中国指挥与控制学会会刊 
随着无人机技术的发展,登陆部队在作战过程中除了面临战场监视直升机、武装直升机等传统威胁外,低成本无人机群协同攻击的威胁也越来越突出。传统高机动超近程防空作战只有关于火力打击手段的作战管理模型,没有考虑火力打击与电子对抗之间、雷达探测与电子对抗之间的行动协同,缺乏精细的态势评估[1-5],不能利用有源、无源设备的探测信息支撑指挥人员进行对空态势综合分析,缺乏针对复杂态势指挥多种软硬防空武器进行协同拦截的能力[6-12],作战效能较低。因此本文设想两栖作战任务中高机动超近程防空系统的构成,并对作战中的对空态势分析和电火协同拦截决策技术进行研究,针对典型登陆作战场景,根据系统内有源与无源探测信息,提出分层多次修正的对空态势评估方法,同时给出电火协同拦截分配的模型,实现火力打击与电子对抗之间、雷达探测与电子对抗之间、指挥通信与电子对抗的统一指挥控制,满足高机动防空作战的实际需求。
1 高机动超近程防空系统构成
本文设想的高机动超近程防空系统配备目标指示雷达、弹炮结合、光电对抗、雷达对抗、通信对抗等装备,系统组成示意图如图1 所示。指挥控制装备作为作战管理系统的载体是整个高机动防空系统的中心,在无线通信网络的支撑下对下属各类装备进行指挥与控制,形成一个有效的防空作战单元。弹炮结合、光电对抗、雷达对抗、通信对抗等各型装备按距离形成多层次的电火协同拦截防御体系。在作战过程中,指挥控制装备借助目标指示雷达搜索、跟踪来袭目标,快速建立目标航迹,精确解算目标状态,利用速度、高度信息粗判目标类型,在进行目标威胁程度判断后,统一对所属弹炮结合、通信对抗、雷达对抗、光电对抗等武器进行指挥和分配拦截目标,并由无线通信将目标指示信息传输至对应武器装备,引导其对目标实施火力攻击和干扰对抗。统一作战管理的基础是对空态势综合分析和电火协同拦截分配模型,尤其是对空态势分析模型的正确程度将直接影响软硬武器对目标的拦截效果。
2 高机动超近程防空作战的态势评估方法
登陆兵力面临可能的空中威胁包括战场监视直升机、武装直升机,未来最可能的空中威胁是低成本无人机、武装直升机组成的对地攻击编组,攻击编组中武装直升机负责登陆场内目标侦察与毁伤评估,低成本无人机则进行对地攻击,或者由低成本无人机利用激光照射引导导弹对海上车辆或舰船目标进行攻击。在登陆过程中,为了有效抗击登陆场内的空中威胁,组织好软硬武器进行电火协同拦截,首先需要对登陆战内的空中态势进行评估,给出空中目标的威胁排序。本文结合目标指示雷达、雷达对抗、光电对抗设备的探测信息给出一种分层多次修正的态势评估方法。
首先利用雷达目标航迹信息的航路捷径、临空时间、飞行高度通过传统方法进行态势评估,将高机动超近程防空的来袭目标分为小威胁目标、中威胁目标、高威胁目标,即三级目标、二级目标、一级目标,即
Level =
基于目标运动特征的态势评估不够精细,为了得到同一防御层目标的评估细分结果,可以利用雷达对抗、光电对抗的侦察信息对目标进行精细分析,并进行多次修正评估结果。
基于雷达对抗侦察信息的态势评估模型:
(1)计算来袭目标所载雷达设备的波长BW隶属度,登陆场内高威胁目标的雷达对地攻击模式下的波长通常为3 cm、3 mm、8 mm,因此隶属度计算方法为
R1(BW)=
其中,vBW为目标所载雷达设备波长值。
(2)计算来袭目标所载雷达设备的重频特征PRI隶属度,计算方法为
R2(PRI)=
其中,vPRI为目标所载雷达设备重频值。
(3)计算来袭目标当前工作状态的综合隶属度并进行工作状态综合,计算方法为
R(Mode)=ωr1*R1(BW)+ωr2*R2(PRI)
其中,wr1、wr2分别表示预先给出的R1(BW)和R2(PRI)的权重系数,一般可取为wr1=wr2=0.5。
基于光电对抗侦察信息的态势评估模型:根据光电对抗设备上报信息给出来袭目标所载光电设备辐射激光意图的隶属度,计算方法为[5]
R(laser)=
对雷达对抗、光电对抗信息的评估结果进行合成,即
Ci=1-
通过Ci对初步评估结果进行修正,进而可以得到最终的态势评估结果,即
Level(T)=
显而易见,利用式(6)可以综合目标不同阶段对雷达、光电辐射源的分析结果,并且提高评估结果的置信度,表1 给出典型算例。
表1 分层多次修正的态势评估算法Tab.1 A situation assessment algorithm with layered and multiple revisions |
| 目标距离 | 初始 Level(T) | R(Mode) | R(laser) | 综合 Level(T) |
|---|---|---|---|---|
| 10 km | 1 | 0.3 | 0 | 1.7 |
| 8 km | 2 | 0.65 | 0.6 | 2.86 |
| 4 km | 3 | 0.85 | 1 | 4 |
3 高机动超近程防空协同拦截决策技术
针对登陆场内战场监视直升机、武装直升机、低成本无人机、空地导弹的特点,指挥控制装备进行火力打击、雷达对抗、通信对抗、光电对抗拦截任务分配总的原则包括:
(1)登陆作战时,目标拦截优先级顺序是按空地导弹、无人机群、武装直升机、战场监视直升机的顺序进行分配;
(2)针对远距离的战场监视飞机,分配雷达对抗装备对其机载监视雷达进行干扰,使其无法对海面登陆车辆和舰船进行探测;
(3)针对中近距离的武装直升机,分配雷达对抗装备对直升机机载多功能雷达进行干扰,使其无法对海面登陆车辆和舰船进行探测,分配通信对抗装备对其空地、空中协同通信进行干扰;
(4)针对近距离的低空武装直升机,在弹炮结合装备导弹有余量时,优先使用导弹进行拦截,并依据杀伤区、目标捕获距离、目标分配距离等要素进行导弹拦截任务分配,没有导弹余量时,则进行弹炮结合装备火炮拦截任务分配,通过判断目标是否满足某弹炮结合装备的火炮最大分配距离、最小分配距离、最大有效射击高度来实施拦截任务分配;
(5)针对近距离的低空无人机群,分配弹炮结合装备进行火炮打击的同时,可以分配通信对抗装备对其遥控信号进行干扰,使其对方无法遥控无人机群对海面登陆车辆和舰船进行打击;
(6)针对近距离的来袭空地导弹,分配弹炮结合装备进行火炮打击的同时,可以分配光电对抗装备对其红外、激光制导、毫米波制导进行干扰,使导弹无法对海面登陆车辆和舰船进行打击;
(7)由于高机动超近程防空的指挥时效性问题,若有多个弹炮结合装备同时满足目标拦截条件,不进行类似远程防空拦截任务的整体优化,而是直接指定航路捷径最小的弹炮结合装备进行拦截;
(8)由于超近程防空中导弹、火炮的火力兼容问题,目标拦截任务只指定单个弹炮结合装备实施拦截,不考虑多个弹炮结合装备同时拦截的情况,弹炮结合和雷达对抗、通信对抗、光电对抗进行软硬协同;
(9)在指挥控制装备目标指示雷达受干扰的情况下,利用目标指示雷达的干扰方位指示实施目标拦截任务分配,若无法给出方位指示,各弹炮结合装备自主实施目标拦截,在指挥控制装备通信链路受到干扰时,各弹炮结合装备自主实施目标拦截。
高机动超近程拦截任务分配的流程见图2 。
根据以上的规则,实施具体电火协同拦截的决策技术包括:
(1)弹炮结合装备导弹拦截分配决策技术
导弹拦截任务分配原则涉及空间约束条件、时间约束条件、资源约束条件。轻型高机动防空作战管理系统主要依据弹炮结合装备资源是否可用、目标是否通过导弹杀伤区、目标航向距离三个约束条件实施导弹拦截任务分配。
弹炮结合装备导弹拦截目标的第一个条件是资源约束条件,资源约束指是否有满足射击条件的弹炮结合装备,主要资源状态包括弹炮结合装备可用状态、工作状态、导弹可供状态。资源约束的充分必要条件是只有弹炮结合装备可用状态正常、光电搜跟设备开机、导弹有剩余量时,才能保证该弹炮结合装备的资源约束条件具备可用性。
弹炮结合装备导弹拦截目标的第二个条件是目标必须能通过其导弹杀伤区,包括目标航路捷径小于弹炮结合装备可射击目标的最大航路捷径,目标高度小于弹炮结合装备的最大拦截高度、大于最小拦截高度,目标速度小于弹炮结合装备可拦截最大速度。
记能够射击目标的集合sj为
sj=
其中,sj为满足空间约束条件的第j个弹炮结合装备能够射击的目标集合,Hi为目标i的飞行高度,Pij为目标i对弹炮结合装备j的航路捷径,Pjmax、Hjmin、Hjmax、Vjmax分别为弹炮结合装备j可射击目标的最大航路捷径、最大高度、最小高度和可拦截目标的最大速度。
航路捷径Pij的计算方法为
Pij= -
不同于威胁等级评估中以被保护目标为本地坐标系,这里目标位置(x,y)为以该弹炮结合装备j为本地坐标系下为基准(如图3 ),vx为目标东向速度,vy为目标北向速度。
弹炮结合装备进行导弹拦截判断的第三个条件是目标航向距离约束判断,包括捕获目标距离Dm,a、目标分配距离Dm,d、目标到弹炮结合装备的航向距离di的关系判断(如图4 ),三者需满足
Dm,a<di<Dm,d
即目标到弹炮结合装备的距离di小于目标分配距离Dm,d,并且大于捕获目标距离Dm,a。
Dm,a是指能保证弹炮结合装备在光电跟踪设备的最大探测距离发现目标,系统最迟向弹炮结合装备发送目标指示时目标与该弹炮结合装备的水平距离,弹炮结合装备捕获目标距离Dm,a的计算方法为
Dm,a=Da,max+Vt*
其中,Da,max为光电设备最大探测距离,ta,max为光电搜跟设备最大操作时间,Vt为目标速度,T为指挥操作时间。
弹炮结合装备目标分配距离Dm,d是指能保证弹炮结合装备在迎击杀伤区远界有效杀伤目标,系统最迟向弹炮结合装备发送目标指示时目标与该弹炮结合装备的水平距离,这一分配距离既不提前占用光电跟踪设备资源,又可保证在远界杀伤目标。弹炮结合装备导弹目标分配距离Dm,d的计算方法为
+Vt*
其中,Dm,max为导弹杀伤区远界,tm,max为导弹发射完成时间,Vt为目标速度,T为指挥操作时间。
对于超近程防空作战,如果某待拦截目标同时符合多个弹炮结合装备的三个拦截约束条件,则按最小目标航路捷径进行拦截任务分配。
(2)弹炮结合装备火炮拦截分配决策技术
火炮拦截任务分配的主要依据包括弹炮结合装备资源是否可用,目标航向距离与目标分配距离的关系,以及目标高度和火炮最大有效射高的关系。
弹炮结合装备火炮拦截目标判断的第一个条件也是资源约束条件,资源约束是指是否有满足射击条件的弹炮结合装备,主要的资源包括弹炮结合装备可用状态、工作状态、炮弹可供状态。类似于导弹拦截任务分配,火炮拦截资源约束的充分必要条件是只有上述三种状态均可用时,才能保证该弹炮结合装备的资源约束条件具备可用性。
弹炮结合装备火炮拦截目标判断的第二个条件判断目标航向距离di与火炮允许射击距离Dc,s、捕获目标距离Dc,a间的关系,以及判断目标高度hj和火炮最大有效射高He的关系。
指定弹炮结合装备火炮对目标实施拦截的具体依据是目标到弹炮结合装备的距离di大于最小分配距离Dc,a并且小于最大分配距离Dc,a(如图5 ),目标高度hi低于该装备火炮最大有效射高He,即
Dc,s<di<Dc,a
hi<He
弹炮结合装备最大目标分配距离Dc,a为
Dc,a=Dc,max+Vt*
弹炮结合装备最小目标分配距离Dc,s为
+Vt*
其中,Dc,max为火炮最大有效射击距离,Dc,min为火炮最小允许射击距离,tmax为Dc,max时弹丸飞行时间,tmin为Dc,min时弹丸飞行时间,Vt为目标速度,T为指挥操作时间。
类似于导弹拦截任务分配,如果多个弹炮结合装备同时满足射击条件,则按最小航路捷径Pj进行弹炮结合装备火炮拦截任务分配。
(3)通信对抗装备拦截分配决策技术
通信对抗装备主要作战对象为飞机间的协同通信、飞机与空射武器间的控制信号以及地面对无人机群的遥控信号,通信对抗装备可以同时干扰多个通信目标,但其干扰扇区有一定的范围,因此各个待干扰目标必须同时在干扰扇区之内。
通信对抗任务分配决策算法的工作过程是首先判断通信对抗资源可用性,然后把目标坐标转换到该通信对抗装备的本地地理坐标系内,通过坐标参数计算目标相对于通信对抗装备的距离和方位,根据相对距离和方位判断目标是否在通信对抗装备的侦察干扰扇区,以及是否影响指挥控制装备通信,如果目标位于该装备侦察干扰扇区之内,并且不影响指挥控制装备,则将目标分配给该通信对抗装备。
判断来袭目标是否满足通信对抗装备干扰条件的具体步骤为:
①计算第i个目标相对于第j个通信对抗装备的相对距离Rij,计算方法为
Rij=
其中, ,zi)为以被保护目标本地地理坐标系下的来袭目标i坐标;
②计算第i个目标相对于第j个通信对抗装备的相对方位角βij,计算方法为
βij=arctan
其中,(uj,vj,ωj)为通信对抗装备j的坐标;
③检查该目标方位βij是否位于该通信对抗装备的干扰扇区内,判断方法为
dj<Rjmax
<zjmax
其中,Rjmax为通信对抗装备j的有效干扰距离,zjmin、zjmax为通信对抗装备j的干扰扇区范围;
④检查该通信对抗装备j对来袭目标i干扰是否影响指挥控制装备通信,判断方法为:
βjc=arctan
βic=arctan
<Δ
>ΔfC
其中,βjc为第j个通信对抗装备相对于指挥控制装备的方位角,βic为第i个目标相对于指挥控制装备的方位角,Δ为指定角度差门限,fJC表示通信干扰的频率,fC表示指挥通信的频率,ΔfC为预先给定频差门限;
⑤对通信对抗任务分配结果进行决策:如果来袭目标位于通信对抗装备当前干扰扇区,则可选择该通信对抗装备干扰来袭目标,如果同时有多个通信对抗装备满足干扰条件,则指定距离目标最近的通信对抗装备实施干扰任务。
(4)雷达对抗装备拦截分配决策技术
雷达对抗装备主要作战对象为机载火控雷达以及直升机毫米波雷达,雷达对抗装备可以同时对抗干扰范围内的多个机载火控雷达目标。由于机载雷达视场一般很窄,并且雷达对抗设备的干扰高低角有固定的范围,对雷达对抗装备进行干扰任务分配时,需要选取同时满足要求的雷达对抗装备进行干扰。
雷达对抗任务分配决策算法的工作过程是首先判断雷达对抗资源可用性,然后把目标坐标转换到该雷达对抗装备的本地坐标系内,通过坐标参数计算目标相对于雷达对抗装备的距离、高低角,计算雷达对抗装备相对于目标航向的夹角,以及是否影响指挥控制装备目指雷达探测,如果满足雷达对抗装备干扰拦截条件则将目标分配给该雷达对抗装备。
判断来袭目标是否满足雷达对抗装备干扰条件的具体步骤如下:
①计算第i个目标相对于第j个雷达对抗装备的相对距离Rij,计算方法如式(23);
②计算第i个目标相对于第j个雷达对抗装备的相对高低角εij,计算方法为
εij=arctan
其中,(xi,yi,zi)为来袭目标i的坐标,(uj,vj,ωj)为雷达对抗装备j的坐标;
③计算雷达对抗装备j与来袭目标航向夹角θi,计算方法为
$\beta_{j i}=\arctan \frac{x_{i}-u_{j}}{y_{i}-v_{j}}$
θi=Ci-βji
其中,Ci为来袭目标i的航向角,βji为第j个雷达对抗装备相对于来袭目标i的方位角。
④检查该雷达对抗装备j对来袭目标i干扰是否影响目标指示雷达探测,判断方法为:
βjc=arctan
βic=arctan
<Δ
>ΔfR
其中βjc为第j个雷达对抗装备相对于指挥控制装备的方位角,βic为第i个目标相对于指挥控制装备的方位角,fJR表示雷达干扰的频率,fR表示目标指示雷达的频率,ΔfR为预先给定频差门限;
⑤对雷达对抗分配结果进行决策:如果来袭目标位于雷达对抗装备当前干扰扇区并且不影响指挥控制装备目标指示雷达,则可选择该雷达对抗装备干扰来袭目标,如果同时有多个雷达对抗装备满足干扰条件,则指定距离目标最近的雷达对抗装备实施干扰任务。
(5)光电对抗装备拦截分配决策技术
光电对抗装备主要作战对象为光电成像制导设备、半主动激光制导设备、毫米波导引头。由于光电制导设备的视场一般也比较窄,并且光电对抗设备的干扰高低角有固定的范围,对光电对抗装备进行干扰任务分配时,需要选取同时满足要求的光电对抗装备进行干扰。
光电对抗任务分配的工作过程是首先判断光电对抗资源可用性,然后把目标坐标转换到该光电对抗装备的本地坐标系内,通过坐标参数计算目标相对于光电对抗装备的距离、高低、光电对抗装备相对于来袭目标航向的夹角。如果目标位于该装备有效干扰范围之内,则将目标分配给该光电对抗装备。
判断来袭目标是否满足光电对抗装备干扰条件的具体步骤如下:
①计算第i个目标相对于第j个光电对抗装备的相对距离Rij,计算方法如式(17);
②计算光电对抗装备i与来袭目标航向的夹角θji,计算方法如式(26)、(27);
③计算第i个目标相对于第j个光电对抗装备的相对高低角εij,计算方法为
εij=arctan
其中, ,zi)为来袭目标i的坐标,(uj,vj,ωj)为光电对抗装备j的坐标;
④对光电对抗任务分配结果进行决策:如果来袭目标位于光电对抗装备的干扰扇区内,且来袭目标相对高低角位于光电对抗装备的最大干扰高低角之内,则可选择该光电对抗装备干扰来袭目标,如果有多个光电对抗装备同时满足干扰条件,则指定与来袭目标航向夹角最小的光电对抗装备实施干扰任务。
4 结束语
本文针对高机动近程防空作战的特点,针对登陆场典型空中威胁,提出了高机动超近程防空作战中的分层多次修正的对空态势评估、电火协同拦截决策技术,解决了登陆防空作战中的对空态势综合分析问题,以及指挥控制装备对弹炮结合、通信对抗、雷达对抗、光电对抗等装备进行电火协同拦截分配决策的问题,针对不同目标实现了不同种类软硬武器协同拦截分配,实现火力打击与电子对抗之间、雷达探测与电子对抗、指挥通信与电子对抗之间的统一指挥控制,较好地提升了高机动超近程防空系统目标拦截效能。