曹 杰,高王升,程躍兵,高子龍,黃晨晨

(上海機(jī)電工程研究所,上海 201109)

0 引 言

現(xiàn)代海上戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下發(fā)起的對(duì)水面艦艇的襲擊都是有計(jì)劃、有針對(duì)性的、按照預(yù)定時(shí)空關(guān)系實(shí)施的具體有目的的作戰(zhàn)任務(wù)。敵方在攻擊過程中,一般表現(xiàn)出集中指揮、高度協(xié)調(diào)、快速打擊,目標(biāo)具有飽和強(qiáng)度高、隱蔽性和多樣性等特點(diǎn),一旦發(fā)起進(jìn)攻,力爭(zhēng)短時(shí)間給對(duì)手以毀滅性打擊,癱瘓對(duì)方的防御力量,具有多層次、多維度、立體化作戰(zhàn)的特征[1]。

因此,為適應(yīng)這種對(duì)抗,就必須突破傳統(tǒng)的防空作戰(zhàn)樣式,整合集成編隊(duì)各種防空作戰(zhàn)資源,建立編隊(duì)一體化的防空體系,將單個(gè)艦艇防空反導(dǎo)資源作為整個(gè)體系的支點(diǎn),構(gòu)建對(duì)編隊(duì)指揮中心扁平、透明的架構(gòu),實(shí)現(xiàn)防空體系內(nèi)各種傳感器信息的共享,態(tài)勢(shì)集成和綜合分析決策,多武器、多火力的統(tǒng)一調(diào)度協(xié)調(diào),以及毀傷效果的快速共享和評(píng)估。

隨著武器裝備智能化、信息化水平的提升,作戰(zhàn)力量將呈現(xiàn)體系化的趨勢(shì),通過信息技術(shù)將多類作戰(zhàn)力量整合成為體系,形成集群自組織攻防、多任務(wù)一體化等能力?？蓪?shí)現(xiàn)軍兵種作戰(zhàn)一體化協(xié)同、陸?？仗煲惑w化協(xié)同、軍用民用系統(tǒng)一體化協(xié)同、有人系統(tǒng)與無人系統(tǒng)一體化協(xié)同、與友軍(盟軍)聯(lián)合作戰(zhàn)一體化協(xié)同。

一方面,隨著信息化水平不斷提升和人工智能技術(shù)迅速發(fā)展,人將從直接作戰(zhàn)中脫離出來,裝備逐漸具備自主態(tài)勢(shì)感知和作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃等能力,自主性持續(xù)提升,從而實(shí)現(xiàn)有人無人優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、智能協(xié)同攔截;另一方面,隨著武器裝備智能化水平的提升,作戰(zhàn)應(yīng)用將更加靈活,可實(shí)現(xiàn)自主智能跨域作戰(zhàn),遂行多樣化軍事作戰(zhàn)任務(wù)。

未來戰(zhàn)爭(zhēng)是陸、海、空、天、賽博多維一體的聯(lián)合戰(zhàn)爭(zhēng),在新的作戰(zhàn)環(huán)境下,面臨的威脅更加復(fù)雜,執(zhí)行的作戰(zhàn)任務(wù)更加多樣化,傳統(tǒng)的以常規(guī)飛機(jī)和精確制導(dǎo)彈藥為目標(biāo)的防空反導(dǎo)武器日漸難以滿足對(duì)新型高速、隱身、智能打擊武器的防御需求,要求作戰(zhàn)裝備具備智能化、信息化、體系化等作戰(zhàn)能力,需要從概念和技術(shù)上進(jìn)行加速革新,引入軍事智能技術(shù),形成更先進(jìn)、更智能的航天武器裝備和作戰(zhàn)模式,提升武器裝備對(duì)未來復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)的適應(yīng)力,實(shí)現(xiàn)一體化聯(lián)合作戰(zhàn)、體系協(xié)同作戰(zhàn)。

1 傳統(tǒng)單艦扇區(qū)分層防空作戰(zhàn)體系

通常情況下,一個(gè)常規(guī)水面艦艇編隊(duì)約有3～5艘驅(qū)護(hù)艦艇組成,在航渡或作戰(zhàn)值班過程中保持某種特定的艦位陣形,如圖1所示。一般分布在以指揮艦或航母為核心的外圍,每艘艦艇主要依靠自身武器配置對(duì)編隊(duì)某個(gè)扇區(qū)來襲的威脅目標(biāo)進(jìn)行分層防御,各個(gè)艦艇之間缺乏有效的信息協(xié)同、火力打擊層面的統(tǒng)一指揮[2]。

圖1 編隊(duì)常見布陣方式

編隊(duì)傳統(tǒng)防空作戰(zhàn)的基本過程為:根據(jù)預(yù)警引導(dǎo)信息,本艦雷達(dá)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并快速截獲目標(biāo),艦載指控系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別和威脅判斷,在遠(yuǎn)距離上利用艦空導(dǎo)彈對(duì)目標(biāo)實(shí)施盡遠(yuǎn)攔截;當(dāng)來襲目標(biāo)進(jìn)入艦空導(dǎo)彈的盲區(qū)時(shí),則使用近程火炮實(shí)施火力攔截,同時(shí)攔截全過程可使用電子對(duì)抗設(shè)備或干擾彈對(duì)目標(biāo)實(shí)施“軟殺傷”。

如圖2所示,這種傳統(tǒng)體系下的編隊(duì)對(duì)空防御作戰(zhàn)主要取決于各艦艇平臺(tái)的防空火力性能,諸如防空導(dǎo)彈、火炮的殺傷范圍和攔截縱深、扇區(qū)范圍內(nèi)火力通道密度、對(duì)各種電子干擾性能等,其面臨的缺陷和不足也很明顯:

圖2 單艦扇區(qū)分層防御示意圖

(1) 主要依靠本艦單一雷達(dá)對(duì)重點(diǎn)防御扇區(qū)探測(cè),沒有形成對(duì)復(fù)雜電磁干擾目標(biāo)和低空突防目標(biāo)協(xié)同探測(cè)能力,平臺(tái)之間空情信息共享有限;

(2) 未在編隊(duì)層面形成統(tǒng)一的打擊決策和共享毀傷效果信息,在不同艦艇平臺(tái)火力交疊區(qū)容易形成重復(fù)性打擊,造成火力資源浪費(fèi),降低了抗飽和攻擊能力;

(3) 未在編隊(duì)層面統(tǒng)籌多源信息保障、制導(dǎo)資源保障,不能發(fā)揮武器協(xié)同制導(dǎo)、超視距打擊的能力。

2 編隊(duì)協(xié)同防空一體化防御作戰(zhàn)體系

隨著科技的不斷進(jìn)步和武器裝備的現(xiàn)代化,編隊(duì)協(xié)同防空一體化正在快速發(fā)展。20世紀(jì)90年代之后,海上空襲作戰(zhàn)的一個(gè)重要模式表現(xiàn)為在天基或空中信息支援下引導(dǎo)反艦導(dǎo)彈對(duì)視距外的水面艦艇低空突防、飽和式打擊,由此也新引發(fā)了水面艦艇在艦載機(jī)或其他信息協(xié)同保障支持下的超視距攔截,邁出了協(xié)同防空的第一步。

美國海軍的艦載防空理念在近20年發(fā)生了巨大的變化,促使美國海軍開發(fā)出多種新的防空導(dǎo)彈武器,尤其在導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能、制導(dǎo)和尋的能力方面有了更大的加強(qiáng)和提升。在這之中,用于近程防空的“拉姆”導(dǎo)彈、用于中程防空的“海麻雀”導(dǎo)彈和用于遠(yuǎn)程防空的“標(biāo)準(zhǔn)6”導(dǎo)彈更是得到了優(yōu)先發(fā)展。近年來,這3種導(dǎo)彈已經(jīng)構(gòu)成了美國海軍全新的艦載多層防空體系,3種導(dǎo)彈的防空火力已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無縫銜接和部分重疊,具備了對(duì)高速目標(biāo)實(shí)施多層次硬殺傷攔截的技戰(zhàn)術(shù)要求,結(jié)合“宙斯盾”彈道導(dǎo)彈防御體系,在航母戰(zhàn)斗群周圍構(gòu)筑了一道堅(jiān)固的防線。同時(shí)美軍將“標(biāo)準(zhǔn)6”擴(kuò)展了反艦功能,使得導(dǎo)彈逐漸在向多功能發(fā)展,極大提高了武器的使用效率。

美國航母編隊(duì)防空反導(dǎo)配置的原則是確保各種武器系統(tǒng)組成高、中、低和遠(yuǎn)、中、近的大縱深立體攻防體系,其平臺(tái)主要由航母艦載機(jī)聯(lián)隊(duì)所屬飛機(jī)和水面艦艇組成。航母編隊(duì)執(zhí)行戰(zhàn)斗的艦載機(jī)、“宙斯盾”作戰(zhàn)系統(tǒng)和防空火炮、“標(biāo)準(zhǔn)”近程防空導(dǎo)彈、近程武器系統(tǒng)構(gòu)成了遠(yuǎn)、中、近3層防空反導(dǎo)截?fù)粝到y(tǒng)。

美國海軍建成了一體化防空火控系統(tǒng)(NIFC-CA)依托CEC(協(xié)同作戰(zhàn)能力),把各艦艇上的目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)、武器系統(tǒng)和艦載預(yù)警機(jī)連成網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)信息共享,構(gòu)建了較為全面的多層防御體系,并尋求一體化防空反導(dǎo)能力[3]。

“一體化作戰(zhàn)”概念最早出現(xiàn)在美軍2005年4月的《聯(lián)合部隊(duì)季刊》中,文中提到美軍“需要將軍事競(jìng)爭(zhēng)力從聯(lián)合作戰(zhàn)向一體化作戰(zhàn)轉(zhuǎn)變”,并指出,未來聯(lián)合部隊(duì)將從“需要互相聯(lián)合作戰(zhàn)轉(zhuǎn)向一體化作戰(zhàn)甚至是相互依賴的作戰(zhàn)轉(zhuǎn)變”。

一體化作戰(zhàn)更加重視戰(zhàn)場(chǎng)統(tǒng)一管理和指揮控制能力,如圖3所示,要求作戰(zhàn)相關(guān)的所有要素都要協(xié)調(diào)配合,實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)收集、融合和共享,要求作戰(zhàn)資源向協(xié)同化、節(jié)點(diǎn)化、網(wǎng)絡(luò)化、可互操作等方向發(fā)展,能夠?qū)嵤┓植际降囊惑w化同步作戰(zhàn)行動(dòng)。

圖3 協(xié)同一體化作戰(zhàn)示意圖

2.1 協(xié)同防空一體化防御作戰(zhàn)要素

協(xié)同防空一體化防御作戰(zhàn)是將編隊(duì)中處于不同陣位的艦艇作為分布式節(jié)點(diǎn)平臺(tái),各個(gè)艦艇上的探測(cè)器雷達(dá)、制導(dǎo)資源、軟硬防空武器、火力控制、指揮決策系統(tǒng)通過高速的信息鏈路進(jìn)行連接,整合成為一個(gè)有機(jī)整體,使得編隊(duì)對(duì)空指揮官對(duì)各平臺(tái)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)透明化指揮,充分利用和發(fā)揮各節(jié)點(diǎn)的最大功能和優(yōu)勢(shì),提高編隊(duì)的防空作戰(zhàn)效能[4]。圖4為協(xié)同一體化作戰(zhàn)體系框架圖。

圖4 協(xié)同一體化作戰(zhàn)體系框架圖

2.1.1 預(yù)警探測(cè)體系能力

傳感器是分布在各個(gè)艦艇、艦載機(jī)上的不同體制和功能性能的雷達(dá)、紅外探測(cè)告警設(shè)備等,能夠監(jiān)視編隊(duì)周邊的?？沼?及時(shí)發(fā)現(xiàn)和跟蹤識(shí)別目標(biāo)。通過預(yù)警探測(cè)體系化,將各個(gè)傳感器進(jìn)行編組,并按照一定的算法模型將各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)精度和數(shù)據(jù)率進(jìn)行加權(quán)融合計(jì)算,可以得出目標(biāo)的位置和運(yùn)動(dòng)參數(shù),并將獲得的信息在編隊(duì)內(nèi)部通過聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息共享,為相關(guān)平臺(tái)上的防空武器攔截提供全面、可靠的信息保障。

(1) 對(duì)典型威脅目標(biāo)的遠(yuǎn)程預(yù)警能力

目前,艦載雷達(dá)由于現(xiàn)實(shí)條件限制,其對(duì)超低空超音速突防目標(biāo)最遠(yuǎn)有效探測(cè)距離為20 km左右,針對(duì)飛行速度300 m/s的亞音速反艦導(dǎo)彈以及800 m/s的超音速超低空突防導(dǎo)彈,其單艦有效預(yù)警探測(cè)時(shí)間僅為67 s以及25 s左右,考慮到實(shí)戰(zhàn)過程中,目標(biāo)可能是任意時(shí)間出現(xiàn)在任意方位,留給武器系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間極為有限,武器系統(tǒng)攔截能力受此制約嚴(yán)重。為此,編隊(duì)防空作戰(zhàn)體系需具備遠(yuǎn)距離大范圍預(yù)警能力,依靠空中預(yù)警機(jī)或前置探測(cè)艦實(shí)現(xiàn)對(duì)典型目標(biāo)的遠(yuǎn)程預(yù)警,實(shí)現(xiàn)3 min以上的編隊(duì)告警能力,支撐編隊(duì)實(shí)現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)化能力建設(shè)與突破。

(2) 復(fù)雜干擾態(tài)勢(shì)下的編隊(duì)協(xié)同探測(cè)能力

電磁空間對(duì)抗、制電磁權(quán)的爭(zhēng)奪是現(xiàn)代空襲防空作戰(zhàn)的典型環(huán)節(jié),且對(duì)抗程度日益劇烈,戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境愈發(fā)復(fù)雜多變。由于電子干擾對(duì)制導(dǎo)雷達(dá)和導(dǎo)引頭目標(biāo)跟蹤精度的影響,防空導(dǎo)彈不僅射程受到壓縮,且殺傷概率大幅度下降。單艦雷達(dá)面對(duì)有源主動(dòng)干擾,抗干擾能力有限,一旦被干擾,導(dǎo)彈無法發(fā)射,防御能力面臨清零,因而構(gòu)建編隊(duì)協(xié)同探測(cè)能力是實(shí)現(xiàn)干擾態(tài)勢(shì)下防空作戰(zhàn)的有效途徑,利用分布布置的各艦探測(cè)資源,在非干擾方向上對(duì)目標(biāo)進(jìn)行有效探測(cè),是編隊(duì)從體系作戰(zhàn)角度應(yīng)對(duì)干擾威脅的強(qiáng)有力手段。

2.1.2 指揮控制體系能力

指揮控制信息網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)協(xié)同防空一體化作戰(zhàn)的“大腦”。首先,它對(duì)各傳感器探測(cè)的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、關(guān)聯(lián)、威脅判斷,形成編隊(duì)威脅目標(biāo)態(tài)勢(shì)圖,上網(wǎng)分發(fā),并在指揮室大屏上實(shí)施投放。

其次,是將各艦艇平臺(tái)裝載武器的防御打擊扇區(qū)、殺傷范圍、火力通道數(shù)量等參數(shù)進(jìn)行可視化整合,并可根據(jù)艦艇航向、陣位移動(dòng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)計(jì)算和顯示。各個(gè)艦艇節(jié)點(diǎn)上分布的防空武器就如同布置在一艘虛擬的超級(jí)戰(zhàn)艦上,呈現(xiàn)在編隊(duì)指揮官面前,便于實(shí)現(xiàn)對(duì)各節(jié)點(diǎn)武器透明式的一體化防御作戰(zhàn)指揮。

同時(shí),在指揮決策網(wǎng)上設(shè)置有專家系統(tǒng),對(duì)編隊(duì)整個(gè)空情態(tài)勢(shì)和防空資源進(jìn)行智能化、快速化的匹配和輔助決策,并可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整和進(jìn)行人工干預(yù)[5]。

(1) 多維空海實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)形成能力

為實(shí)現(xiàn)編隊(duì)的協(xié)同作戰(zhàn),尤其是提升編隊(duì)?wèi)?yīng)對(duì)飽和攻擊,提升攔截效率,構(gòu)建多層攔截體系,基于各作戰(zhàn)平臺(tái)探測(cè)資源實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)形成整體態(tài)勢(shì)圖是必要條件。編隊(duì)需要建立能夠以秒級(jí)進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新的整體態(tài)勢(shì)圖,既包含敵方空中目標(biāo)信息,同時(shí)包含我方各艦作戰(zhàn)狀態(tài)信息等,是供指揮員進(jìn)行指揮決策、指揮控制系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)分配的前提條件,是必須具備的基礎(chǔ)能力。構(gòu)建出空海統(tǒng)一態(tài)勢(shì)圖才可以有效發(fā)揮編隊(duì)多艦多傳感器協(xié)同探測(cè)的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)多艦多傳感器協(xié)同探測(cè),多源探測(cè)信息融合,支撐編隊(duì)實(shí)時(shí)指揮決策和組織協(xié)同攔截。

(2) 基于態(tài)勢(shì)統(tǒng)一指揮決策能力

基于海戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知圖,根據(jù)編隊(duì)內(nèi)各艦位置、武器裝備和探測(cè)資源配屬,進(jìn)行快速作戰(zhàn)攔截決策和目標(biāo)分配,實(shí)時(shí)生成攔截作戰(zhàn)指令并分發(fā)至各作戰(zhàn)艦艇,實(shí)現(xiàn)編隊(duì)防空作戰(zhàn)一體化指揮控制是編隊(duì)防空體系作戰(zhàn)的核心技術(shù)能力。

在應(yīng)對(duì)飽和攻擊過程中,需要編隊(duì)協(xié)同防空指控系統(tǒng)基于當(dāng)前態(tài)勢(shì),充分調(diào)動(dòng)編隊(duì)內(nèi)各作戰(zhàn)資源,將原本單艦只能單方向防空的作戰(zhàn)能力提升為多艦多方向作戰(zhàn)能力,基于最優(yōu)攔截判斷,實(shí)時(shí)分配火力通道,確保對(duì)飽和集群目標(biāo)能夠統(tǒng)一攔截,并根據(jù)攔截結(jié)構(gòu)及時(shí)制定后續(xù)攔截方案,不遺漏或少遺落目標(biāo)。

2.1.3 作戰(zhàn)籌劃與推演系統(tǒng)

作戰(zhàn)籌化與推演是戰(zhàn)前根據(jù)作戰(zhàn)想定,進(jìn)行作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃,合理安排陣地部署、兵力構(gòu)成、頻率規(guī)劃、協(xié)同關(guān)系等,并能進(jìn)行推演和評(píng)估,選擇最佳的作戰(zhàn)方案。作戰(zhàn)籌化與推演的重點(diǎn)是戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息特征提取,通過特征提取為指揮控制系統(tǒng)在體系作戰(zhàn)這樣的大范圍內(nèi)作戰(zhàn)籌劃的使用提供前提保障。與普通環(huán)境信息統(tǒng)計(jì)不同,戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境存在明顯的高動(dòng)態(tài)性、不確定性和復(fù)雜性,需要對(duì)環(huán)境中的各要素進(jìn)行特征提取和協(xié)同挖掘,才能獲得更為準(zhǔn)確的目標(biāo)行為模式和區(qū)域局部特征,從而還原和生成滿足關(guān)聯(lián)應(yīng)用分析的整體數(shù)據(jù)模型。

戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息特征提取與分析主要采用以下3個(gè)方法:

(1) 針對(duì)數(shù)據(jù)高動(dòng)態(tài)性,先從局部提取出目標(biāo)對(duì)象的二階行為模式和區(qū)域移動(dòng)特征;

(2) 針對(duì)數(shù)據(jù)的不確定性,通過協(xié)同過濾、概率圖分析等方法構(gòu)建戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境大數(shù)據(jù)全局模型;

(3) 針對(duì)數(shù)據(jù)復(fù)雜性,從時(shí)間和空間尺度上分別對(duì)目標(biāo)位置的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行降維分析,從而建立有關(guān)目標(biāo)群體移動(dòng)性的學(xué)習(xí)和推測(cè)方法。

突破傳統(tǒng)作戰(zhàn)系統(tǒng)基于規(guī)則的作戰(zhàn)方案生成模式,采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與知識(shí)結(jié)合的深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù),實(shí)現(xiàn)真實(shí)演習(xí)數(shù)據(jù)、仿真平臺(tái)生成數(shù)據(jù)和戰(zhàn)法形式化數(shù)據(jù)的語義關(guān)聯(lián),挖掘戰(zhàn)場(chǎng)制勝要素。

在復(fù)雜多變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下,首先研究將量化得到的各個(gè)仿真推演平臺(tái)中的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境因素、紅藍(lán)雙方武器系統(tǒng)參數(shù)、態(tài)勢(shì)評(píng)估結(jié)果和演化流程要素等信息構(gòu)成的狀態(tài)特征向量,并將其轉(zhuǎn)化成一個(gè)序列作戰(zhàn)方案問題。其次研究在連續(xù)決策過程中,提高狀態(tài)空間和動(dòng)作空間的搜索能力,解決局部空間、時(shí)段分解和動(dòng)態(tài)隨機(jī)推演的樣本生成等問題。最后,還應(yīng)考慮控制策略的制定,使得決策行為產(chǎn)生效果的期望值最大。模型從復(fù)雜的環(huán)境中感知信息,對(duì)信息進(jìn)行處理,并通過改進(jìn)自身的行為選擇,從而影響人機(jī)系統(tǒng)間的行為選擇。

最終,將戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境以及戰(zhàn)場(chǎng)中的人機(jī)因素等進(jìn)行量化處理,在對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境自適應(yīng)的基礎(chǔ)上生成作戰(zhàn)方案,實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的指控系統(tǒng)的作戰(zhàn)籌劃[6]。

(1) 多源目標(biāo)信息融合子系統(tǒng)

多源目標(biāo)信息融合首先需要解決多源目標(biāo)同一性識(shí)別問題,在完成同一性識(shí)別的基礎(chǔ)上,即可根據(jù)傳感器特性、目標(biāo)濾波估計(jì)誤差等選擇合適的航跡融合算法,并對(duì)存在類型、屬性沖突的目標(biāo)進(jìn)行再次確認(rèn)。因此,多源目標(biāo)同一性識(shí)別問題是多源目標(biāo)信息融合的基礎(chǔ)和關(guān)鍵,也是當(dāng)前面臨的主要技術(shù)瓶頸。

對(duì)于同一個(gè)目標(biāo)在不同探測(cè)裝置中的飛行軌跡,可以將探測(cè)裝置中提取出來的目標(biāo)歷史飛行軌跡輸入至變分自編碼器(VAE),使用VAE實(shí)現(xiàn)基于目標(biāo)歷史飛行軌跡的無監(jiān)督學(xué)習(xí),得到目標(biāo)歷史飛行軌跡的特征。然后,將生成的特征輸入至解碼器,使得解碼輸出的飛行軌跡盡量逼近輸入的歷史軌跡。

通過對(duì)VAE的訓(xùn)練,可以得到目標(biāo)的飛行軌跡特征。對(duì)于同一個(gè)目標(biāo),在不同探測(cè)裝置中的飛行軌跡,雖然會(huì)因?yàn)椴蓸宇l率、自身特性等原因?qū)е嘛w行軌跡有所差異,但是由VAE的編碼器生成的目標(biāo)飛行軌跡典型特征應(yīng)該具有相似性。因此,可以將從不同探測(cè)裝置中提取到的歷史飛行軌跡的特征進(jìn)行對(duì)比,如果特征之間的差異不大,即可認(rèn)為2條歷史軌跡描述的是同一個(gè)目標(biāo)。

(2) 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)預(yù)估(目標(biāo)戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)識(shí)別)子系統(tǒng)

目標(biāo)運(yùn)動(dòng)預(yù)估的關(guān)鍵是能夠快速、準(zhǔn)確地對(duì)目標(biāo)的機(jī)動(dòng)類型進(jìn)行識(shí)別,而不同的目標(biāo)類型所具備的機(jī)動(dòng)能力、機(jī)動(dòng)特性也存在著顯著的差異。因此,目標(biāo)運(yùn)動(dòng)預(yù)估子系統(tǒng)的主要思路是根據(jù)數(shù)據(jù)融合子系統(tǒng)產(chǎn)生的目標(biāo)類型,利用航跡信息首先完成對(duì)目標(biāo)機(jī)動(dòng)類型的分析,然后基于機(jī)動(dòng)類型的分類結(jié)果對(duì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)。

可利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)架構(gòu)對(duì)目標(biāo)的機(jī)動(dòng)類型進(jìn)行分類,之后利用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)(DRL)方法對(duì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)。深度Q網(wǎng)絡(luò)(DQN)是DRL中的一種方法,其核心是Q值網(wǎng)絡(luò),當(dāng)輸入當(dāng)前的目標(biāo)狀態(tài)S(t)時(shí),Q值網(wǎng)絡(luò)即可輸出目標(biāo)在S(t)狀態(tài)下完成每個(gè)動(dòng)作將會(huì)獲得的回報(bào)R(t),之后選取能夠獲取最大回報(bào)的動(dòng)作a(t)。根據(jù)采取的動(dòng)作,獲取目標(biāo)的下一步狀態(tài)S(t+1),并將S(t+1)輸入至Q值網(wǎng)絡(luò),得到下一步動(dòng)作a(t+1)。循環(huán)往復(fù),即可獲取目標(biāo)的動(dòng)作估計(jì)。

(3) 作戰(zhàn)意圖識(shí)別子系統(tǒng)

對(duì)于防空作戰(zhàn)而言,根據(jù)美軍作戰(zhàn)條例,來襲目標(biāo)的作戰(zhàn)意圖一般可分為:編隊(duì)飛行、機(jī)動(dòng)突防、佯動(dòng)偽裝、投彈攻擊、逃逸機(jī)動(dòng)、巡航預(yù)警等類別,因此對(duì)來襲目標(biāo)的作戰(zhàn)意圖進(jìn)行識(shí)別實(shí)際上是一個(gè)多因素分類問題?？梢詫?shù)據(jù)融合子系統(tǒng)產(chǎn)生的目標(biāo)實(shí)時(shí)航跡數(shù)據(jù)作為輸入,采用三層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加兩層全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)目標(biāo)的飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,最終輸出目標(biāo)的可能作戰(zhàn)意圖。

(4) 威脅評(píng)估子系統(tǒng)

深度學(xué)習(xí)技術(shù)可以通過預(yù)先提供的輸入、輸出數(shù)據(jù)組,找到它們之間的特點(diǎn)和規(guī)律,并根據(jù)這些特點(diǎn)和規(guī)律預(yù)測(cè)出新輸入數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)。指控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫里存儲(chǔ)著大量的作戰(zhàn)數(shù)據(jù),包括平時(shí)模擬的作戰(zhàn)案例和實(shí)際作戰(zhàn)的原始數(shù)據(jù),并且是經(jīng)過指揮員人工確認(rèn)、完善后的評(píng)估結(jié)果。因此,可以通過深度學(xué)習(xí)技術(shù)找到數(shù)據(jù)庫里輸入數(shù)據(jù)與輸出數(shù)據(jù)之間的關(guān)系或規(guī)律,并通過自身的不斷學(xué)習(xí),使輸出數(shù)據(jù)與輸入數(shù)據(jù)之間的關(guān)系更加精確。在實(shí)際作戰(zhàn)時(shí),把戰(zhàn)場(chǎng)上多源傳感器獲得的目標(biāo)類型、航路捷徑、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)等數(shù)據(jù),以及指揮員對(duì)目標(biāo)威脅的干預(yù)作為輸入,深度學(xué)習(xí)技術(shù)就可以根據(jù)之前學(xué)習(xí)到的規(guī)律,自動(dòng)預(yù)測(cè)出準(zhǔn)確的目標(biāo)威脅等級(jí)并輸出。

(5) 目標(biāo)分配(跟蹤分配、火力分配)子系統(tǒng)

目標(biāo)分配技術(shù)主要是引入基于算法的矩陣分解技術(shù),形成目標(biāo)與火力資源(含跟蹤資源與導(dǎo)彈資源)之間的最優(yōu)匹配。對(duì)目標(biāo)的軌跡進(jìn)行特征提取,對(duì)火力資源的使用進(jìn)行特征提取,結(jié)合作戰(zhàn)效果的評(píng)估結(jié)果,利用矩陣分解技術(shù),完成目標(biāo)分配方案(含跟蹤分配及火力分配)的推薦。

(6) 攔截方式形成子系統(tǒng)

在態(tài)勢(shì)感知(含數(shù)據(jù)融合、威脅評(píng)估)以及來襲目標(biāo)行為估計(jì)的基礎(chǔ)上,利用協(xié)同分析實(shí)現(xiàn)攔截策略構(gòu)建。主要結(jié)合生成的對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)基于真實(shí)作戰(zhàn)演習(xí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行推演學(xué)習(xí),最終生成大量符合戰(zhàn)場(chǎng)邏輯的新數(shù)據(jù),并依據(jù)生成數(shù)據(jù)對(duì)不同攔截過程(不同武器系統(tǒng)、發(fā)射時(shí)機(jī)、發(fā)射位置、發(fā)射數(shù)量等)進(jìn)行仿真,模擬出具體的攔截步驟,篩選出最優(yōu)攔截結(jié)果,進(jìn)而完成針對(duì)不同目標(biāo)在不同戰(zhàn)場(chǎng)狀態(tài)下的攔截策略制定。

2.1.4 火力打擊體系能力

火力控制體系是將編隊(duì)內(nèi)的所有艦艇節(jié)點(diǎn)上的武器通過火力控制網(wǎng)進(jìn)行并聯(lián),如圖5所示。根據(jù)指揮決策網(wǎng)下達(dá)的打擊命令,完成目標(biāo)在本節(jié)點(diǎn)上的射擊諸元解算、裝訂,并控制相關(guān)設(shè)備執(zhí)行系列武器發(fā)射動(dòng)作、制導(dǎo)協(xié)同等程序,最終將綜合毀傷效果信息共享到指揮決策網(wǎng),隨時(shí)準(zhǔn)備執(zhí)行后續(xù)攔截任務(wù)?；鹆刂凭W(wǎng)是協(xié)同防空一體化作戰(zhàn)的具體執(zhí)行部分[7]。

圖5 火力網(wǎng)協(xié)同制導(dǎo)控制示意圖

(1) 快速毀傷效果評(píng)估能力

火力打擊體系在目前具備了對(duì)超低空超音速典型目標(biāo)的攔截能力,但是在毀傷效果評(píng)估方面,由于缺乏系統(tǒng)性的有效手段,目前無法及時(shí)準(zhǔn)確判斷毀傷效果,攔截效果通常按命中上報(bào)。由于作戰(zhàn)效果評(píng)估是戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)及時(shí)更新、二次攔截決策的基礎(chǔ),編隊(duì)防空抗導(dǎo)體系需具備綜合空基、艦載雷達(dá)/光電傳感器進(jìn)行快速作戰(zhàn)效果評(píng)估的能力,并依據(jù)作戰(zhàn)效果評(píng)估及時(shí)對(duì)編隊(duì)防空態(tài)勢(shì)圖進(jìn)行更新。

(2) 新型威脅攔截能力

伴隨相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展,隱身戰(zhàn)斗機(jī)、隱身無人機(jī)等具備隱身特性的空中平臺(tái)以及臨近空間高超聲速飛行器、蜂群無人機(jī)在內(nèi)的各類新式裝備將成為海上編隊(duì)的主要威脅。海上編隊(duì)防空作戰(zhàn)體系需要逐步具備軟、硬殺傷武器相結(jié)合的綜合對(duì)抗能力,開展反隱身、反臨近導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的研制,并同時(shí)開展艦載高功率微波技術(shù)等相關(guān)新型防御武器研究,有效提高艦艇防御系統(tǒng)一體化綜合防護(hù)能力。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 統(tǒng)一態(tài)勢(shì)圖

協(xié)同防空一體化作戰(zhàn)的前提是對(duì)各艦艇節(jié)點(diǎn)的傳感器感知的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和態(tài)勢(shì)綜合,實(shí)時(shí)生成統(tǒng)一的態(tài)勢(shì)圖,并在編隊(duì)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)和目標(biāo)分配,其核心是對(duì)多源目標(biāo)數(shù)據(jù)時(shí)空對(duì)準(zhǔn)、一致性識(shí)別和關(guān)聯(lián)融合[8],其基本處理模型概括為:

(1) 時(shí)空對(duì)準(zhǔn)模型

(R,B,E)=(αLo1,βLa1,H1)·(αLo0,βLa0,H0)

(1)

(X,Y,Z)=(R,B,E)·M

(2)

式中:(R,B,E)為極坐標(biāo)下的距離、方位和仰角;(αLo1,βLa1,H1)、(αLo0,βLa0,H0)分別為目標(biāo)、傳感器基準(zhǔn)的經(jīng)、緯度和海拔高度;(X,Y,Z)為直角坐標(biāo)系下的目標(biāo)3個(gè)坐標(biāo)分量;M為極坐標(biāo)到直角坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換矩陣。

Xb′=Xb+Vxb×(tb-ta)

(3)

Hb′=Hb+Vhb×(tb-ta)

(4)

Zb′=Zb+Vzb×(tb-ta)

(5)

式中:ta、tb分別為前一觀測(cè)時(shí)刻、當(dāng)前時(shí)刻收到的數(shù)據(jù)源目標(biāo)數(shù)據(jù)采樣時(shí)間;Xb、Hb、Zb為高精度數(shù)據(jù)源觀測(cè)到的目標(biāo)位置;Xb′、Hb′、Zb′為高精度數(shù)據(jù)源經(jīng)過時(shí)間配準(zhǔn)后得到的目標(biāo)位置;Vxb、Vhb、Vzb為高精度數(shù)據(jù)源濾波得到的目標(biāo)速度。

(2) 同一性識(shí)別模型

2個(gè)及以上傳感器發(fā)送的目標(biāo)航跡信息在完成時(shí)空對(duì)準(zhǔn)處理后,還要進(jìn)行目標(biāo)的同一性識(shí)別和關(guān)聯(lián)融合,如圖6所示。

圖6 航跡融合模型

角度關(guān)聯(lián)識(shí)別:若當(dāng)前兩目標(biāo)角度關(guān)聯(lián)狀態(tài)為非,判斷兩者方位和俯沖角之差是否均小于門限B1,是則角度關(guān)聯(lián)成功,置角度關(guān)聯(lián)狀態(tài)為真,否則視角度關(guān)聯(lián)仍為非;若當(dāng)前兩目標(biāo)角度關(guān)聯(lián)狀態(tài)為真,判斷方位角和俯沖角之差是否均小于門限B2,是則視為角度關(guān)聯(lián)狀態(tài)保持為真,否則視角度關(guān)聯(lián)為非,置角度關(guān)聯(lián)狀態(tài)為非。在角度關(guān)聯(lián)成功的基礎(chǔ)上按照類似步驟進(jìn)行距離關(guān)聯(lián)判斷,其判斷流程圖如圖7所示。

圖7 同一性識(shí)別判斷流程

2.2.2 高速數(shù)據(jù)鏈技術(shù)

數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)蔷庩?duì)遂行作戰(zhàn)任務(wù)以及艦艇節(jié)點(diǎn)信息實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的必需鏈路。在協(xié)同防空一體化作戰(zhàn)中,數(shù)據(jù)鏈承擔(dān)著目標(biāo)信息的匯集、處理、分發(fā)、使用等多個(gè)環(huán)節(jié),是多種信息流經(jīng)的通道,是連接不同傳感器、指揮決策系統(tǒng)、火力控制設(shè)備和武器單元的紐帶[9],應(yīng)當(dāng)具備以下特點(diǎn):

(1) 數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性,網(wǎng)絡(luò)延遲應(yīng)在ms級(jí);

(2) 信息連通的冗余性,在突發(fā)故障或中斷情況下應(yīng)有備份通路;

(3) 信息傳輸通道容量大,支持多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并發(fā)互傳而不發(fā)生鏈路堵塞和延遲;

(4) 傳輸距離滿足艦載機(jī)或預(yù)警機(jī)的作戰(zhàn)范圍;

(5) 較強(qiáng)的抗電磁干擾能力和數(shù)據(jù)加密能力,通信不被敵方干擾和破解。

2.2.3 ?？仗煲惑w化指揮控制技術(shù)

當(dāng)前的作戰(zhàn)模式不再是以往單一軍兵種的作戰(zhàn),而是諸多軍兵種協(xié)同作戰(zhàn),同時(shí)為破解單艦雷達(dá)對(duì)超低空目標(biāo)探測(cè)距離有限、武器系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間有限的難題,需要基于協(xié)同防空信息系統(tǒng)構(gòu)建智能化、扁平化的?？仗煨畔⒁惑w化指控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)任務(wù)與武器平臺(tái)的最佳匹配,探測(cè)資源、火力打擊資源的優(yōu)化整合,完善作戰(zhàn)輔助決策支撐功能,對(duì)編隊(duì)內(nèi)各類資源進(jìn)行統(tǒng)一、實(shí)時(shí)和精確的調(diào)度,形成從“傳感器到火力單元”的最優(yōu)殺傷鏈,實(shí)現(xiàn)對(duì)來襲目標(biāo)的分層逐次火力打擊,做到全網(wǎng)聯(lián)動(dòng)、體系抗擊,有效應(yīng)對(duì)高低空各類威脅。

2.2.4 多武器協(xié)同防御技術(shù)

多武器協(xié)同防御是指編隊(duì)在共同防空作戰(zhàn)時(shí),利用各個(gè)艦艇節(jié)點(diǎn)的防空作戰(zhàn)資源,進(jìn)行優(yōu)化組合配置,發(fā)揮出整體防空的最大效能[10],主要作戰(zhàn)模式包括:

(1) 協(xié)同探測(cè)制導(dǎo)打擊

集成空基、海基、天基等預(yù)警探測(cè)裝備,形成一體化協(xié)同探測(cè)情報(bào)信息系統(tǒng),增強(qiáng)立體戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)感知能力(天基預(yù)警、探測(cè))。

建立一體化艦載雷達(dá)探測(cè)網(wǎng)絡(luò),如圖8所示,發(fā)展艦載雷達(dá)對(duì)空協(xié)同探測(cè)系統(tǒng),具備一定范圍內(nèi)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的協(xié)同探測(cè)能力,具備對(duì)隱身目標(biāo)遠(yuǎn)距離協(xié)同探測(cè)能力。通過艦載雷達(dá)協(xié)同網(wǎng)絡(luò),提升系統(tǒng)協(xié)同抗干擾、協(xié)同探測(cè)、協(xié)同制導(dǎo)的能力。由于編隊(duì)共享探測(cè)信息,增加了防空導(dǎo)彈對(duì)目標(biāo)的攔截縱深,在面對(duì)飽和攻擊時(shí),增加了對(duì)目標(biāo)的攔截次數(shù)[11]。

圖8 協(xié)同探測(cè)制導(dǎo)打擊示意圖

(2) 空基平臺(tái)協(xié)同打擊

發(fā)展空基和?；?lián)合數(shù)據(jù)傳輸鏈路,如圖9所示,通過預(yù)警機(jī)、艦艇編隊(duì)形成無中心、自組織的高速信息交換網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)具備較強(qiáng)的加密、抗干擾、動(dòng)態(tài)可重構(gòu)能力,可以極大限度地?cái)U(kuò)大艦載武器的探測(cè)和殺傷范圍。

圖9 空基平臺(tái)協(xié)同打擊示意圖

(3) 天基平臺(tái)協(xié)同打擊

偵察衛(wèi)星可以遠(yuǎn)距離發(fā)現(xiàn)敵方艦船,并通過衛(wèi)星鏈路將信息傳回情報(bào)部門,如圖10所示,處理后通過衛(wèi)星鏈路發(fā)給編隊(duì)。通過衛(wèi)星探測(cè)傳輸鏈路,可以極大提高目標(biāo)的預(yù)警探測(cè)能力,增大反應(yīng)時(shí)間,提高戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。

圖10 天基平臺(tái)協(xié)同打擊示意圖

(4) 友艦協(xié)同抗干擾和反隱身

隱身目標(biāo)一般利用其迎頭方向極低雷達(dá)反射面積(RCS)的特點(diǎn),對(duì)艦艇采用零航路攻擊,使得被攻擊艦艇的雷達(dá)不容易發(fā)現(xiàn),但隱身目標(biāo)很難做到全方位隱身,尤其是從迎頭向垂直彈身方向偏轉(zhuǎn)時(shí),RCS顯著變大。

對(duì)于彈載有源干擾或掩護(hù)式干擾,由于干擾扇區(qū)較窄,很難覆蓋整個(gè)編隊(duì)的所有雷達(dá),如圖11所示。

因此,編隊(duì)協(xié)同防空條件下,可以利用艦艇節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)距離幾何位置關(guān)系,利用友艦雷達(dá)及早發(fā)現(xiàn)目標(biāo),提供信息支援,引導(dǎo)被攻擊艦艇發(fā)射導(dǎo)彈進(jìn)行有效攔截。

(5) 跨平臺(tái)協(xié)同制導(dǎo)及接力制導(dǎo)

在編隊(duì)協(xié)同防空攔截任務(wù)中,經(jīng)常出現(xiàn)本艦制導(dǎo)設(shè)備由于艦上遮擋盲區(qū)而不能發(fā)射導(dǎo)彈,或由于目標(biāo)機(jī)動(dòng)致使發(fā)射的導(dǎo)彈穿越火力扇區(qū)側(cè)邊界無法攔截,此時(shí)可借助友鄰艦上的空余制導(dǎo)設(shè)備對(duì)已發(fā)射導(dǎo)彈進(jìn)行協(xié)助制導(dǎo)或接力制導(dǎo)(例如向彈上發(fā)送修正指令或照射目標(biāo)等信息),引導(dǎo)導(dǎo)彈完成目標(biāo)攔截。在打擊敵方預(yù)警機(jī)或?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行視距外遠(yuǎn)程攔截時(shí),還可引入機(jī)-彈、艦-彈、星-彈等協(xié)同制導(dǎo)手段。

(6) 多節(jié)點(diǎn)武器動(dòng)態(tài)組合目標(biāo)分配打擊

通過高速數(shù)據(jù)鏈技術(shù),建立扁平化的指揮協(xié)同作戰(zhàn)體系,使得各艦艇節(jié)點(diǎn)上的火控設(shè)備和武器實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)和共享,就如同互聯(lián)網(wǎng)上連接的“打印機(jī)”,在空余時(shí)間各節(jié)點(diǎn)均可動(dòng)態(tài)調(diào)用,這樣通過分時(shí)調(diào)用策略,虛擬地增加了各節(jié)點(diǎn)防空火力數(shù)量,大大提升了單艦和編隊(duì)協(xié)同防空能力。

3 結(jié)束語

可以預(yù)見,未來很長一段時(shí)間,海上艦艇編隊(duì)遭受反艦攻擊和對(duì)空防御仍是一種主要的作戰(zhàn)形式,隨著科技的進(jìn)步和高技術(shù)武器裝備的不斷服役,在應(yīng)對(duì)新型威脅樣式的同時(shí),編隊(duì)防御作戰(zhàn)體系也在不斷完善和進(jìn)步。本文對(duì)協(xié)同防空一體化作戰(zhàn)體系的作戰(zhàn)要素、關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)思路進(jìn)行了重點(diǎn)研究,對(duì)完善未來編隊(duì)防空體系作戰(zhàn)可提供一定的借鑒參考。