基于威力场的超视距协同空战态势评估方法*

常一哲，李战武，2，孙源源，杨海燕，罗卫平

（1.空军工程大学航空航天工程学院，西安 710038；2.西北工业大学电子信息学院，西安 710072；3.解放军94968部队，南京 210000；4.空军工程大学空管领航学院，西安 710051）

基于威力场的超视距协同空战态势评估方法*

常一哲1，李战武1，2，孙源源3，杨海燕4，罗卫平1

（1.空军工程大学航空航天工程学院，西安 710038；2.西北工业大学电子信息学院，西安 710072；3.解放军94968部队，南京 210000；4.空军工程大学空管领航学院，西安 710051）

针对非参量法模型将动态优势与静态优势孤立，传统表现形式无法直观、形象体现具体编队的超视距协同空战态势的问题，将威力场的概念应用于超视距协同空战态势评估。根据超视距协同空战特点，从战斗机攻击能力、通信能力、探测能力、生存能力、电子干扰能力、协同能力和全向告警能力等方面构建威力势模型。仿真结果表明此方法能够克服非参量法模型的缺点，能够全面、直观、形象地对超视距协同空战的态势进行评估，且可以有效提高战场决策者的效率和决策的质量。

威力场，协同空战，态势评估，超视距

0 引言

态势评估是指对特定战场环境中各种战斗力要素当前状态描述和发展趋势的预测，评估结果的合理性和准确性将直接影响决策者对战场态势的把握以及决策的实施［1］。现阶段大多数态势评估方法是利用改进的非参量法建立优势函数模型［2，4-8］。但是在超视距协同空战中，基于非参量法模型的评估方法会将战斗机乃至作战编队的动态优势和静态优势相孤立、相隔离，且不能直观、形象地体现出当前协同编队的具体空战态势。鉴于以上原因，将威力场［3，9］的概念应用到超视距协同空战的态势评估中具有十分重要的意义，不仅可以将作战单元的动态优势和静态优势相结合以进行态势分析，更可以利用威力场的分布形象地表现出当前编队的协同空战态势，从而帮助决策者以更少的时间做出更加准确的判断。因此，本文提出了基于威力场的超视距协同空战态势评估方法。

1 威力场的概念及其在态势评估中的应用

1.1 威力场的概念

根据文献［3］，威力场定义为：战斗机在空中一定具有威力，若携带武器则可以攻击目标，威力不言而喻；即使不考虑武器装备的因素，也具有动能（速度）和势能（高度），所以即使自身爆炸或者与目标相撞也有可以威胁的范围，即也具有威力。因为在空中的战斗机存在这种威力，所以能对周围空间产生影响，形成威力场。

1.2 威力场在态势评估中的应用

由于以贝叶斯法为代表的参量法模型［10］运算量大，不能够满足空战的实时性要求。因此，目前关于态势评估的文献大多利用非参量法或其改进构建数学模型，用数值表示相应的优势。这种方式只能根据模型计算出载机和目标的自身优势，无法描述其对战场产生的影响。然而，空战中不仅仅作战单元会受到对方的作用，战场中的任一区域都会受到双方对抗的影响，因此，利用非参量法模型的评估方法是孤立的、不全面的。为此，本文提出基于威力场的超视距协同空战态势评估方法，将威力场的概念应用到超视距协同空战的态势评估中，不仅可以综合作战单元的动态优势和静态优势进行分析，更可以全面、形象地表现出当前编队协同的空战态势，体现出对抗双方对战场中每一点的影响。在文献［3］中，已经提出利用威力场进行空战的分析，但是其所用的威力场只是对抗双方威力场的简单叠加，并不能体现出编队中各个作战单元之间的协同能力，也不能体现出对抗双方之间威力场的相互作用，更不能将双方在对抗中的威力变化形象的表示出来。针对以上问题，本文对威力场模型进行了改进，并将其应用于超视距协同空战的态势评估。

2 超视距协同空战威力场模型

空战中，每一个作战单元都会在围绕其周围一定范围内的环境产生影响，即具有威力。根据红蓝双方的不同性质，可以分为正场和负场。这里定义我方作战单元产生的威力场为正场，势为正。敌方作战单元产生的威力场为负场，势为负［3］。图1所示为单架战斗机在作战空域中产生的威力场。

2.1 威力势模型

针对超视距协同空战以及战斗机的特点，构建以攻击能力、探测能力、电子干扰能力、生存能力、通信能力、协同能力、全向告警能力为基础的威力势模型。构建威力场势的计算模型如下：

式（1）中，EA为全向告警能力；ED为探测能力；EW为攻击能力；EE为电子干扰能力；ES为生存能力；EC为通信能力；Kco为协同能力。

2.1.1 攻击能力

在超视距协同空战中，执行对敌攻击任务的主要武器为中距空空导弹。据此，建立战斗机攻击能力模型如下：

式（2）中，AM为攻击能力因子，其模型构建如下［12］：

式（3）中，N为导弹的数量；PK为单发导弹杀伤概率；φ为导弹攻击范围角；nmax为导弹的最大可用过载；ωmax为导弹的最大跟踪角速度；ψ为导弹的离轴发射角；KD为制导方式的修正系数，指令修正惯导加半主动雷达末制导KD=1，指令修正惯导加主动雷达末制导KD=1.5；θ为载机相对计算点的提前角；r为载机与计算点的距离；rmax为导弹最大发射距离；rmin为导弹最小发射距离。

2.1.2 探测能力

在超视距协同空战中，对敌机探测的主要设备为雷达和红外搜索跟踪装置［12］。因此，战斗机探测能力模型可以建立如下：

式（4）中，ADR为雷达探测能力因子；ADIR为红外探测能力因子。

雷达探测能力因子可以由下式计算得出：

式（5）中:STR为雷达最大发现目标距离；θR为雷达搜索总方位角；PTR为发现目标概率；K2为雷达体制衡量系数，圆锥扫描雷达K2=0.6，单脉冲雷达K2=0.8，脉冲多普勒雷达K2=1［13］；mR1为同时跟踪目标数量；mR2为同时允许攻击目标数量。

红外探测能力因子可以根据式（6）得到：

式（6）与式（5）中的参数意义基本一致，其中K2'为红外体制衡量系数，多元固定式探测装置K2'=0.6，搜索跟踪装置K2'=1［13］。

2.1.3 电子干扰能力

超视距协同空战中，电子干扰能力对空战结果起着至关重要的作用。文中从有源干扰和无源干扰两个方面进行建模。假设雷达压制区的轴线与飞机轴线同方向，构造电子干扰能力参数如下：

式（7）中，ADISA为有源干扰能力因子；ADISPB为箔条干扰弹干扰能力因子；ADISPIR为红外干扰弹干扰能力因子。

有源干扰能力因子模型：

式（8）中:Pj为干扰机的发射功率；Gj为干扰天线增益；θ'为天线的波束宽度；Ω为天线波束在空间的最大指向范围；n为多个雷达的干扰能力，即雷达干扰系统同时进行有效干扰不同雷达的数量；Pf为干扰机的频率范围对被干扰雷达的频率范围覆盖率；△tj为引导时间，即干扰机从接收到威胁雷达信号到发射射频干扰信号的时间；△f为频率引导误差，△θ为方位引导误差，二者之和为引导误差；K为增益系数。

箔条干扰弹干扰能力因子模型：

式（9）中，Nb为载机携带的箔条干扰弹的数量；Pb为箔条干扰弹成功发射的概率；σb为单枚箔条干扰弹的有效反射面积；tb为箔条干扰弹的散开时间。

红外干扰弹干扰能力因子模型：

式（10）中，NIR为载机携带的红外干扰弹的数量；PIR为红外干扰弹成功发射的概率；σIR为单枚红外干扰弹的有效反射面积；tIR为红外干扰弹的散开时间。2.1.4 生存能力

飞机生存力是指飞机躲避或承受人为敌对环境的能力［14］，因此，其对编队的协同作战能力具有重要作用。构建生存能力模型为：

式（11）中，AS为生存能力因子。

生存能力因子模型：

式（12）中，W为飞机的翼展；L为飞机的全长；RCS为飞机的雷达有效反射面积；Avi为飞机表面易损性部件面积；Av为飞机的表面积。

2.1.5 通信能力

在超视距协同空战中，编队中作战飞机间的通信能力尤为重要。通信能力能够直接影响到协同空战的作战效果。文中主要考虑无线电通信能力和数据链通信能力：

2.1.6 协同能力

在超视距协同空战中，协同能力对空战的结果具有至关重要的影响。大多数文献中，协同能力主要考虑各作战单元协同的可靠性和可信性［15］或通过协同系数表示［16］以及单机作战能力的简单叠加［18］。在文中，主要考虑编队队形对协同能力的影响。

不同的编队产生的威力分布不同，对空战态势的影响也不尽相同。因此在这里定义编队的协同空战能力：

式（14）中，T表示编队的队形编号，T=1表示飞机编队为楔形编队，T=2表示飞机编队为垂直编队，T=3表示飞机编队为翼形编队。每种编队具有不同的协同能力a、b、c，且a≠b≠c，a>1，b>1，c>1。图2～图4分别表示了楔形编队、垂直编队和翼形编队产生的威力场。

2.1.7 全向告警能力

告警设备方面没有统一的模型，因此，根据相关文献［18-21］，构建全向告警能力模型如下：

式（15）中，AI为红外告警能力因子；AU为紫外告警能力因子；AR为雷达告警能力因子。

红外告警能力因子模型［19］：

式（16）中，Dai为最大告警距离；Pdri为探测概率；Pfai为虚警率；准i为覆盖空域；di为角分辨力。

紫外告警能力因子模型［19-20］：

式（17）中，Dau为最大告警距离；Pdru为探测概率；Pfau为虚警率；准u为覆盖空域；du为角分辨力。

雷达告警能力因子模型［22］:

式（18）中，Dar为最大告警距离；Pdrr为雷达灵敏度；Pfar为虚警率，μu为测向精度；tr为雷达告警器反应时间；fmax为频率测量范围的上限；fmin为频率测量范围的上限。

2.2 超视距协同空战中编队的威力场势

在多机超视距协同空战的过程中，假设我方作战编队有n个作战单元，则我方编队整体威力场的势为各个作战单元威力场势的叠加和，其值取为正。即：

同理，敌方编队的整体场的势按相同的方法计算，值取为负。假设敌方有m个作战单元，则其编队的威力场势为：

3 仿真分析

设红蓝双方各有3架飞机进行超视距协同空战，初始位置信息如表1所示：

在算例中，双方战机装备性能参数参照文献［3］。生存力参数的选择参考文献［14］。红方W=［14.74，11.36，11.36］m2；L=［21.94，17.32，17.32］m2；RCS=［10.7，9.1，9.1］m2；Avi=［50，40，40］m2；Av=［200，175，175］m2；Dau=Dar=Dai=6 km；tr=［0.8，0.9，0.9］s；rmax=［40，60，60］km；rmin=［12，10，10］km；ψ=［45°，45 °，45°］；PK=［0.8，0.9，0.9］；PC1=［0.9，0.9，0.9］；Pb=［0.8，0.9，0.9］；STR=［80，90，90］km；θR=［45°，60°，60°］；mR1=［10，9，9］；mR2=［6，4，4］；△tj=［1.5，2，2］s；NIR=［100，120，120］；Gj=［50，50，50］；Pdau=Pfai=0.2；Pfai=0.1；Pj=［100，110，110］W；θ'=［30，35，35］MHz。蓝 方 W=［15.86，10.3，10.3］m2；L=［17.93，18.21，18.21］m2；RCS=［12.5，10.1，10.1］m2；Avi=［60，45，45］m2；Av=［190，185，185］m2；Dau=Dar=Dai=5 km；tr=［0.7，1，1］s；rmax=［50，60，60］km；rmin=［14，12，12］km；ψ=［40°，45°，45°］；PK=［0.8，0.8，0.8］；PC1=［0.9，0.9，0.9］；Pb=［0.9，0.7，0.7］；STR=［100，85，85］km；θR=［60°，50°，50°］；mR1=［8，9，9］；mR2=［4，5，5］；△tj=［1.5，1，1］s；NIR=［110，90，90］；Gj=［50，50，50］；Pdau=Pfai=0.15；Pfai=0.2；Pj=［100，100，100］W；θ'=［40，30，30］MHz。图5～图7分别描绘出红蓝编队在逐渐接近的过程中的态势信息。红方编队采取的是翼形编队，蓝方采取的是楔形编队。可以看到，随着双方编队的不断接近，各自的威力场也在不断发生着变化。

由于空战中对抗双方编队之间有一架飞机探测到对方编队中的任意一架飞机即意味着整个编队对对方编队产生了威力，因此，在文中定义编队之间的距离为两个编队中相距最近的飞机之间的距离。从图5可以看到，编队距离R=86.4 km时，编队的队形在红蓝双方的威力分布中起着非常大的影响。图6描述了编队距离R=40.5 km时，由于红蓝双方都进入了对方雷达、导弹的威力区域，且除载机自带告警设备以外，自身后方并不存在产生威力的设备，因此，双方的威力已经可以延伸到对方编队的后方空域，且威力分布相对对方的前方更为广阔。从图6和图7可以看到，红方编队在蓝方编队侧翼的优势较为明显，特别是红方1号机产生的威力已经覆盖蓝方编队后方的大部分空域。在另一侧，红方3号机产生的威力虽然受到蓝方编队威力的作用，影响空域有限，但是其威力分布已经接近与1号机产生的威力区域相联。因此，红方的1、3号机可以将蓝方编队的两翼作为空战占位的机动方向。而红方2号机由于处于蓝方编队的正前方，威力场受到的削减较为明显，因此，在态势上对其极为不利。而蓝方的威力场在受到红方威力场的作用后，在编队的正前方的威力场被削减的程度较强，但是由于编队队形的作用，在其编队前方的方向上，红方2号机已经完全被蓝方的威力场包围，总体来看蓝方在此方向上仍然具有较为明显的优势，因此，该方向可以作为蓝方的重点机动方向。

4 结束语

为解决超视距协同空战态势评估中非参量法模型简单以及传统表示形式无法直观、形象地体现编队的具体空战态势的问题，本文将威力场的概念应用于超视距协同空战的态势评估中，构建了基于威力场的态势评估模型，并针对文献［3］中威力场的模型进行了改进，使其体现出对抗双方威力场的相互作用，从而表现出双方战斗机在对抗下的空战态势变化。最后利用仿真算例进行了验证，结果表明文中所提出的威力场模型能够直观、形象以及全面地体现出当前双方编队进行超视距协同空战的具体态势，不仅可以提高战场决策者的效率和决策的质量，还可以利用威力场的分布为编队的目标分配和单机的机动决策做铺垫。

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Situation Assessment Method for Cooperative Air Combat Based on Combat Power Field

CHANG Yi-zhe1，LI Zhan-wu1，2，SUN Yuan-yuan3，YANG Hai-yan4，LUO Wei-ping1
（1.School of Aeronautics and Astronautics Engineering，Air Force Engineering University，Xi’an 710038，China；2.School of Electronic Communication，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China；3.Unit 94968 of PLA，Nanjing 210000，China；4.School of ATC navigation，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

Considering on the remaining problem in current situation assessment of Beyond-Visual-Range cooperative air combat，such as isolation of static/dynamic state superiority，the concept of combat power field is applied in situation assessment of Beyond-Visual-Range cooperative air combat.Coupled with characteristics of cooperative air combat，the model of combat power field is constructed by aspects of attack，communication，detection，maneuverability，electronic countermeasure and cooperation and alert.The method is verified by the simulation and the result shows the method in the paper has advantages of visualization，figurativeness and integrity compared with former situation assessment methods，and is also able to improve the quality and the efficiency of the decision.

combat power field，cooperative air combat，situation ssessment，Beyond-Visual-Range（BVR）

V271.4

A

1002-0640（2015）10-0040-06

2014-08-05

2014-10-07

国家自然科学基金资助项目（61472441）

常一哲（1991- ），男，北京人，硕士。研究方向：火力指挥控制原理与技术。