中国指挥与控制学会会刊 
联合反导是现在及未来的重要作战样式,该体系的触角已经延伸至广域范围内的多维空间,包括侦察预警系统、拦截打击系统和指挥控制系统,体系内部多维空间的信息流转拓展了作战行为的交互与作战行动的协同,对于作战问题研究提出了新的挑战。长期以来,针对联合反导体系建模仿真的理论[1⇓⇓⇓⇓-6]和技术研究[7⇓⇓⇓⇓-12]不在少数,但大都针对反导体系特征、作战过程、指挥流程、网络拓扑和建模框架进行研究分析,且普遍存在模型体系完备性不足、信息系统的核心地位体现不充分、行为建模困难等问题,制约着依托仿真系统研究作战问题的深入性。本文提出基于信息流程的联合防空反导体系建模方法,采用面向对象的组合式建模技术,构建陆、海、空、天、电各类作战实体模型,考虑网电对抗和战场环境影响条件下的作战行为模型构件化建模,达到合理支撑联合防空反导建模仿真,辅助完成相关作战问题研究的目的。
1 建模框架
2 物理模型构建
联合反导作战实现依赖于大量的物理模型,包括机动模型、传感器模型、干扰机模型、武器模型、通信模型和环境模型等,如图2 所示。机动模型包括各种机动平台的运动模型,包括弹道导弹、卫星和地对空导弹等。传感器模型包括雷达模型、红外模型、被动式射频模型、情报传感器模型等。通信模型有三种类型,分别为网络模型、消息模型和装备模型。武器模型包括弹道导弹和反导拦截导弹等。战场环境模型包括地形、大气和该环境下的水文描述模型。干扰模型包括雷达干扰、通信干扰、GPS干扰和网络攻击模型等。作战区域模型包括导弹交战区、责任区等。
在设计物理模型的同时,同步设计其交互关系(指挥关系、通信管理、探测交互关系、交战交互关系等),其总体交互关系如图3 所示。行为组件是实体模型的核心,它以实体模型自身信息、传感器组件感知信息和通信组件的信息数据为基础进行指挥控制决策,控制其他组件的运作。
3 行为模型构建
行为模型是整个仿真设计的核心,反映了战场作战实体的指挥、控制、通信、情报和交战决策功能,直接关系到仿真设计的合理性和可信性,在对行为模型进行设计时,使用美国国防部体系结构框架(Department of Defense Architecture Framework, DODAF 2.0)的设计标准,兼顾反导作战任务的特殊性,采用基于作战活动的任务视图的描述方法并结合统一建模语言(Unified Modeling Language,UML)进行描述,并使用IBM公司的系统体系结构(System Architecture,SA)工具和Microsoft公司的Visio工具对作战仿真情报监视侦察模型进行分析和建模,从作战流程、作战活动、作战交互等角度并结合UML视图进行描述分析。
3.1 总体作战概念
联合反导作战概念如图4 所示,主要包括天基预警拦截系统、空基拦截系统、地基拦截系统和海基拦截系统构成。防御体系中通过星载红外侦察监视系统、空基预警系统产生弹道导弹预警情报,空基、海基和地基拦截系统依托预警情报分别对弹道导弹实施初段、中段和末段拦截。
如图5 所示,为联合反导的总体作战资源流描述,分为红蓝双方,以中间虚线为分界线。红方位于图中左方,指挥控制实体发送指挥控制命令,命令弹道导弹发射实体发射弹道导弹,同时通信情报实体和后勤装备保障实体对红方发射实体进行各种保障,发射弹道导弹实体打击目标。蓝方位于图中右方,指挥控制实体命令预警实体对弹道导弹实体进行预警,并将情报发送至指挥实体,指挥实体根据情报指挥蓝方跟踪雷达对弹道导弹目标的弹道进行解算,并通过火控雷达锁定目标,通过拦截武器打击弹道导弹。在整个过程中,红蓝双方的电子对抗实体进行实时对抗,同时环境对于红蓝双方的探测性能和毁伤效能的影响都要一并考虑。
3.2 事件追踪描述
使用UML事件序列和作战资源流视图相结合的方法描述联合反导作战整体过程,如图6 所示。侦察卫星(雷达、图像)可通过侦察敌方弹道导弹部队的机动行动预判弹道导弹发射的行为,预警卫星使用红外传感器对处于主动段飞行的红外辐射特征判定弹道导弹类型,通过红外望远镜探测弹道导弹主动段飞行参数,通过高分辨率电视摄像机辅助红外探测器辨别真假导弹目标。预警卫星通过网络将生产的情报提供给早期预警雷达,早期预警雷达在预警卫星无法对导弹进行跟踪后,进行接力跟踪和监视,并提示各种反导拦截系统目标信息(如空基激光拦截系统、地基导弹拦截系统和海基导弹拦截系统),各种拦截系统的多功能相控阵雷达对弹道导弹目标进行分类识别,为后续的拦截窗口计算和发射窗口计算提供条件,火控系统根据雷达提供的目标信息进行拦截并进行拦截效果的评估。
3.3 作战行为规则建模
通过分析抽取联合反导作战中的作战行为,对其使用脚本化语言进行组合式建模,反映作战过程的合理性,如图7 所示。首先定制流程化的反导作战行为规则,包括目标选择阶段、武器发射阶段和目标拦截阶段。其中,目标选择阶段包括目标威胁评估、拦截武器选择、开火规则的设定和目标冲突的消解;武器发射包括发射窗口的计算、发射队列的管理和发射模式的选择;目标拦截阶段主要包括目标飞行轨迹的更新、拦截窗口的计算和拦截过程的处理;重新装填主要是装弹时间的计算。如果定制化流程化的行为规则不能满足用户需要,则可以自定义对应事件的行为响应,增强行为规则模型的可用性和灵活性。
与多个目标交战时的目标选择过程如图8 所示,在仿真运行时,依据针对不同目标的威胁评估算法评估目标,只要检测符合类型的威胁目标(飞机、巡航导弹和弹道导弹目标等),目标选择阶段就一直运行,对目标威胁评估完成后产生交战决策,会创建一个包括武器、目标配对的发射记录,并放入发射队列。发射调度过程将计算在发射前的所有可能的延迟,包括单次射击准备时间、两次发射间隔时间、齐射模式准备时间等。
在武器发射阶段,根据发射武器的调度延迟、发射武器飞行航迹和目标航迹计算发射窗口,在目标拦截阶段,根据目标飞行航迹的更新计算拦截窗口,在整个作战行为建模时,需要考虑命令分配、发射、交战报告、传感器状态消息等消息处理。
4 实验验证
根据上述思路,以因特网公开数据(包括预警雷达、防空导弹、防御舰船、预警机、航空母舰、攻击舰船和弹道导弹数据等)为基础,构建反导作战体系相关模型,并以此构建实验验证想定,蓝方综合使用航空母舰舰载机、弹道导弹和巡航导弹(攻击舰船)对红方防护目标进行攻击,红方综合使用地面和海面防御力量进行反导防御,运行实验验证想定,如图9 所示,并进行相关中间过程和输出数据采集。图中,红色实线部分为传感器探测包络范围,红色虚线为武器射程范围,深蓝色虚线为攻击目标关系示意,蓝色箭头实线为红方指挥控制关系。
采用事件触发与固定步长相结合的方式,对建立的实验想定进行大样本运行并采集想定运行的交战事件和探测事件数据,使用兰德公司的分层评估指标和加权分析方法[13]对物理模型和行为模型建模的完备性、正确性、合理性等进行验证。
针对实验想定中的防空导弹A,提取其部分作战行动过程事件数据,分析其作战过程的合理性。以防空导弹A针对一个来袭导弹的防御事件为例,如表1 所示。
表1 针对一个来袭导弹的部分防御事件 |
| 时间/s | 动作平台 | 动 作 | 针对平台 |
|---|---|---|---|
| 0 | 防空导弹A | 激 活 | 导弹28768 |
| 6 | 防空导弹A | 接受目标指示 | 空中指挥所 |
| 9 | 防空导弹A | 形成本地轨迹 | 防空导弹A |
| 12 | 防空导弹A | 形成态势图 | 导弹28768 |
| 30 | 防空导弹A | 目标分类 | 导弹28768 |
| 33 | 防空导弹A | 目标威胁评估 | 导弹28768 |
| 33 | 防空导弹A | 满足锁定条件 | 导弹28768 |
| 36 | 防空导弹A | 计算发射窗口 | 导弹28768 |
| 39 | 防空导弹A | 计算拦截窗口 | 导弹28768 |
| 42 | 防空导弹A | 发射拦截弹 | 导弹28768 |
| 45 | 防空导弹A | 拦截失败 | 导弹28768 |
| 48 | 防空导弹A | 下一轮次 | 导弹28768 |
| …… | …… | …… | …… |
通过表1 可以看出,防空导弹A的作战行为符合防空反导作战的信息流程,与构建的反导行为吻合,模型行为符合作战行动流程。
5 结束语
随着多种先进打击武器(超低空、高超声速、隐身打击、反辐射等武器)的出现,促使联合反导作战任务需要具有更高的目标识别能力和更强的体系拦截能力,如何更好地体现网络信息体系下的防空反导作战行为仿真成为必须解决的问题,亟须好用管用的体系化防空反导作战仿真工具。面对联合反导体系建模仿真完备性不足、行为建模困难等问题,本文通过对建模框架和物理模型的组合式设计,提供了模型灵活的可组装性,同时,通过综合利用UML、DODAF等方法对其作战行为进行建模,提供了基于信息流程的作战行为的灵活性。通过实验可以看出,该方法具有较好的合理性和可信性,可为相关作战实验工具开发提供可参考借鉴思路和方法。