導彈防御指揮控制與作戰(zhàn)管理系統(tǒng)研究

楊雪榕 程子龍 肖龍龍

隨著信息技術的發(fā)展,以網絡為中心基于信息系統(tǒng)的體系化作戰(zhàn)系統(tǒng),成為了新時代高科技戰(zhàn)爭的主角.自動化、無人化、精確化、非接觸已經成為未來作戰(zhàn)的主流形式,除了武器系統(tǒng)平臺自主作戰(zhàn)能力的提升,其指揮控制系統(tǒng)的高度智能化與自主化也成為必然的發(fā)展方向.戰(zhàn)場信息收集與共享、作戰(zhàn)態(tài)勢的分析與評估、作戰(zhàn)方案擬定與優(yōu)化等活動,都將以一個高度集成化的指揮控制系統(tǒng)為核心展開.由此,在未來的裝備體系建設中,指揮控制系統(tǒng)將與裝備平臺一并成為研究和發(fā)展的關鍵.

彈道導彈防御系統(tǒng)作為目前信息化程度和自主能力要求最高的體系化作戰(zhàn)系統(tǒng),其指揮控制問題,一直是其發(fā)展的核心問題之一.以美國彈道導彈防御系統(tǒng)的研制發(fā)展為例,其主要集中在傳感器、武器和指揮控制作戰(zhàn)管理通信系統(tǒng)(Command,control and battle management communication,C2BMC)[1]這3個最基本的組成部分上.從網絡中心戰(zhàn)的物理域、信息域、認知域[2]這3個劃分領域來看,導彈防御指揮控制與作戰(zhàn)管理系統(tǒng)則是橫跨這3個領域實現導彈防御全系統(tǒng)融合的核心關鍵.

導彈防御系統(tǒng)由分布于不同地點的傳感器、武器系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)以及支持系統(tǒng)構成,共同完成對來襲導彈的預警識別、監(jiān)視跟蹤和攔截摧毀任務.由于導彈防御技術難度大、實時性要求高,采用傳統(tǒng)的作戰(zhàn)指揮控制與管理模式,已不能完全勝任復雜條件下對多目標、多樣式威脅的全面防御.構建一個高度自主的一體化導彈防御指揮控制與作戰(zhàn)管理系統(tǒng),對導彈防御系統(tǒng)的綜合作戰(zhàn)能力的發(fā)揮,起著至關重要的作用.

本文以美國導彈防御系統(tǒng)的指揮控制作戰(zhàn)管理通信系統(tǒng)基本能力分析為基礎,提出導彈防御指揮控制與作戰(zhàn)管理系統(tǒng)的基本方案設想,并給出研制發(fā)展的關鍵技術及核心問題,為我國導彈防御系統(tǒng)建設提供參考.

1 美國C2BMC系統(tǒng)分析

1.1 基本概況

由于歷史原因,美國各軍種針對不同的威脅,各自獨立地發(fā)展了很多導彈防御系統(tǒng),如“愛國者”反導系統(tǒng),末端高空區(qū)域防御系統(tǒng),宙斯盾彈道導彈防御系統(tǒng)等.與這些系統(tǒng)相匹配的是,一個獨立的作戰(zhàn)管理/指揮控制和通信—BM/C3系統(tǒng).

這些系統(tǒng)有各自獨立的傳感器、武器和火控系統(tǒng),相互之間無法共享信息和數據.將它們通過點對點方式松散的連接在一起,不能構成一個真正一體化的導彈防御系統(tǒng),也無法通過優(yōu)化的傳感器武器系統(tǒng)組合來同時應對單個或多個不同射程的目標.

針對這種情況,2002年由美導彈防御局首次提出“指揮控制、作戰(zhàn)管理和通信(C2BMC)”系統(tǒng),作為美國全球性的導彈防御指揮控制系統(tǒng),并將原有各個導彈防御系統(tǒng)的BM/C3系統(tǒng)稱為C2BMC分系統(tǒng)[3].

C2BMC系統(tǒng)的主要承包商為洛克希德馬丁公司,團隊的主要成員有諾斯羅普格魯曼公司、波音公司、雷神公司、通用動力公司.

C2BMC系統(tǒng)目前正在使用的是6.4版本,主要部署在太平洋司令部、北方司令部、戰(zhàn)略司令部和歐洲司令部,實現了早期預警雷達、前置X波段遠程預警雷達、宙斯盾雷達系統(tǒng)等傳感器系統(tǒng)及陸基中段反導系統(tǒng)的管理與控制.圖1展示出了C2BMC系統(tǒng)在導彈防御系統(tǒng)中的核心地位.

截至2017年,C2BMC將同時使用6.4和8.2兩個版本.8.2版本在升級態(tài)勢感知、協同作戰(zhàn)管理等具體能力的同時,將進一步提高系統(tǒng)可靠性、安全性,具備與未來的“持續(xù)跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)”和C2BMC實驗室互聯能力.

預計到2020年,C2BMC系統(tǒng)8.2版將完成研制部署.屆時,系統(tǒng)對威脅目標識別率將大大提高,并能夠實現作戰(zhàn)單元與敏感器資源的全面自動化管理.

圖1 美國C2BMC系統(tǒng)地位

1.2 系統(tǒng)主要組成及功能

C2BMC系統(tǒng)通過彈道導彈防御通信網絡,實現全球資源之間雙向數據交流,對美國導彈防御作戰(zhàn)力量發(fā)揮著指揮中樞和力量“倍增器”的作用.

如圖2所示,C2BMC系統(tǒng)的指揮控制、作戰(zhàn)管理和通信3大功能,主要由一系列軟件套件和硬件計算通信設備實現.

圖2 美國C2BMC系統(tǒng)主要功能

1.2.1 指揮控制

指揮控制功能主要負責對導彈防御行動進行規(guī)劃和監(jiān)視.它提供決策輔助應用程序,近實時地將信息和防御備選方案進行結合,從而為基于可靠信息的決策和縮短決策周期提供作戰(zhàn)輔助.

通過該系統(tǒng),指揮人員能夠根據快速變化的態(tài)勢和威脅情況,并迅速對資源進行轉移和重新分配.

1)防御方案規(guī)劃

防御方案規(guī)劃功能由一系列軟件工具實現,用于全球導彈防御和戰(zhàn)區(qū)導彈防御計劃制訂過程中的各個階段,包括危機前的防御方案優(yōu)化、危機發(fā)生后的實時防御規(guī)劃以及在交戰(zhàn)過程中動態(tài)計劃調整.具體能力包括:a)基于情報的威脅情況分析;b)己方受保護資產數據分析,包括關鍵程度、脆弱程度、恢復能力等;c)部署規(guī)劃和彈道導彈防御部隊任務設計;d)防御能力評估,包括傳感器、武器性能評估.

2)態(tài)勢感知

態(tài)勢感知功能依靠一些列信息、數據處理和用戶界面工具,掌控整個導彈防御作戰(zhàn)態(tài)勢,包括接收和顯示彈道導彈防御部隊作戰(zhàn)狀態(tài)數據、評估作戰(zhàn)能力變化動態(tài)、監(jiān)視攔截作戰(zhàn)狀態(tài)、評估彈道導彈防御作戰(zhàn)的戰(zhàn)果.主要功能有:a)陸基中段反導態(tài)勢數據處理與顯示;b)作戰(zhàn)單元操作運行狀態(tài)顯示;c)彈道跟蹤軌跡顯示;d)地標與防護能力顯示;e)天基紅外預警信息顯示.

1.2.2 作戰(zhàn)管理

作戰(zhàn)管理功能由一系列高度自動化的軟件系統(tǒng)共同實現,通過綜合所獲得的信息,提供近實時的任務分配和狀態(tài)信息,從而使系統(tǒng)根據預先計劃做出反應,進而實現傳感器組網與協同工作、跟蹤數據融合、目標特征識別、威脅評估、一體化火力控制等能力.

1)敏感器資源管理

敏感器資源管理功能由自動決策支持工具和用戶界面組成,作戰(zhàn)人員可以對前沿部署的AN/TPY-2遠程早期預警雷達進行控制,具體包括:a)改變雷達的控制條件和任務模式[4];b)選擇和激活雷達的任務模式和搜索規(guī)劃;c)指揮雷達搜索天基紅外系統(tǒng)報告的戰(zhàn)略威脅;d)啟動或終止對特定彈道導彈軌跡的跟蹤等.

2)彈道跟蹤管理與分發(fā)

彈道跟蹤管理與分發(fā)功能由彈道跟蹤服務器負責,通過收集和融合處理早期預警系統(tǒng)和雷達跟蹤數據,并將融合彈道分發(fā)至雷達和作戰(zhàn)單元用于目標跟蹤和作戰(zhàn)準備.具體功能包括:a)雷達跟蹤數據融合與處理;b)高精度彈道預報,得出威脅發(fā)射點和彈著點;c)目標識別、發(fā)射事件與彈道數據整合,用于作戰(zhàn)決策;d)彈道跟蹤數據分發(fā).

3)協同作戰(zhàn)管理

協同作戰(zhàn)管理功能主要部署在不同作戰(zhàn)中心的管理套件,自動化的完成威脅識別、評估,戰(zhàn)場敏感器和武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力計算、作戰(zhàn)預案匹配等任務,是整個C2BMC的實現關鍵核心,具體功能有:a)基于先驗信息的威脅辨識;b)基于落點預報的威脅評估;c)加權的跟蹤優(yōu)先級確定與攔截目標選擇;d)觀測的威脅與防御預案匹配;e)敏感器、武器系統(tǒng)可見性分析與作戰(zhàn)時機計算;f)作戰(zhàn)狀態(tài)監(jiān)控與作戰(zhàn)計劃評估;g)最優(yōu)攔截武器推薦與協同作戰(zhàn)管理決策輔助.

1.2.3 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)功能將利用現有及在建的全球通信網 (GMD communications network,GCN)、國防信息系統(tǒng)網(Defense information system network,DISN)等,無縫地連接全球各導彈防御系統(tǒng),實現系統(tǒng)之間的數據交換和各資源的網絡互聯.整個彈道導彈防御系統(tǒng)將被綜合集成到一起并通過高可靠性的互聯互通實現內部用戶和外部用戶的態(tài)勢共享.

彈道導彈防御系統(tǒng)的網絡運行中心通過綜合網絡管理系統(tǒng)分配作戰(zhàn)帶寬,通過戰(zhàn)略司令部的聯合網絡管理系統(tǒng)提供網絡集成管理.

1.3 未來發(fā)展重點

C2BMC系統(tǒng)正在發(fā)展研制的8.2版本,將對系統(tǒng)整體架構、作戰(zhàn)管理自動化等方面進行整合和優(yōu)化,主要表現在:

1)強化全球作戰(zhàn)管理功能

對作戰(zhàn)管理功能進行整合,將6.4版本中的作戰(zhàn)司令部指揮控制套件,整合到全球作戰(zhàn)管理套件中,形成統(tǒng)一的作戰(zhàn)管理系統(tǒng);重新規(guī)劃了系統(tǒng)的軟件架構,采用分布式的網絡體系結構,實現以網絡為中心的全球指揮控制與戰(zhàn)區(qū)獨立作戰(zhàn)試驗并存的運行模式.

2)進一步加強作戰(zhàn)管理系統(tǒng)自動化處理功能

C2BMC系統(tǒng)未來將全面部署自動化的威脅評估、目標選擇與跟蹤、敏感器武器調度、戰(zhàn)場態(tài)勢評估[5]等功能,實現預案支持下的導彈防御作戰(zhàn)全程自動化管理,減少人為因素對系統(tǒng)執(zhí)行效率的影響,提高系統(tǒng)響應速度,提升整體作戰(zhàn)效能.

3)增加頂空持續(xù)紅外監(jiān)視體系架構(BMDS overhead persistent infrared architecture,BOA)

現階段C2BMC采用的天基紅外預警信息,來源自綜合戰(zhàn)術預警和攻擊評估(Integrated tactical warning and attack assessment,ITW/AA)得出的低虛警率預警報告,該報告主要服務于核反擊決策,時效性較低;未來通過BOA系統(tǒng)可直接獲取天基紅外預警系統(tǒng)的數據,自動生成威脅發(fā)射事件和彈道,用于引導敏感器觀測和武器系統(tǒng)作戰(zhàn)準備,提高了系統(tǒng)反應效率.而來自于ITW/AA的預警報告還是最終決策重要依據.

4)繼續(xù)增強任務規(guī)劃和目標彈道跟蹤能力

加入更多的敏感器資源,增強敏感器資源管理規(guī)劃能力.直接引入天基紅外監(jiān)視信息,綜合情報、雷達監(jiān)測信息等多元信息,應用基于多重假設相關性分析[6]、彈道導彈發(fā)射事件關聯性分析方法,提高信息融合與目標辨識能力.

5)增強同時作戰(zhàn)與試驗支持能力

通過節(jié)點化、層次化系統(tǒng)的構建[7],增加了系統(tǒng)的靈活性,既能夠適應新型裝備的接入,也能夠支持全戰(zhàn)區(qū)協同作戰(zhàn)和導彈攔截試驗.

2 建設導彈防御指揮控制與作戰(zhàn)管理系統(tǒng)的總體方案設想

彈道導彈防御是一個體系化對抗任務,必須全面地發(fā)揮體系內資源的能力,才能實現對各類威脅的有效防御,而指揮控制與作戰(zhàn)管理系統(tǒng)正是實現全面資源調度與控制的基石.導彈防御指揮控制與作戰(zhàn)管理系統(tǒng)總體架構,如圖3所示.

2.1 數據融合系統(tǒng)

數據融合系統(tǒng)獲取傳感器和武器系統(tǒng)提供的探測信號和狀態(tài)數據,通過多源信息檢測、目標估計、態(tài)勢估計、威脅估計、效果估計,最終產生綜合態(tài)勢融合信息提供給一體化指揮控制和協同作戰(zhàn)管理系統(tǒng)[8].

多源信息檢測主要是對來自各種傳感器的原始數據或原始圖像,進行信號、像素級的檢測、特征提取、雜波濾除、數據關聯等處理,從多種傳感器的不同頻譜特性來檢測目標是否存在,以便在不同物理特性上發(fā)現和識別目標,為較高層次的信息融合進行完整準確的目標狀態(tài)和屬性估計提供支持[9].

目標估計主要依據多源信息檢測數據,對戰(zhàn)場上單個目標的實時狀態(tài)、身份和屬性進行估計.

態(tài)勢估計主要利用目標估計結果,并結合其他信息源的情報信息和戰(zhàn)場環(huán)境信息,對戰(zhàn)場上各個目標進行聚類,并對其進行關系分析,估計出敵人的作戰(zhàn)企圖、作戰(zhàn)能力、機動性等,最終給出戰(zhàn)場綜合態(tài)勢圖.

威脅估計主要依據目標估計和態(tài)勢估計結果,結合戰(zhàn)場環(huán)境和己方的信息,對敵方能力、威脅企圖和對我方威脅程度進行估計,并給出定量計算的結果,如強度、威脅企圖、威脅等級和威脅時間等.

效果估計主要是對信息融合系統(tǒng)的性能和效能進行度量和評估,以及對戰(zhàn)場監(jiān)視和偵察的各個傳感器和信息源進行管理和優(yōu)化控制,以取得最佳的戰(zhàn)場監(jiān)視和信息獲取效果.

2.2 協同作戰(zhàn)管理系統(tǒng)

協同作戰(zhàn)管理系統(tǒng)獲取綜合態(tài)勢信息和數據庫先驗信息,推理得到協同跟蹤控制和協同攔截控制策略,并將控制策略發(fā)送給一體化指揮控制系統(tǒng)供指控人員決策.同時將目標融合彈道、目標指示信息等作戰(zhàn)基礎信息發(fā)送給傳感器和武器系統(tǒng),用于跟蹤和火力準備.

圖3 導彈防御指揮控制與作戰(zhàn)管理系統(tǒng)總體架構

協同跟蹤控制模塊根據已有防御計劃或任務需求,通過協同探測方案,優(yōu)化調度傳感器系統(tǒng)各單元,完成目標的跟蹤與監(jiān)視.協同攔截控制通過多層攔截火力分配方案優(yōu)化,實現對武器系統(tǒng)的協同調度.

2.3 一體化指揮控制系統(tǒng)

一體化指揮控制系統(tǒng)根據綜合態(tài)勢信息產生防御計劃,經過態(tài)勢感知產生可行決策方案供指揮人員選擇,同時生成指揮控制命令發(fā)送給傳感器和武器系統(tǒng).防御方案規(guī)劃可進行危機前的防御方案優(yōu)化、危機發(fā)生后的實時防御規(guī)劃以及在交戰(zhàn)過程中動態(tài)計劃調整.生成的防御預案可以存入數據庫,作為自動化協同作戰(zhàn)管理的依據和參考.

態(tài)勢感知模塊根據數據融合信息,通過態(tài)勢綜合顯示技術得到全面、直觀的戰(zhàn)場態(tài)勢信息.指控決策模塊根據綜合態(tài)勢信息生成候選打擊方案供指控人員選擇.

2.4 支持系統(tǒng)

支持系統(tǒng)主要指數據庫系統(tǒng)、計算服務系統(tǒng)和網絡管理系統(tǒng)等用于支持指揮控制與作戰(zhàn)管理系統(tǒng)運行的軟硬件環(huán)境.其中,數據庫系統(tǒng)作為整個指揮控制與作戰(zhàn)管理系統(tǒng)基礎信息資源中心,為數據融合、作戰(zhàn)管理、一體化指揮控制提供數據支持主要負責管理各種情報資源數據、作戰(zhàn)預案數據、裝備信息數據和受保護資產數據等.

3 發(fā)展導彈防御指揮控制與作戰(zhàn)管理系統(tǒng)的關鍵技術

由于導彈防御系統(tǒng)的高技術性、復雜性,美國的C2BMC系統(tǒng)采用“設計一點、研制一點、部署一點、了解更多”的螺旋式原則進行研制和部署,經歷了漫長的發(fā)展歷程.

我國發(fā)展建設導彈防御指揮控制與作戰(zhàn)管理系統(tǒng),除了發(fā)展健全完備的通信網絡、構建完整的信息鏈路、設計合理的指控組織體系與架構以外,還有許多核心關鍵技術有待研究和突破.

3.1 導彈防御作戰(zhàn)態(tài)勢感知技術

導彈防御作戰(zhàn)態(tài)勢感知需要對作戰(zhàn)空間中各種傳感器、攔截武器系統(tǒng)、來襲導彈的基本情況予以綜合和顯示,形成盡量完備的情報信息數據,供指揮人員參考.

在作戰(zhàn)態(tài)勢感知中,將面臨信息可信度等級不同、信息缺失或冗余、信息數據率變化等問題,這就需要進行態(tài)勢估計,將獲得的所有戰(zhàn)場力量的部署、活動、戰(zhàn)場周圍環(huán)境、作戰(zhàn)意圖及機動性有機結合,分析并確定發(fā)生的事件,估計敵方的兵力機構、使用特點,最終形成戰(zhàn)場綜合態(tài)勢圖.

作戰(zhàn)態(tài)勢感知還應包括基本的威脅評估,能夠給出威脅程度的定量描述,如強度、威脅企圖、威脅等級和威脅時間等.威脅評估需要在情報數據和彈道預報基礎上,結合我方高價值目標和資產情況,分析敵方企圖,對比來襲導彈作戰(zhàn)能力及我方防御能力,得出來襲導彈的威脅.

3.2 多源數據融合與彈道預報技術

數據融合是一個組合數據和信息以估計或預測實體狀態(tài)的過程,具體來說,是指對來自單個和多個傳感器的信息和數據進行多層次、多方面的處理,包括自動檢測、關聯、相關、估計和組合.

多源數據融合與彈道預報技術的研究是要在典型目標特征、推理規(guī)則和框架數據庫的基礎上,實現目標狀態(tài)估計和身份識別,準確地預測來襲導彈的可能彈道,從而為指揮控制提供信息支持.

目標識別是一個較為復雜的過程,需要大量情報數據的支持,由此一個完備的來襲目標特性數據庫是必不可少的.識別過程中需要使用預測推理方法,如神經網絡[10]等,以加快數據搜索匹配的速度,提高識別概率.

彈道預報一直是導彈動力學研究的前沿,目標是預測出導彈的飛行軌跡,從而準確跟蹤測量和防御攔截.在導彈防御中,導彈預報不僅面臨動力學問題,還面臨導彈自主機動等不確定行為下的彈道預測問題,需要使用各種探測數據源的信息,通過狀態(tài)估計和數據關聯[11],得出導彈的真實彈道.

3.3 防御攔截協同作戰(zhàn)管理技術

導彈防御是一個體系化的作戰(zhàn)任務,往往需要調度系統(tǒng)內所有傳感器、武器資源,來完成一次攔截任務.這就需要構建一個分層協作的多層攔截體系,以增強作戰(zhàn)效能.

協同作戰(zhàn)管理就是要實現多層傳感器協同工作、多層攔截武器協同交接、多目標協同分配攔截等任務,從而實現作戰(zhàn)資源的優(yōu)化配置.為此,需要要據目標特性與威脅程度,以傳感器、攔截器的作戰(zhàn)能力為約束,優(yōu)化搜索、跟蹤、識別傳感器配置,實現分層攔截之間的可靠交接,提高導彈攔截成功率.

協同作戰(zhàn)管理的實現,需要突破多目標優(yōu)化計算的快速收斂和全局尋優(yōu)問題,需要克服實時性要求高、狀態(tài)不斷變化、不確定性高等難題,這不僅要求有魯棒性高、計算效率高的優(yōu)化算法,還要求預先設計的協同方案的有力支持.

3.4 防御資源優(yōu)化配置與動態(tài)規(guī)劃技術

協同作戰(zhàn)管理是實時用好系統(tǒng)資源,而資源優(yōu)化配置則是在構建防御體系時就需要考慮的問題.針對敵方導彈打擊能力,以及我方各型裝備能力、重點保護目標情況,建立一個作戰(zhàn)效能較優(yōu)的防御體系是資源優(yōu)化配置首要任務.在此基礎上,還需要開展作戰(zhàn)預案數據庫的建立,根據各種情況想定,把體系內的各種反導裝備有機集成起來,形成一系列防御作戰(zhàn)預案,供作戰(zhàn)管理實時應用.

動態(tài)規(guī)劃是在作戰(zhàn)過程中,針對當前作戰(zhàn)態(tài)勢,以作戰(zhàn)預案為支撐,以傳感器、武器系統(tǒng)的狀態(tài)能力,實時給出指揮控制決策建議的過程.它涉及分階段行動的最優(yōu)化問題、作戰(zhàn)全局最優(yōu)策略規(guī)劃問題.導彈防御作戰(zhàn)中狀態(tài)變量多,不同的作戰(zhàn)目標下可能得出完全不同的決策,每一個階段決策都會影響到全局作戰(zhàn)效能,由此,如何在如此復雜的過程中,動態(tài)得出一系列決策建議是一個需要解決的難題.

在防御系統(tǒng)建設初期就充分考慮各種情況的需求,構建適當的冗余系統(tǒng)、降低各種資源使用的強約束條件,可以有效降低對資源優(yōu)化配置與動態(tài)規(guī)劃的要求.在研究基礎算法的基礎上,需要開展較為充分的作戰(zhàn)預案研究,可為動態(tài)規(guī)劃提供先驗參考,以提高決策效率.

4 結束語

導彈防御體系的建設,不僅需要在關鍵技術和關鍵武器裝備上有所突破,還需要從整體上優(yōu)化論證.加強指揮控制與作戰(zhàn)管理問題的研究,對導彈防御體系的整體效能發(fā)揮具有重要的意義,是全體系各新型傳感器、武器系統(tǒng)有效整合,形成體系能力的重要保障.

本文在分析美國導彈防御C2BMC系統(tǒng)的基礎上,給出了發(fā)展建設導彈防御指揮控制與作戰(zhàn)管理系統(tǒng)的方案設想,提出了需要重點關注的關鍵技術問題,可以作為我國發(fā)展導彈防御系統(tǒng)的參考.