考虑协同制导的编队一体化防空问题分析与求解

刘振 徐学文 李静

协同防空是提高航母编队生存的重要手段,是航母遂行重要作战任务的有力保障.以往所采用的防空体制,大多仅依靠固定的平台,在预定的平台节点之间构成作战隶属关系,缺乏灵活性和可扩展性.网络化的防空体系为当前航母编队防空提供了一种崭新的防空作战体制.将各平台不同的节点以网络化的方式连接起来,打破了平台之间的固定隶属关系,实现了平台角色之间的动态切换,从而可以在更广阔的空间范围和更充裕的时间范围内构成一体化作战网络体系.文献[1−2]较早注意到了一体化火控体系对整个战场作战态势的有力影响,提出了在不同平台之间采用非隶属的作战节点完成协同探测、协同发射和协同制导,在整个战场范围内,利用非隶属的探测节点完成战场信息探测,并形成拦截作战方案.

在未来复杂的战场作战环境下,可以将处于不同地域范围内的火力节点、制导节点和指控节点,依据当前战场态势和节点状态,构成动态的拦截联盟组合单元[3],从而有效地提高拦截效率和作战效能.这种思想的出现,为探讨多样化条件下的火力节点、制导节点和目标分配问题提供了一种新的思路.但同时也注意到,在编队协同防空过程中,不仅可以实现动态重组,同时在完成拦截任务之前,各个节点的状态功能还能实现动态切换,即火力节点、制导结点和指控结点在完成同一任务的拦截过程中,可以实现功能切换,当完成发射任务后,火力节点无法完成导弹的制导,可实现制导的交接,由其他能够完成制导的平台接管导弹的制导过程.

当前对于单艘舰艇平台或编队进行协同防空的研究已经较为广泛和深入[4−5],其中文献[6]利用基于危险理论的免疫多智能体方法,建立了舰艇编队的防空体系模型,文献[7−8]提出了利用预警机为舰艇平台提供目标信息,并引导舰空导弹趋向目标,提高我方舰艇平台超视距攻击能力.对于一体化的协同防空反导问题,特别是考虑到协同制导情况下的多平台武器协同运用,研究的相对较少,较多地关注多枚导弹协同制导律的设计[9−11].本文首先分析了编队一体化协同防空反导的基本框架,指出了航母编队协同制导问题的基本概念和分布式网络框架,对编队协同防空过程中协同制导体制进行了设计,并给出了协同制导交接的方案设计.在考虑协同制导体制下,可将一体化防空问题视作一个多阶段多目标优化问题,利用直觉模糊优选动态规划方法求解该问题,最后给出了仿真分析,充分验证了采用协同制导后对作战效果的影响.

1 一体化防空分布式网络框架

在航母编队一体化的防空网络体系下,多个探测平台、火力平台以及指控平台能够通过分布式网络进行连接,从而构成网络化的作战体系[12].可将航母编队协同防空过程划分为3个层次,分别是协同预警探测层、武器协同运用层、自卫抗击层,其中武器协同运用层又可以细化为多机武器协同运用阶段、舰机武器协同运用阶段以及舰舰武器协同运用阶段,其层次结构如图1所示.

依据一体化防空的作战层次结构关系,整个一体化防空的作战过程可以描述为:

1)在协同预警探测层中,预警探测平台一般部署在编队的前沿位置,用于监视整个战场的整体态势,首先对目标进行探测,获得态势信息后,通过网络化作战体系传送给整个战场作战平台共享信息.

2)在武器协同运用层中,当获得目标基本信息后,首先进入舰载机的攻击范围内,即进入多机武器协同运用阶段,舰载机攻击的对象一般为处于舰艇拦截范围之外的飞机目标,此时敌机尚未发射远程空舰导弹,可进行多机协同目标分配,因此存在多机协同制导问题,可以利用的作战武器主要是机载空空导弹.

3)在武器协同运用层中,当敌方飞机成功突防后将发射反舰导弹攻击我方编队,或者敌方舰艇平台发射反舰导弹后,此时便进入我方中远程舰空拦截区域,也就是进入舰机武器协同运用阶段.当敌方目标距离较远,我方发射平台无法有效探测到目标时,便可以进行舰机协同,此时主要对抗目标为敌方飞机目标或者反舰导弹.可利用预警机等其他中继平台提供探测和制导信息,实现舰机协同制导,此时可利用的攻击武器主要是中远程舰空导弹.

4)在武器协同运用层中,当多艘舰艇都能够发现目标并进行攻击时,可进行舰舰协同目标分配,即进入舰舰武器协同运用阶段,当舰艇因多种原因只能完成发射,而无法完成制导时,则可利用舰舰协同制导实现对目标的攻击,此时可以利用的主要攻击武器为中远程舰空导弹.

5)自卫抗击层为一体化防空作战的最后一个阶段,也就是航母平台多种武器综合运用阶段,此时可以利用的攻击手段为电子对抗、近程舰空导弹以及近程防御系统.

在一体化的防空网络体系中,将作战单元通过网络统一连接起来,共享态势信息、控制信息和作战信息,通过各平台有机地整合和重组,提供最佳的探测信息、指控信息,力求能获得最佳的作战效果.一般意义上,根据协同防空作战的层次关系,一体化的防空网络体系划分为3层网络:预警探测网、指挥控制网和火力网.一个作战平台可处于3种网络中,并在不同时刻能够进行状态的动态切换.在图2中可以看到,每个平台可处于不同的网络组织关系中,其网络隶属信息标识于该平台的下方.

2 一体化防空协同制导问题分析与设计

2.1 协同制导体制设计

在多平台武器的协同运用中,各平台所配属的资源可以在整个分布式网络之间共享,即意味着不同平台的指控节点、武器节点以及传感器节点可以有机构成一个整体进行使用.根据协同一体化防空作战的实际情况,并结合航母编队防空作战的整个过程,主要考虑在3种情况下可采用协同制导体制,飞机平台与飞机平台之间为实现空空导弹的制导而采用的协同制导体制,称之为机机协同制导体制;舰艇与舰艇平台之间为移交舰空导弹的制导权而采用的制导体制,称之为舰舰协同制导体制;舰艇平台通过飞机平台的中继制导,将指令信息提供给导弹而采用的协同制导体制,称之为舰机协同制导体制.

2.1.1 机机协同制导体制

当敌方飞机目标距离我方较远时候,此时敌机尚未发射导弹攻击我方航母编队,因此,我方舰载飞机可以起飞进行拦截,此时便涉及到多机协同制导问题[13].机机协同制导的表示如图3所示.双机或多机协同制导就是在分布式网络化的作战条件下,当发射平台(交班平台)无法有效地对所发射的导弹进行制导后,发射平台和制导平台(接班平台)共享战场态势信息,发射平台在导弹发射后,将空空导弹的中制导权交给制导平台,由制导平台对导弹进行中制导.

2.1.2 舰舰协同制导体制

当敌方飞机目标成功突防以后,将发射空舰导弹攻击我方航母编队,或者敌方舰艇平台发射反舰导弹后,此时我方舰艇平台需要发射中远程舰空导弹进行拦截.舰舰协同制导可以完成对敌反舰导弹和飞机目标的协同打击.以舰舰协同对抗反舰导弹为例进行分析说明,舰舰协同制导问题如图4所示,舰艇平台A与舰艇平台B能够进行良好的通信,对抗的目标为敌方反舰导弹T.

舰舰协同的主要目的是在初始阶段,舰艇平台B或其他组网探测平台提供探测信息给舰艇平台A,平台A完成导弹的发射,同时当满足制导交接条件后,由平台B对导弹进行中制导,并最终实现对目标T的拦截,此时平台A为交班平台,平台B为接班平台.

2.1.3 舰机协同制导体制

当目标距离较远时,由于舰艇平台受到地球曲率的影响,虽然满足导弹射程,但舰艇平台无法有效发现目标,因而无法对所发射的导弹提供制导信息.此时飞机平台可以有效地把目标信息传送给舰艇平台,并将舰艇平台的指令信息,传送给导弹,从而控制导弹趋向于目标,飞机平台起到了中继制导的作用.舰艇平台与飞机平台协同制导可以完成对敌反舰导弹和飞机目标的协同打击.以舰机协同反导为例进行分析说明,其示意图可表示为如图5所示,舰艇A和空中平台C组成舰机协同制导作战编队,其中T为低空来袭的反舰导弹.

舰机协同制导作战流程概述为:目标首先处于平台C的视距内,平台C发现跟踪目标,并通过编队数据链将目标信息传送给舰艇A,舰艇A依据接收的目标数据完成舰空导弹的发射.在导弹飞行过程中,平台C实时向舰艇A传送目标信息,舰艇A将目标信息传送给导弹,导弹根据接收的目标信息和惯导装置测得的导弹状态,拦截目标,实现对来袭目标的超视距拦截.

2.2 协同制导交接方案

在完成协同制导过程中,需要设计一个可靠的交接方案,确保发射平台可以顺利地将导弹的中制导权进行交接.提出的协同制导交接方案为:

1)在发射平台发射导弹后,发射平台即为交班平台,需要不断对导弹进行跟踪,同时接收接班平台传送的目标信息,经时空一致性转换后向导弹发送制导指令.

2)交班平台的交接形势判断模块,在导弹飞行过程中不断地进行信息的解算,并判断是否满足交接条件,若满足,则实行交接.

3)交班平台向接班平台发送“开始交接”信号和导弹的飞行状态等信息.

4)接班平台接收“开始交接”信号,控制接班平台雷达向有利于交接的区域转动,此时接班平台同时发送查询信号,同时不断等待对方的应答信号.

5)此时导弹在不同的时间范围内接收两个平台给出的指令,并同时给予不同的应答信号.

6)接班平台判断是否完成交接,若完成交接,则发出“交接已经完成”信号.

7)交班平台在得到“交接已经完成”信号后,放弃对导弹的制导,此时导弹已经完全由接班平台制导,完成了一次交接.

3 求解一体化防空的直觉模糊优选动态规划

考虑协同制导体制后,一体化防空问题可视作一个多阶段多目标优化问题.当前已经有学者提出了一些方法用于求解多阶段多指标值时的火力调度和优化[14].文献[15−16]利用模糊优选动态规划方法求解干扰方案决策问题,取得了不错的效果.当利用具有模糊优选的动态规划模型处理多阶段多目标优化问题时,需要给出精确的目标值,这在实际的战场情况下,往往是无法实现的,直觉模糊优选动态规划方法[17]可以有效地处理当指标值以模糊数、区间数等形式给出时多阶段多指标决策问题,从而获得较为满意的一体化防空作战决策方案.假定此时协同防空共有k个阶段和m项指标,本文依据文献[17]所提出的方法,从初始阶段开始,此时的滚动递推方程表示为:

Hk(Sk,dk)表示第k个阶段的状态过程为Sk时,决策向量dk的m个指标值构成的向量,⊕表示合成算子.

将方案xi对集合“优”的隶属关系视为一个直觉模糊数βi(Sk)=(δi(Sk),γi(Sk),ηi(Sk)),δi、γi和ηi分别为隶属度、非隶属度和不确定度,可将其看作方案xi对 “优”、“劣”、“不确定”3种不同方案集的相对隶属度.为了得到δi、γi和ηi的最优解,构建优化准则为:方案xi分别到正理想方案(Sk)、负理想方案(Sk)及最不确定方案(Sk)的加权距离平方和最小,由此可以求解获得δi(Sk)、γi(Sk)和ηi(Sk).当满足max{δi(Sk)}时,可得阶段k状态Sk的暂定最优决策,暂定最优状态为,暂定最优指标合成向量为:因为初始阶段共有L个暂定最优状态,最终阶段k的合成矩阵为:

令()=vit(),获得第k个阶段的暂定最优状态相应的隶属度,则max{δj()}的状态为最优状态,其对应的向量为:

4 仿真分析

在本部分的仿真分析中,设计了一种较为复杂的仿真情景.当敌方出动飞机对我航母编队进行攻击时,首先考虑当敌方空中目标距离较远时,利用我方舰载机对抗敌方空中目标,如未成功拦截目标,进入舰机和舰舰协同拦截阶段,利用中远程舰空导弹拦截敌方空中目标,当目标距离较近时,可利用近程防空导弹进行拦截,对抗拦截示意图如图6所示.

1)对抗的第1个阶段为多机协同运用阶段,首先由部署在最前沿的战斗机发现敌方目标,J1所用导弹消耗完毕,但制导系统良好,此时的攻击方式为发射空空导弹进行拦截,可采用的作战方案有两种,分别是:J2发射导弹后J1进行制导,J2发射导弹并由本机进行制导.

2)对抗的第2个阶段为舰机协同运用阶段,由预警机C提供中继制导信息对Z1发射的导弹进行协同制导,此时的攻击方式为发射中远程舰空导弹,当不采用协同体制的时候,该对抗阶段无法实现.

3)对抗的第3个阶段为舰舰协同运用阶段,由于超视距的原因,导致此时Z2无法对所发射的导弹实行制导,由Z1对Z2所发射的导弹实施接力式协同制导,此时的攻击方式为发射中远程舰空导弹,攻击方案有两种,分别是:Z2发射导弹后由Z1制导,Z1发射导弹并由本平台Z1制导.

4)对抗的第4个阶段为航母平台进行的自卫抗击手段,此时的自卫攻击方案有3种,分别是:发射近程舰空导弹、实施无源干扰、利用近程防御系统,为了使问题更加清晰,假设在对抗过程中我方只使用导弹对抗敌方目标,故第4阶段可用方式为发射近程舰空导弹,作战方案可考虑3种,分别是发射1枚、2枚和3枚导弹.

通过总结和归纳,可得到在各个阶段的作战方案及其指标值如表1所示,其中加粗字体表示采用了协同制导后可考虑采用的拦截方案.

表1 作战方案及其指标值

在各个阶段的对抗过程中,能够使防空反导概率越大并且消耗资源越少的方案,视为一个优等决策,不同阶段的方案指标值如表1所示,从中可以看到每一个阶段的作战方案数目分别为4、2、4和3.第1个指标为越大越优型指标,第2个目标为越小越优型指标,对于目标1,合成算子⊕=Fk−1()×Hk(Sk,dk),对于目标 2,合成算子⊕取相加即可,设定两种目标的权向量分别为:w=(0.6,0.4).将每个阶段的各项指标值视为各个阶段的输出值,将初始指标值向量设置为:U=[1,0]T.整个仿真分为两部分进行阐述分析.第1种情况为不考虑协同制导体制下的方案决策方法,整个对抗过程便简化为3个阶段,即第2个阶段不存在,第2种情况为考虑协同制导体制的方案决策方法.

4.1 不考虑协同制导下的多阶段多目标决策方案

1)在阶段k=1,可使用的方案为J2发射空空导弹,假定发射一枚空空导弹时,命中概率和资源消耗分别是:F1(1)=(1,0)⊕([0.5,0.6],0.15)=([0.5,0.6],0.15),F2(1)=(1,0)⊕([0.6,0.7],0.3)=([0.6,0.7],0.30).

2)由于没有采用协同制导,故不考虑第2个阶段,在阶段k=3,将第1阶段的输出作为暂定最优策略,并以此作为该阶段的输入,则可得到:

解得δ()=(0.634,0.547).由 max{δ()}=0.634,可得知阶段3的暂定最优状态为=3−3,即第3阶段采用第3种作战方案,则在第3阶段的暂定最优决策为发射一枚舰空导弹进行拦截.

3)在阶段k=4,可得δ()=(0.589,0.426),可得阶段4最优状态决策为=3−3−1,即在第4个作战阶段采用第1种作战方案,则在该阶段的暂定最优决策为发射1枚舰空导弹,此时的暂定最优指标向量为:F4(S4)=([0.385,0.527],0.6)T.

4)同理当初始阶段取发射两枚空空导弹的方案时,F4(S4)=([0.483,0.630],0.65)T,在最后阶段各全局最优合成值向量组成的暂定最优目标合成值矩阵为:从而可得到δ(S)=(0.426,0.478).

利用直觉模糊优选的方法得到目标合成值隶属度为:0.432,对应的方案选择为:3—3—1,即当不考虑协同制导体制下,多阶段武器运用方案为:第1个阶段发射一枚空空导弹,第3个阶段发射一枚中远程舰空导弹,第4个阶段发射一枚近程舰空导弹.相应的全局最优合成值向量为:F∗=([0.84,0.91],0.55)T,此时防空反导概率在[0.84,0.91]之间,资源损耗为0.55.

4.2 考虑协同制导体制的多阶段多目标决策方案

由于考虑了协同制导体制,故可采用第2阶段的拦截方案,第1阶段和第3阶段的协同制导方案也在候选方案范围内,在阶段1开始,从暂定最优状态开始进行递推,可以分别得到对应的最优决策,推理方式与第1部分相似,这里不再赘述,最终得到的最优目标合成值矩阵为:

解得δ(S)0=(0.491,0.743),其对应的过程为:2—1—3—1,即考虑协同制导的多阶段武器运用方案为:在第1阶段利用协同制导发射两枚空空导弹,第2阶段利用协同制导发射一枚中远程舰空导弹,第3阶段发射一枚中远程舰空导弹,第4个阶段发射一枚近程舰空导弹.相应的全局最优合成值向量为:F∗=([0.93,0.99],0.63)T,此时防空反导概率在[0.93,0.99]之间,资源损耗为0.63.

可以看出在考虑协同制导后,全局最优合成值向量,即防空反导概率达到0.93以上,相比未采用协同制导以后有了明显的提高,而资源损耗只是略有增加,显示出考虑协同制导后,使得拦截方案的多样性增强,利用直觉模糊优选动态规划方法能够从多种方案中,综合选择出多种指标值最优的方案,显示出方法的适用性.

5 结论

本文对当前航母编队防空问题进行了深入分析,在考虑协同制导影响因素后,建立了一体化化防空的层次化决策模型,给出3种协同制导体制和协同制导的交接方案,提出了一种直觉模糊优选动态规划方法,用于求解考虑协同制导的一体化防空问题,最后利用仿真分析验证了所提出的一体化防空模型和求解方法的正确性.一体化防空问题是一个复杂的多阶段多目标优化问题,考虑的因素较多,在后续的工作过程中,应进一步细化多阶段层次化作战方案和作战指标,提高防空作战效果.