面向体系化作战的反导指控仿真系统研究

冷志成，张灏龙，薛凤桐，刘瑞峰

(1. 中国人民解放军92578部队，北京 100161；2. 中国航天系统科学与工程研究院，北京 100048)

1 引言

在现代战争中，及时快速地获取战场信息并对信息进行处理决策，已经成为决定战争胜利的重要手段。指挥控制系统作为信息化体系化战争中的主要参战装备，是保证多种装备协同作战并发挥最佳作战效能的核心[1]。美国作为现代军事强国，已经构建了包括先进作战管理系统(ABMS)、指挥控制交战管理与通信(C2BMC)等指控系统，形成了联合一体化、高效的指控体系，并在近年来的局部战争中得到了验证[2-3]。

以导弹防御为例，美国从冷战时期就已经开始建设反导系统，实现本土防御和地区防御。2002年1月美国将弹道导弹防御办公室(BMDO)更名为导弹防御局(MDA)，提出建设分层反导体系，形成全球导弹防御能力[4]。经过近二十年的发展，美国弹道导弹防御系统(Ballistic Missile Defense System，BMDS)已经具备了“三段四层”的全球一体化导弹防御能力[5]。BMDS系统囊括了美国在全球部署的各类导弹防御资源，包括天基卫星、海基/陆基雷达、宙斯盾反导系统、陆基中段反导系统以及末段高/低层反导系统等。

由于美国BMDS组成单元多、结构复杂，需要一个指控系统完成对分布在全球的反导资源的协调控制。指挥控制交战管理与通信(Command and Control， Battle Management， and Communications，C2BMC)系统[6]作为BMDS中的指控中心，实现对多源探测信息的数据融合、分布式反导资源的任务规划、火控系统作战方案的生成等功能，辅助指挥人员决策，其工作流程如图1所示

图1 BMDS工作流程

本文在导弹攻防作战的背景下，面向联合作战需求，以美国反导指控系统为框架，以态势感知与决策分配为核心功能，搭建一种面向体系化作战的指控仿真系统，形成有效支撑导弹攻防对抗的作战仿真推演验证环境。

2 反导指控仿真系统总体设计

2.1 系统组成

根据上述对美国反导系统的描述，本文针对反导作战中的指挥控制系统进行设计，系统的组成如图2所示。面向体系化作战的需求，基于分布式中间件、搭建好的雷达仿真系统、卫星仿真系统以及拦截弹的仿真系统，构建反导指控仿真系统。该系统主要包括三部分：显控子系统、数据库子系统和算法库子系统。

图2 反导指控仿真系统组成

2.2 显控子系统

显控子系统是作战指挥控制系统中主要的人机交互与控制系统，通过与算法库、中间件以及数据库中的作战信息数据等交互完成作战信息处理、作战规划以及人在回路作战控制等功能，最终实现对战场态势信息、作战决策信息以及拦截作战信息的展示与控制，包括战场态势的二维、三维显示，探测信息、目标信息、拦截方案信息、作战决策信息等。显控子系统可以分为5个模块二维态势显控模块、三维态势显控模块、态势评估显控模块、作战资源显控模块和作战决策配置模块，系统结构如图3所示。

图3 显控子系统结构图

2.3 数据库子系统

数据库存储各防御单元的仿真系统和数据融合、作战规划等过程中产生的数据信息，主要包括态势感知信息以及决策控制信息。数据库的逻辑结构设计如图4所示。

图4 数据库的逻辑结构

1)卫星信息：卫星信息包括预警卫星的名称、工作状态、位置坐标等信息。

2)雷达信息：雷达信息主要包括雷达名称、工作状态、测量条件参数、部署位置等。

3)拦截弹信息：拦截弹信息包括拦截弹名称、状态、部署位置等。

4)拦截基地信息：拦截基地信息主要包括拦截基地名称、位置，存储拦截弹的名称、数量等信息。

5)目标探测信息：目标探测信息主要指探测的点迹信息，包括探测信息名称、来源名称、目标类别、时戳、探测位置坐标、速度信息等。

6)目标航迹信息：目标航迹信息是经过航迹融合后的点迹关联信息，主要包括航迹(目标)名称、目标航迹类别、包含的点迹名称、对应的时间、目标对应的位置及速度等信息。

7)目标弹道信息：目标弹道信息是经过弹道预报算法处理过后的实时数据信息，包括目标弹道名称、弹道对应的目标名称、对应的时间、落点位置、预测的位置和速度、剩余飞行时间等。

8)目标威胁信息：目标威胁信息是对目标威胁程度评估后的信息，主要由目标名称、威胁程度、威胁顺序等信息元素组成。

9)拦截弹状态信息：拦截弹状态信息主要是拦截弹在拦截飞行时的状态信息，包括拦截弹名称、时戳、飞行状态、位置坐标、速度、姿态等。

10)拦截方案信息：拦截方案信息是按照拦截预判算法计算得到的可拦区间结果，主要包括目标名称、时戳、可用拦截弹名称、拦截概率、可拦区间、发射区间等。

11)分配决策信息：决策分配信息是任务分配算法根据各项约束计算出来的作战决策结果，主要有拦截弹名称、时间、打击目标名称、预瞄时间、预瞄点、发射时间、发射角度等信息。

2.4 算法库子系统

算法库子系统是完成作战指挥控制系统功能的重要部分，实现对探测信息的融合、航迹关联、弹道预报、威胁排序、毁伤评估以及拦截解算等功能。算法库中主要包括：流程控制模块、航迹融合算法、弹道预报算法、毁伤评估算法、威胁排序算法以及拦截解算算法，其结构图如图5所示。

图5 算法库结构图

流程控制模块是算法库子系统中的主控部分，也对整个作战指挥控制系统的功能实现有着重要的作用。流程控制模块设计了与各功能算法的接口，实现对各功能算法的灵活调用与可扩展。此外，流程控制模块与显控子系统进行信息交互，通过显控子系统设置的功能按钮，与各功能算法以及数据库相关数据关联，满足指挥人员应用功能算法完成感知数据的融合以及拦截方案和作战分配策略的自动生成等操作需求，实现对战场态势感知与作战决策控制的人机交互，更好的支撑防御作战。

对于各功能算法，已经发展得比较成熟，本系统可按照给定的接口进行改造接入。航迹融合算法主要完成对卫星航迹、雷达航迹，以及多种雷达航迹的融合，可以根据不同传感器的置信程度进行加权，融合得到探测目标数据。基于融合后的探测目标数据，根据识别的目标类型有针对性的开展弹道预报，获取目标的弹道信息、落点以及剩余飞行时间等，支撑后续的威胁排序以及任务分配。在此基础上，应用威胁排序算法对各来袭各目标按照打击目标价值、目标威胁性、飞行速度、剩余飞行过时间等因素进行威胁等级评估，给任务分配算法提供输入。拦截预判算法是基于弹道预报数据，对各目标的可用拦截弹、可拦截区间、拦截概率等开展计算，形成各目标的拦截方案供指挥人员选择。最后任务分配算法基于威胁排序和拦截预判结果，结合各拦截阵地的部署位置、拦截能力、拦截弹存储数量等约束条件，用最小的成本规划出最优的拦截决策方案，支撑指挥人员的防御作战。同时，各功能算法支持通过显控系统的人机交互，按照指挥人员的经验完成态势感知与指挥决策。

3 反导指控仿真系统工作流程及数据接口

3.1 反导指控仿真系统工作流程

在攻防对抗作战中，反导指控仿真系统的工作全过程如图6所示。进攻导弹发射后，在其主动段，卫星仿真系统发现其尾焰，获得初始预警信息并发出预警，同时对来袭进攻弹实时跟踪，将目标的探测结果通过中间件发送给数据库进行存储。根据卫星的预警信息，预警雷达按照预警信息的指引进行探测跟踪，使其较高效地完成远程预警雷达的预警跟踪。预警雷达仿真系统对进攻导弹进行连续探测跟踪，将探测信息传送给数据库，得到包括进攻导弹位置、方向和速度等点迹信息。通过调用航迹融合算法将预警卫星的探测信息与预警雷达的信息进行数据融合，系统获得进攻导弹的航迹信息。结合雷达的探测信息，系统调用算法库中的弹道预报算法，对导弹弹道进行预测，得出弹道及落点，传递给数据库保存。在指控系统中，根据进攻导弹预测的落点、剩余飞行时间、类别等因素对来袭目标进行威胁排序，系统调用算法库中威胁排序算法完成对战场态势的评估，得到各进攻导弹的威胁程度排序。在得到目标信息后，系统结合拦截弹的部署情况进行拦截预判，计算各拦截弹可拦截区间、拦截概率、发射时间等信息，形成拦截方案并存到数据库。在此基础上，系统根据不同进攻弹的威胁等级、拦截弹的可拦截区间以及拦截弹的数量等约束条件，调用任务分配算法对拦截任务进行分配，形成优化的作战决策方案存储在数据库中，并将拦截条件及装订的目标信息发送给拦截弹。最后，拦截弹根据发射条件进行发射拦截，再根据拦截任务完成情况判断是否进行二次拦截。

图6 反导指控仿真系统工作流程

3.2 反导指控仿真系统数据接口

根据上述对反导指控仿真系统的设计及工作流程，数据库是整个指控仿真系统的核心。数据库通过中间件存储各反导资源仿真系统的数据信息，经算法库各功能算法的处理并存储在数据库后，在显控子系统进行展示。指控仿真系统具体接口见表1。

表1 数据接口

4 仿真示例

为了验证上述反导指控仿真系统的有效性，针对系统的设计，搭建了面向体系化作战的反导指控仿真原型系统，在某假定的作战场景下开展仿真验证，其三维显示界面和拦截指令如图7和图8所示。

图7 面向体系化作战的反导指控仿真原型系统三维显示界面

从图7中可以看出，原型系统实现了对来自卫星、雷达等探测数据的收集(如图7中“目标航迹探测”表格所示)，并对探测数据进行融合形成威胁目标(如图7中“航迹融合分析”表格所示)；在此基础上，开展来袭目标的弹道预报和威胁分析(如图7中“目标航迹探测”表格所示)。结合拦截弹的能力，系统对分布在各地拦截弹开展拦截预测，形成不同拦截弹打击不同目标的拦截概率和推荐拦截时间(如图8中表格所示)。最后的拦截指令可以通过两种模式生成：自动生成和人在回路干预生成，自动生成是按照系统内置规则生成；人在回路干预生成则是根据指挥员的知识经验在拦截弹的拦截区间进行点选。

图8 反导指控拦截操作窗口界面

6 结语

反导指控系统是现代战场中重要的信息化武器，可以夺取信息优势和决策优势。本文面向体系化作战仿真需求，基于导弹攻防对抗的背景下，设计出了一种以态势感知与决策分配为核心功能的导弹防御作战指挥控制系统。本文在研究美国反导系统的基础上，给出了反导指控仿真系统的结构与功能，根据系统设计搭建了原型系统并开展了仿真示例验证，为后续在联合仿真条件下，建设作战指挥控制系统提供了一种有效的解决方案。