罗木生,王宗杰,刘 瑜

(海军航空兵工程学院,山东 烟台 264001)



机群打击链兵力模块化描述与建模方法*

罗木生,王宗杰,刘 瑜

(海军航空兵工程学院,山东 烟台 264001)

针对机群兵力建模中以兵力整体为对象进行研究的不足,在分析机群打击链作战过程及对兵力能力需求的基础上,采用模块化描述方法,将机群中各型飞机兵力统一划分为平台单元、传感器单元、武器单元、指挥控制单元、火控单元、中制导单元、通信单元等7个要素,并提出多元组的描述方法进行建模,以表征各功能单元的属性、工作状态和性能约束,支撑机群兵力的有效管理与快速规划。

兵力建模;机群;打击链;功能单元;模块化;多元组

机群打击链是由空中各型作战飞机构建而成,能够针对打击对象完成“发现-定位-跟踪-决策-交战-评估”完整作战环节的打击体系[1]。机群打击链聚合了分布在广阔战场空间的兵力,实现了战机功能单元之间的高效协同,极大地缩短了从发现目标到打击目标所需的时间[2]。

机群兵力建模是打击链构建的基础和首要内容。而目前兵力建模采用的方法主要是将兵力整体作为分析与建模的对象[3-5],针对每一型兵力建立模型进行描述,然后展开诸如机群作战的任务规划[6-8]、多编队协同作战[9]、有人机与无人机群的多目标分配[10-11]、作战体系的信息交换[12]等方面的研究。

空中作战机群兵力虽然数量有限,但涉及的机种类型较多,导致需建立的模型较多,且模型较为复杂、规模较大、移植性差,不同兵力模型中有相同的描述内容,如:预警机模型与无人侦察机模型,均有机载雷达的描述内容,虽然两者雷达型号、性能不同,但其原理和功能相同,事实上可用相同模型进行描述。因此,借鉴模块化思想,将机群兵力分解为若干功能单元模块,然后再进行建模。

1 机群打击链兵力模块化描述方法

机群兵力模块化描述方法,就是根据机群在打击链中担负的任务,将作战兵力分解成功能相互独立的“模块”,并建立通用的、用于描述相同功能“模块”的模型,而功能模块化模型的不同组合,就构成了不同作战兵力模型。

功能模块的划分取决于机群打击链作战过程的能力需求与各机群兵力具有的功能。机群打击链[13]作战过程可描述为:无人侦察机、预警机等兵力发现目标后,迅速对目标实施定位、跟踪;预警机上的指挥所迅速根据实时态势进行判断,做出决策、发布作战指令;歼击机进行交战,并发射导弹实施攻击;导弹在飞行过程中接收发射平台或者其他平台提供的中制导信息,引导导弹末制导头发现、跟踪并命中目标;最后由预警机或无人侦察机等兵力进行作战效果评估，其流程如图1所示。

图1 机群打击链作战概念示意图

发现、定位、跟踪与评估环节需要由机群兵力的传感器单元完成;决策则主要由指挥控制单元完成;交战需要武器单元、火控单元、中制导单元等共同完成。此外,机群兵力之间需要依托通信链路完成信息的共享与分发,传感器、武器弹药等需要搭载到平台上。因此,构建机群打击链的模块主要包括:传感器单元、武器单元、指挥控制单元、火控单元、中制导单元、通信单元、平台单元等。因此,对机群兵力建模,就转化为对这些功能单元进行建模描述。而这些功能单元就构成了机群兵力模块化描述的要素。

机群打击链主要由预警机、歼击机、歼轰机、无人侦察机、无人战斗机等兵力构成。按照上述方法对这些兵力进行功能单元划分,结果如图2所示。

图2 机群兵力的功能单元划分

机群打击链主要使用导弹等精确打击武器实现对目标的硬摧毁,图2所列是作战中最为关键的功能单元。除此之外,机群兵力还有诸如电子对抗等其他单元,如果将打击链的内涵扩充并包括电子进攻的话,则应将电子对抗单元加入图2中。

虽然构成机群兵力功能单元的设备、武器及其性能等各不相同,如预警机、歼击机、无人机兵力的平台差异很大、性能也不同,但平台单元的描述模型是相同的,区别在于参数的不同。也就是说,同一个单元描述模型,可用于对多个作战兵力的描述，提高了模型的移植性,简化建模的复杂度。同时,也利于机群可用资源的管理、打击链的构建与规划。

2 机群兵力模块化描述的要素及其建模

机群兵力模块化描述的要素主要包括平台单元、传感器单元、武器单元、指挥控制单元、火控单元、中制导单元、通信单元等7个。

2.1 机群兵力平台单元模型

平台单元主要描述各机群兵力的空间位置与姿态、是否受到毁伤、剩余的油料与航程、机载传感器、武器、通信器材等资源的类型与数量等参数。这些参数影响并制约着机群打击链的规划与构建。

设机群打击链作战体系中兵力平台集合为Ac={Aci|i=1,2,…,NAc},任意一架飞机平台Aci均可通过五元组进行描述,即

(1)

其中,Tyai为飞机的平台类型,包括预警机、歼击机等各型飞机和机载空空、空舰导弹等平台;

Pcai=(xi,yi,zi,vi,ψi, ϑi,γi)为飞机平台Aci的状态,Posi(xi,yi,zi)为Aci的位置坐标,vi为平台的飞行速度,ψi、ϑi和γi分别为Aci的航向、俯仰角和滚转角;

Heli∈{0,1}为平台健康标志量,其值为1时表示Aci处于健康状态,否则取值为0;

Resi={Resi,j|j=1,2,…,NRes},Resi,j=(Tyri,j,Nuri,j)为Aci携带的第j种机载资源的类型和数量,NRes为机载资源的种类数;Tyri,j为资源载荷的类型,包括传感器、武器弹药、通信设备等;Nuri,j为机载资源的数量,为不小于0的整数,且Nuri,j≤Nuri,j,max,Nuri,j,max为平台所能携带第j种载荷的最大数量;

Raci为飞机Aci的剩余最大航程,其值由飞机平台所剩余的机载燃油量、机载资源重量和飞行剖面等共同决定。

2.2 机群兵力机载传感器单元模型

机群所装备的传感器种类多种多样,如几乎所有飞机均装备有雷达,此外可能还装备有光电/红外(EO/IR)传感器、电子侦察设备等。不同传感器的工作原理和性能存在较大差异,所适用的任务范畴也不同。

在机群打击链作战中,机载传感器主要完成以下几方面的任务:

1)对指定区域实施侦察警戒。飞机可通过机载传感器对特定空域、地域、海域进行搜索,以发现该区域内可能出现或潜在的敌方威胁或者目标。

2)对打击目标进行定位和识别。根据给定的目标情报信息,如任务1)中提供的目标粗略信息,飞机可通过机载传感器对目标进行精确定位、确认和识别,以完成对可疑目标的判断、分类。

3)对打击目标进行持续跟踪。飞机通过机载传感器对目标进行持续的跟踪,获取目标精确的位置、速度、航向等状态信息,形成目标航迹,从而为后续的打击任务提供确切的目标情报和精确的制导信息。

4)执行打击效果评估任务。当对敌方目标实施打击后,飞机通过机载传感器进一步获取目标状态信息,并根据所得情报进行目标毁伤评估,为后续任务的执行提供决策依据。

设机群传感器集合为Sr={Sri|i=1,2,…,NSr},任意一架飞机的传感器Sri均可通过三元组进行描述,即

(2)

其中,Tysi=(Tysti,Tysci),Tysti为机载传感器的类型标识,传感器的类型有雷达、ESM、光电/红外(EO/IR)传感器、电子侦察设备等;Tysci为机载传感器载体平台标识,明确传感器所属的平台;

Stsi=(Wksi,Tmsi,k)为传感器使用状态,Wksi为当前工作状态,有关机、工作两种;Tmsi,k为传感器为打击链k工作的时段;

Cpsi=(Rsri,ψSr,i,ϑSr,i)为传感器的探测能力,其中Rsri为传感器有效作用距离,ψSr,i、ϑSr,i为传感器方位搜索角范围和俯仰搜索角范围。

2.3 机群兵力机载武器单元模型

机载武器是机群打击作战任务的直接执行者。飞机平台所能使用的打击武器多种多样,包括机载导弹(空空导弹、空舰导弹、空地导弹等)、航炮、航空炸弹、制导炸弹等。从机群作战需要及其载荷配置能力出发,结合现代战争武器使用的发展和选择趋势,在机群打击作战中,主要研究以机载导弹为武器构建打击链。

实施机载导弹发射时,需解算射击诸元,并装订到导弹上;满足一定条件之后才能发射。导弹发射之后,若导弹具备中制导能力,则可接受其他平台传输过来的中制导信息,从而修正飞行参数,实现对目标的精确打击。

设机群机载武器集合为Ms={Msi|i=1,2,…,NMs},飞机的机载武器Msi均可通过三元组进行描述,即

(3)

其中,Tymi=(Tymti,Tymci,Tymgi),Tymti为机载武器的类型标识,武器的类型有空空导弹、空舰导弹、空地导弹、反辐射导弹等;Tymci为机载武器载体平台标识,明确导弹的挂载平台;Tymgi为中制导平台的标识,明确导弹接收的中制导信息来自的平台;

Stmi=(Trgmi,Wksmi)为武器使用状态,Trgmi是目标标识,通常为目标批号,如果没有分配目标,则数值为不大于0的数值;Wksmi为武器当前状态,包括冷态、准备、待战、初始段、中制导、末制导、毁伤等7种;

Cpmi=(Wlami,Ragmi,Hlami,Vlami,glammax,i,ψMsla,i)为机载武器发射方式、发射条件,其中Wlami为机载武器发射方式,有导轨式发射和弹射式发射2种;Ragmi为发射距离、Hlami为发射高度、Vlami为发射速度、ψMsla,i为发射离轴角,4个参数均为区间数,glammax,i为最大发射过载。

机载导弹发射离机后也是一个平台,因此可以用平台模型的五元组进行描述。

2.4 机群兵力指控单元模型

指挥控制单元能够进行态势判断、作战决策和作战计划的制订与发布,具备对机群兵力实施作战指挥、发布作战命令、实施引导、接收下级上报信息并向上级上报信息等功能。

各机群兵力指控单元功能强弱有别,其中,预警机指控单元的功能最为完善,具备对空中所有兵力实施指控的能力;歼击机也具有一定的指控能力,但仅限于长机对编队内的僚机实施指控;无人侦察机和无人攻击机,不具有指控能力,只能接受其他兵力的指挥与控制。

指控单元功能众多,根据打击链构建需求,重点对其信息分发能力、上下级兵力、指挥能力、引导能力等进行描述。

设机群中指控单元集合为Zc={Zci|i=1,2,…,NZc},飞机指控单元Zci均可通过四元组进行描述,即

(4)

其中,Tyzi为指控单元载体平台标识,明确指控单元所属的平台;

Rszi=(Spzi,Sbzi)为上级与下级兵力集合,其中,Spzi为上级兵力平台标识;Sbzi为下级兵力平台标识;

Stzi=(Smzi,k,Gfzi,k)为指控单元服务于打击链k的运行状态,其中,Smzi,k为态势信息分发对象的标识及实施分发的时间段;Gfzi,k为引导兵力标识及实施引导的时间段;

Cpzi=(Vosmi,Vogfi)为指控单元的能力描述,其中,Vosmi为信息分发的容量,即最多能够给多少兵力提供及时的周期性信息分发的能力;Vogfi为引导兵力的容量,即最多能够实时引导兵力的数量。

2.5 机群兵力火控单元模型

火控单元是机群兵力用于控制机载导弹类型、数量选择,射前准备、射击诸元解算、参数装订,发射时机选择和发射实施等。

设机群中火控单元集合为Fc={Fci|i=1,2,…,NFc},飞机火控单元Fci均可通过三元组进行描述,即

(5)

其中,Tyfi为火控单元载体平台标识,明确火控单元所属的平台;

Stfi=(Msfi,Tmfi,k)为火控单元使用状态,Msfi为导弹的标识号;Tmfi,k为火控单元为打击链k中导弹Msfi提供火控服务的时段;

Cpfi=(Vofi,Tnfi)为火控单元的能力描述,其中Vofi为火控单元的容量,即可以同时为多少枚导弹提供服务;Tnfi为从冷态、热态开始进行准备,至参数装订、发射脱离平台所需的最短时间。

2.6 机群兵力中制导单元模型

中制导单元主要功能是为导弹提供中制导信息。为了能够对发射出去的导弹进行中制导,各飞机平台均应装备有中制导功能的相关设备。由于导弹类型的不同,中制导系统应具备对空空、空舰、空地等导弹提供中制导信息的能力。受限于平台与装备的性能,中制导系统的能力也不同,但均受容量限制,即:同一时间段内只能为一定数量的导弹提供中制导服务。

设机群中制导系统集合为Mg={Mgi|i=1,2,…,NMg},飞机中制导系统Mgi均可通过三元组进行描述,即

(6)

其中,Tygi为中制导系统载体平台标识,明确中制导系统所属的平台;

Stgi=(Msgi,Tmgi,k)为中制导系统使用状态,Msgi为导弹的标识号;Tmgi,k为中制导系统为打击链k中导弹Msgi提供中制导信息的时段;

Cpgi=(Ragi,Vogi)为中制导系统的能力描述,其中Ragi为中制导系统有效传输距离,Vogi为中制导系统的容量。

2.7 机群兵力机载通信单元模型

机群所装备的通信系统种类多种多样,几乎每一架飞机均装备有多种通信设备,主要有:卫星通信设备、数据链通信设备、短波通信设备等。不同通信设备的工作原理和性能存在较大差异,所适用的任务范畴也不同。

设机群通信系统集合为Cm={Cmi|i=1,2,…,NCm},任意一架飞机的通信系统Cmi均可通过三元组进行描述,即

(7)

其中,Tyci为通信系统载体平台标识,明确通信系统所属的平台;

其中,Tyci=(Tycti,Tycci),Tycti为机载通信设备的类型标识;Tycci为通信系统载体平台标识,明确通信系统所属的平台;

Stci=(Wkci,Tmci,k)为通信系统使用状态,Wkci为当前工作状态,有关机、工作两种;Tmci,k为通信系统为打击链k工作的时段;

Cpci=(Raci,Voci,ψCm,i,ϑCm,i)为通信系统的能力描述,其中Raci为通信系统有效传输距离,Voci为通信容量,ψCm,i、ϑCm,i为传输的方位角范围和俯仰角范围。

3 结束语

机群打击链作战体系是兵力的聚合与协同,而本质上是各机群兵力功能单元之间的密切配合与高效协同。采用模块化描述方法,结合机群打击链作战过程中对兵力的能力需求,将机群兵力划分为平台单元、传感器单元、武器单元、指挥控制单元、火控单元、中制导单元、通信单元等7个要素,并分别建立多元组的描述模型进行数学表征,从而简化了以兵力整体为对象进行建模的复杂度,提高了兵力模型的重用性和适用性,有利于对机群兵力进行系统性、深层次管理与规划,更好地支撑机群打击链的快速构建。

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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

国家安全重大基础研究项目(61331401)

罗木生(1982-),男，江西广昌人，博士，研究方向为兵种战术。 王宗杰(1978-),男，博士研究生。 刘 瑜(1986-)，男，博士，讲师。

1673-3819(2017)02-0041-04

TJ810；E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.02.009