羅木生,王宗杰,劉 瑜

(海軍航空兵工程學院,山東 煙臺 264001)

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機群打擊鏈兵力模塊化描述與建模方法*

羅木生,王宗杰,劉 瑜

(海軍航空兵工程學院,山東 煙臺 264001)

針對機群兵力建模中以兵力整體為對象進行研究的不足,在分析機群打擊鏈作戰(zhàn)過程及對兵力能力需求的基礎(chǔ)上,采用模塊化描述方法,將機群中各型飛機兵力統(tǒng)一劃分為平臺單元、傳感器單元、武器單元、指揮控制單元、火控單元、中制導單元、通信單元等7個要素,并提出多元組的描述方法進行建模,以表征各功能單元的屬性、工作狀態(tài)和性能約束,支撐機群兵力的有效管理與快速規(guī)劃。

兵力建模;機群;打擊鏈;功能單元;模塊化;多元組

機群打擊鏈是由空中各型作戰(zhàn)飛機構(gòu)建而成,能夠針對打擊對象完成“發(fā)現(xiàn)-定位-跟蹤-決策-交戰(zhàn)-評估”完整作戰(zhàn)環(huán)節(jié)的打擊體系[1]。機群打擊鏈聚合了分布在廣闊戰(zhàn)場空間的兵力,實現(xiàn)了戰(zhàn)機功能單元之間的高效協(xié)同,極大地縮短了從發(fā)現(xiàn)目標到打擊目標所需的時間[2]。

機群兵力建模是打擊鏈構(gòu)建的基礎(chǔ)和首要內(nèi)容。而目前兵力建模采用的方法主要是將兵力整體作為分析與建模的對象[3-5],針對每一型兵力建立模型進行描述,然后展開諸如機群作戰(zhàn)的任務(wù)規(guī)劃[6-8]、多編隊協(xié)同作戰(zhàn)[9]、有人機與無人機群的多目標分配[10-11]、作戰(zhàn)體系的信息交換[12]等方面的研究。

空中作戰(zhàn)機群兵力雖然數(shù)量有限,但涉及的機種類型較多,導致需建立的模型較多,且模型較為復雜、規(guī)模較大、移植性差,不同兵力模型中有相同的描述內(nèi)容,如:預警機模型與無人偵察機模型,均有機載雷達的描述內(nèi)容,雖然兩者雷達型號、性能不同,但其原理和功能相同,事實上可用相同模型進行描述。因此,借鑒模塊化思想,將機群兵力分解為若干功能單元模塊,然后再進行建模。

1 機群打擊鏈兵力模塊化描述方法

機群兵力模塊化描述方法,就是根據(jù)機群在打擊鏈中擔負的任務(wù),將作戰(zhàn)兵力分解成功能相互獨立的“模塊”,并建立通用的、用于描述相同功能“模塊”的模型,而功能模塊化模型的不同組合,就構(gòu)成了不同作戰(zhàn)兵力模型。

功能模塊的劃分取決于機群打擊鏈作戰(zhàn)過程的能力需求與各機群兵力具有的功能。機群打擊鏈[13]作戰(zhàn)過程可描述為:無人偵察機、預警機等兵力發(fā)現(xiàn)目標后,迅速對目標實施定位、跟蹤;預警機上的指揮所迅速根據(jù)實時態(tài)勢進行判斷,做出決策、發(fā)布作戰(zhàn)指令;殲擊機進行交戰(zhàn),并發(fā)射導彈實施攻擊;導彈在飛行過程中接收發(fā)射平臺或者其他平臺提供的中制導信息,引導導彈末制導頭發(fā)現(xiàn)、跟蹤并命中目標;最后由預警機或無人偵察機等兵力進行作戰(zhàn)效果評估，其流程如圖1所示。

圖1 機群打擊鏈作戰(zhàn)概念示意圖

發(fā)現(xiàn)、定位、跟蹤與評估環(huán)節(jié)需要由機群兵力的傳感器單元完成;決策則主要由指揮控制單元完成;交戰(zhàn)需要武器單元、火控單元、中制導單元等共同完成。此外,機群兵力之間需要依托通信鏈路完成信息的共享與分發(fā),傳感器、武器彈藥等需要搭載到平臺上。因此,構(gòu)建機群打擊鏈的模塊主要包括:傳感器單元、武器單元、指揮控制單元、火控單元、中制導單元、通信單元、平臺單元等。因此,對機群兵力建模,就轉(zhuǎn)化為對這些功能單元進行建模描述。而這些功能單元就構(gòu)成了機群兵力模塊化描述的要素。

機群打擊鏈主要由預警機、殲擊機、殲轟機、無人偵察機、無人戰(zhàn)斗機等兵力構(gòu)成。按照上述方法對這些兵力進行功能單元劃分,結(jié)果如圖2所示。

圖2 機群兵力的功能單元劃分

機群打擊鏈主要使用導彈等精確打擊武器實現(xiàn)對目標的硬摧毀,圖2所列是作戰(zhàn)中最為關(guān)鍵的功能單元。除此之外,機群兵力還有諸如電子對抗等其他單元,如果將打擊鏈的內(nèi)涵擴充并包括電子進攻的話,則應(yīng)將電子對抗單元加入圖2中。

雖然構(gòu)成機群兵力功能單元的設(shè)備、武器及其性能等各不相同,如預警機、殲擊機、無人機兵力的平臺差異很大、性能也不同,但平臺單元的描述模型是相同的,區(qū)別在于參數(shù)的不同。也就是說,同一個單元描述模型,可用于對多個作戰(zhàn)兵力的描述，提高了模型的移植性,簡化建模的復雜度。同時,也利于機群可用資源的管理、打擊鏈的構(gòu)建與規(guī)劃。

2 機群兵力模塊化描述的要素及其建模

機群兵力模塊化描述的要素主要包括平臺單元、傳感器單元、武器單元、指揮控制單元、火控單元、中制導單元、通信單元等7個。

2.1 機群兵力平臺單元模型

平臺單元主要描述各機群兵力的空間位置與姿態(tài)、是否受到毀傷、剩余的油料與航程、機載傳感器、武器、通信器材等資源的類型與數(shù)量等參數(shù)。這些參數(shù)影響并制約著機群打擊鏈的規(guī)劃與構(gòu)建。

設(shè)機群打擊鏈作戰(zhàn)體系中兵力平臺集合為Ac={Aci|i=1,2,…,NAc},任意一架飛機平臺Aci均可通過五元組進行描述,即

(1)

其中,Tyai為飛機的平臺類型,包括預警機、殲擊機等各型飛機和機載空空、空艦導彈等平臺;

Pcai=(xi,yi,zi,vi,ψi, ?i,γi)為飛機平臺Aci的狀態(tài),Posi(xi,yi,zi)為Aci的位置坐標,vi為平臺的飛行速度,ψi、?i和γi分別為Aci的航向、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角;

Heli∈{0,1}為平臺健康標志量,其值為1時表示Aci處于健康狀態(tài),否則取值為0;

Resi={Resi,j|j=1,2,…,NRes},Resi,j=(Tyri,j,Nuri,j)為Aci攜帶的第j種機載資源的類型和數(shù)量,NRes為機載資源的種類數(shù);Tyri,j為資源載荷的類型,包括傳感器、武器彈藥、通信設(shè)備等;Nuri,j為機載資源的數(shù)量,為不小于0的整數(shù),且Nuri,j≤Nuri,j,max,Nuri,j,max為平臺所能攜帶第j種載荷的最大數(shù)量;

Raci為飛機Aci的剩余最大航程,其值由飛機平臺所剩余的機載燃油量、機載資源重量和飛行剖面等共同決定。

2.2 機群兵力機載傳感器單元模型

機群所裝備的傳感器種類多種多樣,如幾乎所有飛機均裝備有雷達,此外可能還裝備有光電/紅外(EO/IR)傳感器、電子偵察設(shè)備等。不同傳感器的工作原理和性能存在較大差異,所適用的任務(wù)范疇也不同。

在機群打擊鏈作戰(zhàn)中,機載傳感器主要完成以下幾方面的任務(wù):

1)對指定區(qū)域?qū)嵤﹤刹炀洹ｏw機可通過機載傳感器對特定空域、地域、海域進行搜索,以發(fā)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)可能出現(xiàn)或潛在的敵方威脅或者目標。

2)對打擊目標進行定位和識別。根據(jù)給定的目標情報信息,如任務(wù)1)中提供的目標粗略信息,飛機可通過機載傳感器對目標進行精確定位、確認和識別,以完成對可疑目標的判斷、分類。

3)對打擊目標進行持續(xù)跟蹤。飛機通過機載傳感器對目標進行持續(xù)的跟蹤,獲取目標精確的位置、速度、航向等狀態(tài)信息,形成目標航跡,從而為后續(xù)的打擊任務(wù)提供確切的目標情報和精確的制導信息。

4)執(zhí)行打擊效果評估任務(wù)。當對敵方目標實施打擊后,飛機通過機載傳感器進一步獲取目標狀態(tài)信息,并根據(jù)所得情報進行目標毀傷評估,為后續(xù)任務(wù)的執(zhí)行提供決策依據(jù)。

設(shè)機群傳感器集合為Sr={Sri|i=1,2,…,NSr},任意一架飛機的傳感器Sri均可通過三元組進行描述,即

(2)

其中,Tysi=(Tysti,Tysci),Tysti為機載傳感器的類型標識,傳感器的類型有雷達、ESM、光電/紅外(EO/IR)傳感器、電子偵察設(shè)備等;Tysci為機載傳感器載體平臺標識,明確傳感器所屬的平臺;

Stsi=(Wksi,Tmsi,k)為傳感器使用狀態(tài),Wksi為當前工作狀態(tài),有關(guān)機、工作兩種;Tmsi,k為傳感器為打擊鏈k工作的時段;

Cpsi=(Rsri,ψSr,i,?Sr,i)為傳感器的探測能力,其中Rsri為傳感器有效作用距離,ψSr,i、?Sr,i為傳感器方位搜索角范圍和俯仰搜索角范圍。

2.3 機群兵力機載武器單元模型

機載武器是機群打擊作戰(zhàn)任務(wù)的直接執(zhí)行者。飛機平臺所能使用的打擊武器多種多樣,包括機載導彈(空空導彈、空艦導彈、空地導彈等)、航炮、航空炸彈、制導炸彈等。從機群作戰(zhàn)需要及其載荷配置能力出發(fā),結(jié)合現(xiàn)代戰(zhàn)爭武器使用的發(fā)展和選擇趨勢,在機群打擊作戰(zhàn)中,主要研究以機載導彈為武器構(gòu)建打擊鏈。

實施機載導彈發(fā)射時,需解算射擊諸元,并裝訂到導彈上;滿足一定條件之后才能發(fā)射。導彈發(fā)射之后,若導彈具備中制導能力,則可接受其他平臺傳輸過來的中制導信息,從而修正飛行參數(shù),實現(xiàn)對目標的精確打擊。

設(shè)機群機載武器集合為Ms={Msi|i=1,2,…,NMs},飛機的機載武器Msi均可通過三元組進行描述,即

(3)

其中,Tymi=(Tymti,Tymci,Tymgi),Tymti為機載武器的類型標識,武器的類型有空空導彈、空艦導彈、空地導彈、反輻射導彈等;Tymci為機載武器載體平臺標識,明確導彈的掛載平臺;Tymgi為中制導平臺的標識,明確導彈接收的中制導信息來自的平臺;

Stmi=(Trgmi,Wksmi)為武器使用狀態(tài),Trgmi是目標標識,通常為目標批號,如果沒有分配目標,則數(shù)值為不大于0的數(shù)值;Wksmi為武器當前狀態(tài),包括冷態(tài)、準備、待戰(zhàn)、初始段、中制導、末制導、毀傷等7種;

Cpmi=(Wlami,Ragmi,Hlami,Vlami,glammax,i,ψMsla,i)為機載武器發(fā)射方式、發(fā)射條件,其中Wlami為機載武器發(fā)射方式,有導軌式發(fā)射和彈射式發(fā)射2種;Ragmi為發(fā)射距離、Hlami為發(fā)射高度、Vlami為發(fā)射速度、ψMsla,i為發(fā)射離軸角,4個參數(shù)均為區(qū)間數(shù),glammax,i為最大發(fā)射過載。

機載導彈發(fā)射離機后也是一個平臺,因此可以用平臺模型的五元組進行描述。

2.4 機群兵力指控單元模型

指揮控制單元能夠進行態(tài)勢判斷、作戰(zhàn)決策和作戰(zhàn)計劃的制訂與發(fā)布,具備對機群兵力實施作戰(zhàn)指揮、發(fā)布作戰(zhàn)命令、實施引導、接收下級上報信息并向上級上報信息等功能。

各機群兵力指控單元功能強弱有別,其中,預警機指控單元的功能最為完善,具備對空中所有兵力實施指控的能力;殲擊機也具有一定的指控能力,但僅限于長機對編隊內(nèi)的僚機實施指控;無人偵察機和無人攻擊機,不具有指控能力,只能接受其他兵力的指揮與控制。

指控單元功能眾多,根據(jù)打擊鏈構(gòu)建需求,重點對其信息分發(fā)能力、上下級兵力、指揮能力、引導能力等進行描述。

設(shè)機群中指控單元集合為Zc={Zci|i=1,2,…,NZc},飛機指控單元Zci均可通過四元組進行描述,即

(4)

其中,Tyzi為指控單元載體平臺標識,明確指控單元所屬的平臺;

Rszi=(Spzi,Sbzi)為上級與下級兵力集合,其中,Spzi為上級兵力平臺標識;Sbzi為下級兵力平臺標識;

Stzi=(Smzi,k,Gfzi,k)為指控單元服務(wù)于打擊鏈k的運行狀態(tài),其中,Smzi,k為態(tài)勢信息分發(fā)對象的標識及實施分發(fā)的時間段;Gfzi,k為引導兵力標識及實施引導的時間段;

Cpzi=(Vosmi,Vogfi)為指控單元的能力描述,其中,Vosmi為信息分發(fā)的容量,即最多能夠給多少兵力提供及時的周期性信息分發(fā)的能力;Vogfi為引導兵力的容量,即最多能夠?qū)崟r引導兵力的數(shù)量。

2.5 機群兵力火控單元模型

火控單元是機群兵力用于控制機載導彈類型、數(shù)量選擇,射前準備、射擊諸元解算、參數(shù)裝訂,發(fā)射時機選擇和發(fā)射實施等。

設(shè)機群中火控單元集合為Fc={Fci|i=1,2,…,NFc},飛機火控單元Fci均可通過三元組進行描述,即

(5)

其中,Tyfi為火控單元載體平臺標識,明確火控單元所屬的平臺;

Stfi=(Msfi,Tmfi,k)為火控單元使用狀態(tài),Msfi為導彈的標識號;Tmfi,k為火控單元為打擊鏈k中導彈Msfi提供火控服務(wù)的時段;

Cpfi=(Vofi,Tnfi)為火控單元的能力描述,其中Vofi為火控單元的容量,即可以同時為多少枚導彈提供服務(wù);Tnfi為從冷態(tài)、熱態(tài)開始進行準備,至參數(shù)裝訂、發(fā)射脫離平臺所需的最短時間。

2.6 機群兵力中制導單元模型

中制導單元主要功能是為導彈提供中制導信息。為了能夠?qū)Πl(fā)射出去的導彈進行中制導,各飛機平臺均應(yīng)裝備有中制導功能的相關(guān)設(shè)備。由于導彈類型的不同,中制導系統(tǒng)應(yīng)具備對空空、空艦、空地等導彈提供中制導信息的能力。受限于平臺與裝備的性能,中制導系統(tǒng)的能力也不同,但均受容量限制,即:同一時間段內(nèi)只能為一定數(shù)量的導彈提供中制導服務(wù)。

設(shè)機群中制導系統(tǒng)集合為Mg={Mgi|i=1,2,…,NMg},飛機中制導系統(tǒng)Mgi均可通過三元組進行描述,即

(6)

其中,Tygi為中制導系統(tǒng)載體平臺標識,明確中制導系統(tǒng)所屬的平臺;

Stgi=(Msgi,Tmgi,k)為中制導系統(tǒng)使用狀態(tài),Msgi為導彈的標識號;Tmgi,k為中制導系統(tǒng)為打擊鏈k中導彈Msgi提供中制導信息的時段;

Cpgi=(Ragi,Vogi)為中制導系統(tǒng)的能力描述,其中Ragi為中制導系統(tǒng)有效傳輸距離,Vogi為中制導系統(tǒng)的容量。

2.7 機群兵力機載通信單元模型

機群所裝備的通信系統(tǒng)種類多種多樣,幾乎每一架飛機均裝備有多種通信設(shè)備,主要有:衛(wèi)星通信設(shè)備、數(shù)據(jù)鏈通信設(shè)備、短波通信設(shè)備等。不同通信設(shè)備的工作原理和性能存在較大差異,所適用的任務(wù)范疇也不同。

設(shè)機群通信系統(tǒng)集合為Cm={Cmi|i=1,2,…,NCm},任意一架飛機的通信系統(tǒng)Cmi均可通過三元組進行描述,即

(7)

其中,Tyci為通信系統(tǒng)載體平臺標識,明確通信系統(tǒng)所屬的平臺;

其中,Tyci=(Tycti,Tycci),Tycti為機載通信設(shè)備的類型標識;Tycci為通信系統(tǒng)載體平臺標識,明確通信系統(tǒng)所屬的平臺;

Stci=(Wkci,Tmci,k)為通信系統(tǒng)使用狀態(tài),Wkci為當前工作狀態(tài),有關(guān)機、工作兩種;Tmci,k為通信系統(tǒng)為打擊鏈k工作的時段;

Cpci=(Raci,Voci,ψCm,i,?Cm,i)為通信系統(tǒng)的能力描述,其中Raci為通信系統(tǒng)有效傳輸距離,Voci為通信容量,ψCm,i、?Cm,i為傳輸?shù)姆轿唤欠秶透┭鼋欠秶?/p>

3 結(jié)束語

機群打擊鏈作戰(zhàn)體系是兵力的聚合與協(xié)同,而本質(zhì)上是各機群兵力功能單元之間的密切配合與高效協(xié)同。采用模塊化描述方法,結(jié)合機群打擊鏈作戰(zhàn)過程中對兵力的能力需求,將機群兵力劃分為平臺單元、傳感器單元、武器單元、指揮控制單元、火控單元、中制導單元、通信單元等7個要素,并分別建立多元組的描述模型進行數(shù)學表征,從而簡化了以兵力整體為對象進行建模的復雜度,提高了兵力模型的重用性和適用性,有利于對機群兵力進行系統(tǒng)性、深層次管理與規(guī)劃,更好地支撐機群打擊鏈的快速構(gòu)建。

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Modularized Modeling and Describing Method of Aircraft-Fleet Force for Kill Chain

LUO Mu-sheng, WANG Zong-jie, LIU Yu

(Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China)

Aiming at the shortage of aircraft-fleet force model which considers force as a whole, the operation process and force requirement of aircraft-fleet kill chain are analyzed. Modularized method of description is adopted, and dividing aircraft into seven components, such as platform unit, sensor unit, weapon unit, command and control unit, firing control unit, midcourse guidance unit, communication unit and so on. Description method of multi-component system is given and is used to build models of seven components separately. These models express attribution, working status and performance restraints of each component, which could be used to support aircraft-fleet force management and task planning.

force model; aircraft fleet; kill chain; functional unit; modularization; multi-component system

2016-11-06

2016-12-01

國家安全重大基礎(chǔ)研究項目(61331401)

羅木生(1982-),男，江西廣昌人，博士，研究方向為兵種戰(zhàn)術(shù)。 王宗杰(1978-),男，博士研究生。 劉 瑜(1986-)，男，博士，講師。

1673-3819(2017)02-0041-04

TJ810；E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.02.009