趙秦豫　李照順　藍灣灣　吳　琦

(海軍指揮學(xué)院　南京　211800)

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基于CPN Tools的航母編隊遠程協(xié)同防空指揮控制模型研究*

趙秦豫李照順?biāo){灣灣吳琦

(海軍指揮學(xué)院南京211800)

摘要針對航母編隊遠程防空問題，分析了預(yù)警機協(xié)同艦載機進行遠程防空作戰(zhàn)指揮控制過程，并運用CPN Tools仿真平臺建立了航母編隊遠程協(xié)同防空作戰(zhàn)中的相關(guān)指揮控制模型，包括頂層模型、目標(biāo)模型、防空響應(yīng)模型、預(yù)警機探測引導(dǎo)模型、編隊指揮所指揮控制模型和艦載機模型，為航母編隊遠程協(xié)同防空作戰(zhàn)指揮控制動態(tài)仿真分析奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞航母編隊; 協(xié)同防空; 指揮控制; CPN Tools

Command and Control Model of Remote Cooperative Air Defense for Aircraft Carrier Formation Based on CPN Tools

ZHAO QinyuLI ZhaoshunLAN WanwanWU Qi

(Naval Command College, Nanjing211800)

AbstractIn view of the problems about remote air defense for aircraft carrier formation, it was analyzed that the process of the command and control about remote cooperative air defense with shipboard aircraft and AEW. Some related command and control models were established for aircraft carrier formation through the CPN Tools, which included the top model, the target model, the air defense response model, the AEW detection and guide model, the command and control model of the Formation Command Post and the shipboard aircraft model. These models would lay the foundation for the dynamic simulation of the command and control about remote cooperative air defense for aircraft carrier formation.

Key Wordsaircraft carrier formation, cooperative air defense, command and control, CPN Tools

Class NumberE911

1引言

從近幾十年的幾場局部戰(zhàn)爭來看，空中打擊是現(xiàn)代作戰(zhàn)的典型樣式。航母編隊作為海上作戰(zhàn)行動中的主要突擊兵力，必將受到敵方航空兵和反艦導(dǎo)彈的重點打擊。

信息化條件下航母編隊協(xié)同防空就是將不同性能、類型的防空武器和相應(yīng)的情報搜集、情報處理與輔助決策、通信、電子戰(zhàn)等裝備組成系統(tǒng)，與空襲系統(tǒng)之間進行體系與體系的對抗，在武器裝備所及范圍內(nèi)，編隊指揮員需合理使用各種對空設(shè)備與武器，高效攔截打擊空中威脅目標(biāo)。目前，航母編隊的對空防御體系主要由三道對空警戒幕和三道對空攔截幕組成[1]。在航母編隊協(xié)同防空作戰(zhàn)中采用層次協(xié)同的方法，由航母本艦負責(zé)內(nèi)層防御、水面艦艇負責(zé)近層防空，水面艦艇區(qū)域防空戰(zhàn)術(shù)群負責(zé)中層防空，艦載機戰(zhàn)術(shù)群負責(zé)遠層防空[2]。

在航母編隊中，艦載機是編隊最主要的作戰(zhàn)力量之一，具有反應(yīng)時間快、作戰(zhàn)范圍廣、打擊強度大、打擊效果好等特點，因此在編隊協(xié)同防空作戰(zhàn)中擔(dān)負著重要的使命。但由于其自身的探測范圍有限及受地球曲率的影響，很難發(fā)揮機載武器的遠程打擊能力，因此，由預(yù)警機、艦載戰(zhàn)斗機和電子戰(zhàn)飛機組成的防空作戰(zhàn)力量構(gòu)成了航母編隊的遠程防空區(qū)，力圖在敵機發(fā)射反艦導(dǎo)彈前將其擊落[3]。本文旨在研究航母編隊中預(yù)警機與艦載機協(xié)同進行遠程防空作戰(zhàn)的指揮控制問題，并利用CPN Tools[4]仿真平臺建立相關(guān)Petri網(wǎng)模型。

2航母編隊遠程協(xié)同防空作戰(zhàn)指揮控制過程

遠程防空攔截由航母艦載戰(zhàn)斗機擔(dān)任，主要攔截敵來襲飛機和導(dǎo)彈，力圖在敵導(dǎo)彈射界之外或敵機占領(lǐng)發(fā)射陣位之前將其擊落。在遠程防空作戰(zhàn)中，編隊指揮所接收預(yù)警機等預(yù)警探測平臺上報的目標(biāo)數(shù)據(jù)，進行實時融合處理，形成編隊統(tǒng)一態(tài)勢，并向編隊中其他作戰(zhàn)單元及其他協(xié)同兵力平臺分發(fā)，艦載機接收其他平臺的目標(biāo)指示信息及編隊指揮所的命令信息對來襲導(dǎo)彈或敵機進行攔截打擊。艦載機可以根據(jù)編隊指揮所的指揮引導(dǎo)命令進行機動和攻擊，同時也可以由受委托的預(yù)警機來進行指揮引導(dǎo)。預(yù)警機在指揮引導(dǎo)艦載機實施空中攔截的同時，引導(dǎo)電子戰(zhàn)飛機對敵機雷達和通信裝備實施電子干擾，掌握制電磁權(quán)，為了簡化模型，文中暫不考慮電子戰(zhàn)飛機模塊。

艦載機在指揮引導(dǎo)下飛向預(yù)定攻擊陣位，經(jīng)任務(wù)分配，在收到攻擊命令后對敵方來襲目標(biāo)進行攔截打擊，并進行毀傷評估，若打擊失敗，尚未突防時繼續(xù)實施攔截打擊，當(dāng)艦載機完成作戰(zhàn)任務(wù)后撤出戰(zhàn)場，若外層防御被突破，則由中程區(qū)域的水面艦艇運用艦對空導(dǎo)彈應(yīng)對突防的導(dǎo)彈和敵機。具體流程如圖1所示。

圖1　遠程防空指揮控制流程

3基于CPN Tools的航母編隊遠程協(xié)同防空作戰(zhàn)指揮控制模型

根據(jù)對航母編隊遠程協(xié)同防空作戰(zhàn)指揮控制過程的分析，建立基于CPN Tools的預(yù)警機與艦載機協(xié)同進行遠程防空作戰(zhàn)指揮控制模型，這里主要分為六個模塊。

假設(shè)編隊指揮所授權(quán)預(yù)警機對艦載機進行指揮引導(dǎo)和遠程目標(biāo)指示。在CPN Tools仿真平臺上建立指揮控制模型，在Top頁上建立頂層模型，描述了目標(biāo)和響應(yīng)之間的信息傳遞關(guān)系；在Target子頁建立來襲目標(biāo)模型，描述目標(biāo)狀態(tài)的變化；在Response子頁建立防空響應(yīng)模型，描述防空響應(yīng)過程；在aircraft_carrier子頁建立編隊指揮所指揮控制模型，描述編隊指揮所的指揮控制過程；在early_waring_plane子頁建立預(yù)警機探測引導(dǎo)模型，描述預(yù)警機探測引導(dǎo)過程；在ship_board_aircraft子頁建立艦載機模型，描述艦載機工作過程。

3.1頂層模型

頂層模型描述的是目標(biāo)和防空響應(yīng)之間的信息傳遞關(guān)系，如圖2所示。

圖2　頂層模型

變遷Target和變遷Response分別為目標(biāo)活動變遷和防空響應(yīng)變遷，其中Target會改變目標(biāo)狀態(tài)，隨著仿真時間的推移，目標(biāo)狀態(tài)持續(xù)更新，而Response只是使用目標(biāo)信息。模型中各替代變遷之間的庫所表示子層頁面之間的接口；指向替代變遷的弧表示接口向子層頁面的輸入信息，背離替代變遷的弧表示子層頁面向端口輸出信息[5]。

3.2目標(biāo)模型

本文中涉及的目標(biāo)屬性包括：舷角(Azi)、距離(Dis)、高度(High)、速度(Speed)、平均雷達截面積(Acre)以及目標(biāo)類型(Type)[6]。聲明目標(biāo)信息的變量類型為Tar，是由七個整型變量組合而成的復(fù)合變量，其定義為

colset Tar = product X*X*X*X*X*X*X；

Tar中各個變量與目標(biāo)定義中各個屬性的對應(yīng)關(guān)系為：

Tar ? tar：{Azi，Dis，High，Speed，Acre，k1，Type}

其中k1為狀態(tài)控制變量，表示對于目標(biāo)系統(tǒng)所處的防空響應(yīng)階段。k1=1，表示預(yù)警探測；k1=2，表示目標(biāo)跟蹤；k1=3，表示攻擊。

time_tar中存儲的為目標(biāo)的時延控制信息(k：整形托肯)，目標(biāo)狀態(tài)每變化一次，k的可用時間加1，即到下一仿真周期內(nèi)變遷Target才能發(fā)生。其模型如圖3所示。

圖3　目標(biāo)模型

3.3防空響應(yīng)模型

防空響應(yīng)模型如圖4所示，替代變遷early_waring_plane、aircraft_carrier、ship_board_aircraft分別代表預(yù)警機探測引導(dǎo)模塊、編隊指揮所指揮控制模塊和艦載機模塊。

圖4　防空響應(yīng)模型

當(dāng)目標(biāo)在early_waring_plane模塊的探測范圍內(nèi)時，early_waring_plane模塊觸發(fā)，并按照規(guī)則將預(yù)警探測信息發(fā)送給aircraft_carrier，經(jīng)融合處理后反饋給early_waring_plane，并根據(jù)規(guī)則觸發(fā)ship_board_aircraft模塊，最后由early_waring_plane模塊對ship_board_aircraft進行觸發(fā)控制。

模型中主要庫所和變遷的代表意義如表1所示。

表1　庫所和變遷意義

3.4預(yù)警機探測引導(dǎo)模型

預(yù)警機探測引導(dǎo)模型如圖5所示。預(yù)警機主要負責(zé)對空、對海遠程預(yù)警，在編隊指揮所授權(quán)下，也可擔(dān)負艦載機的指揮引導(dǎo)。預(yù)警機作戰(zhàn)系統(tǒng)包括搜索雷達、敵我識別器、導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)等設(shè)備。其中搜索雷達能夠完成對目標(biāo)的探測、跟蹤和顯示，是系統(tǒng)的核心。所以對搜索雷達模塊進行了比較細致的建模。預(yù)警機在編隊指揮所授權(quán)下，負責(zé)指揮引導(dǎo)艦載機對來襲威脅目標(biāo)進行打擊攔截。艦載機編隊集結(jié)飛往作戰(zhàn)空域時向預(yù)警機報到，預(yù)警機指揮引導(dǎo)艦載機編隊，并根據(jù)戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢，完成各類引導(dǎo)解算，向艦載機提供作戰(zhàn)引導(dǎo)信息和遠程目標(biāo)指示信息[7]。

圖5　預(yù)警機探測引導(dǎo)模型

模型中主要庫所和變遷的代表意義如表2所示。

表2　庫所和變遷意義

其中替代變遷Radar模型如圖6所示。

圖6　Radar模型

該模型以目標(biāo)(target)作為輸入信息，輸出預(yù)警探測信息(pin)。radar為搜索雷達，其類型為NO5，對于雷達屬性選擇，radar為由五個整形變量組合而成的復(fù)合變量。radar各變量與所選的雷達屬性的對應(yīng)關(guān)系為：

雷達屬性：{雷達高度，掃描方位，掃描周期，虛警概率，接收機噪聲功率}

radar：(t1，t2，t3，t4，t5)

圖6中左上角為Radar2代碼段，可以得出雷達對于目標(biāo)的探測概率(P)、最大探測距離(DisMax)、雷達視距(DisHigh)。

pin0為Radar2掃描目標(biāo)發(fā)現(xiàn)與否的反饋信息，類型為Tar。信息中包含目標(biāo)距離、舷角和類型等基本信息以及是否發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的信息，其形式如下所示：

pin0：{舷角，距離，0，速度，0or1，0，類型}

pin0：(k1,k2,k3,k4,k5,k6,k7)

其中，k5=1表示發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，k5=0表示未發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。庫所pra記錄最近四次掃描目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)情況，庫所next_tarP和庫所time_pra為時延控制庫所。

3.5編隊指揮所指揮控制模型

編隊指揮所指揮控制模型如圖7所示。

圖7　編隊指揮所指揮控制模型

編隊指揮所是艦載機協(xié)同防空作戰(zhàn)的主要決策者，負責(zé)攔截目標(biāo)的分配、艦載機的協(xié)調(diào)以及火力的分配，預(yù)警機在收到編隊指揮所的委托命令后指揮引導(dǎo)艦載機對目標(biāo)實施攔截。編隊指揮所將預(yù)警機和其他傳感器平臺獲得的目標(biāo)信息進行融合后，再將態(tài)勢信息分發(fā)給預(yù)警機，并根據(jù)綜合態(tài)勢向艦載機下達任務(wù)分配命令。

該模型描述編隊指揮所的指揮控制過程。輸入端pin為從early_waring_plane子層獲得的預(yù)警探測信息，輸出端pin_in為融合后態(tài)勢信息，變遷CtoP表示數(shù)據(jù)融合過程。模型中還包括兩個替代變遷Eva和C2，分別為毀傷評估及任務(wù)分配模塊，由于篇幅所限，在此不詳細介紹。

3.6艦載機模型

在完成目標(biāo)搜索、識別、跟蹤以及確認對威脅目標(biāo)進行打擊后，艦載機將在預(yù)警機的指揮引導(dǎo)下進入攻擊陣位，進行協(xié)同打擊。其模型如圖8所示。

圖8　艦載機模型

此頁面分兩部分，WC(武器控制系統(tǒng))和MANEUVER(機動決策系統(tǒng))。其中tin和zh1為輸入端口，tin表示從early_waring_plane子層獲得的指揮引導(dǎo)信息，zh1表示編隊指揮所的命令信息，F(xiàn)E表示給early_waring_plane子層的報到信息。

各變遷含義如下：

· Engage：把從預(yù)警機傳來的戰(zhàn)術(shù)引導(dǎo)和目標(biāo)指示信息分發(fā)給武器控制系統(tǒng)和機動決策系統(tǒng)；

· Arrive：進行戰(zhàn)術(shù)機動以滿足武器發(fā)射要求；

· Fire：對目標(biāo)進行打擊；

· BD：根據(jù)編隊指揮所的命令接敵并向預(yù)警機報到。

4結(jié)語

艦載機是航母編隊遠程防空作戰(zhàn)中的主要作戰(zhàn)力量，本文利用CPN Tools仿真平臺建立了航母編隊遠程協(xié)同防空作戰(zhàn)中相關(guān)的指揮控制模型，并使用CPN Tools中的交互仿真工具對所建立的模型進行觸發(fā)執(zhí)行，可以形象直觀地看出艦載機在預(yù)警機協(xié)同下與威脅目標(biāo)的對抗過程?？梢酝ㄟ^在信息令牌的顏色集中添加不同的參數(shù)，在變遷的動作函數(shù)中設(shè)定不同的信息處理規(guī)則來研究預(yù)警機與艦載機協(xié)同防空作戰(zhàn)中的實際問題，對不同決策組織的優(yōu)劣和不同的指揮控制方式的可行性進行研究。

參 考 文 獻

[1] 廖旭東,王永春.艦艇編隊協(xié)同防空任務(wù)規(guī)劃理論及應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2013.

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中圖分類號E911

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.02.001

作者簡介:趙秦豫，男，碩士研究生，研究方向:軍事智能信息系統(tǒng)。李照順，男，副教授，研究方向：軍事智能信息系統(tǒng)。藍灣灣，男，碩士研究生，研究方向:信息網(wǎng)絡(luò)安全。吳琦，女，碩士研究生，研究方向:信息網(wǎng)絡(luò)安全。

*收稿日期:2015年8月3日,修回日期:2015年9月27日