艦艇編隊隊形自動導航控制問題研究?

李 偉 李天偉 王書曉周 兵 張 勇

（1.海軍大連艦艇學院航海系 大連 116018）（2.海軍大連艦艇學院學院辦公室 大連 116018）

1 引言

隨著海軍艦艇裝備發(fā)展和使命任務的變化，大型艦艇編隊作為海上作戰(zhàn)集群形式將越來越普遍。艦艇編隊的組成主要根據作戰(zhàn)對象、作戰(zhàn)環(huán)境、海上作戰(zhàn)態(tài)勢、作戰(zhàn)時機、作戰(zhàn)海域等不同條件進行合理編組，根據作戰(zhàn)需要按照決策實時應變隊形形式，達到打擊、消滅敵人保存自己的目的［1］。相比于單個艦艇，多艦艇協作具有容錯性和適應性強等優(yōu)點，艦艇編隊在航行中可以形成動態(tài)網絡，各艦艇之間通過分工合作迅速準確地感知船隊所在區(qū)域的環(huán)境信息，從而加快系統任務的完成，提高系統的工作效率［2］。艦艇編隊隊形控制是指通過選取合適的控制策略，使得多艘同類或不同類型艦艇組成的海上作戰(zhàn)集團保持期望的相對態(tài)勢，維持編隊隊形的協同運動和變換，同時適應環(huán)境及作戰(zhàn)條件約束，最終完成特定作戰(zhàn)任務的控制技術。編隊隊形最優(yōu)化配置、及時準確變換和保持隊形是實現編隊綜合防御能力和作戰(zhàn)效能最大化的關鍵問題之一。

2 艦艇編隊隊形控制任務

艦船編隊隊形控制相關問題出發(fā)點主要是便于艦艇編隊的航渡組織、火力發(fā)揮以及綜合防御效能。編隊隊形的生成主要解決編隊內部艦艇相互之間的相對位置配置問題。配置編隊防御隊形的基本要求包括：防御武器最有效的使用、降低敵打擊效果、電子器材的電磁兼容性、嚴密觀察、自由機動、便于指揮等；在進行導彈攻擊組織時，編隊內部不同型號水面艦艇裝備的反艦導彈型號一般不相同，其技術戰(zhàn)術性能也不相同，艦艇編隊應根據各目標的威脅程度、本編隊各艦艇反艦導彈的性能和每艘艦艇的打擊效果，確定出最優(yōu)的火力分配方案，使艦艇編隊的整體作戰(zhàn)效能達到最大［3］；在組織導彈對空防御和對潛防御時，為便于編隊防御的組織［4］，還需要考慮編隊對空對潛觀察組織、防御的完整性、編隊成員之間的任務分配等［5］；除此之外，編隊作戰(zhàn)還應進行備件優(yōu)化配置、作戰(zhàn)效能分析等。大型海上作戰(zhàn)集群是現代海戰(zhàn)中奪取制空權和制海權的重要利器，但是它面臨的空中和水下威脅也越來越嚴峻。因此，利用艦艇編隊內部的有限艦艇兵力，進行最優(yōu)化的隊形配置，以實現艦艇編隊最優(yōu)的對空對潛防御能力，對于提高艦艇編隊的生命力和作戰(zhàn)能力具有重要意義［6］。

艦艇編隊成員均具有多種傳感器，編隊內部能夠實現數據交換和態(tài)勢感知，通過分享數據獲得較為全面的環(huán)境信息，具有良好的機動性和靈活性［7］。為了實現艦艇編隊運動協同控制，提升系統對環(huán)境自適應能力，擴大任務范圍，提高任務執(zhí)行效率、完成質量和在高危環(huán)境中的作戰(zhàn)能力，必須解決艦載模塊的狀態(tài)感知和數據融合、任務分配和航跡規(guī)劃、編隊控制和通信組網等多個技術，并研究多項技術間的協同作用［8～10］。編隊隊形控制一般是借助成員間的局部交互實現多成員系統的群體行為，從而解決全局性的任務，具體需要解決的問題主要包括以下幾個方面。

1）編隊隊形配置［11］：在滿足約束條件的前提下，確定編隊內部成員相互位置關系的問題；

2）編隊隊形保持：通過隊形控制實現編隊系統在運動中保持隊形的穩(wěn)定，即保證編隊內部成員相對位置關系不變；

3）編隊隊形變換：編隊系統按照任務需求，通過不同成員機動從一種隊形變換到另一種隊形的問題；

4）編隊威脅規(guī)避：運動中遇到障礙或威脅因子時，整體改變編隊運動規(guī)劃或改變編隊結構規(guī)避潛在威脅的問題；

5）編隊自適應技術［12］：在動態(tài)不可預判的復雜環(huán)境下，編隊系統自動保持或改變編隊隊形，實現最佳環(huán)境適應的問題。

3 艦艇編隊隊形控制過程

3.1 艦艇編隊海上活動階段劃分

艦艇編隊自有的海上存在特性，決定了艦艇控制主要解決編隊航渡隊形組織，以及組成既定攻擊或防御隊形時的問題［13］。

編隊艦艇從各自不同的始發(fā)港口或待機錨地出發(fā)，在規(guī)定時間內到達預定集結點，通過一定的艦艇機動組成預定的編隊隊形。隊形組成完畢，赴預定任務區(qū)航渡，期間必定會進行航向調整、規(guī)避障礙物或海上目標等，在此過程中需控制編隊內部艦艇因子，以保持編隊隊形的穩(wěn)定。為了應對復雜海區(qū)環(huán)境或編隊防御任務轉換，可能需要對編隊隊形進行調整或重構。

為實現編隊整體監(jiān)控或警戒范圍的延伸，還需要排遣單個或多個艦艇，脫離編隊執(zhí)行偵察或警戒等任務，并應保持與原編隊整體的同步機動。出列艦艇執(zhí)行任務完畢需要回歸編隊，有時根據情況亦可能要求內部某個艦艇因子向基準艦靠攏，也就是召回某艦。進入任務區(qū)域后，編隊需根據任務進行決策，編隊內部艦艇執(zhí)行各自的任務，在此過程中，內部艦艇因子可能會出現損毀。同時，敵我態(tài)勢的隨時變化可能導致攻防態(tài)勢的轉化，需要根據編隊內部情況和外部態(tài)勢調整編隊隊形。

任務完成之后，航渡返回過程中同樣需要控制艦艇因子以保持隊形。返回某個預定解散點后，編隊解散，一般大型編隊艦艇因子駐泊港口較為分散，編隊內部相同駐泊方向的艦艇又需要重新集結共同返回駐泊地。

3.2 艦艇編隊隊形控制過程劃分

按照編隊海上航渡、作戰(zhàn)流程，總體可以分為以下8個階段，如圖1所示。按照各個不同階段的使命任務特點，對編隊控制的過程進行相應劃分。編隊生成和編隊解散所涉及的問題主要是編隊集結問題，艦艇編隊赴預定任務區(qū)航渡和編隊返回基地組織則可歸結為編隊保持問題，編隊航渡過程隊形動態(tài)調整和編隊作戰(zhàn)隊形則涉及到編隊隊形變換問題，編隊出列和歸隊則可歸為出入列問題。

4 艦艇編隊隊形控制關鍵問題解析

4.1 艦艇編隊集結機動解算

編隊集結主要考慮三個方面的問題。首先要保證從任意初始狀態(tài)開始，依據特定約束條件，通過擬訂合理航渡計劃，最終使所有艦艇因子能夠在有限的時間內到達某個集結點。一般而言，約束條件包括：編隊集結完成時間最短；能夠有效地避開障礙物或威脅；避免各艦艇因子之間的沖突或碰撞；艦艇因子速度限制；消耗燃油量最少等。其次，要設定或選取合適的隊形，主要考慮武器的使用效能、航行安全等因素。最后，還應保證所有艦艇因子經過合適的機動后進入編隊隊形內指定的陣位，通常按照占領陣位方法進行計算。在機動過程中同樣需要滿足一些約束條件，包括機動所需區(qū)域盡可能小、執(zhí)行簡單、迅速、便于檢查、不影響編隊其他艦艇機動及特殊情況下的武器使用等。

4.2 艦艇編隊集結機動解算

編隊隊形保持主要指在編隊航渡過程中，如何實時地控制各個艦艇因子的運動軌跡，以保持編隊隊形的幾何關系不變。編隊保持有很重要的意義，比如在組成對空防御隊形或對潛防御隊形時，艦艇編隊隊形的改變將直接影響到防御效果，甚至會導致防御漏洞的出現。正常航行中編隊隊形保持并不是太大的問題，在艦艇編隊整體規(guī)避障礙物或威脅以及編隊轉向，一旦航向放生變化，艦艇編隊內部的各艦艇因子之間的陣位關系也將改變。因此，需要按照一定的規(guī)則進行機動使編隊各艦重新組成預設隊形。編隊隊形保持主要包括兩類問題，即編隊整體規(guī)避問題和編隊轉向解算。

4.3 艦艇編隊隊形變換機動解算

艦艇編隊在航渡過程中，可能會遇到障礙物或敵方目標，或者編隊內部某個艦艇因子出現故障或被摧毀，或者敵方情況發(fā)生較大變化時，需要根據當時的環(huán)境或態(tài)勢及時地改變編隊結構，以達到避險或提高任務效能的目的。在一個隊形或隊列中的艦艇嚴格地按照規(guī)定進行行動，并依次編成各種式樣的隊形稱為隊形變換，主要表現為改變隊形的樣式、變換艦艇在隊形中的位置和改變艦艇之間的距離。隊形變換與保持從本質上講是同一類問題，變換是編隊內各艦從初始陣位占領基準艦的指定陣位從而組成或變化成新的隊形，保持是變換的特殊形式，是指當基準艦轉向導致其余艦艇陣位變化時編隊各艦重新組成原隊形。

目前，艦艇編隊隊形變換與保持問題一般簡化為占位機動求解，對艦艇間距較大的松散隊形適用，但對于較密集的編隊來說則缺乏對艦艇航行安全的考慮；為方便編隊隊形變換控制，也制定了編隊運動規(guī)則來規(guī)范和協調艦艇隊形的變換，主要出發(fā)角度在于編隊的航行安全，只適用于小型編隊，對于復雜隊形的變換目前還沒有比較成熟的方法。

4.4 編隊艦艇出入列機動解算

出入列機動也是編隊隊形變換的一種類型，指編隊中某一艘艦艇或某幾艘艦艇由于戰(zhàn)術需要離開編隊序列，完成戰(zhàn)術機動后重新回到原序列的過程。與通常意義的變換與保持機動內容不同，艦艇的變換與保持機動主要考慮機動艦與基準艦的相對運動關系，而出入列機動是為了特定的戰(zhàn)術目的而進行的機動，需要討論其與基準艦、目標（或限制條件）三者的關系。此外，在進行出入列機動解算時，還需要考慮入列時間、基準艦運動態(tài)勢及海區(qū)環(huán)境等約束條件。歸隊機動是出入列機動的一種特殊形式，主要指在情況需要時要求某個艦艇因子向基準艦靠攏時所進行的機動。

4.5 機動解算與智能體編隊控制方法的結合

艦艇編隊隊形保持與變化的機動解算，主要基于三角函數原理進行圖上繪算，處理目標信息有限，實時性不強。借助計算機系統處理雖然可以大幅度提高機動繪算速度，但對于多艦艇的編隊隊形變換缺乏有效的數學模型，在結合艦艇編隊軍事活動，從宏觀上解決編隊內部基于作戰(zhàn)和任務需求的簡單隊形變換的基礎上，艦艇編隊隊形的控制應借鑒智能體系統隊形控制技術的前沿性成果展開研究，實現編隊隊形控制的智能化輔助決策支持，解決海上大型編隊隊形控制的問題。

5 結語

艦艇編隊控制的研究涉及到艦艇武器裝備性能、艦艇操縱能力、自動化控制、編隊航路規(guī)劃、多傳感器信息融合、管理決策及效能評估等諸多內容，雖然取得了一定的研究進展和成果，但距離實現大型艦艇編隊隊形實時有效控制還有很大差距，迫切需要開展在作戰(zhàn)任務需求和復雜海區(qū)條件約束下的強魯棒、高精度艦艇編隊隊形控制技術與方法研究。