直升機(jī)近地空戰(zhàn)數(shù)據(jù)鏈組織運(yùn)用分析＊

夏白樺 賀品瑜， 史迎春 田 波 崔亞磊

（1.國(guó)防信息學(xué)院二系 武漢 430010）（2.71687部隊(duì) 新鄉(xiāng) 453000）

1 引言

近地空戰(zhàn)是攻擊直升機(jī)的一種重要作戰(zhàn)行動(dòng)。它是指直升機(jī)與直升機(jī)之間，在距離地面30m～300m區(qū)域的作戰(zhàn)［1］。由于在這一區(qū)域內(nèi)，直升機(jī)能借助復(fù)雜地形地物隱蔽埋伏或隱蔽飛行，作戰(zhàn)雙方目視發(fā)現(xiàn)對(duì)方的最大范圍是300m～3000m，借助光學(xué)儀器的發(fā)現(xiàn)距離為1000m～6000m，所以，直升機(jī)近地空戰(zhàn)的發(fā)生往往具有很大的突然性，一旦遭遇，需要快速組織控制好攻擊隊(duì)形，率先開(kāi)火，從而占得優(yōu)勢(shì)。

數(shù)據(jù)鏈作為鏈接傳感器平臺(tái)、指控平臺(tái)和武器平臺(tái)的指揮信息系統(tǒng)，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮著巨大作用。它不僅能為各參戰(zhàn)平臺(tái)提供統(tǒng)一的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息，也提升了平臺(tái)間的指揮控制能力和戰(zhàn)術(shù)協(xié)同能力。理論和實(shí)踐研究表明，在數(shù)據(jù)鏈的支持下，飛機(jī)的空戰(zhàn)能力提升50%以上［2～3］。所以，攻擊直升機(jī)裝備數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)后，可通過(guò)數(shù)據(jù)鏈獲得實(shí)時(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息，做到先敵發(fā)現(xiàn)，預(yù)有準(zhǔn)備，先敵進(jìn)攻。然而，由于地形地物的影響，目標(biāo)不易探測(cè)，信息傳遞也不夠通暢，影響了數(shù)據(jù)鏈能力的發(fā)揮，降低了直升機(jī)的作戰(zhàn)效能。本文將依據(jù)直升機(jī)近地空戰(zhàn)的特點(diǎn)，從目標(biāo)監(jiān)視信息獲取及分發(fā)方法、直升機(jī)編隊(duì)指揮控制方式和數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等方面，研究數(shù)據(jù)鏈的組織運(yùn)用問(wèn)題，以提高直升機(jī)近地空戰(zhàn)的作戰(zhàn)能力。

2 近地空戰(zhàn)中數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)組織運(yùn)用

2.1 目標(biāo)監(jiān)視信息獲取方法

參與近地空戰(zhàn)的直升機(jī)編隊(duì)通常由攻擊直升機(jī)和偵察直升機(jī)等構(gòu)成［4］。編隊(duì)中各成員對(duì)目標(biāo)監(jiān)視信息的獲取有兩種途徑。一是從預(yù)警機(jī)、地面雷達(dá)網(wǎng)或其它有報(bào)告職責(zé)的平臺(tái)獲得；再就是編隊(duì)成員間互相傳遞各自發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)監(jiān)視信息，尤其是偵察直升機(jī)偵察到的目標(biāo)監(jiān)視信息。

預(yù)警機(jī)等平臺(tái)可進(jìn)行超視距、大范圍的偵察，獲取作戰(zhàn)地域內(nèi)，甚至是作戰(zhàn)地域外的地、空、海情，通過(guò)數(shù)據(jù)鏈向網(wǎng)內(nèi)成員分發(fā)。但對(duì)于敵直升機(jī)編隊(duì)，由于可利用地形地物的遮蔽作用，許多情況下可能無(wú)法被偵察到。這時(shí)，偵察直升機(jī)的優(yōu)勢(shì)即可顯現(xiàn)。它不僅可以在近距離偵察并跟蹤低空目標(biāo)，還可以深入復(fù)雜地形處，搜索那些企圖利用地形地物隱蔽躲藏的目標(biāo)。

所以，獲取目標(biāo)監(jiān)視信息的兩種途徑各有優(yōu)勢(shì)。敵直升機(jī)編隊(duì)在沿進(jìn)攻線(xiàn)路飛行過(guò)程中，縱使能利用地形地物隱蔽，但只要在某一處無(wú)法隱蔽時(shí)，就可能被預(yù)警機(jī)等平臺(tái)發(fā)現(xiàn)并通過(guò)數(shù)據(jù)鏈發(fā)送給各參戰(zhàn)平臺(tái)（包括直升機(jī)地面指揮所）。在接到敵機(jī)來(lái)犯的消息后，直升機(jī)編隊(duì)地面指揮所根據(jù)需要派出直升機(jī)編隊(duì)迎敵，并向編隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)自預(yù)警機(jī)等平臺(tái)的目標(biāo)監(jiān)視信息。編隊(duì)在迎敵過(guò)程中，偵察機(jī)前行，在盡可能隱蔽飛行的情況下搜索敵機(jī)，并報(bào)告所發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)監(jiān)視信息。攻擊直升機(jī)則低空隱蔽飛行，同時(shí)不斷接收來(lái)自數(shù)據(jù)鏈上的態(tài)勢(shì)信息，掌握敵機(jī)之航跡。進(jìn)入作戰(zhàn)地域后，則隱蔽等待，或根據(jù)敵機(jī)的方位變化，適時(shí)調(diào)整位置作好攻擊準(zhǔn)備。

由于直升機(jī)編隊(duì)是超低空飛行，地面指揮所向編隊(duì)發(fā)送的信息可能難以正常接收，這時(shí)可派出直升機(jī)空中指揮所，由空中指揮所取代地面指揮所指揮控制編隊(duì)、轉(zhuǎn)發(fā)預(yù)警機(jī)等平臺(tái)的目標(biāo)監(jiān)視信息。

2.2 指揮控制方式

數(shù)據(jù)鏈改變了傳統(tǒng)的指揮控制方式，實(shí)現(xiàn)了指揮所對(duì)空中作戰(zhàn)編隊(duì)的自動(dòng)化指揮［5］。通過(guò)數(shù)據(jù)鏈，直升機(jī)地面（或空中）指揮所可對(duì)各直升機(jī)的火控系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)等進(jìn)行自動(dòng)控制，包括控制飛行路線(xiàn)、目標(biāo)瞄準(zhǔn)、攻擊時(shí)機(jī)等。指揮所針對(duì)敵機(jī)的分布情況，指示各攻擊直升機(jī)沿最佳路線(xiàn)進(jìn)入隱蔽地點(diǎn)，并發(fā)送任務(wù)分配信息。各攻擊直升機(jī)的導(dǎo)彈瞄準(zhǔn)系統(tǒng)根據(jù)所分配的目標(biāo)，自動(dòng)瞄準(zhǔn)，并隨直升機(jī)與目標(biāo)間的相對(duì)位置變化而實(shí)時(shí)調(diào)整瞄準(zhǔn)方向，牢牢鎖定目標(biāo)。同時(shí)，指揮所還將根據(jù)目標(biāo)與攻擊直升機(jī)的相對(duì)位置和導(dǎo)彈的攻擊距離等，自動(dòng)計(jì)算發(fā)起攻擊的時(shí)機(jī)，控制導(dǎo)彈發(fā)射前的預(yù)熱。一旦可以實(shí)施攻擊，指揮所下達(dá)命令，所有攻擊直升機(jī)突然上升至攻擊高度后發(fā)射導(dǎo)彈，向各自的目標(biāo)實(shí)施突然打擊。

為了保證作戰(zhàn)的突然性，攻擊直升機(jī)在發(fā)起攻擊前應(yīng)處于無(wú)線(xiàn)電靜默狀態(tài)。在這期間，由于只接收信息而不報(bào)告自身的位置信息，使得態(tài)勢(shì)信息不完整。而且，各作戰(zhàn)平臺(tái)不了解攻擊直升機(jī)的情況，容易造成誤傷。為解決這一問(wèn)題，這里提出由指揮所報(bào)告攻擊直升機(jī)的位置或航跡。

指揮所對(duì)所要攻擊目標(biāo)的分布、狀態(tài)和航跡都有較全面的了解，作戰(zhàn)目的和目標(biāo)清晰。它可以在結(jié)合地形地物的基礎(chǔ)上，規(guī)劃出攻擊直升機(jī)的飛行路線(xiàn)。在攻擊直升機(jī)迎敵過(guò)程中，指揮所控制其飛行路線(xiàn)，即指揮所周期性地向攻擊直升機(jī)發(fā)出指令，命令它們?cè)诟鲿r(shí)間點(diǎn)上應(yīng)到達(dá)的位置。攻擊直升機(jī)上安裝有導(dǎo)航儀，通過(guò)GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的無(wú)源導(dǎo)航信號(hào)，可實(shí)時(shí)地獲知當(dāng)前所處的位置。只要攻擊直升機(jī)能按指揮所的要求飛行，它們?cè)跓o(wú)線(xiàn)電靜默期間的位置便是明確的。所以，對(duì)于攻擊直升機(jī)而言，指揮所的飛行指令是它們要完成的飛行任務(wù)，而對(duì)于網(wǎng)內(nèi)其它接收到這些指令的成員，則可認(rèn)為是攻擊直升機(jī)的位置或航跡信息。通過(guò)這種方式，既實(shí)現(xiàn)了攻擊直升機(jī)位置信息或航跡的發(fā)布，同時(shí)，又保證了它們的無(wú)線(xiàn)電靜默狀態(tài)。

這里的關(guān)鍵問(wèn)題是直升機(jī)航跡控制的精確性。實(shí)際上，攻擊直升機(jī)在每一個(gè)時(shí)刻的實(shí)際位置與指揮所的要求會(huì)有一定的誤差。位置誤差大小起決于對(duì)直升機(jī)飛行速度的控制、路徑不確定因素的估計(jì)、意外事件的發(fā)生、發(fā)送指令周期的長(zhǎng)短等。攻擊直升機(jī)周期性地收到飛行指令，不斷檢測(cè)偏差并進(jìn)行調(diào)整，可有效地將位置誤差控制在一定的范圍。真實(shí)的飛行線(xiàn)路可理解為一條“路徑帶”，攻擊直升機(jī)在路徑“路徑帶”里飛行。

網(wǎng)內(nèi)成員識(shí)別的直接方法是相互通信，或者是被識(shí)別者報(bào)告精確的位置信息和識(shí)別碼。采用指揮所報(bào)告攻擊直升機(jī)位置或航跡的方式后，既不通信、不發(fā)送位置信息和識(shí)別碼，指揮所報(bào)告的位置信息又有一定的誤差，只能采用間接識(shí)別方法。即：首先明確路徑帶，判斷某個(gè)平臺(tái)是否在路徑帶內(nèi)；其次是分析其航跡，確認(rèn)該平臺(tái)是否與指揮所報(bào)告的航跡具有相關(guān)性。兩個(gè)判斷相互印證，即可判斷為友軍。

2.3 數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的組織

根據(jù)態(tài)勢(shì)信息獲取及分發(fā)方法和指揮控制方式的分析，直升機(jī)近地空戰(zhàn)可組建如圖1所示的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)。圖中有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)A是由直升機(jī)編隊(duì)地面指揮所及陸、海、空各級(jí)指揮所（也可包括部分武器平臺(tái)）參與組成，網(wǎng)絡(luò)B是由地面指揮所和編隊(duì)中所有成員參與組成。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)A，地面指揮所接收陸、海、空情，報(bào)告自己掌握的態(tài)勢(shì)信息，接受上級(jí)指揮所的指揮控制，與其它平臺(tái)交換戰(zhàn)術(shù)協(xié)同信息等。在網(wǎng)絡(luò)B中，地面指揮所向各成員轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)自網(wǎng)絡(luò)A的消息、指揮控制各成員。同時(shí)，各成員間還將交換態(tài)勢(shì)信息及戰(zhàn)術(shù)協(xié)同信息等。網(wǎng)絡(luò)A和網(wǎng)絡(luò)B各自獨(dú)立，互不影響。地面指揮所作為轉(zhuǎn)接單元，在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)間轉(zhuǎn)發(fā)信息。

圖1 未開(kāi)通空中指揮所時(shí)的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)

從直升機(jī)編隊(duì)起飛迎敵至戰(zhàn)斗結(jié)束，網(wǎng)絡(luò)B可運(yùn)行于多種模式。在編隊(duì)起飛到進(jìn)入作戰(zhàn)地域隱蔽階段，攻擊直升機(jī)處于無(wú)線(xiàn)電靜默狀態(tài)，僅接收來(lái)自指揮所的指令、態(tài)勢(shì)信息等，除非緊急情況，否則不發(fā)送任何信息。攻擊開(kāi)始后，網(wǎng)絡(luò)工作于正常模式，即按常規(guī)收發(fā)信息。

當(dāng)派出空中指揮所后，為了確保地面指揮所對(duì)空中指揮所的指揮控制，需要在這兩個(gè)指揮所間組建專(zhuān)用的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)，如圖2中的網(wǎng)絡(luò)C。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)C，直升機(jī)地面指揮所對(duì)空中指揮所實(shí)施指揮控制，交換其它的重要信息。另外空中指揮所同地面指揮所一樣，也將加入網(wǎng)絡(luò)A和網(wǎng)絡(luò)B。一方面在網(wǎng)絡(luò)A與網(wǎng)絡(luò)B之間轉(zhuǎn)發(fā)信息，另一方面接替地面指揮所對(duì)編隊(duì)實(shí)施指揮控制。

2.4 數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性分析

數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)是否滿(mǎn)足作戰(zhàn)需求，消息更新率和系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間是實(shí)時(shí)性驗(yàn)證的重要指標(biāo)。對(duì)于采用輪詢(xún)協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)，可通過(guò)計(jì)算輪詢(xún)周期確定消息更新率和系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間［8］。輪詢(xún)周期的大小取決于網(wǎng)絡(luò)中成員數(shù)量、各成員發(fā)送消息的量，以及維持網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行所需的固定開(kāi)銷(xiāo)等［6］。

圖2 開(kāi)通空中指揮所后的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)

假設(shè)共有M＋1個(gè)網(wǎng)絡(luò)成員，主站編號(hào)為i＝0，從站依次為i＝1，2…M。輪詢(xún)時(shí)按編號(hào)依次進(jìn)行。設(shè)主站在t＝0時(shí)刻發(fā)起第一次呼叫，首先呼叫1號(hào)從站，固定開(kāi)銷(xiāo)為10幀，從站應(yīng)答固定開(kāi)銷(xiāo)為13幀（以link11為例［7，9］），則有：

主站呼叫從站1占用時(shí)隙為

式（1）中Rb為幀速率，一般為75［8］（單位：幀／秒），1T11左上角的“1”表示第一次呼叫，右下角的第一個(gè)“1”表示第一個(gè)從站成員，第二個(gè)“1”表示呼叫，如果為“2”則表示為應(yīng)答。從站1應(yīng)答占用時(shí)隙為

其中λ1為各站消息產(chǎn)生率（單位：幀／秒。主站為λ0，從站依次為λ1，λ2…λM），λ11T11為從站1在1T11時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的消息。結(jié)合式（1）和（2）可得從站1在第一個(gè)輪詢(xún)周期中占用時(shí)隙為

依此類(lèi)推，從站m（1＜m≤M）在第一個(gè)輪詢(xún)周期中占用時(shí)隙為

結(jié)合式（3）、（4）、（5）可得，第1個(gè)輪詢(xún)周期為

同理可得，在第n（n＞1）個(gè)輪詢(xún)周期時(shí)：

從站1占用時(shí)隙為

從站m占用時(shí)隙為

主站占用時(shí)隙為

結(jié)合式（7）、（8）、（9）可得，第n個(gè)輪詢(xún)周期為

根據(jù)以上計(jì)算公式，運(yùn)用迭代計(jì)算方法和Matlab進(jìn)行仿真［10］，可得出網(wǎng)絡(luò)的輪詢(xún)周期與消息產(chǎn)生率和輪詢(xún)周期數(shù)間的關(guān)系如圖3所示。

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，圖3中假定成員總數(shù)為8個(gè)，各成員的消息產(chǎn)生率都相等，并取消息產(chǎn)生率為3幀／秒、6幀／秒和8幀／秒時(shí)，分別計(jì)算得到輪詢(xún)周期為3.26s、6.15s和15.09s。消息產(chǎn)生率增加，輪詢(xún)周期也增大，且增加速度加快。

圖3 輪詢(xún)周期與消息產(chǎn)生率和輪詢(xún)周期數(shù)間的關(guān)系

圖4 輪詢(xún)周期與網(wǎng)絡(luò)成員數(shù)量間的關(guān)系

消息產(chǎn)生率一定時(shí)，成員數(shù)量增加，輪詢(xún)周期也增大，如圖4所示。假定所有成員的消息更新率一定，為7幀／秒，隨著網(wǎng)內(nèi)成員的增加，輪詢(xún)周期增加的速度越來(lái)越快。當(dāng)成員數(shù)達(dá)到10個(gè)后，計(jì)算結(jié)果不收斂。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)完成后，能否滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求，需要進(jìn)行分析驗(yàn)證。圖4中，如果要求消息更新率為5幀／秒，則網(wǎng)絡(luò)容納的成員為5～6個(gè)。實(shí)際上，指揮所、偵察直升機(jī)和攻擊直升機(jī)的消息產(chǎn)生率是不同的。精確計(jì)算時(shí)，可按各自估計(jì)的大小取值。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)直升機(jī)近地空戰(zhàn)的特點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)鏈在近地空戰(zhàn)中的組織運(yùn)用問(wèn)題進(jìn)行了分析研究。探討了直升機(jī)編隊(duì)獲取態(tài)勢(shì)信息的兩種途徑，使直升機(jī)編隊(duì)能更全面準(zhǔn)確即時(shí)地掌握戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息；討論了近地空戰(zhàn)的指揮控制方式，提出了采用指揮所控制攻擊直升機(jī)飛行路線(xiàn)的方法，使得攻擊直升機(jī)在保持無(wú)線(xiàn)電靜默的情況下，仍能實(shí)現(xiàn)航跡信息的發(fā)布，達(dá)成了作戰(zhàn)的突然性；分析了作戰(zhàn)的實(shí)際需要，構(gòu)建了數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)建立的簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了輪詢(xún)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性與網(wǎng)絡(luò)成員數(shù)和成員消息產(chǎn)生率間的關(guān)系，為檢驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)是否滿(mǎn)足作戰(zhàn)需求提供了理論分析手段。

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