基于作战模式驱动的巡航导弹协同作战任务规划研究

2018-04-09张明星程光权黄金才房茂燕

指挥与控制学报 2018年1期

张明星　程光权　黄金才　房茂燕

现代战争是体系与体系,平台与平台之间的对抗.在这样的战争背景下,提高单枚导弹的突防能力无法有效改变战争进程,而提高多导弹的协同突防能力更加符合现代高技术局部战争的作战思想和作战方式[1−2].作为一种新型的体系作战方法,多导弹协同作战为现代高技术局部战争提供了一种高效快速的导弹打击模式,大大提高了导弹的整体作战效能[3].

1　问题的提出

多巡航导弹协同作战是指为完成某一作战任务,将多枚巡航导弹按照一定的战术和技术原则组织起来,使其形成一个相互关联、相互作用的有机整体,并通过智能任务规划系统动态调整各枚导弹的行为,对战场态势及时做出动态响应和调整,以达到协同、高效地完成作战任务的目的[4−5].巡航导弹多弹协同作战要考虑众多因素,如时间的协同、空间的协同以及任务之间的协同.文献[6]认为,多导弹协同作战不仅可以有效提高导弹的突防能力,还能够实现单枚导弹不可能实现战术隐身和对运动目标的识别搜捕能力等功能.

2　巡航导弹协同作战的方式

巡航导弹协同作战任务规划与巡航导弹协同作战方式有很大关系[7−8].针对不同威胁分布,不同的攻击目标,采用不同的协同作战方式,能够达到比各枚巡航导弹单独突防和攻击目标更高的效果.巡航导弹的主要协同作战方式有以下几种[9−11].

2.1　多弹齐射与静默攻击

多弹齐射是指在一次进攻中采用不同频率和不同类型的导弹从不同的方向上对目标进行齐射[9].文献[9]还指出,在电子对抗过程中,即便敌方对某次齐射中的某一类型的导弹能够进行有效干扰,但也没有充足时间对不同频率和不同攻击方向和其他类型的导弹进行有效的干扰.文献[10]指出,受制于防空武器的反应时间、射击能力大小以及作战人员的训练水平等综合因素的影响,敌方对多弹齐射的反应能力往往不高.由此可见,多弹齐射可以有效提高导弹的电子对抗能力和有效突防能力.

静默攻击是指多枚导弹(或单枚导弹)在接近攻击目标时,开启主动雷达,以获取目标实时信息,并吸引目标的注意力,以此实现转移火力的作战意图[10].这种类型的导弹通过把获取的目标实时信息传输给协同攻击的其他导弹,让它们有机会从其他方向悄然抵近,实现出其不意攻其不备的打击.

2.2　多弹突防与领弹/攻击弹组合方式

为了提高巡航导弹的突防能力,必须要寻找对方防空力量的薄弱环节进行突破,同时还应当采取科学高效的进攻方式.其中,多弹突防就是提高多导弹突防能力的有效策略.文献[10]认为,从不同发射阵地非同时发射的多枚导弹同时到达敌方目标区域时,对于地空导弹阵地而言,如果同时到达的导弹大于其防空能力,就可以确保一部分导弹有效突破敌方的防线.因此,可以认为敌方对多弹同时突防的抵御能力是非常有限的.

领弹/攻击弹(Leader-Follower)协同作战模式是俄罗斯和美国分别针对对方的军事实力,提出的一些新的导弹打击概念和打击方式[10].这类攻击方式能更好地提高多导弹之间的信息共享能力,从而提高多导弹的整体突防能力和综合作战效能.

巡航导弹的协同作战主要是为了提高巡航导弹的突防概率.从上面的几种巡航导弹的协同作战方式来看,巡航导弹协同作战战前的任务规划可以分为两大类,一类是多枚巡航导弹从不同方向同时突防,这个一半是在巡航导弹飞行的末端;另一类是多枚巡航导弹编队飞行突防,突防后对目标进行攻击.

3　瞄准点选择与导弹数量

巡航导弹协同作战攻击可分为多目标攻击和单目标攻击,确定某一波次打击巡航导弹的需求数量和攻击点是巡航导弹协同攻击前火力规划的主要任务之一.

巡航导弹攻击点和数量求解与攻击目标的类型、结构、材料等密切相关.因此,要确定巡航导弹的攻击点以及导弹的数量,首先就要确定这一波次打击的目标,确定了攻击目标之后,根据攻击目标的类型、结构、材质等特点,确定攻击目标的薄弱点或关键点,以此作为巡航导弹的攻击点.对于多目标攻击来说,攻击点的选择方法与单目标类似,首先确定每个目标的攻击点.

确定了攻击点之后,根据目标的结构材质特点选择战斗部,并根据目标的抗打击能力以及要达到的毁伤效果,确定每个攻击点的导弹需求,从而确定突破防御后的巡航导弹数量.根据不同协同作战方式下,巡航导弹的突防概率,计算要达到攻击效果需要的巡航导弹数量.

4　巡航导弹协同作战任务规划

导弹协同作战系统中的重要子系统是导弹任务规划系统[12−13],它是指挥协同作战的关键,文献[12]认为任务规划系统可以根据战场实时态势,再结合给定的约束条件,拟制出火力分配计划,并为每枚导弹制定一条从发射点到攻击目标的最优飞行航迹.因此,从某种意义上可以认为任务规划系统的核心功能就是进行火力分配与航迹规划.本文主要针对前文提到的两类协同作战方式下火力分配计划拟制和导弹最优飞行航迹规划问题开展研究。

4.1　不同方向同时突防作战方式下的任务规划

对于不同方向同时突防的巡航导弹作战方式,主要针对巡航导弹飞行末端,攻击目标周围被防御雷达与防空火力包围,巡航导弹从各个方向进行突防.对于这种协同作战方式,战前的任务规划主要解决下面几个问题:一是巡航导弹不同方向突防时的突防方向与各突防点的位置;二是巡航导弹与各瞄准点之间的火力分配;三是协同作战巡航导弹的航迹规划,要保证不同阵地发射的巡航导弹能够同时到达各瞄准点.

4.1.1　突防方向与突防点的确定

突防方向是巡航导弹协同作战时各巡航导弹的攻击方向.根据敌方雷达的布防可以分为两种情况:一种是多部雷达配合防空火力单元协同防御;二是单个雷达配合防空火力进行防御.对于第1种情况,巡航导弹同时突防主要选择敌方雷达防御薄弱的方向.第2种情况下,由于各个方向的雷达探测概率相同,因此,采用均匀分布的方法进行突防.

突防点即协同作战巡航导弹在突防方向上同时到达的点.对于突防点来说,为了增加巡航导弹突防的突然性,一般情况下突防点选在突防方向上敌方雷达探测范围的稍前方.

4.1.2　突防点与巡航导弹阵地之间的分配

对于巡航导弹于突防点的分配问题,为了增加巡航导弹突防的突然性,要保证协同作战的各巡航导弹同时到达突防点,就需要保证从不同发射阵地发射的巡航导弹能够同时到达突防点,即实现巡航导弹的飞行时间可控.因此,要对巡航导弹飞行时间进行控制,可以采用以下几种方法:一是适时调节巡航导弹的飞行速度;二是适时改变巡航导弹的飞行航迹[14];三是控制巡航导弹的发射时间.对于第2种方法,不妨假设巡航导弹在巡航过程中飞行速度不变,这样便将导弹攻击时间约束转化为导弹飞行路径的长度约束[10],这种方法在航迹规划过程中不仅需要考虑地形、威胁因素,还要考虑各导航巡航导弹航程等因素,使得巡航导弹的航迹规划更为复杂.而第1种方法在巡航导弹的航迹规划中主要考虑战场环境威胁,航迹规划比第2种要简单,同时能够较好地保证巡航导弹的安全,控制巡航导弹同时到达.第3种方案相对于前两种来说,在任务规划方面更灵活,但是对发射时间要求较高,但是随着巡航导弹发射控制技术的发展,这种方法不失为一种协同作战重要的作战方式.确定导弹发射阵地与突防点之间的对应关系,就是在保证巡航导弹同时到达突防点的同时,尽可能减少巡航导弹的飞行航程和战前任务规划时间.

4.1.3　发射阵地到突防点的航迹规划

确定了发射阵地与其各自对应的突防点,下面要做的就是根据发射阵地与其对应的突防点的战场相对位置进行航迹规划[15−16].对于巡航导弹的航迹规划,当前方法很多,但是对于协同作战来说如果采用前文提到的第2种方法,还需要保证协同作战巡航导弹的各航迹的航程满足下式:

其中,smax,smin为各巡航导弹飞行航迹航程最大值与最小值,vmax,vmin为巡航导弹最大与最小巡航速度,t为巡航导弹由发射阵地到突防点的飞行时间.

4.2　编队突防协同作战方式下的任务规划

对于巡航导弹编队突防的协同作战方式,每枚巡航导弹从所属平台发射之后,将沿着预先设置的导航点同时到达集结区,随后,弹上自主任务规划系统或地面任务规划系统将根据实时战场态势进行火力分配,并制定协同作战的末制导策略.因此,对于这种协同作战方式,发射前的任务规划需要确定两个点:导弹突防集结点与导弹分散攻击点,而巡航导弹的航迹也将分为3个阶段:发射阵地到突防集结点,突防集结点到分散攻击点,分散攻击点到目标瞄准点.从上面的分析可以看出,对这种协同作战方式的任务规划研究,主要包含以下几个部分:

1)集结点与分散点的确定;

2)巡航导弹3个阶段的航迹规划;

3)巡航导弹分散之后的火力分配.

4.2.1　集结点与分散点

巡航导弹的飞行区域可分为3个区域:我方控制区域、敌方控制区域以及末端攻击区域.集结点是巡航导弹协同作战集中编队,然后协同突防的位置点.因此,它应该选在我方控制区与敌方控制区交界处,同时敌方防御较为薄弱的地方.对于同一波次的攻击可能会有多个集结点.对于集结点来说,从不同发射阵地发射的巡航导弹要在同一时刻到达集结点进行编队,因此,集结点与发射阵地之间的飞行航迹同样需要满足巡航导弹同时达到的条件.因此,需要确定不同集结点对应的可用发射阵地,同样可以采用前文提到的不平衡指派问题算法,在此不再重复.

若巡航导弹编队攻击多个目标,则巡航导弹编队突防后,需要分散开攻击各自的目标,巡航导弹编队的分散区域便是分散点.若编队作战的巡航导弹只攻击单个目标,则不需要分散点.巡航导弹的分散点,一般选在巡航导弹飞行的末端,巡航导弹脱离编队后直接飞向攻击目标.巡航导弹的分散有两种方式:第1种方式是设置单一分散点,巡航导弹编队飞临分散点后,各自按照自己的攻击目标分散飞行;第2种方式是巡航导弹编队飞行时,当靠近某一攻击目标时,对目标攻击的巡航导弹脱离飞行编队对目标进行攻击,其他巡航导弹继续编队飞行.第1种方式在航迹规划方面比较容易实现,而第2种方式实现起来比较复杂,因此,本文主要研究第1种方式.

4.2.2　巡航导弹编队作战航迹规划

根据上面的分析,巡航导弹编队作战的航迹规划可分为3个阶段:第1阶段是巡航导弹发射阵地到集结点的航迹规划,第2阶段是由集结点到分散点,第3阶段是由分散点到攻击目标,如图1所示.

图1　巡航导弹编队作战航迹示意图

对于第1个航迹规划阶段,从发射阵地到集结点,这个阶段是巡航导弹在我方控制区域内的航迹规划,主要考虑的是地形对巡航导弹造成的威胁,按照集结点对应的巡航导弹发射阵地进行航迹规划,其规划算法前文已经作了详细的研究.在这个阶段的航迹规划中,虽然多个发射阵地发射,但是规划的飞行航迹中可能某些区域会同时有多枚巡航导弹飞过,因此,在航迹规划过程中对于多枚巡航导弹同时飞行的区域,要保证同一时刻此段飞行航迹的巡航导弹数量不能超过它的航迹容量,即同一时刻巡航导弹的最大数量,从而防止导弹飞行过程中与其他导弹发生碰撞,造成不必要的损失.

第2阶段由集结点到分散点的航迹规划,此阶段巡航导弹编队飞行.此阶段巡航导弹主要在敌方控制区域飞行,因此,巡航导弹面临的威胁除了地形威胁外,还有敌方的雷达与防空火力形成的威胁,同时由于多枚导弹编队飞行,在航迹规划的过程中,对于某些地形要考虑航迹的容量,以免导弹发生碰撞.同时对多枚巡航导弹编队飞行时,其队形是需要研究的,如领弹/攻击弹协同作战模式,一枚巡航导弹在高空飞行探测战场信息,其他巡航导弹根据领弹传递的信息低空飞行;或者“静默”攻击模式,一枚或几枚巡航导弹末制导雷达开机并提高飞行弹道,一方面获取战场信息并传递给其他巡航导弹,另一方面吸引敌方火力,编队中的其他巡航导弹低弹道静默飞行,从而提高编队的突防概率.

第3阶段由分散点到攻击目标为末端攻击区,巡航导弹飞离分散点后首先利用滚动使导弹的航迹角与由导弹实时位置和目标位置确定的应飞航向相同,然后将此时导弹位置与目标点重新建立新的理想航线,使导弹按此航线飞向目标.

4.2.3　巡航导弹分散之后的火力分配

巡航导弹编队在分散点分散后,各自攻击自己的预定目标.虽然编队中的各巡航导弹同时到达集结点,但由于由发射点到集结点的飞行航迹长度不同,因此,在分散点各巡航导弹攻击各自目标时,剩余飞行航程不尽相同.对于这种情况,为了防止出现巡航导弹因燃油耗尽而无法攻击目标的情况,在巡航导弹火力分配方面,可以按照剩余飞行航程少的巡航导弹攻击距离分散点近的目标这样一种原则进行火力分配.