劉西，陳偉，馮志峰，翟樹朋，張偉芳

（上海機(jī)電工程研究所 上海 201109）

隨著新軍事體系的發(fā)展變革、信息技術(shù)的快速提升，聯(lián)合空中作戰(zhàn)指揮越來越先進(jìn)，作戰(zhàn)方式也越來越多樣［1］。作為空中作戰(zhàn)編隊(duì)的最小任務(wù)編組，雙機(jī)編隊(duì)的協(xié)同作戰(zhàn)能力直接影響聯(lián)合空中作戰(zhàn)整體能力。

針對(duì)雙機(jī)編隊(duì)空戰(zhàn)仿真建模，目前有多位學(xué)者進(jìn)行了研究，如陳元［2］探討了藍(lán)軍戰(zhàn)斗機(jī)編隊(duì)建模方法；徐西蒙等［3］建立了編隊(duì)關(guān)系和運(yùn)動(dòng)模型，并給出了編隊(duì)控制方法；孟光磊等［4］給出了雙機(jī)編隊(duì)超視距空戰(zhàn)條件下的威脅評(píng)估方法；羅德林等［5］給出了超視距空戰(zhàn)下的多目標(biāo)攻擊決策方法；程啟月［6］從飛機(jī)、武器、機(jī)載設(shè)備的性能上對(duì)編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)進(jìn)行了效能評(píng)估。上述空戰(zhàn)編隊(duì)研究中，部分未考慮編隊(duì)飛機(jī)平臺(tái)及掛載設(shè)備能力，部分只針對(duì)OODA 中的單一環(huán)節(jié)進(jìn)行分析。本文從編隊(duì)飛機(jī)作戰(zhàn)能力出發(fā)，研究戰(zhàn)斗機(jī)概念模型和雙機(jī)編隊(duì)空戰(zhàn)概念模型，并基于OODA 作戰(zhàn)流程，采用狀態(tài)機(jī)建模方法構(gòu)建雙機(jī)編隊(duì)空戰(zhàn)行為仿真模型，設(shè)計(jì)雙機(jī)編隊(duì)離散態(tài)勢(shì)感知和行為方法，并基于專家經(jīng)驗(yàn)給出決策方法。

1 雙機(jī)編隊(duì)空戰(zhàn)概念模型

雙機(jī)編隊(duì)飛行員在空戰(zhàn)過程中主要完成戰(zhàn)斗機(jī)的操控以及編隊(duì)成員交互。為準(zhǔn)確描述編隊(duì)空戰(zhàn)過程，并進(jìn)行可靠建模仿真，采用面向?qū)ο蟮母拍蠲枋龇椒ǎ瑥木庩?duì)空戰(zhàn)中戰(zhàn)斗機(jī)的操控角度分析戰(zhàn)斗機(jī)裝備組成，對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)裝備進(jìn)行合理簡(jiǎn)化抽象，建立戰(zhàn)斗機(jī)對(duì)象模型和功能模型；采用面向過程的概念描述方法，圍繞雙機(jī)編隊(duì)空戰(zhàn)過程，描述編隊(duì)中不同身份飛行員執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的完整流程。

1.1 戰(zhàn)斗機(jī)概念模型

空戰(zhàn)戰(zhàn)斗機(jī)主要是指掛載空空導(dǎo)彈與敵戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行空中格斗，奪取并保持戰(zhàn)區(qū)制空權(quán)的作戰(zhàn)飛機(jī)。以典型的F-22A、F-35C為研究對(duì)象確定戰(zhàn)斗機(jī)概念模型構(gòu)成。其中F-22A 由發(fā)動(dòng)機(jī)、氣動(dòng)外形、布局和涂層決定機(jī)動(dòng)能力以及輻射特性，采用Link-16 和IFDL 數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)機(jī)間和外部通信，根據(jù)組合導(dǎo)航設(shè)備獲取導(dǎo)航信息，作戰(zhàn)時(shí)由綜合電子戰(zhàn)系統(tǒng)提供目標(biāo)情報(bào)，并由中央計(jì)算機(jī)進(jìn)行火控、飛控解算，控制武器艙及掛點(diǎn)武器狀態(tài)，在滿足條件時(shí)發(fā)射導(dǎo)彈。F-35C 構(gòu)成基本與F-22A 一致，只是新增光電系統(tǒng)強(qiáng)化態(tài)勢(shì)感知能力，以及新增任務(wù)系統(tǒng)提升戰(zhàn)場(chǎng)指揮能力。

1.2 編隊(duì)空戰(zhàn)概念模型

編隊(duì)空戰(zhàn)是指戰(zhàn)斗機(jī)編隊(duì)飛行員之間互相協(xié)同，與目標(biāo)飛機(jī)空戰(zhàn)的過程。雙機(jī)編隊(duì)包含編隊(duì)長(zhǎng)機(jī)和僚機(jī)，長(zhǎng)機(jī)飛行員接收地面指揮所處置指令，聽從指揮所引導(dǎo)進(jìn)入作戰(zhàn)空域，進(jìn)入空域后編隊(duì)空戰(zhàn)可分為完成投彈、完成制導(dǎo)、完成脫離3 個(gè)階段。在各個(gè)作戰(zhàn)階段由長(zhǎng)機(jī)負(fù)責(zé)觀察、研判和決策，編隊(duì)雙機(jī)按照決策完成機(jī)動(dòng)控制、裝備控制等操作。

2 戰(zhàn)斗機(jī)仿真模型

2.1 運(yùn)動(dòng)模型

戰(zhàn)斗機(jī)運(yùn)動(dòng)模型模擬戰(zhàn)斗機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通過配置高度約束、速度約束、最大過載約束、爬升率約束、推力約束、油耗約束等實(shí)現(xiàn)不同類型戰(zhàn)斗機(jī)運(yùn)動(dòng)能力仿真。

2.2 機(jī)載雷達(dá)模型

機(jī)載雷達(dá)仿真模型可模擬戰(zhàn)斗機(jī)有源相控陣?yán)走_(dá)，通過設(shè)置雷達(dá)頻率、功率、脈寬等基本參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多種工作模式（邊搜邊測(cè)距、邊搜邊跟、單目標(biāo)跟蹤）仿真，具有多目標(biāo)探測(cè)、航跡管理、多目標(biāo)鎖定、通視判斷、信噪比檢波等功能。

2.3 機(jī)載火控模型

機(jī)載火控模型可模擬機(jī)載對(duì)空、對(duì)地火控系統(tǒng)，具備情報(bào)處理、目標(biāo)信息處理、發(fā)射區(qū)解算、導(dǎo)彈發(fā)射令處理、導(dǎo)彈制導(dǎo)信息計(jì)算和導(dǎo)彈掛載狀態(tài)管理等功能。

2.4 機(jī)載通信模型

機(jī)載通信模型可模擬飛機(jī)的數(shù)據(jù)鏈及無線通信能力，可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)模型編組之間的態(tài)勢(shì)共享、戰(zhàn)術(shù)指令傳達(dá)、飛機(jī)模型與指揮所的態(tài)勢(shì)共享及任務(wù)指令傳達(dá)。

2.5 空空導(dǎo)彈模型

空空導(dǎo)彈模型可模擬典型的空空導(dǎo)彈道特性、飛行狀態(tài)，可仿真彈體運(yùn)動(dòng)計(jì)算、彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)、制導(dǎo)律和毀傷等功能。

2.6 輻射特性模型

戰(zhàn)斗機(jī)輻射特性模型模擬戰(zhàn)斗機(jī)不同視角下的幾何特性、紅外特性以及電磁特性。

2.7 干擾設(shè)備模型

干擾設(shè)備模型可模擬干擾設(shè)備吊艙功能，包括雷達(dá)信號(hào)偵收截獲、信號(hào)分選識(shí)別，采取欺騙或壓制干擾策略控制干擾源產(chǎn)生干擾信號(hào)，對(duì)目標(biāo)雷達(dá)進(jìn)行干擾。

2.8 光電模型

機(jī)載光電模型可模擬光電設(shè)備功能，采用紅外前視及電視監(jiān)視對(duì)區(qū)域目標(biāo)進(jìn)行搜索，并可依靠雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)跟蹤。

2.9 告警設(shè)備模型

告警設(shè)備模型可模擬機(jī)載告警設(shè)備器，接收處理雷達(dá)信號(hào)并進(jìn)行測(cè)量定位，經(jīng)分選識(shí)別后與目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匹配，根據(jù)輻射源威脅等級(jí)及狀態(tài)確定雷達(dá)信號(hào)告警信息。

3 編隊(duì)空戰(zhàn)仿真模型

3.1 編隊(duì)協(xié)同模型

編隊(duì)中長(zhǎng)機(jī)、僚機(jī)基于飛機(jī)通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)協(xié)同，編隊(duì)協(xié)同形式如圖1所示。

圖1 編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)流程Fig.1 Formation cooperative operation process

采用狀態(tài)機(jī)建模方法對(duì)空戰(zhàn)流程中的長(zhǎng)機(jī)、僚機(jī)飛行員行為進(jìn)行仿真建模，狀態(tài)機(jī)可描述飛行員完整的空戰(zhàn)過程，完整的狀態(tài)機(jī)包括狀態(tài)、轉(zhuǎn)換、事件、監(jiān)護(hù)條件和動(dòng)作［7］。長(zhǎng)機(jī)飛行員的觀察、判斷與決策過程可設(shè)計(jì)為長(zhǎng)機(jī)決策狀態(tài)機(jī)，飛行員空戰(zhàn)時(shí)編隊(duì)機(jī)動(dòng)及設(shè)備的控制可設(shè)計(jì)為機(jī)動(dòng)控制狀態(tài)機(jī)和機(jī)載設(shè)備控制狀態(tài)機(jī)。

3.2 編隊(duì)作戰(zhàn)行為仿真

3.2.1 編隊(duì)決策模型

編隊(duì)長(zhǎng)機(jī)負(fù)責(zé)在不同空戰(zhàn)階段圍繞不同作戰(zhàn)目標(biāo)作出決策，各階段作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)關(guān)注的重點(diǎn)不同，通過定性描述各階段的作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)，形成作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)集合，并確定完成目標(biāo)的行動(dòng)方案。下面具體分析各個(gè)作戰(zhàn)階段。

（1）發(fā)射階段。進(jìn)入空戰(zhàn)后，編隊(duì)首要目標(biāo)是完成導(dǎo)彈發(fā)射，發(fā)射階段長(zhǎng)機(jī)決策狀態(tài)機(jī)運(yùn)行流程如圖2所示。

圖2 編隊(duì)發(fā)射階段長(zhǎng)機(jī)決策流程Fig.2 Decision-making process of lead aircraft in formation launch stage

在發(fā)射階段，長(zhǎng)機(jī)從外部以及編隊(duì)內(nèi)傳感器獲取空情信息，并確認(rèn)是否包含處置目標(biāo)的情報(bào)信息，沒有則保持隊(duì)形持續(xù)關(guān)注探測(cè)情報(bào)，有則分析當(dāng)前作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)。

為描述發(fā)射階段作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)，綜合考慮雙機(jī)編隊(duì)被鎖定的狀態(tài)、雙機(jī)編隊(duì)鎖定處置目標(biāo)的狀態(tài)、雙機(jī)編隊(duì)飛行狀態(tài)、處置目標(biāo)編隊(duì)飛行狀態(tài)。鎖定狀態(tài)分為已鎖定和未鎖定，可從飛機(jī)平臺(tái)火控雷達(dá)仿真模型及告警仿真模型中獲取，雙機(jī)編隊(duì)對(duì)抗鎖定狀態(tài)包括16 種情形；編隊(duì)飛行狀態(tài)包括編隊(duì)飛行和分開飛行，己方編隊(duì)由長(zhǎng)機(jī)根據(jù)編隊(duì)內(nèi)飛機(jī)狀態(tài)進(jìn)行判斷，目標(biāo)編隊(duì)由目標(biāo)情報(bào)確認(rèn)，飛行狀態(tài)包括4 種情形。在典型雙機(jī)編隊(duì)互相對(duì)抗的情形下，共有64種態(tài)勢(shì)情況。

針對(duì)以上態(tài)勢(shì)情況，作戰(zhàn)在被鎖定時(shí)可采取雙機(jī)分開、干擾、被鎖定飛機(jī)分開誘敵，在優(yōu)勢(shì)狀態(tài)時(shí)雙機(jī)快速接敵發(fā)射導(dǎo)彈共4種行動(dòng)決策方案。

（2）制導(dǎo)階段。完成發(fā)射后，部分發(fā)射條件下需完成對(duì)導(dǎo)彈的制導(dǎo)過程。若編隊(duì)不具備協(xié)同制導(dǎo)能力，由單機(jī)自己完成；針對(duì)具備協(xié)同制導(dǎo)能力的作戰(zhàn)編隊(duì)，制導(dǎo)階段長(zhǎng)機(jī)決策狀態(tài)機(jī)流程如圖3所示。

圖3 編隊(duì)制導(dǎo)階段長(zhǎng)機(jī)決策流程Fig.3 Decision-making process of lead aircraft in formation guidance stage

制導(dǎo)階段作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)需要考慮編隊(duì)內(nèi)成員制導(dǎo)能力、鎖定目標(biāo)狀態(tài)和被鎖定狀態(tài)，鎖定狀態(tài)同發(fā)射階段共包含16 種情形；編隊(duì)內(nèi)成員制導(dǎo)能力分為可制導(dǎo)與不可制導(dǎo)。如不具備制導(dǎo)能力的掛彈無人機(jī)，或只具備制導(dǎo)能力的制導(dǎo)無人機(jī)，雙機(jī)編隊(duì)制導(dǎo)能力包含2種情形。在典型雙機(jī)編隊(duì)互相對(duì)抗的情形下，共有32種態(tài)勢(shì)情況。

針對(duì)以上態(tài)勢(shì)情況，制導(dǎo)過程中可采取放棄制導(dǎo)、發(fā)射平臺(tái)跟隨制導(dǎo)、非發(fā)射平臺(tái)跟隨制導(dǎo)以及發(fā)射平臺(tái)跟隨制導(dǎo)非發(fā)射平臺(tái)提供目標(biāo)/制導(dǎo)信息共4種行動(dòng)決策方案。

（3）回轉(zhuǎn)階段。完成發(fā)射、制導(dǎo)或不滿足繼續(xù)空戰(zhàn)的條件，作戰(zhàn)編組快速回轉(zhuǎn)脫離戰(zhàn)場(chǎng)，返回原任務(wù)空域或機(jī)場(chǎng)，回轉(zhuǎn)階段長(zhǎng)機(jī)決策方案如圖4所示。

圖4 編隊(duì)回轉(zhuǎn)階段長(zhǎng)機(jī)決策流程Fig.4 Decision-making process of lead aircraft in formation turning stage

回轉(zhuǎn)階段長(zhǎng)機(jī)需考慮處置目標(biāo)或其他目標(biāo)的飛行狀態(tài)以及告警設(shè)備仿真模型的告警信息。雙機(jī)編隊(duì)告警信息包括4 種狀態(tài)；考慮編隊(duì)情報(bào)中是否有目標(biāo)快速接近，分為2 種狀態(tài)，在典型雙機(jī)編隊(duì)互相對(duì)抗的情形下，回轉(zhuǎn)階段共有8種態(tài)勢(shì)情況。

針對(duì)以上態(tài)勢(shì)情況，回轉(zhuǎn)脫離過程中可采取雙機(jī)橄欖形回轉(zhuǎn)脫離、雙機(jī)加速回轉(zhuǎn)脫離2種行動(dòng)決策方案。

3.2.2 編隊(duì)行動(dòng)模型機(jī)動(dòng)由機(jī)動(dòng)控制狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，機(jī)動(dòng)控制狀態(tài)機(jī)流程如圖5所示。

圖5 機(jī)動(dòng)控制狀態(tài)機(jī)流程Fig.5 State machine process of maneuver control

編隊(duì)行動(dòng)包括編隊(duì)機(jī)動(dòng)和編隊(duì)設(shè)備控制，其中編隊(duì)機(jī)動(dòng)由機(jī)動(dòng)控制狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，機(jī)動(dòng)控制狀態(tài)機(jī)流程如圖5所示。

機(jī)動(dòng)控制狀態(tài)機(jī)接收長(zhǎng)機(jī)決策的機(jī)動(dòng)指令，并按照指令類型執(zhí)行目標(biāo)機(jī)動(dòng)指令和空間機(jī)動(dòng)指令，其中目標(biāo)機(jī)動(dòng)指令包括朝向目標(biāo)機(jī)動(dòng)、跟隨目標(biāo)機(jī)動(dòng)等，空間機(jī)動(dòng)指令包括航線機(jī)動(dòng)、指令時(shí)刻機(jī)動(dòng)、空中巡邏機(jī)動(dòng)、環(huán)形、8字機(jī)動(dòng)等。

編隊(duì)設(shè)備控制由設(shè)備控制狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，不同身份控制方式相同，設(shè)備控制狀態(tài)機(jī)流程如圖6所示。

圖6 設(shè)備控制狀態(tài)機(jī)流程Fig.6 State machine process of equipment control

設(shè)備控制狀態(tài)機(jī)接收長(zhǎng)機(jī)決策的設(shè)備控制指令，并按照指令類型執(zhí)行光電/雷達(dá)、干擾、火控設(shè)備控制指令，完成設(shè)備狀態(tài)的切換。

3.3 編隊(duì)決策模型

編隊(duì)協(xié)同模型和行動(dòng)模型描述作戰(zhàn)各階段的態(tài)勢(shì)集合和行動(dòng)決策集合，由態(tài)勢(shì)到行動(dòng)的映射可采取傳統(tǒng)優(yōu)化方法或強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法進(jìn)行訓(xùn)練，得到針對(duì)作戰(zhàn)場(chǎng)景的最優(yōu)決策。

本文基于專家經(jīng)驗(yàn)給出編隊(duì)空戰(zhàn)的一種映射關(guān)系。在空戰(zhàn)發(fā)射階段，當(dāng)完成對(duì)目標(biāo)的鎖定時(shí)，采取持續(xù)接敵方案，當(dāng)目標(biāo)被鎖定時(shí)，被鎖定飛機(jī)開啟干擾，在開啟干擾后目標(biāo)依舊被鎖定時(shí)，采取分開機(jī)動(dòng)誘敵策略，如果雙機(jī)編隊(duì)都被鎖定則雙機(jī)雙向分開機(jī)動(dòng)，在擺脫鎖定后向目標(biāo)機(jī)動(dòng)制導(dǎo)滿足發(fā)射條件；在空戰(zhàn)制導(dǎo)階段，優(yōu)先使用無人系統(tǒng)進(jìn)行制導(dǎo)，當(dāng)發(fā)射平臺(tái)制導(dǎo)過程中目標(biāo)被鎖定或被嚴(yán)重干擾時(shí)，可由其他未被鎖定的平臺(tái)接替制導(dǎo)，當(dāng)其他平臺(tái)無法進(jìn)行制導(dǎo)時(shí)，可提供目標(biāo)信息或制導(dǎo)信息；在回轉(zhuǎn)階段，根據(jù)敵方機(jī)動(dòng)能力和導(dǎo)彈能力，在無法擺脫時(shí)采取橄欖形隊(duì)形回轉(zhuǎn)壓制敵方追擊過程。

4 結(jié)語

本文以聯(lián)合空中作戰(zhàn)仿真為出發(fā)點(diǎn)，重點(diǎn)研究雙機(jī)編隊(duì)空戰(zhàn)仿真模型設(shè)計(jì)，首先對(duì)雙機(jī)編隊(duì)空戰(zhàn)概念進(jìn)行描述，結(jié)合實(shí)際典型飛機(jī)平臺(tái)，研究雙機(jī)空戰(zhàn)中的戰(zhàn)斗機(jī)概念模型，并給出雙機(jī)編隊(duì)空戰(zhàn)的概念模型。按照概念模型梳理戰(zhàn)斗機(jī)仿真模型的基本組成和功能，基于狀態(tài)機(jī)構(gòu)建編隊(duì)空戰(zhàn)模型，完成長(zhǎng)機(jī)決策模型設(shè)計(jì)和編隊(duì)行動(dòng)模型設(shè)計(jì)，可完整實(shí)現(xiàn)雙機(jī)編隊(duì)空戰(zhàn)仿真，為編隊(duì)空戰(zhàn)研究提供解決思路。本文重點(diǎn)在于模型建設(shè)，只考慮了基于專家經(jīng)驗(yàn)的決策實(shí)際，但模型中的狀態(tài)及動(dòng)作拆解可較好地支撐后續(xù)強(qiáng)化學(xué)習(xí)等智能空戰(zhàn)領(lǐng)域的研究。