戰(zhàn)術導彈協(xié)同任務規(guī)劃研究

廖 沫 劉 洋 莫文驥 蘇丙未

空間物理重點實驗室，北京100076

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戰(zhàn)術導彈協(xié)同任務規(guī)劃研究

廖 沫 劉 洋 莫文驥 蘇丙未

空間物理重點實驗室，北京100076

分析了戰(zhàn)術導彈協(xié)同作戰(zhàn)模式和關鍵技術，重點針對導彈協(xié)同任務規(guī)劃技術進行分析和研究，提出三級結構的導彈協(xié)同任務規(guī)劃體系，研究和分析了戰(zhàn)術導彈協(xié)同任務規(guī)劃技術的主要內(nèi)容和關鍵問題，研究并提出了協(xié)同目標分配、航跡規(guī)劃等問題的模型和方法，對典型協(xié)同任務進行了仿真。 關鍵詞 多彈協(xié)同；任務規(guī)劃；目標分配；航跡規(guī)劃

導彈協(xié)同作戰(zhàn)是指多枚導彈相互配合、協(xié)作、共同執(zhí)行戰(zhàn)斗任務。美國在上世紀70年代提出了協(xié)同作戰(zhàn)的概念，美國和俄羅斯等國家針對導彈協(xié)同攻擊技術開展了大量研究，并研發(fā)了具有協(xié)同攻擊能力的多種智能型導彈。美國的“網(wǎng)火”(NetFires)導彈武器系統(tǒng)是一種帶指控系統(tǒng)的箱式發(fā)射火箭，將火力打擊、偵察監(jiān)視、效能評估和任務分配等功能通過數(shù)據(jù)鏈集成一體，采用巡邏攻擊導彈與精確打擊導彈協(xié)同作戰(zhàn)模式，首先發(fā)射巡邏導彈(LAM)，在GPS/INS導引下飛至指定目標區(qū)域上空盤旋滯留，用激光雷達搜索目標，發(fā)現(xiàn)敵方蹤跡即發(fā)射低成本的精確打擊導彈(PAM)，LAM也可直接攻擊目標。俄羅斯的花崗巖[1]超聲速反艦導彈也是最早實現(xiàn)協(xié)同攻擊的代表，導彈在武器系統(tǒng)計算機中建立了各類艦船的完整數(shù)據(jù)庫，彈上計算機貯存了多種現(xiàn)代戰(zhàn)船的目標特性數(shù)據(jù)、可能采用的戰(zhàn)術編隊與電子對抗措施、以及根據(jù)戰(zhàn)場環(huán)境制定的攻防戰(zhàn)略，并進行任務規(guī)劃。具有“一彈對一艦”、“多彈對單艦”及“組彈對目標群”的多種攻擊方式。

戰(zhàn)術導彈作戰(zhàn)靈活、彈道形式和攻擊方式多樣，容易實現(xiàn)多彈協(xié)同作戰(zhàn)，提高導彈智能化水平和整體作戰(zhàn)效能。協(xié)同任務規(guī)劃是實現(xiàn)戰(zhàn)術導彈協(xié)同作戰(zhàn)的關鍵技術之一，利用多平臺信息，合理分配和調(diào)度資源，進行多彈協(xié)同任務安排并指揮導彈協(xié)同完成任務。

本文分析了戰(zhàn)術導彈協(xié)同作戰(zhàn)模式，在此基礎上對導彈協(xié)同任務規(guī)劃的內(nèi)容、關鍵技術和方法進行了分析和研究。通過一個實例闡述了戰(zhàn)術導彈協(xié)同規(guī)劃的關鍵技術和過程。

1 戰(zhàn)術導彈協(xié)同作戰(zhàn)模式和關鍵技術

戰(zhàn)術導彈協(xié)同主要包括時間、空間、功能和平臺協(xié)同等模式，在作戰(zhàn)運用時往往是多種模式同時應用，實現(xiàn)導彈武器系統(tǒng)最佳效能[2]。典型的協(xié)同方式如下：

1)多彈齊射

在一次攻擊中采用不同頻率、類型的導彈在不同方向上齊射，利用多彈同時攻擊突破敵方防空單元。

2)多彈突防

在不同時刻、不同區(qū)域發(fā)射的導彈同時到達某一防空陣地。利用數(shù)量、快速性和目標共享等優(yōu)勢實現(xiàn)單枚導彈依次攻擊無法實現(xiàn)的突防效果。

3)編隊導航、探測和攻擊

在編隊構成中，可由不同配置的導彈共同實現(xiàn)復雜的戰(zhàn)斗任務，如編隊飛行過程中，僅由一枚導彈或部分導彈安裝地形匹配設備，經(jīng)過匹配區(qū)完成地形匹配后，通過數(shù)據(jù)鏈共享導航修正信息，實現(xiàn)整個編隊成員的導航修正。

導彈編隊攻擊海上運動目標群時，接近目標區(qū)域后，領彈高彈道飛行，開機探測目標群數(shù)據(jù)，在編隊內(nèi)分配目標，通過數(shù)據(jù)鏈向其他編隊成員發(fā)送攻擊目標信息，領彈自身也具備攻擊能力，完成目標分配后直接攻擊目標。其他成員導彈配備低成本短距離探測設備，接近目標后低彈道飛行以提高生存能力，接收到攻擊目標信息后低彈道逼近目標，滿足探測距離后開機鎖定目標進行攻擊。

4)“靜默”攻擊

一枚或多枚導彈接近目標時開啟主動雷達導引頭，獲取目標信息的同時吸引目標的注意力，轉(zhuǎn)移火力。目標信息通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送給其他編隊成員，使其有機會從側面接近攻擊。

目前，還出現(xiàn)了干擾彈和戰(zhàn)斗彈協(xié)同及不同類型導彈之間協(xié)同及巡邏-攻擊協(xié)同等新概念協(xié)同方式，隨著技術的發(fā)展和導彈武器性能的提高，新的協(xié)同方法將不斷出現(xiàn)并得到應用。

2 導彈協(xié)同任務規(guī)劃關鍵技術

導彈協(xié)同任務規(guī)劃的目的是在導彈發(fā)射前和飛行過程中，利用和協(xié)調(diào)導彈的系統(tǒng)資源，合理分配攻擊目標及飛行航跡，對飛行動作進行協(xié)調(diào)安排，實現(xiàn)多發(fā)導彈協(xié)同完成作戰(zhàn)任務。任務規(guī)劃可分為預先規(guī)劃和實時規(guī)劃。預先規(guī)劃是在導彈發(fā)射前制定目標分配計劃，確定每發(fā)導彈從發(fā)射點到攻擊區(qū)的飛行航跡。在線任務規(guī)劃指在任務執(zhí)行過程中，根據(jù)戰(zhàn)場環(huán)境和任務變化，實時改變攻擊目標和飛行航跡。不論預先規(guī)劃或?qū)崟r規(guī)劃，均需解決協(xié)同任務規(guī)劃體系、目標分配和航跡規(guī)劃等問題。

2.1 導彈協(xié)同任務規(guī)劃體系

協(xié)同任務規(guī)劃體系規(guī)定任務規(guī)劃的層級、指揮關系和信息流向等，是實現(xiàn)多彈協(xié)同的基礎。圖1為指揮中心-領彈-成員導彈3層任務規(guī)劃體系，適用于戰(zhàn)術導彈協(xié)同任務規(guī)劃。

圖1 戰(zhàn)術導彈多彈協(xié)同任務規(guī)劃體系

指揮中心任務規(guī)劃根據(jù)上級下達的作戰(zhàn)任務、目標、資源和戰(zhàn)場環(huán)境等綜合信息，進行全局任務規(guī)劃，確定攻擊波次、編隊組成、編隊任務和航跡等；接收領彈發(fā)回的信息，對編隊任務重規(guī)劃，發(fā)送至領彈，改變導彈編隊的任務。

領彈掌握編隊所有信息和任務，可接收上級任務指令，根據(jù)自身掌握的信息對編隊進行任務規(guī)劃/重規(guī)劃，包括改變編隊任務、重分配目標、更新編隊或成員航跡，下發(fā)至成員導彈。領彈根據(jù)偵察信息分配編隊目標，下發(fā)至各成員導彈。

導彈成員接收指揮中心或領彈的任務和航跡，也可自主規(guī)劃任務，可實時接收領彈下發(fā)的任務目標，規(guī)劃在線航跡，完成協(xié)同作戰(zhàn)任務。

2.2 導彈協(xié)同目標分配

目標分配是指揮中心和領彈任務規(guī)劃的重要內(nèi)容，將多個任務分配給協(xié)同作戰(zhàn)的導彈，使整體作戰(zhàn)效能達到最大。

多彈協(xié)同目標分配包括分配準則、問題建模及問題求解3個方面。分配準則的制定需具體分析作戰(zhàn)任務，確定目標函數(shù)以及約束；分配問題建模是根據(jù)具體的目標分配問題進行數(shù)學建模，以通過數(shù)學方法求解；分配問題求解是采用數(shù)學方法獲取分配策略。

假設編隊有N個導彈{M1,M2,…,MN}，M個目標{T1,T2,…,TM}，定義目標分配矩陣XNM：

定義目標分配參數(shù)：vi為導彈Mi的價值，表示導彈的戰(zhàn)斗力；ρj為目標Tj的價值，表示目標的重要度；pi,j為Mi攻擊Tj的效率，表示導彈摧毀目標的概率；ri,j為Mi攻擊Tj的風險，表示導彈攻擊目標被攔截摧毀的概率；Pthr,i,j為Mi到Tj的路徑威脅，表示導彈飛行到目標點航跡過程中被摧毀的概率；Leni,j為Mi到Tj路徑長度指標。

目標函數(shù)：J1(X)=A·U(X)+B·Y(X)，其中A，B為權系數(shù)。

max(J1(X))

(1)

分配問題的求解是搜索問題，典型方法包括精確搜索，如窮舉法或改進窮舉法[3]，啟發(fā)式搜索如模擬退火、禁忌搜索、神經(jīng)網(wǎng)絡和遺傳算法[4-5]等，多Agent分配如拍賣法[6-7]，應根據(jù)具體問題，選擇合適的算法。

2.3 航跡規(guī)劃

航跡規(guī)劃是根據(jù)航線地圖、戰(zhàn)場環(huán)境和任務目標等信息，制作導彈的飛行航跡。導彈航跡規(guī)劃問題包括問題建模和航跡搜索兩方面。

2.3.1 問題建模

航跡規(guī)劃問題建模是分析導彈的飛行任務，確定航跡規(guī)劃的目標、約束、影響因素及規(guī)劃內(nèi)容，建立導彈航跡規(guī)劃數(shù)學模型。本文介紹基于Voronoi圖(簡稱V圖)的航跡規(guī)劃模型[8-9]。

V圖定義為：假設P={p1,p2,…,pN}為平面上N個互異點，任意兩點距離為dist (pi,pj)。對于二維平面E2上任意點x，任意一點pi都對應一個區(qū)域V(pi)={x∈E2|dist (x,pi)

將威脅點集合P={p1,p2,…,pN}作為V圖的母點，以任意相鄰兩點的中垂線組成V圖，當導彈沿V圖的每一條邊飛行時，可獲得相對高的安全系數(shù)，不偏向任何一方，受到來自兩個點的威脅也最小。圖2為包含起點、目標點(終點)和威脅點的V圖，航跡規(guī)劃即獲得從起點到終點，途中經(jīng)過匹配點的滿足約束條件的最優(yōu)航跡，航跡搜索對各V區(qū)域頂點進行搜索，形成沿V區(qū)域邊的節(jié)點序列。如果起點、匹配點和目標點不在V區(qū)域邊上，則在相應點和所在V區(qū)域的頂點連接線上進行搜索，如圖2所示。

圖2 包含起點、終點和威脅點的V圖

圖3 航路邊(nodei，nodei+1)威脅代價定義

定義航跡規(guī)劃的約束條件：

1) 最大航程約束：Len(S)≤Lmax，Len(S)為S的總長度，Lmax為導彈允許的最大航跡長度；

2) 匹配點約束：?match(i)∈S，要求航路經(jīng)過所有要求的匹配點。

基于V圖的航跡規(guī)劃問題定義為：對于威脅集合P={p1,p2,…,pN}，匹配點集合match，通過航跡規(guī)劃獲取航跡S，使得：

min(J2(S))

s.t.Len(S)≤Lmax

?match(i)∈S

(2)

2.3.2 航跡搜索

A*算法中設置OPEN和CLOSE兩個表數(shù)據(jù)結構，用于存放V圖中“待擴展”和“已擴展”的節(jié)點集合，A*算法流程如圖4所示。

圖4 A*搜索算法流程

對于如圖2所示的規(guī)劃問題，除了傳統(tǒng)的搜索V圖頂點外，還涉及起點、終點和匹配點的搜索，主要處理方式如下：

1) 如當前節(jié)點是起點，起點所在的V區(qū)域頂點均為子節(jié)點；

2) 如當前節(jié)點為包含終點的V區(qū)域，則終點也可為當前節(jié)點子節(jié)點；

3) 對于匹配點，用A*搜索生成起點到第1個匹配點的路徑，然后依次生成到下一個匹配點的路徑，最后生成到終點的路徑，以滿足匹配點約束。

3 仿真實例

3.1 協(xié)同任務和想定

以前述編隊導航、探測和攻擊協(xié)同模式為例，編隊由具備地形匹配能力和遠距離目標探測能力的領彈和僅配備短距離低成本目標探測設備的成員導彈組成。導彈編隊飛行剖面如圖5所示，領彈負責編隊任務規(guī)劃，沿預定航跡編隊飛行至目標區(qū)域，領彈通過匹配區(qū)域進行地形匹配，修正導航信息，并通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送至其他成員導彈進行導航修正，實現(xiàn)編隊高精度飛行。接近目標區(qū)域后，領彈提前打開目標探測設備探測目標群，在導彈編隊內(nèi)分配目標后向成員導彈發(fā)送攻擊目標；成員導彈從領彈處接收目標初步位置信息，下壓低空水平飛行，滿足探測設備作用距離后鎖定目標攻擊，實現(xiàn)導彈編隊對目標群的高效攻擊。

圖5 典型飛行任務過程

通過任務和彈道形式分析，考慮導彈爬升、下壓歷經(jīng)的航程較短，因此協(xié)同任務規(guī)劃的主要任務包括編隊航跡規(guī)劃和目標偵查后末端攻擊目標分配。

3.2 編隊航跡規(guī)劃結果

采用前述方法構建航跡規(guī)劃V圖模型，采用A*搜索航跡規(guī)劃算法，圖6和7給出了含通過匹配點約束和不含匹配點約束2種工況的路徑規(guī)劃結果，根據(jù)不同的約束條件，沿V圖邊界分別得到了目標函數(shù)最優(yōu)的規(guī)劃結果。

圖6 不通過匹配點的航跡

圖7 通過匹配點的航跡

3.3 終端目標分配結果

根據(jù)前述目標分配模型，定義矩陣X4×6，由于末端路徑較短，忽略飛行路徑對目標函數(shù)的影響，目標分配僅受導彈攻擊能力、目標價值、直接攻擊風險的影響?？紤]到目標分配的實時性，采用基于多Agent分布協(xié)同拍賣的動態(tài)目標分配算法[7]，獲得目標攻擊矩陣為：

即導彈M1→T5，M2→T3，M3→T4，M4→T3。

4 結束語

分析了戰(zhàn)術導彈協(xié)同作戰(zhàn)模式，對戰(zhàn)術導彈協(xié)同任務規(guī)劃體系、目標分配和航跡規(guī)劃等關鍵技術進行了研究和分析。通過仿真實例驗證了編隊導航、探測和攻擊協(xié)同作戰(zhàn)模式。

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Study on Coordinated Mission Planning Technology of Tactical Missile

Liao Mo，Liu Yang，Mo Wenji，Su Bingwei

Science and Technology on Space Physics Laboratory，Beijing 100076, China

Coordinatedcombatmodesandkeytechnologiesbytacticalmissilesareanalyzedandcoordinatedmissionplanningtechnologyisfocusedspecially.A3-classmissilecoordinatedmissionplanningframeworkisproposed,andthekeyproblemandmaincontentsofcoordinatedmissionplanningtechnologyarestudiedandanalyzed.Modelandmethodfortargetassignmentandtrajectoryplanningareproposedandstudied.Atypicalcoordinatedmissionplanningcaseisproposedandsimulated.

Multi-missilecoordination；Missionplanning；Targetassignment；Trajectoryplanning

2014-10-16

廖 沫(1978-)，女，廣西柳江人，博士，高級工程師，主要從事導彈總體設計；劉 洋(1982-)，女，天津人，碩士，高級工程師，主要從事彈道設計；莫文驥(1981-)，男，重慶萬州人，博士，高級工程師，主要從事武器系統(tǒng)總體設計；蘇丙未(1976-)，男，遼寧義縣人，博士，研究員，主要從事導彈總體設計。

TP316.2;V19

A

1006-3242(2016)04-0070-06