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Command Control and Simulation

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2025 , Vol. 47 >Issue 4: 144 - 148

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-3819.2025.04.021

Training & Simulation

Methodology and implementation of comprehensive ground-to-air combat modeling in large-scale computer wargame system

  • OUYANG Dongsheng 1, 3 ,
  • WANG Yanzheng 2, 3 ,
  • WU Gaojie 2, 3
Expand
  • 1 Graduate School, National Defense University, Beijing 100091, China
  • 2 College of Joint Operation, National Defense University, Beijing 100091, China
  • 3 Key Laboratory of Intelligent Game Theory, Beijing 100091, China

Received date: 2024-09-04

  Revised date: 2024-10-10

  Online published: 2025-07-28

Fold

Abstract

Ground-to-Air Combat is one of the key models of large-scale computer wargame system and is also a highly critical component in modern warfare. In response to the current issue that most computer wargame systems have not well resolved the contradictory relationship between modeling granularity and simulation efficiency, this paper conducts a requirements analysis for ground-to-air combat modeling of commanders, system analysts, and technical personnel. It proposes an integrated modeling approach for ground-to-air combat at three levels: capability-based, rule-based customization, and action control-based. The comprehensive model design for ground-to-air combat is completed through differentiated analysis of weapon-target assignment. Based on the simulation experimental results of a certain type of computer wargame system, this paper demonstrates that the integrated model constructed can support the decision-making process of commanders at the campaign level and above, can truly depict the process of ground-to-air combat actions, and balances the modeling granularity and simulation efficiency.

Key words： ground-to-air combat; computer wargame; modeling & simulation; requirements analysis; experimental validation

Cite this article

OUYANG Dongsheng , WANG Yanzheng , WU Gaojie . Methodology and implementation of comprehensive ground-to-air combat modeling in large-scale computer wargame system[J]. Command Control and Simulation, 2025 , 47(4) : 144 -148 . DOI: 10.3969/j.issn.1673-3819.2025.04.021

地空交战是指发生在陆基防空反导力量与空中进攻力量之间的军事对抗,旨在保护地面设施、部队及关键区域不受空中打击,同时削弱敌方空中优势,维持己方的制空权或局部空中优势,是现代战争中极为重要的一环。武器装备的发展与作战概念的迭代,正以前所未有的力度重塑空战场的面貌。由于目标价值差异大、威胁程度不一,使得目标识别、优先级排序以及火力分配等决策过程变得尤为复杂和困难。大型计算机兵棋系统适用于战略战役层次的战争推演研究与联合作战指挥对抗训练,尤其关注如何在地空交战中有效体现目标差异化拦截、解决指挥员认知困境,同时保证系统运行速度。一部分仿真系统基于规则进行火力分配,比如扩展防空仿真系统[1](EADSIM),系统建模粒度可细化到武器平台层次,涉及威胁判断、拦截效率、开火顺序、目标价值判断等大量策略,计算十分复杂,适用于作战力量分析、作战方案和系统运行过程的研究,推演速度难以满足战役以上联合推演需求,也不符合战役以上指挥员关切。另一部分仿真系统使用自动交战模型进行火力分配,比如联合战区级模拟系统[2](JTLS),其建模粒度较粗,仅对防空交战开火时机、拦截有效性进行裁决计算,未体现地空交战中目标的差异化拦截,该类系统推演速度快,但难以为指挥员提供真实决策场景。基于现有研究,本文以大型计算机兵棋系统为研究对象,综合考虑仿真建模粒度与推演效率,从工程角度探索地空交战综合建模方法。

1 地空交战建模需求分析

面向大型兵棋系统的地空交战建模,是为战役以上指挥推演反映地空交战决策细节、呈现态势的基础。兵棋系统的建模涉及3类人员:指挥员、系统分析员与技术人员,他们通常从不同视角关注地空交战模型需求,如图1所示:指挥员视角,即战役以上指挥员视角,通常关注地空交战模型能否如实反映战役以上指挥决策过程;系统分析员视角,是指系统分析员从兵棋系统整体设计角度出发,关注模型的功能和结构,模型能否准确反映战术、战役交战效果;技术人员视角,通常关注模型的技术实现,以及计算资源的分配。
图1 地空交战建模需求分析

Fig.1 Requirements analysis for ground-to-air combat modeling

1.1 指挥员需求:模型能否支撑战役以上指挥员决策流程

用于战略、战役层级的计算机兵棋系统是战役以上指挥员及其参谋团队基于敌我态势的实时推演平台。战役以上作战指挥具有复杂性、综合性、信息主导、动态决策、大规模协同、战略战术结合以及资源统筹等显著特点,要求指挥员具备卓越的军事素养、战略视野以及决策智慧。随着作战概念和装备科技的迅猛发展,敏捷、分布、无人、自主等空战场新特征愈发明显,分布式空战、无人蜂群、混合突击等新概念正描绘着新时代空战场的蓝图,在地空交战领域,战役以上指挥员、指挥机构将面临极高作战压力下认知负担带来的决策困境的挑战[3]。

1.2 系统分析员需求:模型能否真实描绘地空交战行动过程

地空交战是一种资源有限的非完全信息博弈[4],空中目标在时间和空间上的不同组合会引发地面力量不同的拦截序列,地面力量的不同拦截规则会导致不同的资源消耗。地面部队会优化拦截方案,尽可能用有限的资源对不同类型目标实施高效拦截,模型需要尽可能符合地空交战差异化拦截过程。

1.3 技术人员需求:模型如何平衡仿真建模粒度与推演效率

兵棋系统仿真建模的粒度是指兵棋模型在模拟真实战场环境和作战行动时,对各种作战单元、武器系统、地理空间以及时间等要素所划分的最小模拟单位或精度[5],在地空交战模型中主要体现在目标的差异化拦截。仿真建模粒度影响着兵棋推演系统的运行效率和稳定性,需要在满足战役以上指挥员训练需求的基础上,保证推演效率的同时提高仿真建模粒度。
综上所述,地空交战模型需要在满足推演效率基础上,模拟真实决策环境,向指挥员呈现地空交战的各决策环节,对于指挥员不关注的细节交由计算机后台处理。

2 地空交战综合模型建模思路

地空交战是典型的OODA闭环场景,包括目标发现、威胁判断、指挥决策、拦截打击等环节。由于武器的指挥权限不同,在战役、战术和战斗层面存在不同的OODA闭环过程。比如以近程武器为主的野战防空,指挥权限低,由自己决定,发现即打击;以中远程武器为主的要地防空,指挥权限在战术级指挥机构,由战术级指挥员调配有限资源来组织地空交战;以超远程武器为主的远域作战,指挥权限在战役级以上指挥机构,行动对战役全局影响巨大、成本极高,需要战役级指挥员决策。
通过上述分析可以得出,战役级以上指挥员在不同层级的OODA闭环过程中处在环路的不同位置。对不同层级地空交战分别构建模型有利于平衡建模粒度与推演效率。本文提出构建地空交战综合模型,包括基于能力的地空交战、基于规则定制的地空交战和基于行动控制的地空交战。

2.1 典型地空交战概念示例

本文在联合作战背景下,设计了一种典型的地空交战作战概念——“多层拒止”作战概念,以红方战役级指挥员组织所属部队,拒止蓝方来自空中和太空的来袭武器为作战目标,分析了地空交战流程,突出了战役级指挥员在不同地空交战场景下的指挥位置。
“多层拒止”作战过程的概念视图如图2所示,以可视化方式描述了基本作战要素与过程。
图2 地空交战概念视图

Fig.2 Conceptual view of ground-to-air combat

在该视图中,红方的防空反导装备区分近、中、远、超远程武器分散部署,分别担负野战防空、要地防空、远域拒止任务。近程武器对发现的敌方目标自主射击;中远程武器根据目标威胁等级和允射条件按照尽远拦截的要求射击;超远程武器在战役级指挥员的决策下择机射击。蓝方使用弹道导弹、高超声速武器、隐身飞机、小型无人机对一方实施穿透打击,预警机位当面提供信息支援。

2.2 基于能力的交战

在近程地空交战场景中,战役以上指挥员不关注交战的细节,指挥员处在作战回路之外。系统在没有指挥员干预的情况下基于能力自动交战。比如便携式导弹抗击小型无人机,当目标进入射程内即打击。

2.3 基于规则定制的交战

在中远程地空交战场景中,战役级以上指挥员关注不同抗击策略产生的整体作战效果和效费比,不关注每一次交战的成功与否,指挥员处在作战回路之上。比如多型地空武器抗击不同价值空战场目标,针对不同的作战场景,指挥员可制定不同交战规则,比如威胁等级高的优先、目标价值高的优先、飞近时间短的优先等,系统根据规则集自动开展地空交战行动。

2.4 基于行动控制的交战

在超远程地空交战场景中,由战役级以上指挥员确定打击时机和打击目标,指挥员处在作战回路之中。比如使用超远程防空导弹打击高价值空中目标,系统为指挥员提供态势信息,在指挥员的决策下实施地空交战。

3 地空交战综合模型设计

3.1 基本框架

依据以上建模思路,综合考虑地空交战过程、要素以及行动目标与要求,构建融目标、武器等多要素为一体的地空交战综合模型,包括目标分类、武器分类和武器-目标分配3个功能模块,具体如图3所示。
图3 地空交战综合建模框架

Fig.3 Integrated ground-to-air combat modeling framework

3.2 功能设计

3.2.1 目标分类

目标分类的目的是对目标威胁进行分析评估,给出目标优先级排序[6]。目标分类分为静态分类和动态分类。静态分类是指根据目标的战术性能、技术指标等进行分类,比如隐身目标、非隐身目标;动态分类是指在实时态势中,根据目标运动特征进行分类,比如切向飞行、远离飞行、抵近飞行。在目标静态分类和动态分类的基础上进行目标优先级排序。
以“多层拒止”作战概念为例,目标分类和优先级排序如表1所示。
表1 目标分类和优先级排序表

Tab.1 Classification and prioritization of objectives

静态分类 动态分类 优先级
一级类 二级类
有人机 预警机 切向 1
隐身飞机 远离 2
导弹 弹道导弹 抵近 1
高超声速武器 抵近 1
无人机 小型无人机 抵近 3
大型无人机 切向 2

3.2.2 武器分类

本文进行武器分类的原因如下:一是不同防空反导武器的作战对象不同,比如中远程防空反导武器的作战对象包括空气动力目标和弹道目标,超远程防空武器的作战对象为空气动力目标;二是不同防空反导武器在战役级以上规模作战中,由于指挥权限不同,处在不同的作战回路,比如便携式导弹与高炮处在战斗级作战回路、中远程防空反导武器处在战术级作战回路、超远程防空武器等[7]处在战役级作战回路。
以“多层拒止”作战概念为例,陆基防空反导武器分类如表2所示。
表2 陆基防空反导武器分类表

Tab.2 Classification of land-based air defense and anti-missile weapons

作战回路 武器类型 作战对象
战役级 超远程防空武器 预警机、加油机、侦察机
战术级 中远程防空反导武器 有人机、大型无人机、导弹、高超声速武器
战斗级 便携式导弹与高炮 有人机、大型无人机、小型无人机

3.2.3 武器-目标分配

武器-目标分配(WTA)是地空交战指挥控制决策的核心环节之一[8],其目的是将多种作战武器分配给多个打击目标,最优化实现指挥员作战意图[9]。本文在对武器系统和目标进行分类的基础上,形成“目标-火力”关联矩阵[10],指挥员综合考虑拦截成功概率、资源调度等因素,从拦截弹发射数量、拦截距离等方面对关联规则进行定制,比如对某型目标发射拦截弹设置为两枚、拦截距离设置为最大拦截距离的75%。
地空交战WTA模型的 BNF 范式可以表示为
<WTAModel>::=<TargetList><WeaponList><RuleList>
<TargetList>::=<Target_Id><Target_Order>
<Target_Order>::=<Target_Type><Target_Behavior>
<WeaponList>::=<Weapon_Id>< Weapon_Authority><Weapon_Surplus>< Weapon_PH>< Weapon_Range>
<RuleList>::=<Num><Range>
TargetList为目标列表。Target_Id是目标编号,每个目标的编号是唯一的,Target_Order是综合目标静态分类Target_Type和动态分类Target_Behavior后的优先级排序结果。
WeaponList为地空武器列表。Weapon_Id是武器编号,每个武器的编号是唯一的,Weapon_Authority是武器的指挥权限,Weapon_Surplus是该武器的剩余弹量,Weapon_PH是该武器的命中概率,Weapon_Range是该武器的最大射程。
RuleList是武器-目标分配的规则。包括拦截弹发射数量Num、拦截距离Range等。

4 模型检验分析

为评估本文提出的地空交战综合建模方法的有效性,基于计算机兵棋系统设计系列地空交战场景开展实验,并对结果进行分析。

4.1 实验设计

4.1.1 实验问题设计

地空交战模型在战役级以上规模兵棋推演中,能否实现防空反导武器对不同空战场目标进行差异化拦截,能否为指挥员提供真实决策环境。

4.1.2 实验想定设计

基于某型兵棋系统,红蓝双方进行战役级规模对抗,在实验区域开展“多层拒止”地空交战实验,如图4所示。红方防空反导装备分散部署,实施多层拒止作战。蓝方使用弹道导弹、高超声速武器、隐身飞机、小型无人机,从2个方向对红方实施穿透打击,预警机位当面提供信息支援。
图4 地空交战想定场景

Fig.4 Scenarios for ground-to-air combat

红方指挥编配某型便携式导弹战斗力系统的防空营级部队1个,3型中远程防空反导武器30套,超远程防空武器2套,配置如表3所示。
表3 红方兵力配置表

Tab.3 Red Force Configuration

武器系统 数量
防空营(便携式导弹) 10套80枚
中远程防空反导武器A型发射架 10套40枚
中远程防空反导武器B型发射架 10套40枚
中远程防空反导武器C型发射架 10套40枚
超远程防空武器发射架 2套8枚
蓝方指挥预警机2架、隐身飞机30架、弹道导弹5枚、高超声速武器5枚、大型无人机2架、小型无人机20架,配置如表4所示。
表4 蓝方兵力配置表

Tab.4 Blue Force Configuration

蓝方目标类型 数量(架)
预警机-切向 2
隐身飞机-切向 10
隐身飞机-抵近 20
弹道导弹-抵近 5
高超声速武器-抵近 5
小型无人机-抵近 20
大型无人机-切向 2

4.2 实验分析

基于某型计算机兵棋系统进行了10轮超实时推演,系统运行正常。超远程防空武器未经指挥员授权时未发射,授权后成功发射;中远程防空反导武器在发现目标后,根据规则进行任务分配,弹药消耗量的70%针对1级目标、30%针对2级目标;近程防空武器对进入威力区的目标自动拦截,弹药消耗量的80%为小型无人机、20%为穿透进来的2级目标。
实验结果表明:地空交战综合建模方法可有效支撑战役以上规模兵棋推演,模型体现了差异化拦截理念,打击远程目标时发挥了战役以上指挥员的决策作用。

5 结束语

针对大部分仿真推演系统将超远程防空、近距防空和近距反无人机混为一谈,未体现地空交战目标差异化拦截、难以为指挥员提供真实决策环境的问题,本文提出了面向大型计算机兵棋系统的地空交战综合建模方法,在保证推演效率的基础上为用户提供了真实的决策环境。最后通过实验验证了所提方法和模型的合理性与有效性。该方法同样适用于海空交战。

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