型及其算法將是飛行編隊目標分配問題的焦點。

6.3 作戰(zhàn)效能評估技術

要有效提高航空火力指揮控制系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力,對其作戰(zhàn)效能進行評估是一項重要的基礎工作。作戰(zhàn)效能指在預定或規(guī)定的作戰(zhàn)使用環(huán)境以及所考慮的組織、戰(zhàn)略、戰(zhàn)術、生存能力和威脅等條件,由代表性的人員使用該裝備完成規(guī)定作戰(zhàn)任務的能力。其一般過程如圖8所示[14]。這里的作戰(zhàn)任務應覆蓋航空武器系統(tǒng)裝備在實際作戰(zhàn)中可能承擔的各種主要作戰(zhàn)任務,并涉及整個作戰(zhàn)過程。作戰(zhàn)效能評估需要在接近真實的仿真平臺上,在特定的環(huán)境下通過大量的計算機模擬獲得系統(tǒng)的使用效能。航空火力指揮控制系統(tǒng)帶來了飛行編隊指揮方式的變化,因此作戰(zhàn)效能評估的指標體系也必然隨之變化,所以作戰(zhàn)效能評估研究應以指標體系的建立和確定指標權重為重點。

圖8 效能評估的一般步驟

7 結語

本文研究了航空火力指揮控制系統(tǒng)的系統(tǒng)需求、系統(tǒng)結構、指揮體制、指揮方式、作戰(zhàn)過程以及系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術。本文的研究對構建航空火力指揮控制系統(tǒng)具有理論指導意義,可為飛行作戰(zhàn)編隊實現(xiàn)網絡化、一體化提供參考。同時如何將本文提出的航空火力指揮控制系統(tǒng)應用于實踐,相應的技術問題還需要進一步研究。系統(tǒng)建設的具體問題也有待在實踐中逐步豐富和完善。

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Research of Airborne Fire Command and Control System

CHU Fengwen

(Postgraduate Team, Naval Aeronautical Engineering Institute, Yantai 264001)

By the analysis of the demand of airborne fire control and command system, the function structure and composition structure of the system is established. The "dynamic network" command structure and "dynamic decentralized" command method are applied to flight formation command. Airborne fire control and command system of two combat flight formation process are analyzed, and the research direction of key technology implementation of the system and the key technology of the next step are expounded.

airborne fire control and command system, architecture, operational process, key technology

2014年10月8日,

2014年11月27日

初豐文,男,碩士研究生,助理工程師,研究方向為火力與指揮控制。

V271.4

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.001