初丰文

(海军航空工程学院研究生管理大队 烟台 264001)



航空火力指挥控制系统研究*

初丰文

(海军航空工程学院研究生管理大队 烟台 264001)

通过分析航空火力指挥控制系统的需求,建立系统的功能结构和组成结构,将“动态网络型”指挥结构和“动态分权式”指挥方式应用于飞行编队指挥,分析了具备航空火力指挥控制系统的飞行编队两种作战过程,阐明系统实现的关键技术以及各关键技术下一步的研究方向及重点。

航空火力指挥控制系统; 体系结构; 作战流程; 关键技术

Class Number V271.4

1 引言

信息技术的发展推动现代战争正在由以平台为中心的机械化战争向以网络为中心的信息化战争转变。网络中心战的核心是整合资源,实现信息共享、统一指挥、联合作战。当前,综合航电火控系统可以解决单架飞机内部信息流通互联,无法实现飞机之间的信息共享,难以充分发挥整体作战、编队作战效能。为适应网络中心战要求,提升空中作战能力,必须将火力控制与指挥控制融为一体,研发适应网络信息环境的航空火力指挥控制系统。航空火力指挥控制系统是在包含了飞机的本机参数、武器系统、目标传感系统和态势传感系统在内的机内网络系统基础之上,增加了和飞机外的信息网的连接,可进一步提高信息共享水平,增强态势感知能力,加快指挥决策速度,加强作战协同程度,增强响应能力、杀伤能力和生存能力[1～2]。本文基于航空火力指挥控制系统的概念,进行系统需求分析,研究了系统结构以及系统作战和指挥流程,指出了系统实现所需的关键技术。

2 系统需求

航空火力指挥控制系统定义如下:根据作战任务、敌我态势及载机武器配置,辅助制定作战方案,将载机引导至作战空域,探测、识别、截获、跟踪目标,引导载机以一定方向、时机、密度和持续时间控制武器弹药投射并完成制导弹药中末制导交班,判定作战效果,在作战过程中产生、传输、处理、显示、控制、记录载机火力控制与指挥控制信息的设备或装置[3]。信息化战争中,编队战斗指挥随着战斗环境的变化而瞬息万变,战斗行动指挥最大的特点是实时性,需要将武器火力的控制与制导和指导战斗行动及协调战斗组合并与控制飞行机动能力融合一体。只有使系统具备强大的信息处理能力、辅助决策能力和协调控制能力,才能更有利于多机协同作战,实现整体作战的目标,才能发挥机载武器的最佳作战效能,保障网络中心战条件下空战体系作战指挥的高效和稳定。航空火力指挥控制系统的作战能力需求有以下几方面。

2.1 信息处理能力

网络中心战环境下,战场空间向多领域延伸,呈现立体化、多层次化,是陆、海、空、天、电磁高度一体化的多维综合战场。航空火力指挥控制系统将从三方面获取信息[4]: 1) 接收来自广域网的指挥部和预警机所传达的上级命令与战场态势数据; 2) 接收来自局域网的机间数据链相互传来的目标与威胁数据及战斗预案; 3) 接收本机雷达、红外等传感系统所获取的目标与威胁数据以及本机电子战设备侦察监视的威胁定位数据和告警级别。航空火力指挥控制系统作为飞行员与作战环境发生联系的中介和桥梁,必须具备全维信息融合处理能力,最大限度地减小情报信息的复杂性,放大决策信息对指挥对象的控制力,使决策这一作战指挥的核心职能达到科学、高效。

2.2 辅助决策能力

当今信息化战争,作战发起突然、阶段转化迅速、样式更迭频繁、战场节奏加快,作战双方都将力求速战速决。对飞行员(特别是长机飞行员)能力提出了极为苛刻的要求[5]: 1) 海量的传感与通信信息虽带来“眼观四处,耳听八方”的效益,但“信息爆炸”的灾难使飞行员往往无从下手。 2) 超视距作战中机载传感器所体现的目标相对本机的作战意图与特征不明显,使飞行员很难做出敌我战术态势与攻击决策的判定; 3) 在超视距多目标攻击时,要求飞行员在瞬息万变的空战中准确完成武器对目标的匹配,又要确保飞机的安全和武器的引导。为减轻飞行员消化数据的工作负担,集中注意力处理关键任务,及时掌握战斗态势变化,就要解决航空火力指挥控制系统中闭合控制回路的飞行员环节,这样一种随机、非线性、不确定性的决策与控制问题。因此,航空火力指挥控制系统必须具备辅助决策能力。

2.3 动态构建能力

空战中,飞行编队的战斗环境和战斗条件与战斗力在不断改变,在战斗现场需要适时更新组织框架与指挥方式,进行指挥权限转移,发挥该飞行编队的潜力与优势。航空火力指挥控制系统不再是飞机的简单组合,而是在作战区域内每架飞机所组成的网络体系,系统在作战过程中并非每时每刻所有飞机都参与作战,而是根据作战任务的需要以及各节点的状态临时组成有效集合体,称其为虚拟组织(VO)[6]。系统中的任意一架飞机都能够根据作战需要和战场态势的变化,随时加入/退出VO,并且当VO中的节点失效时,能够自动重建。因此每架飞机必须具有战斗编队的指挥及综合能力,适应长机与僚机和指挥与被指挥的角色转换。

3 系统体系结构

体系结构是一个系统的基本框架,它规定了系统的组成原则、组成部分以及各部分之间的关系和实现这些关系的方式[7]。体系结构支持系统全生命周期内的活动,有助于系统从最初的概念直到最后退役的开发、运用和维护,是复杂大系统设计中不可缺少的内容。下面对航空火力指挥控制系统的功能结构和物理结构进行设计。

3.1 功能结构

根据网络中心战原理,航空火力指挥控制系统体系结构按照功能分为三层逻辑网结构:信息获取网、指挥控制网和火力控制网。三层逻辑网建立在数据链网络基础之上,如图1所示。

图1 航空火力指挥控制系统功能结构图

3.1.1 信息获取网

信息获取网的主要组成及功能如表1所示。

表1 信息获取网组成及功能

3.1.2 指挥控制网

指挥控制网的主要组成及功能如表2所示。

表2 指挥控制网组成及功能

3.1.3 火力控制网

火力控制网的主要组成及功能如表3所示。

表3 火力控制网组成及功能

3.1.4 高速通信网

高速通信网包括广域网/局域网内的数据链和飞机内部的总线通信。其功能是在各功能节点之间提供高速率、低延时和低误码率的通信链路,实现了系统各个功能节点之间的互连通性,为系统各功能节点之间信息的交互提供了可靠保障。

3.2 组成结构

基于航空火力指挥控制系统的作战方式,将传统作战中物理、地理上紧密耦合的各个功能系统分解为独立的作战节点,利用高速通信网络将作战区域的作战节点连接成一个有机的整体,如图2所示。

图2 航空火力指挥控制系统组成结构

以某型飞机火控系统为例,分析其组成结构及各部分的功能,如图3所示。

图3 某型飞机航空火力指挥控制系统组成结构

显控处理机主要任务是进行信息融合,评估战场态势,进行威胁排序,辅助生成作战预案,完成目标分配和火力分配,通过飞行员控制操作,产生显示、控制、告警,实现人机交互。

任务计算机主要功能是解算系统的任务数据,进行导航计算,并计算编队内导弹航路、发射时间和控制武器发射。

数据链设备完成飞机与外界的通信,主要接收上级作战指令和友机状态等信息,向编队内友机发送目标分配和火力分配结果,以及导弹航路数据等信息。

外挂物管理分系统主要功能是管理外挂物配置,管理和存储武器投放程序,激活武器,控制制导信号等。

雷达分系统主要完成目标的探测与跟踪任务。

吊舱设备完成对导弹的制导和引导。

4 系统指挥层次、指挥体制和指挥方式

4.1 指挥层次

航空火力指挥控制一般有三种指挥层次[5]。

1) 联合编队。联合编队指挥员下辖三个以内编队指挥员以及本编队内三架僚机,每个编队指挥员还下辖三架僚机。即大队级(16架机)。

2) 独立编队。编队指挥员指挥本编队内的三架僚机。即中队级(4架机)。

3) 双机编队。即长僚机编队。

以常见的独立编队为例分析长僚机各自承担的任务,如图4所示。长机指挥员在飞行作战中要对从自身飞机和僚机那里获取态势信息进行分析,并在长僚机间进行目标分配和火力分配,确定联合攻击与协同作战方法,其显示器上有编队内所有飞机及携带武器的信息。僚机将自动在本编队内交换所有的态势信息和指挥指令,其显示器上均有编队飞机与攻击目标的标志,并有联合攻击与协同作战指示,以及长僚转换的指示。

图4 航空火力指挥控制系统物理结构图

4.2 指挥体制

指挥体制描述的是“谁指挥谁”的问题,其实质是系统中各节点的交流、使用信息的关系。

信息化战争中的飞行编队作战,不断有飞机加入或者退出网络,指挥权也有可能随着战场态势的变化而不断变化。传统的树状层次式指挥结构,主要是上下之间的纵向联系,缺乏同一层次内的横向联系,指挥关系固定、僵化,很难适应瞬息万变的战场态势和网络化作战的需要。当系统的指挥中心(长机)遭到破坏时,系统将无法运行,因此,系统的适应性很差。

在飞行编队作战中,信息的交流可能在任意两架飞机之间进行,也可能在任意的飞机或者武器之间进行。此外,当有飞机加入或者退出网络时,要能够根据变化的情况重组指挥结构[9～10]。因此,航空火力指挥控制系统的指挥体制应为“动态网络型结构”,如图5所示。

图5 航空火力指挥控制系统指挥体制结构

在飞行编队作战中,要根据作战需要和战场态势对飞机制定优先级,优先级高的飞机担负区域指挥(长机)任务。在动态网络结构的支持下,系统的指挥关系在整个作战过程中不是固定不变的。每架飞机都可以根据需要成为编队指挥中心(长机),其余飞机作为僚机受长机的指挥,同时也作为长机的备份,当长机出现问题或者退出战斗时,选取其中一个僚机作为指挥中心。每架飞机在授权的情况下,可以对任意一架飞机进行指挥。

4.3 指挥方式

指挥方式解决的是“怎么指挥”的问题。指挥方式按照指挥职责和权力的不同分配为标准,典型的指挥方式分为两种:指令性指挥和指导性指挥。

· 指令性指挥方式,即长机直接指挥控制编队内所有的武器节点。僚机的火控系统只负责传达命令,权力高度集中于长机,其任务繁重,指挥周期长,但利于统一指挥和调度。

· 指导性指挥方式,即长机可以将部分指挥权下放给僚机,给僚机分配任务,由僚机负责指挥完成,长机只需要监控僚机的任务完成情况,并进行适当的干预。

网络中心战环境下,指挥权力需要根据战场态势的发展变化作出迅速的调整,进行重新分配,提高权力的运行效率,以此满足网络化作战的要求。因此,应该将指令性指挥方式和指导性指挥方式相融合,并加以改进,使得指挥权在作战过程根据情况收放自如,动态分配,称其为“动态分权式”指挥方式,这样才能很好地与“动态层次式结构”指挥体制相匹配[11]。

5 系统作战指挥过程

根据系统指挥方式的不同,系统的作战指挥也应分为长机决策式(指令性指挥方式)和长机决策僚机辅助决策式(指导性指挥方式)

5.1 长机决策式作战指挥过程

以双机编队为例,长机决策式编队作战信息流程可描述如下,如图6所示。

1) 当接到作战命令后,飞机编队进入战区后,编队内通过数据链形成局域网。雷达开机搜索识别目标,并通过数据链与僚机/指挥所/预警机给出的雷达信息进行融合处理,形成统一的信息场。

2) 长机根据敌我双方兵力情况及我机态势,判断战场态势,为下一步作战方案的产生提供依据。

3) 根据目标类型、属性、位置、火力的重要程度,以及飞行编队的武器配置、状态等因素,对敌方目标机型威胁程度排序。

4) 系统辅助生成作战预案,进行目标分配与火力分配,并将分配结果通报给僚机。

5) 长机对编队内所有导弹进行航路规划,并将导弹航路信息及发射时间通报僚机。

6) 在约定的时间发射导弹。

7) 飞行编队实时监控作战效果,僚机将情况汇报给长机。

8) 若达到编队作战效果,或编队失去作战能力,则战斗结束,返航。

9) 若还有未杀伤的目标重新进入雷达搜索区域或上级给出新任务,则返回2)。

5.2 长机决策僚机辅助决策式作战指挥过程

以双机编队为例,长机决策僚机辅助决策式编队作战信息流程可描述如下,如图7所示。

1) 当接到作战命令后,飞机编队进入战区后,编队内通过数据链形成局域网。雷达开机搜索识别目标,并通过数据链与僚机/指挥所/预警机给出的雷达信息进行融合处理,形成统一的信息场。

2) 长机根据敌我双方兵力情况及我机态势,判断战场态势,为下一步作战方案的产生提供依据。

3) 根据目标类型、属性、位置、火力的重要程度,以及飞行编队的武器配置、状态等因素,对敌方目标机型威胁程度排序。

4) 系统辅助生成作战预案,进行目标分配与火力分配,将分配结果通报给僚机;规划编队内所有导弹的攻击角度,将结果分配给相应的僚机;根据飞行状态和敌我位置关系约定导弹到达时间,并通报僚机。

图6 长机决策式作战信息流程

5) 长僚机依据到达时间和攻击角度分别对所携带的导弹进行航路规划,僚机导弹航路信息反馈给长机。

6) 长机作出统一的攻击决策,在约定的时间发射导弹。

7) 飞行编队实时监控作战效果,僚机将情况汇报给长机。

8) 若达到编队作战效果,或编队失去作战能力,则战斗结束,返航。

9) 若还有未杀伤的目标重新进入雷达搜索区域或上级给出新任务,则返回2)。

6 需要解决的关键技术

6.1 信息融合技术

信息融合是一种多层次、多方面的处理过程,包括对多源信息进行检测、相关、组合和估计,从而提高状态和身份估计的精度,以对战场态势和威胁的重要程度进行适时完整的评价[12]。网络中心战体系中,单纯依靠单机自己的传感与认知能力和所带的资源及武器进行战斗是极少数的特定任务下的特殊行动。因此需要根据作战任务,进行多雷达组网,获取更准确的空情信息。由于雷达精度不同、体制不同、探测距离误差、复杂空情等的影响,导致目标航迹不一致或不连续平滑,必须进行信息融合。信息融合技术是利用计算理论和方法,将网内每个雷达测量得到的目标航迹,传送到组网数据处理中心进行互联、相关、估计等处理,得到融合后的航迹,以便获得准确的目标状态、及时的战场态势和威胁估计。

图7 长机决策僚机辅助决策式作战信息流程

6.2 目标分配技术

目标分配辅助决策是将确定的作战指挥程序与目标分配原则在指挥控制系统中实现,形成以自动生成战斗方案并对武器系统实施指挥控制为主、人工干预为辅的战斗程序。目标分配能在激烈复杂的战争环境中,减少人工决策的差错,提高指挥效率。目标分配是为了充分发挥各火力单元的整体优势,将空中目标在给定的约束条件下分配到不同火力单元的一系列决策过程,它是一个动态的、多因素优化分析的决策过程。在目标达到分配终线之前,对该目标的分配决策将一直进行,而且分配预案将随着目标飞行诸元参数、各火力单元的战技指标和射击准备状况进行动态调整[13]。基于航空火力指挥控制系统的飞行编队作战模式中,导弹的发射都由长机控制完成,其目标分配和火力分配仅仅需要考虑目标、武器与系统之间的关系。网络化作战模式下的动态目标分配模型及其算法将是飞行编队目标分配问题的焦点。

6.3 作战效能评估技术

要有效提高航空火力指挥控制系统的作战能力,对其作战效能进行评估是一项重要的基础工作。作战效能指在预定或规定的作战使用环境以及所考虑的组织、战略、战术、生存能力和威胁等条件,由代表性的人员使用该装备完成规定作战任务的能力。其一般过程如图8所示[14]。这里的作战任务应覆盖航空武器系统装备在实际作战中可能承担的各种主要作战任务,并涉及整个作战过程。作战效能评估需要在接近真实的仿真平台上,在特定的环境下通过大量的计算机模拟获得系统的使用效能。航空火力指挥控制系统带来了飞行编队指挥方式的变化,因此作战效能评估的指标体系也必然随之变化,所以作战效能评估研究应以指标体系的建立和确定指标权重为重点。

图8 效能评估的一般步骤

7 结语

本文研究了航空火力指挥控制系统的系统需求、系统结构、指挥体制、指挥方式、作战过程以及系统实现的关键技术。本文的研究对构建航空火力指挥控制系统具有理论指导意义,可为飞行作战编队实现网络化、一体化提供参考。同时如何将本文提出的航空火力指挥控制系统应用于实践,相应的技术问题还需要进一步研究。系统建设的具体问题也有待在实践中逐步丰富和完善。

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Research of Airborne Fire Command and Control System

CHU Fengwen

(Postgraduate Team, Naval Aeronautical Engineering Institute, Yantai 264001)

By the analysis of the demand of airborne fire control and command system, the function structure and composition structure of the system is established. The "dynamic network" command structure and "dynamic decentralized" command method are applied to flight formation command. Airborne fire control and command system of two combat flight formation process are analyzed, and the research direction of key technology implementation of the system and the key technology of the next step are expounded.

airborne fire control and command system, architecture, operational process, key technology

2014年10月8日,

2014年11月27日

初丰文,男,硕士研究生,助理工程师,研究方向为火力与指挥控制。

V271.4

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.001