平行系統在反導指揮控制中的應用*

陳 淼,孫 強,王東科

(中國電子科技集團公司第二十八研究所,江蘇 南京 210007)

平行系統在反導指揮控制中的應用*

陳 淼,孫 強,王東科

(中國電子科技集團公司第二十八研究所,江蘇 南京 210007)

為提高反導指揮決策效率,構建反導指控平行系統,實現作戰方案在線推演與評估。根據作戰方案在線評估功能需求,將平等系統思想方法運用到反導指揮控制過程中,并結合反導作戰指揮控制需求,構建了平行系統體系結構。然后分析反導指控體系平行系統運行原理、功能,作戰方案推演過程中的信息交互關系,并詳細分析了平行系統能力需求及關鍵技術。

平行系統;指控;反導;信息交互;建模

反導又叫彈道導彈防御或彈道導彈攔截,是典型的大跨度、高動態、快節奏、強對抗的體系作戰。任何單一傳感器和武器能力有限,需要將部署于空天地海戰場的各類預警探測/空間監視、指揮控制和攔截武器等有限資源有機連為一體,形成作戰體系以發揮裝備能力,實現反導作戰體系整體效能最大化[1]。

截至目前,全球現役的各型彈道導彈已有40余種,達數萬枚之多,我國周邊已成為戰術彈道導彈擴散較為嚴重的地區,已有數個國家和地區尋求各種渠道謀求和發展彈道導彈,對我國國家安全構成了潛在的巨大的威脅,也對我反導體系形成了巨大的挑戰[2-3]。

美國在戰略反導方面處在全球領先地位,至今已研制并部署基于不同平臺的導彈防御系統,其彈道導彈防御系統(Ballistic Missile Defense system,BMDS)包括反導武器系統、傳感器系統、指揮控制作戰管理和通信系統。其中,反導武器系統包括多段多層攔截武器系統,如地基中段反導系統、區域高層反導武器系統(薩德)、?；嫠苟芟到y等。傳感器系統由安裝在陸、海、空、天各種平臺的雷達、紅外、光學傳感器組成,如空間跟蹤與監視系統、國防支援計劃衛星、天基紅外系統、改進預警雷達和X波段雷達等。美國至今已成功進行數次導彈攔截試驗,對世界其他國家反導體系建設具有重要的借鑒與指導價值[4-5]。

俄羅斯戰略反導系統——莫斯科反導系統是俄羅斯唯一的戰略反導系統,也是世界上第一個可實戰應用的反導系統,由預警系統、指控通信系統、武器系統組成,可在大氣層內外兩層攔截,形成了較強的戰略反導作戰體系。

綜上所述,反導作戰因攔截目標質量大、速度快、射程遠、破壞力強等特點,需要由預警探測系統、指揮控制系統、攔截武器系統相互配合,共同完成,而并不僅依靠攔截武器[6]。因此,實現彈道導彈防御,既要具備相應功能的探測、攔截裝備，還要具備完善的指揮控制系統,二者缺一不可。一般來講,作戰指揮過程主要包括情報處理、戰場態勢分析、作戰方案制定、武器控制等幾個階段,核心部分為作戰方案制定環節。作戰方案對作戰效能甚至作戰成敗起到關鍵作用,但作戰方案的制定過于依賴指揮員的經驗和指揮能力,盡管可以運用輔助決策技術,但仍在很大程度上依賴人為因素,增加了戰爭的不可預見性和未知性,也增加了指揮人員和作戰人員的心理壓力。在這種情形下,若能在作戰方案生成后、實施前對其進行推演評估,得出評估方案效能指標,可極大減輕指揮人員心理壓力,這也是最近一段時間成為研究熱點的在線評估思想,即在作戰指揮環節構建平行執行的人工系統,以實時戰場態勢和作戰方案為輸入數據,按照上級指示的作戰要求和準則,如最大殺傷率、最小突防概率、保衛目標安全性等,完成對彈道目標彈道外推預測及作戰方案評估,達到輔助決策的目的。平行系統包含兩個因素:戰場實體建模和推演算法(交戰規則),是基于仿真技術實現的一種人工系統。

目前,通過查閱文獻,還未見對作戰方案進行實施前評估的研究,本文對平行系統在反導作戰指揮環節的應用進行論證性研究。本文論證的作戰方案平行推演評估與對部署方案的評估研究不同,部署方案評估屬于戰前評估,依據敵情和我情兩方面因素,其中敵情因素是通過分析設定的假定情況,包括敵目標可能來襲方向、攻擊意圖、目標屬性、數量、襲擊平均密度等;我情因素包括我方保衛目標信息、反導武器信息、可供部署的陣地信息等。依據這兩方面因素,根據要求的作戰準則(殺傷率、突防率等)生成部署方案,再對該方案進行推演,計算效能指標,優選出部署方案供作戰指揮使用。而本文提出的對作戰方案的推演是在方案生成后依據當前態勢,計算得出效能指標,對時效性要求較高。

中科院王飛躍教授科研團隊致力于平行系統研究,并在國內較早提出平行系統思想,即人工社會(Artificial Societies)、計算實現(Computational Experiments)、平行執行(Parallel Execution)的ACP方法,為復雜系統的研究提供了新的思路[7],并在該領域進行了持續深入的研究[8]。之后,陸續有學者將平行系統理念引入軍事領域,進行了一些應用研究[9-10]。其中,文獻[10]研究了C4ISR系統決策支持問題,對平行系統的功能需求、體系結構及關鍵技術等進行了詳細的研究,運用框架思想詳細探討了平行系統方法在C4ISR系統決策支持領域的應用。本文積極借鑒吸收相關文獻中的思想方法,研究平行系統方法在反導指揮信息系統決策支持領域的應用。

1 反導指控體系平行系統結構及特征

在反導指揮環節構建平行系統,目的在于預測目標彈道,評估作戰方案,提供建議方案,為指揮員提供輔助決策支持。

1.1 反導體系結構

從功能架構的角度來講,一個體系需具備一定的功能,方能完成特定的作戰任務。從功能角度,可將反導體系分為不同的功能系統,各功能系統之間通過信息交互實現體系的整體反導作戰效能。反導作戰體系主要由情報探測系統、作戰指揮系統和武器系統構成。其中,情報探測系統由具備情報探測功能的傳感器裝備組成,負責戰場情報的偵測、收集、處理以及統一態勢的生成;武器系統由火控系統及各類反導地空武器系統組成,負責跟蹤鎖定目標、引導防御武器攔截目標等任務;作戰指揮系統是根據裝備性能、作戰任務人工設計的軟件網絡系統,統一調度戰場各裝備。

1.2 反導指控平行系統結構

面向反導指揮決策支持的平行系統結構即通過構建與反導指揮信息系統平行運行的指揮決策推演系統,與反導指揮信息系統進行信息交互,從實際指揮信息系統獲取作戰方案及戰場態勢信息,建立戰場實體仿真模型,進行目標彈道預測和方案推演,計算效能評估指標,為指揮員提供輔助決策支持,及時調整作戰方案,提高作戰效能。參考文獻[10],可以給出反導指揮信息系統平行系統如圖1所示。

圖1 反導指控系統平行系統示意圖

構建作戰方案推演系統,對作戰指揮提供決策支持,主要通過以下步驟實現:

1)從情報保障系統獲取戰場實時態勢信息,從作戰指揮系統接收作戰方案;

2)對戰場態勢進行外推計算,預測目標彈道;

3)根據預測彈道,結合戰場實體模型,對作戰方案進行推演,評估計算作戰方案效能，并生成作戰建議方案,供指揮人員參考。

反導作戰對象是敵方各類彈道目標。一般而言,對彈道導彈威脅較大的是各類高性能遠距離探測雷達,甚至可在其發射助推段就可探測獲取其彈道參數,從而可較為精確地預測其彈道及落點,有針對性地制定作戰方案。而且,彈道導彈飛行軌跡相對固定,作戰任務在發射前就裝訂好,對防御方而言,戰場態勢預測的不確定性就大大減小。但是,彈道導彈飛行速度快,突防能力強,對反導作戰指揮來講,預警時間就比較短,時效性非常重要。

1.3 平行系統功能

綜上所述,作戰方案推演系統功能主要包括以下幾方面:

1)態勢信息接收與處理:構建作戰方案平行系統,是為了預測目標彈道、評估作戰方案,生成作戰建議方案,需從反導指揮信息系統獲取實時戰場態勢信息,即彈道目標屬性及運動參數等情報信息,并能夠及時計算預測彈道。

2)戰場實體模型構建與修正:戰場實體模型構建包括我方武器系統模型和敵方彈道導彈模型。我方武器系統模型主要包括武器型號、部署位置、作戰范圍、攔截能力、武器彈藥儲備等信息。敵方彈道導彈模型主要包括導彈型號、實時運動參數、誘餌彈、真實彈頭等信息。戰場實體模型是態勢預測及方案推演評估的基礎和必要條件,而戰場實體在作戰過程中又在不斷發生變化,如武器系統的彈藥消耗、作戰損毀,敵目標釋放誘餌、彈頭彈艙分離等,所以,需要平行仿真系統需要持續獲取最新態勢信息,及時修正模型。

3)實時運行及交互能力:構建平等系統,是為了給反導指揮提供輔助決策支持,而反導作戰具有極強的時效性,需要推演系統能夠及時對作戰方案推演評估及生成作戰建議方案,能夠計算目標預測彈道,并及時將計算結果反饋給反導指揮系統。

平行仿真系統功能組成及各功能模塊之間的信息交互如圖2所示。主要功能包括信息處理、實體建模、彈道預測及方案推演四個部分。

圖2 平行系統功能組成及信息交互關系

2 關鍵技術分析

利用平行系統進行推演不同于傳統意義上的推演,傳統意義上的推演多指在實際裝備上進行的計算機模擬試驗,通過試驗采集實際裝備特征數據,構建離線模型,進行離線運行,以驗證方案的可行性。而利用平行系統推演是作戰方案在線推演及目標彈道在線預測計算,通過在線獲取戰場實體參數來修正模型,使得推演模型能夠實時跟蹤實際的戰場實體模型。平行系統的構建有兩項關鍵技術,即戰場實體建模與修正技術及作戰方案推演技術。

2.1 戰場實體建模與修正

戰場實體包括己方武器系統及敵方彈道目標。反導作戰屬動能攔截,即通過彈目相對運動撞擊攔截,從而摧毀目標。而攔截導彈與目標彈道導彈都具有相當高的速度,相對運動速度可達每小時數千至上萬公里。因此,建立較為精確的彈目運動模型至關重要。

1)反導武器系統模型。反導武器系統包括制導雷達及發射車等,構建反導武器系統模型需考慮各時間參數,如雷達制導時間、指令接收時間、點火發射時間等,再建立詳細的攔截導彈運動學模型,根據敵方目標運動趨勢,結合攔截要求及各時間參數,按照導引律實時調整運動方向與速度。

2)反導武器系統攔截能力模型。射擊能力反應武器系統對目標的作戰能力,包括射擊密度、最大的射擊持續時間、最大攔截正面寬度、可用攔截縱深、理想射擊次數、理想射擊目標數及殺傷區內任意區域殺傷概率等。

3)敵目標運動模型。敵方運動目標模型通過探測目標運動參數構建,構建敵目標運動模型的主要任務是預測目標運動軌跡及落點。因此,需獲取目標的運動參數,準確識別并捕捉彈頭,修正目標模型參數及運動參數,為攔截提供支撐。

2.2 作戰方案推演

通過作戰方案推演評估作戰效能,驗證作戰方案,是平行系統的主要功能。由圖2可知,作戰方案推演環節需要戰場態勢、戰場實體模型和作戰方案三個要素,而且戰場態勢和戰場實體模型是一個動態的過程。具體推演步驟為:

1)獲取目標當前運動參數,預測目標運動軌跡及落點;2)對作戰方案進行推演,記錄交戰數據,計算作戰效能;

3)若目標運動趨勢發生變化,則返回1)重新計算。

根據推演時效性要求,從作戰方案生成到目標飛臨火力單元發射區,在這段時間內完成推演評估。也可以依據作戰效能要求,生成多套方案,推演評估后,優選出最佳方案作為作戰指揮方案,即在作戰方案生成到目標飛臨火力單元發射區,完成方案推演評估及方案優選。

3 結束語

本文對平行系統思想在反導指揮控制中應用進行了可行性研究,詳細分析了地面反導指控平行系統結構、工作流程、信息交互關系及關鍵技術等內容,為平行系統方法在反導指控的應用進行了探索。

[1] 肖金科, 王剛, 李為民，等. 區域反導目標分配模型優化分析[J].系統工程理論與實踐, 2015, 35(4): 1027-1034.

[2] 朱祝華, 王毅增. 區域反導指控系統一體化研究[J].火力與指揮控制, 2009, 34(11): 1-4.

[3] 高嘉樂, 王剛, 王明宇. 防空反導戰術級指控系統發展趨勢[J].火力與指揮控制, 2015, 40(10): 1-4，8.

[4] 劉邦朝, 王剛, 劉昌云. 美軍反導指控/作戰管理與通信系統分析與啟示[J].飛航導彈, 2014(4): 55-58.

[5] 姚勇, 李智. 基于DoDAF的反導指控系統體系結構模型研究[J].現代防御技術, 2011, 39(5): 87-95.

[6] 時小虎, 宋晉敏. 反導指控系統處理器與操作系統選用研究[J].現代防御技術, 2011, 39(4): 55-59.

[7] 王飛躍. 平行系統方法與復雜系統的管理與控制[J].控制與決策, 2004,19(5):485-489，514.

[8] 王飛躍,楊堅,韓雙雙等. 基于平行系統理論的平行網絡架構[J].指控與控制學報, 2016,2(1):71-77.

[9] 邱曉剛,張志雄. 通過計算透視戰爭:平行軍事體系[J].國防科技,2013,34(3):13-17.

[10]孫黎陽,楚威,毛少杰,等. 面向C4ISR系統決策支持的平行仿真框架[J].指控信息系統與技術,2015,6(3):56-61.

Application of Parallel System Method in Command and Control for Anti-missile System

CHEN Miao, SUN Qiang, WANG Dong-ke

(The 28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Nanjing 210007, China)

In order to increase productivity of decision making in anti-missile system. The command and control anti-missile system which uses parallel simulation method is presented, and the online deduction and effectiveness evaluation of battle plan is realized. According to requirement of battle plan online evaluation, parallel simulation method is used in the process of command and control for anti-missile, besides, according to the requirement of command and control for anti-missile fight, architecture of parallel simulation system is constructed. Furthermore, detailed analysis is demonstrated including working principle and function of parallel system, communication relation in process of battle plan simulation evaluation, requirement of system ability and key techniques.

parallel system; command and control; anti-missile; information interaction; modeling

2016-11-16

國家自然科學基金(61603359)

陳 淼(1981-)，男，江蘇宿遷人，高級工程師，研究方向為指控系統建模。 孫 強(1987-)，男，助理工程師。 王東科(1987-)，男，工程師。

1673-3819(2017)01-0070-03

E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.01.015

修回日期： 2016-12-25