喬沛昊，陳 勇，薛文軍，馮培倫，邢 欣

（1.北方自動(dòng)控制技術(shù)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(jìn)步，在未來(lái)信息化裝備高度發(fā)展的情況下，一定會(huì)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］。空中作戰(zhàn)平臺(tái)具有機(jī)動(dòng)性能好、視野廣闊、態(tài)勢(shì)感知能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，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(shì)［2］。采用空中與地面協(xié)同作戰(zhàn)的方式，結(jié)合各自先天的優(yōu)勢(shì)，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(jìn)而可以快速適應(yīng)未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)的復(fù)雜多變。

空域管控技術(shù)是空地協(xié)同作戰(zhàn)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。戰(zhàn)場(chǎng)空域管控的關(guān)鍵在于對(duì)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(wù)的實(shí)現(xiàn)和作戰(zhàn)效能的充分發(fā)揮，又要關(guān)注敵方空域及敵我交戰(zhàn)空域的控制問(wèn)題［3］。通過(guò)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)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(guó)內(nèi)還是美國(guó)、歐洲等軍事強(qiáng)國(guó)，在軍事領(lǐng)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(jìn)行劃分的方法規(guī)劃空域［5］。作戰(zhàn)時(shí)，作戰(zhàn)部隊(duì)首先發(fā)起空域申請(qǐng)，由空域主管部門下發(fā)規(guī)劃后空域，其下發(fā)結(jié)果為空域劃分和時(shí)間區(qū)間?？展苋藛T通過(guò)對(duì)照具體場(chǎng)景在態(tài)勢(shì)圖上顯示的二維平面圖，對(duì)空域規(guī)劃進(jìn)行二次細(xì)分，如：禁飛區(qū)、射擊區(qū)、攔截區(qū)、空中危險(xiǎn)區(qū)等。綜合來(lái)講，目前戰(zhàn)術(shù)級(jí)空域使用不靈活，空域利用率較低，沒(méi)有對(duì)不同的層高進(jìn)行充分利用，缺乏成熟的戰(zhàn)術(shù)級(jí)空域使用規(guī)劃技術(shù)。

本文針對(duì)空地協(xié)同作戰(zhàn)，提出了空中“紅綠燈”空域管控技術(shù)。首先通過(guò)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)空域進(jìn)行科學(xué)切分，形成網(wǎng)格化戰(zhàn)術(shù)級(jí)空域，這是進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)級(jí)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(shí)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(shù)級(jí)空域管控技術(shù)中建立空域使用計(jì)劃自適應(yīng)調(diào)整和控制機(jī)制，滿足執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)和敵我態(tài)勢(shì)變化的要求，提高戰(zhàn)術(shù)級(jí)空域管理的時(shí)效性與空域使用效能。最后引入科學(xué)、高效的沖突檢測(cè)告警技術(shù)，增強(qiáng)了戰(zhàn)術(shù)級(jí)“紅綠燈”空域管控技術(shù)的安全性，以更好地發(fā)揮作戰(zhàn)效能。

1 網(wǎng)格化空域標(biāo)識(shí)技術(shù)

傳統(tǒng)空域標(biāo)識(shí)的方法是以空中走廊、航道的形式，在態(tài)勢(shì)圖上進(jìn)行顯示。標(biāo)識(shí)空中走廊、航道的形式不夠細(xì)化，對(duì)空域的使用效能不夠充分，顯示的力度不細(xì)。網(wǎng)格化標(biāo)識(shí)空域的方法是對(duì)傳統(tǒng)方式的一個(gè)強(qiáng)有力的補(bǔ)充，很大程度上彌補(bǔ)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(shù)級(jí)空域管理模型，對(duì)空域主管部門規(guī)劃的戰(zhàn)術(shù)級(jí)空域進(jìn)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(duì)空域進(jìn)行不等分切分。切分時(shí)嚴(yán)格遵照戰(zhàn)術(shù)級(jí)空域切分規(guī)定、具體作戰(zhàn)任務(wù)，如50 m 高程一切，將戰(zhàn)術(shù)級(jí)空域網(wǎng)格化并進(jìn)行有序的空間編碼，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格化戰(zhàn)術(shù)級(jí)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(shù)級(jí)空域由一個(gè)個(gè)小立方體的空間構(gòu)成，每一個(gè)小立方體為一個(gè)基本單位，如圖2 所示。每一個(gè)小立方體空間對(duì)應(yīng)一個(gè)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(shù)級(jí)空域

立方體塊的各個(gè)頂點(diǎn)不得超出空域邊界，空域內(nèi)坐標(biāo)（Xij，Yij）應(yīng)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(shù)

戰(zhàn)術(shù)級(jí)空域切分后，該空域范圍內(nèi)會(huì)有相關(guān)業(yè)務(wù)的航路，如：運(yùn)輸、偵察航路等。每條航路構(gòu)成一條空中走廊，每條空中走廊包含若干細(xì)分的立體網(wǎng)格。當(dāng)對(duì)應(yīng)具體任務(wù)時(shí)，在某一條空中走廊中的飛機(jī)可以根據(jù)實(shí)時(shí)變化航道的走向，組成若干通道；根據(jù)實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)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(shí)設(shè)為禁飛航道，通過(guò)“紅綠燈”空域管控技術(shù)可以開(kāi)辟出若干條安全的臨時(shí)航道。所有空中走廊的變化均在整個(gè)細(xì)化切分的戰(zhàn)術(shù)級(jí)空域范圍內(nèi)，具體調(diào)配時(shí)只需對(duì)應(yīng)相應(yīng)空域編碼即可，因此，航道的臨時(shí)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(jì)劃下的空域劃分和時(shí)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(xì)分后的空域，每一塊相互區(qū)分又緊密聯(lián)系，戰(zhàn)術(shù)級(jí)空域內(nèi)的航道可以根據(jù)任務(wù)擴(kuò)容擴(kuò)路，結(jié)合空中“紅綠燈”運(yùn)轉(zhuǎn)流程，就好比是生活中的高速公路。

在現(xiàn)有的戰(zhàn)術(shù)級(jí)空域管理方法中并沒(méi)有包含切分細(xì)化空域的做法，大多是根據(jù)一條條固有的空中走廊進(jìn)行調(diào)配管理，這樣不僅空域利用率不高，空中走廊中飛機(jī)的靈活性也受到限制。通過(guò)網(wǎng)格化標(biāo)識(shí)技術(shù)將戰(zhàn)術(shù)級(jí)空域進(jìn)行細(xì)化切分，在提高空域利用率、靈活性的同時(shí)，也為戰(zhàn)術(shù)級(jí)空域內(nèi)進(jìn)行空中“紅綠燈”的管控奠定架構(gòu)基礎(chǔ)。

2 “紅綠燈”空域管控技術(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)流程

2.1 工作原理

以“紅綠燈”方式對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)空域情況進(jìn)行管控，能夠更加直觀地掌控空域態(tài)勢(shì)，更加合理高效地對(duì)空域進(jìn)行管理，在避免誤傷的同時(shí)，極大提高作戰(zhàn)效能。這種方式以面向任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，根據(jù)不同的作戰(zhàn)任務(wù)，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(jī)動(dòng)通道有效，黃燈表示存在風(fēng)險(xiǎn)。

從用戶視角來(lái)看，主要涵蓋空中機(jī)動(dòng)及地面火力單元。對(duì)于空中機(jī)動(dòng)，空中走廊由若干個(gè)空域網(wǎng)格構(gòu)成，將包含飛行器當(dāng)前位置以及一定安全間隔閾度的網(wǎng)格顯示為綠燈，飛機(jī)通過(guò)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(duì)于火力單元，會(huì)根據(jù)火力任務(wù)及火力計(jì)劃情況劃設(shè)火力通道，在火力處于射擊狀態(tài)或射擊過(guò)程時(shí)間段，火力通道則顯示紅燈，表示飛行器不能進(jìn)入該區(qū)域，需改變航線。射擊結(jié)束后，火力使用的空域資源釋放，空域網(wǎng)格恢復(fù)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(gè)監(jiān)視界面形成統(tǒng)一的紅綠燈空域態(tài)勢(shì)圖，以及空域控制列表，列表呈現(xiàn)各空域用戶單元及權(quán)限。權(quán)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(shí)這種“紅綠燈”控制策略能夠處理臨機(jī)的用空任務(wù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整空域紅綠燈運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 典型場(chǎng)景應(yīng)用

2.2.1 飛機(jī)與火力交互

在網(wǎng)格化戰(zhàn)術(shù)級(jí)空域內(nèi)有一條航道，與此同時(shí)有一條火力通道經(jīng)過(guò)該航道，如圖4 所示。從用戶視角觀察，箭頭處為我機(jī)當(dāng)前位置，已經(jīng)過(guò)航道為紅色，隨著飛機(jī)不斷前進(jìn)，紅色航道變?yōu)榫G色，另一條灰色航道為無(wú)作業(yè)打擊時(shí)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(wú)作業(yè)打擊時(shí)的火力通道。

圖4 飛機(jī)與火力交互前“紅綠燈”管控圖

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

圖5 飛機(jī)與火力交互時(shí)“紅綠燈”管控圖

當(dāng)火力打擊完畢，火力通道由亮“紅燈”恢復(fù)無(wú)作業(yè)時(shí)的灰色狀態(tài)。此時(shí)可能發(fā)生碰撞的危機(jī)解除，我機(jī)可繼續(xù)沿著航道前行，如圖6 所示。

圖6 飛機(jī)與火力交互后“紅綠燈”管控圖

2.2.2 飛機(jī)與不明目標(biāo)交互

在網(wǎng)格化空域內(nèi)有一條航道，此時(shí)航道前方經(jīng)過(guò)地面雷達(dá)偵察系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)不明目標(biāo)駛?cè)牒降?，如下?yè)圖7 所示，灰色箭頭為不明目標(biāo)。如果我機(jī)繼續(xù)按原既定航道前行，可能發(fā)生碰撞或者交火，此時(shí)空中“紅綠燈”空域管控系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)作。

當(dāng)我機(jī)接收到信號(hào)，“紅綠燈”管控系統(tǒng)運(yùn)作，及時(shí)為我機(jī)開(kāi)辟一條或多條亮“綠燈”的航道，避免與不明目標(biāo)正面交錯(cuò)，原既定航道此時(shí)全部亮“紅燈”，禁止一切飛行器進(jìn)入，如圖8 所示。

圖7 飛機(jī)與不明目標(biāo)交互“紅綠燈”運(yùn)作管控圖

圖8 飛機(jī)與不明目標(biāo)交互新航道開(kāi)辟管控圖

2.3 管控成效分析

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

傳統(tǒng)空域管控技術(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間周期為空域計(jì)劃時(shí)間、偵察計(jì)劃時(shí)間、地面火力計(jì)劃時(shí)間、沖突檢測(cè)時(shí)間、臨機(jī)調(diào)整時(shí)間等的總和?？罩小凹t綠燈”管控技術(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)的總時(shí)長(zhǎng)僅僅為“紅綠燈”管控時(shí)間和各火力單元控制時(shí)間的總和。當(dāng)我機(jī)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(shí)作出調(diào)整，極大地提高了時(shí)效性。

空中“紅綠燈”管控技術(shù)不僅多層高可以同時(shí)利用，通過(guò)網(wǎng)格化空域切分，將整體空域進(jìn)一步編碼細(xì)分，使所有節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)關(guān)注“紅綠燈”情況，然后根據(jù)指示進(jìn)行隨動(dòng)操作，提高了空域利用效率。

3 沖突告警防碰撞技術(shù)

安全性是戰(zhàn)術(shù)級(jí)“紅綠燈”空域管控技術(shù)實(shí)施的基礎(chǔ)保障。傳統(tǒng)的沖突檢測(cè)方法是通過(guò)計(jì)劃監(jiān)控，以甘特圖的方式進(jìn)行檢測(cè)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(cè)告警技術(shù)具有目標(biāo)位置明確、圖形化后更直觀以及實(shí)時(shí)性更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。研究網(wǎng)格化戰(zhàn)術(shù)級(jí)空域內(nèi)空域沖突問(wèn)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(cè)告警技術(shù)。該技術(shù)對(duì)指揮決策有著強(qiáng)有力的輔助作用，在態(tài)勢(shì)圖上可以定義為“黃燈”。

3.1 設(shè)置安全閾值

通過(guò)在網(wǎng)格化戰(zhàn)術(shù)級(jí)空域內(nèi)設(shè)置安全閾值，可以保障每一條航道在有臨時(shí)或計(jì)劃外火力覆蓋時(shí)的安全。當(dāng)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(shí)，“紅綠燈”管控系統(tǒng)作出判斷，為飛機(jī)開(kāi)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(shí)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(jī)航向，灰色為避免碰撞設(shè)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(shù)級(jí)空域經(jīng)過(guò)空間編碼后，可以細(xì)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(gè)二維平面上的網(wǎng)格化小型陣地。當(dāng)火力覆蓋該戰(zhàn)術(shù)級(jí)空域時(shí)，可以通過(guò)有序排列的網(wǎng)格化小型陣地，設(shè)置彈道航路，通過(guò)設(shè)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(jī)所在陣地亮“紅燈”，此時(shí)陣地內(nèi)火力停止射擊；火力打擊時(shí)可能與我機(jī)發(fā)生碰撞的火力陣地同樣停止射擊，亮“紅燈”；經(jīng)過(guò)推算可以安全進(jìn)行火力打擊的陣地進(jìn)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(duì)可能發(fā)生的航道與臨時(shí)火力彈道或者目標(biāo)敵機(jī)沖突碰撞的情況，建立防沖突調(diào)配模型，通過(guò)在達(dá)到安全閾值前開(kāi)辟新的航道來(lái)避免碰撞的發(fā)生。

假設(shè)通過(guò)安全開(kāi)辟的新的航道避免碰撞的概率為Ps，避免碰撞開(kāi)辟的可能安全的新航道有n條，n 條航道對(duì)應(yīng)的絕對(duì)安全通道的概率為Pni，則有

式中，N 為針對(duì)可能發(fā)生碰撞采取的駛?cè)胄潞降赖拇螖?shù)，如果Pni=Pn，則有

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

對(duì)于開(kāi)辟新航道的次數(shù)Nob，其也可以用來(lái)表示成功避免沖突碰撞的概率，此時(shí)：

式中，No為探測(cè)到的來(lái)襲目標(biāo)總數(shù)，Nob為開(kāi)辟的新航道的次數(shù)，Pn為每次開(kāi)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(kāi)辟的新航線的數(shù)量，Ps為通過(guò)安全開(kāi)辟的新的航道避免碰撞的概率。

3.4 仿真試驗(yàn)分析

在3.3 節(jié)中防沖突調(diào)配模型的基礎(chǔ)上，設(shè)定在一次避免沖突進(jìn)行飛行調(diào)配的過(guò)程中，預(yù)計(jì)開(kāi)辟新航道的過(guò)程進(jìn)行3 次，每次開(kāi)辟的航道數(shù)不定，規(guī)劃的總航道數(shù)為10 條。當(dāng)大約平均4 架/min 的目標(biāo)敵機(jī)進(jìn)入我方空域，經(jīng)過(guò)調(diào)配避免沖突的平均時(shí)間為0.75 min，Ps=0.8，分別對(duì)可能調(diào)配的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算相對(duì)應(yīng)的防沖突調(diào)配效能。表1 為經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，從全部試驗(yàn)結(jié)果中提取的典型代表性的幾組數(shù)據(jù)。

表1 開(kāi)辟不同航道數(shù)下的防沖突調(diào)配效能

通過(guò)試驗(yàn)仿真結(jié)果分析得出，當(dāng)預(yù)計(jì)開(kāi)辟新航道進(jìn)行沖突避免時(shí)，經(jīng)過(guò)調(diào)配開(kāi)辟新航道的次數(shù)依次為5，3，5 時(shí)，防沖突調(diào)配效能最大，此時(shí)防沖突調(diào)配模型為階梯狀。當(dāng)經(jīng)過(guò)調(diào)配開(kāi)辟新航道的次數(shù)為1，2，7 時(shí)，防沖突調(diào)配效能最小，此時(shí)防沖突調(diào)配模型為發(fā)散狀。

4 結(jié)論

未來(lái)的戰(zhàn)爭(zhēng)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(duì)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(qiáng)了陸軍地面部隊(duì)與陸軍航空兵的聯(lián)系。

空域管控技術(shù)是空地聯(lián)合行動(dòng)作戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)，是連接地面與空中部隊(duì)的“紐扣”。本文針對(duì)戰(zhàn)術(shù)級(jí)空域管控，提出了空中“紅綠燈”技術(shù)。通過(guò)對(duì)空域切分、空中“紅綠燈”運(yùn)轉(zhuǎn)以及沖突檢測(cè)告警的深入研究，在原有的戰(zhàn)場(chǎng)空管系統(tǒng)上形成了一套科學(xué)、高效的戰(zhàn)術(shù)級(jí)空域管控技術(shù)。該技術(shù)一方面提高了時(shí)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(shí)利用。戰(zhàn)術(shù)級(jí)空中“紅綠燈”空域管控技術(shù)，隨著我軍裝備、體系的不斷進(jìn)步可以不斷升級(jí)、革新，可供我軍在未來(lái)空地協(xié)同作戰(zhàn)中的戰(zhàn)場(chǎng)空域管控中參考。