分布式協(xié)同架構(gòu)下的航空火力控制系統(tǒng)研究

鄒　杰，　董海霞，　李　超

(1.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所，河南 洛陽(yáng)　471000； 2.中國(guó)人民解放軍駐六一三所軍事代表室，河南 洛陽(yáng)　471000)

1　概述

航空火力控制系統(tǒng)作為軍用航空電子系統(tǒng)的核心，具有復(fù)雜大系統(tǒng)共同的特征，即不確定性、動(dòng)態(tài)性、隨機(jī)性和非線性。隨著武器裝備的信息化、網(wǎng)絡(luò)化，分布在不同時(shí)空平臺(tái)的任務(wù)能力能夠以作戰(zhàn)任務(wù)為核心實(shí)現(xiàn)功能集成，進(jìn)一步提高作戰(zhàn)系統(tǒng)的魯棒性和戰(zhàn)術(shù)靈活性[1-2]。航空火力控制系統(tǒng)架構(gòu)必然向著扁平化、分散決策和自同步等方向發(fā)展，如圖1所示。分布式協(xié)同火力控制系統(tǒng)將成為航空火力控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

圖1　航空火控系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程圖Fig.1　The development path of airborne fire control system

分級(jí)/分布式的系統(tǒng)架構(gòu)能夠把各種空中作戰(zhàn)能力分布到具備協(xié)同能力的有人和無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)上，是未來(lái)航空火控系統(tǒng)研究的重點(diǎn)方向。目前，分布式協(xié)同架構(gòu)下的航空火控系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)得到國(guó)外研究機(jī)構(gòu)的高度重視。

美國(guó)DARPA自2014年開(kāi)始重點(diǎn)發(fā)展分布式作戰(zhàn)的概念、架構(gòu)和集成技術(shù)[3]，開(kāi)展體系集成技術(shù)及試驗(yàn)項(xiàng)目(SoSITE)、拒止環(huán)境中的協(xié)同作戰(zhàn)項(xiàng)目(CODE)、分布式作戰(zhàn)管理項(xiàng)目(DBM)以及小精靈項(xiàng)目等關(guān)鍵計(jì)劃。美國(guó)斯坦福大學(xué)與NASA Ames研究中心、波音公司等合作用于解決飛行器協(xié)同工作的群集科學(xué)項(xiàng)目[4]，MIT實(shí)現(xiàn)了在分布式架構(gòu)下，無(wú)人機(jī)/有人戰(zhàn)機(jī)協(xié)同目標(biāo)分配[5]。

國(guó)內(nèi)相關(guān)研究方面，文獻(xiàn)[6-7]提出了未來(lái)綜合火力控制方式的需求，并指出其中的關(guān)鍵技術(shù)；文獻(xiàn)[8-11]分析了不同環(huán)境下協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)的架構(gòu)模型、協(xié)同作戰(zhàn)模式與系統(tǒng)信息流程；文獻(xiàn)[12-13]提出結(jié)合智能算法和通信協(xié)議，由戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)平臺(tái)間的信息共享；文獻(xiàn)[14]提出一種分布式網(wǎng)絡(luò)化防空火控系統(tǒng)信息處理方式，并研究了時(shí)鐘同步、坐標(biāo)統(tǒng)一、航跡融合等關(guān)鍵問(wèn)題。

本文基于火控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，在已有研究成果的基礎(chǔ)上，提出一種能實(shí)現(xiàn)多種協(xié)同空戰(zhàn)模式，具有分布式協(xié)同架構(gòu)的航空火控系統(tǒng)，并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析。

2　分布式協(xié)同架構(gòu)下的航空火控系統(tǒng)概念

分布式協(xié)同架構(gòu)下的航空火控系統(tǒng)是指為克服傳感器-武器-平臺(tái)緊耦合的火控系統(tǒng)局限性，使編隊(duì)飛機(jī)具備協(xié)同火力控制功能而構(gòu)建的系統(tǒng)。它的核心技術(shù)概念是：執(zhí)行分布式火控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，擁有自動(dòng)化、智能化的傳感器、武器和鏈路信息管理，消除單平臺(tái)緊耦合系統(tǒng)的局限，確保目標(biāo)探測(cè)定位、態(tài)勢(shì)評(píng)估、攻擊決策與武器發(fā)射制導(dǎo)(OODA)功能由不同的飛機(jī)平臺(tái)協(xié)同完成。利用“通用”算法自動(dòng)產(chǎn)生協(xié)同作戰(zhàn)輔助決策，并且每個(gè)分布式作戰(zhàn)單元共享戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生相同的攻擊規(guī)劃建議。

分布式協(xié)同架構(gòu)下的航空火力控制系統(tǒng)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：1) 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)上，采用面向任務(wù)的自主實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)配置分布式架構(gòu)，克服緊耦合系統(tǒng)的局限性；2) 信息處理方式上，通過(guò)分布式信息處理與控制方法，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)組織和處理信息；3) 決策的敏捷性上，通過(guò)分布式智能決策方法，實(shí)現(xiàn)決策的快速性。

分布式協(xié)同架構(gòu)下的航空火力控制系統(tǒng)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：1) 共享態(tài)勢(shì)，智能/自動(dòng)給分布式傳感器平臺(tái)或分布式武器平臺(tái)分配任務(wù)，而不是必須由單一平臺(tái)上緊耦合的傳感器和武器來(lái)執(zhí)行攻擊任務(wù)，縮短OODA反應(yīng)時(shí)間；2) 能夠更加有效地解決武器包線與傳感器探測(cè)范圍不匹配的問(wèn)題，能夠通過(guò)交接制導(dǎo)和中繼制導(dǎo)增大攻擊機(jī)A極；3) 從在時(shí)間、空間上分布的火力單元中選擇最佳位置的武器平臺(tái)完成發(fā)射任務(wù)，能夠提高攔截目標(biāo)的成功率。

3　分布式協(xié)同空戰(zhàn)新方式

分布式協(xié)同火力控制系統(tǒng)架構(gòu)下，目標(biāo)的指示、態(tài)勢(shì)評(píng)估、攻擊決策、武器的發(fā)射與制導(dǎo)功能分別由集群內(nèi)的不同平臺(tái)完成。具備分布式架構(gòu)的火力控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)下面幾種典型的協(xié)同空戰(zhàn)子模式，這些子模式是實(shí)現(xiàn)集群多平臺(tái)攻擊的基礎(chǔ)。

3.1　精確指示

精確指示是指作戰(zhàn)飛機(jī)能從遠(yuǎn)程平臺(tái)傳感器、情報(bào)資源或戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈等遠(yuǎn)距離資源處獲得潛在目標(biāo)的指示信息。指示信息由目標(biāo)狀態(tài)(位置、速度、加速度)估計(jì)或者目標(biāo)識(shí)別等參數(shù)組成，能夠指引本平臺(tái)傳感器(或傳感器組)探測(cè)該目標(biāo)。圖2為精確指示火控方式下，飛機(jī)平臺(tái)探測(cè)、跟蹤目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

圖2　精確指示方式示意圖Fig.2　Schematic of accurate pinpointing mode

3.2　他機(jī)探測(cè)

他機(jī)探測(cè)是指在作戰(zhàn)過(guò)程中，由異平臺(tái)傳感器提供本平臺(tái)武器攻擊整個(gè)過(guò)程所需的全部數(shù)據(jù)。他機(jī)探測(cè)主要包括3個(gè)過(guò)程：利用異平臺(tái)傳感器提供目標(biāo)探測(cè)；利用異平臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行火控解算和武器發(fā)射；利用異平臺(tái)數(shù)據(jù)為武器提供中制導(dǎo)指令和目標(biāo)指示。該方式指利用多個(gè)平臺(tái)提供火控精度的數(shù)據(jù)來(lái)支持本平臺(tái)整個(gè)武器攻擊過(guò)程。圖3為他機(jī)探測(cè)火控方式。

圖3　他機(jī)探測(cè)方式示意圖Fig.3　Schematic of external detecting mode

3.3　制導(dǎo)交接

制導(dǎo)交接是指飛行中的導(dǎo)彈的控制權(quán)移交給另外一個(gè)平臺(tái)來(lái)完成。制導(dǎo)交接的作戰(zhàn)方式可以完成一些由于發(fā)射平臺(tái)的限制，而不能繼續(xù)對(duì)武器進(jìn)行中制導(dǎo)的任務(wù)。如異平臺(tái)的當(dāng)前占位可能更有利于提供對(duì)武器的中制導(dǎo)指令，或者在多目標(biāo)威脅下，要求本機(jī)武器系統(tǒng)迅速發(fā)射多枚導(dǎo)彈，并將控制權(quán)移交給其他平臺(tái)。圖4為制導(dǎo)交接火控方式的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

圖4　制導(dǎo)交接方式示意圖Fig.4　Schematic of guidance handover mode

3.4　遠(yuǎn)程發(fā)射

遠(yuǎn)程發(fā)射是指異平臺(tái)制定本平臺(tái)武器的發(fā)射決策，即火控解算和武器系統(tǒng)不在同一個(gè)平臺(tái)上。武器發(fā)射后，其控制權(quán)可以屬于武器發(fā)射平臺(tái)，也可以屬于制定發(fā)射決策的平臺(tái)。圖5為遠(yuǎn)程發(fā)射作戰(zhàn)方式的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

圖5　遠(yuǎn)程發(fā)射方式示意圖Fig.5　Schematic of remote launching mode

3.5　優(yōu)先攻擊決策

優(yōu)先攻擊決策是指從網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)平臺(tái)中自動(dòng)選擇最佳的武器發(fā)射平臺(tái)來(lái)攻擊目標(biāo)，該最佳武器發(fā)射單元是基于各平臺(tái)的作戰(zhàn)能力和最優(yōu)決策選擇。這項(xiàng)優(yōu)先攻擊決策能力可以與其他功能聯(lián)合，實(shí)現(xiàn)以最大作戰(zhàn)效能為指標(biāo)的武器-目標(biāo)配對(duì)。圖6為最優(yōu)攻擊決策作戰(zhàn)方式的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

通過(guò)以上分布式協(xié)同空戰(zhàn)新方式的實(shí)現(xiàn)，可以使作戰(zhàn)平臺(tái)具備一些新的作戰(zhàn)能力：1) 從地理上分散的武器中選擇對(duì)目標(biāo)的最佳射擊單元；2) 通過(guò)選擇最佳幾何作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)，提高攔截任務(wù)成功率；3) 通過(guò)減少無(wú)效射擊，提高武器效能；4) 通過(guò)遠(yuǎn)距精確跟蹤，制定早期發(fā)射決策；5) 本地傳感器/武器配對(duì)約束的解耦；6) 交接制導(dǎo)、中繼制導(dǎo)和目標(biāo)指示，各作戰(zhàn)平臺(tái)共享作戰(zhàn)能力。

圖6　優(yōu)先攻擊決策方式示意圖Fig.6　Schematic of attack priority decision-making mode

4　關(guān)鍵技術(shù)

分布式協(xié)同架構(gòu)下的航空火力控制系統(tǒng)需要很多關(guān)鍵技術(shù)的支撐，如需要實(shí)現(xiàn)同步、通用的分布式協(xié)同信息處理；能進(jìn)行分布式協(xié)同決策，給每個(gè)作戰(zhàn)目標(biāo)自適應(yīng)分配最優(yōu)火力單元等。下面對(duì)分布式協(xié)同架構(gòu)下的航空火力控制系統(tǒng)涉及到的主要關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行說(shuō)明。

4.1　分布式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

傳統(tǒng)的編隊(duì)協(xié)同航空火力控制系統(tǒng)一般使用集中式的系統(tǒng)架構(gòu)，即指揮中心(長(zhǎng)機(jī)或預(yù)警機(jī))融合編隊(duì)飛機(jī)發(fā)送的目標(biāo)信息，制定攻擊計(jì)劃并統(tǒng)一下發(fā)。這種集中式架構(gòu)的航空火力控制系統(tǒng)決策方式有較大時(shí)延，協(xié)同方式固定，在實(shí)際空戰(zhàn)環(huán)境中適用性有限。

分布式架構(gòu)將指揮控制、攻擊決策等分散在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上。由于持續(xù)的分布式信息融合以及通用決策處理，每個(gè)分布式平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)做出相同的決策，縮短了編隊(duì)整體決策反應(yīng)時(shí)間。在保證成員間協(xié)同作戰(zhàn)的同時(shí)，單個(gè)成員也具備選擇自主攻擊控制決策的權(quán)力。

分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮以下問(wèn)題：1) 如何建立網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)模型；2) 選取什么參數(shù)表征決策效率；3) 如何評(píng)價(jià)不同網(wǎng)絡(luò)模型在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中的優(yōu)劣。

4.2　分布式信息處理技術(shù)

傳統(tǒng)的以Kalman濾波器為基礎(chǔ)的信息融合算法，要求輸入信息必須嚴(yán)格滿足獨(dú)立性假設(shè)條件，而在異步多路徑網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境下，融合節(jié)點(diǎn)可能重復(fù)利用過(guò)去時(shí)刻共同信息，不滿足獨(dú)立性條件。用傳統(tǒng)的信息融合算法會(huì)導(dǎo)致過(guò)度數(shù)據(jù)融合，造成嚴(yán)重的目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)偏差。

在有限帶寬和隨機(jī)通信連接條件下，要盡可能提高對(duì)關(guān)鍵任務(wù)或優(yōu)先目標(biāo)的信息傳輸和信息共享成功的概率，同時(shí)要確保飛機(jī)平臺(tái)在正確的時(shí)間、正確的地點(diǎn)向正確的對(duì)象提供正確的信息的能力[15]。

分布式信息處理技術(shù)需要研究的問(wèn)題是，在分布式動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，如何提高分布式信息融合算法的性能，有效避免由于通信和測(cè)量等因素造成的信息冗余，或消除信息之間的相關(guān)性。

為了降低分布式平臺(tái)信息處理對(duì)帶寬的要求，應(yīng)解決以下問(wèn)題：1) 如何實(shí)現(xiàn)平臺(tái)間僅選擇與特定任務(wù)和態(tài)勢(shì)相關(guān)而且是必要的信息進(jìn)行傳輸；2) 擁有特定信息的載機(jī)怎樣尋找需求機(jī)定點(diǎn)發(fā)送信息，或者執(zhí)行特定任務(wù)的載機(jī)怎樣尋找資源機(jī)定點(diǎn)請(qǐng)求信息。

4.3　分布式協(xié)同決策技術(shù)

攻擊決策技術(shù)是航空火力控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，其功能是快速且精確地處理融合空戰(zhàn)信息，自動(dòng)制定武器最優(yōu)發(fā)射順序，給飛行員提供有效的攻擊決策。同時(shí)要能夠允許飛行員的干預(yù)，對(duì)推薦的攻擊決策進(jìn)行選擇或更改。航空火力控制系統(tǒng)攻擊決策子系統(tǒng)工作流程如圖7所示。

圖7　典型攻擊決策子系統(tǒng)工作流程圖

編隊(duì)作戰(zhàn)時(shí)，多個(gè)平臺(tái)間要進(jìn)行協(xié)同決策。分布式協(xié)同決策技術(shù)不僅要求完成傳統(tǒng)的決策功能，還要解決編隊(duì)全局最優(yōu)/次優(yōu)條件下的威脅評(píng)估、目標(biāo)排序和目標(biāo)分配的問(wèn)題[16]，對(duì)不同目標(biāo)推薦最優(yōu)的信息探測(cè)平臺(tái)、最優(yōu)的武器發(fā)射平臺(tái)和最優(yōu)制導(dǎo)平臺(tái)。

由于動(dòng)態(tài)通信拓?fù)浜碗S機(jī)通信延時(shí)，編隊(duì)中各飛機(jī)平臺(tái)的局部決策和信息傳輸可能是異步的，甚至發(fā)生時(shí)序混亂[17]。分布式協(xié)同決策技術(shù)要解決的一個(gè)重要問(wèn)題就是：如何保證異步分布決策的全局最優(yōu)性。最后還有任務(wù)分配與決策過(guò)程中的人機(jī)權(quán)限劃分等問(wèn)題需要進(jìn)行研究。

4.4　協(xié)同攻擊與引導(dǎo)技術(shù)

傳統(tǒng)的態(tài)勢(shì)/威脅評(píng)估、目標(biāo)排序、彈目分配、包線解算以及瞄準(zhǔn)引導(dǎo)方法都是基于單機(jī)的平臺(tái)機(jī)動(dòng)性、傳感器和武器能力，在分布式架構(gòu)下不完全適用。分布式架構(gòu)下航空火力控制系統(tǒng)的協(xié)同作戰(zhàn)方法需要重新研究推導(dǎo)。協(xié)同攻擊與引導(dǎo)技術(shù)著重研究多平臺(tái)協(xié)同包線解算以及瞄準(zhǔn)引導(dǎo)方法。

協(xié)同攻擊要求火力控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)編隊(duì)多個(gè)分布式作戰(zhàn)平臺(tái)的行動(dòng)，使其軌跡在時(shí)間和空間上滿足一致性，實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)對(duì)目標(biāo)同時(shí)發(fā)起攻擊，或以不同的進(jìn)入角發(fā)起攻擊。協(xié)同引導(dǎo)技術(shù)是引導(dǎo)不同平臺(tái)在一定的時(shí)間、空間約束下，以一定姿態(tài)到達(dá)指定的任務(wù)區(qū)域。

分布式空戰(zhàn)條件下，集群平臺(tái)的武器發(fā)射包線計(jì)算會(huì)出現(xiàn)一些新的影響因素，如分布式平臺(tái)的作戰(zhàn)能力、相互間的幾何位置等。因此需要對(duì)分布式集群空戰(zhàn)的攻擊包線重新建模。此外，分布式協(xié)同攻擊實(shí)施的前提是集群平臺(tái)運(yùn)用統(tǒng)一作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)圖(SIP)。如何建立統(tǒng)一作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)圖也是需要研究解決的一個(gè)重點(diǎn)。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種分布式協(xié)同架構(gòu)下的航空火力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，通過(guò)分析可以初步得出以下結(jié)論：

1) 從OODA攻擊鏈的角度，分布式協(xié)同空戰(zhàn)的子模式是實(shí)現(xiàn)集群攻擊的基礎(chǔ)；

2) 分布式平臺(tái)的目標(biāo)探測(cè)、武器發(fā)射、導(dǎo)彈制導(dǎo)等作戰(zhàn)功能需要實(shí)現(xiàn)時(shí)空協(xié)同；

3) 在分布式空戰(zhàn)背景下，火力控制系統(tǒng)的架構(gòu)、信息處理方法、分布式?jīng)Q策、集群攻擊包絡(luò)等方面的問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。

分布式架構(gòu)是實(shí)現(xiàn)集群分布式協(xié)同空戰(zhàn)的基礎(chǔ)，其中涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)需要進(jìn)一步深入研究。

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