網絡化艦空導彈超視距協同反導的關鍵技術

滕克難

(1.南京理工大學，南京 210000; 2.海軍航空工程學院，山東 煙臺 264001)

0 引言

現代海上空襲與反空襲作戰中，艦艇編隊往往面臨來自各種平臺上(飛機、艦艇和潛艇)發射的飛航式反艦導彈的嚴重威脅。隨著新技術的應用，反艦導彈射程越來越遠;飛行高度越來越低;彈道機動越來越靈活;飛行速度越來越快;抗干擾及突防能力越來越強。特別是防區外發射、低空隱蔽突防和飽和攻擊等新戰術，要求將編隊中多個中、遠程艦空導彈系統組建成網絡化艦空導彈超視距協同反導防御系統。

1 網絡化艦空導彈超視距協同反導防御系統

網絡化艦空導彈超視距協同反導防御系統［1－2］，基于高速交戰(CEC)網絡［3］，主要由偵察衛星、預警機、艦艇編隊和編隊C4ISR系統組成，如圖1所示。

圖1 網絡化艦空導彈超視距協同反導防御系統Fig.1 Networked ship－to－air missile beyond－visual－range cooperative anti－missile system

網絡化艦空導彈超視距協同反導防御系統，按照網絡中心戰的概念和原理［4－7］，一是將“傳感器網”、“指揮控制網”和“高速交戰網”三網合一，構成多平臺協同探測、協同跟蹤、協同指揮、協同控制和協同制導網絡系統;二是采用“協同探測”、“協同指控”和“協同制導”等三大技術，形成艦艇編隊“超視距攔截低飛反艦導彈”的能力。這樣，艦艇編隊預警、探測距離大大增加，對多目標的跟蹤精度大大提高，中、遠程艦空導彈有效攔截距離和攔截次數大大增加，艦艇編隊超視距反導防御作戰能力大大提高。

2 超視距協同反導防御作戰系統的特殊性

從網絡中心作戰角度看，網絡化艦空導彈超視距協同反導防御系統，是一個基于編隊C4ISR系統的多平臺、多雷達、多個指控系統、多個艦空導彈系統構成的一體化對空防御作戰系統，并具有一系列的特殊性。

2.1 協同探測與跟蹤的特殊性

艦艇平臺上單一雷達系統，就其特性而言，在目標距離的測量上是較精確的，但在目標方位角和高低角的測量上存在較多不確定性，解決這一問題的技術途徑之一是采用多雷達組網探測技術。

用多部雷達觀測一個目標，可以大大降低或消除單一雷達在方位角和高低角測量上的不確定性。然而，多部雷達組網后，由于觀測目標的平臺數量多，會造成目標航跡生成混亂。因此，給每一個被探測的目標生成一個唯一的目標航跡，使艦艇編隊中各平臺形成統一的、共享的作戰態勢圖，這是網絡化艦空導彈超視距協同反導防御系統的特殊性之一。

2.2 協同指揮與決策的特殊性

按照網絡中心戰的概念，網絡化艦空導彈超視距協同反導防御作戰指揮與控制的核心目標，是實現“用合適的艦空導彈，在合適的時刻，攔截合適的反艦導彈”作戰目標，這就要求對整個艦艇編隊中“分布作戰資源”進行指揮和控制。其中，“彈－目匹配(missile－target pairing)”技術，也就是將“反艦導彈群目標”向“多個艦空導彈”進行正確的分配，是網絡化艦空導彈超視距協同反導防御系統指揮與控制的難點之一。

在以網絡為中心的編隊反導防御作戰中，每一個平臺的傳感器和武器在邏輯上都是可以分離的，一個平臺上的傳感器可以邏輯獨立于平臺之外被另一個平臺的指控系統使用，這樣就形成了新的跨平臺的武器發射控制系統，即動態地組合構成了“集成火控系統［8］(Integrated Fire Control System)”。因此，艦艇編隊中基于多平臺、多傳感器和多武器系統的“集成火控系統”動態構建技術和方法，是網絡化艦空導彈超視距協同反導防御系統的指揮與控制的另一個難點。

2.3 協同制導與控制的特殊性

能否充分利用中、遠程艦空導彈的全部運動學彈道和射程，實現多平臺對多枚艦空導彈的協同制導和控制，也是網絡化艦空導彈超視距反導防御系統完成艦艇編隊防御作戰任務的特殊性之一。主要表現在兩個方面。

2.3.1 中制導段飛行彈道相對平直中、遠程艦空導彈武器采用“慣性+指令”中制導方式，其中制導段飛行彈道一般采用“高拋彈道”。而在多平臺條件下，平臺之間的接力制導及其交班控制，要求盡量減小制導系統的動態誤差，在三維空間中使飛行彈道保持相對平直，避免S型，如圖2所示。這樣，既有利于中制導段接力制導及其交班控制，又可以最大限度地減少因導彈機動產生的不必要的能量損失，發揮出中、遠程艦空導彈的最大射程。

圖2 相對平直飛行彈道示意圖Fig.2 Sketch map of relatively straight trajectory

2.3.2 中 －末段制導控制精度要求較高

采用“慣性+指令+末制導”復合制導體制的中、遠程艦空導彈，其脫靶量主要取決于末制導精度。在中制導段的末端，當導彈和目標之間距離小于導引頭的最大作用距離，且目標處于導引頭探測搜索扇面內時，導引頭開機即可截獲目標，實現中－末制導交班。這就要求中－末制導交班時刻的導彈位置、姿態誤差以及目標位置誤差等在規定的精度范圍內。在多平臺條件下，各平臺制導雷達系統的異構性決定了中－末段制導交班控制的復雜性，而且，對中－末段制導交班控制的精度要求也就高于單一平臺下的情況。

3 系統建設思路和關鍵技術

網絡化艦空導彈超視距協同反導防御系統建設，不是從頭設計一個新系統，而是將現有多個艦空導彈系統綜合集成，生成一個具備新功能的系統，獲得“1+1＞2”的效果。因此，必須采用“軍事需求驅動、體系結構主導”的頂層設計理念，綜合運用系統集成為特征的現代系統工程思想和方法，集智攻關破解關鍵技術難題，充分進行作戰背景條件下演示驗證，才能確保系統集成建設目標的實現。

3.1 頂層設計的思路和方法

頂層設計是工程實現的前提。網絡化艦空導彈超視距協同反導防御系統的頂層設計，一是研究確定軍事需求，分析未來海戰場空襲與反空襲作戰雙方攻防體系中裝備和技術的發展趨勢，在假想條件下提出反艦導彈多批次、多方向、飽和攻擊的進攻態勢，構建艦艇編隊兵力組成和裝備配置等防御作戰態勢;二是研究確定系統體系結構，分析、確定體系結構中網絡結構、節點類型、節點內部結構、節點之間的相互關系以及對節點的約束條件，提出適合于艦艇編隊的防御作戰體系結構及其關鍵技術。

系統體系結構研究的技術途徑，是參照DoD AF系統體系結構設計方法［9］，從“全視圖(AV)”、“作戰視圖(OV)”、“系統視圖(SV)”和“技術視圖(TV)”等4個層面，分析提出作戰任務、作戰態勢、系統構成和技術標準體系，建立部隊、監造機構和研制機構3個方面的協調建設機制。總之，網絡化艦空導彈超視距協同反導防御作戰系統體系結構研究的目的，就是確定多個艦空導彈系統共同協作的體系結構，協調它們的自身能力和作戰目標，以求解單個艦空導彈武器系統反導作戰無法實現的復雜超視距反導防御作戰問題。

3.2 綜合集成的思路和方法

從武器裝備體系建設看，網絡化艦空導彈超視距協同反導防御作戰系統，是一個基于“高速火控網絡+C4ISR系統”的多個艦空導彈系統組成的復雜裝備體系。該裝備體系綜合集成可以分為3個層面:1)網絡層;2)應用層;3)知識層。如圖3a所示。

3.2.1 網絡層綜合集成，實現互連互通

網絡層綜合集成的目標是建立互連互通的網絡系統，為超視距反導作戰信息共享提供支持。從網絡作戰功能看，完成傳感器網(sensornet work)、指控網(C2 network)和武器網(shooter network)的綜合集成，如圖3所示。其中，網絡層綜合集成的難點是高速武器網(CEC網)的建設。高速武器網是構建“集成火控系統(Integrated Fire Control System)”的基礎，它使各個參戰單元快速實現互聯互通。

圖3 3個層面綜合集成結構圖Fig.3 Integrated structure chart of three layers

3.2.2 應用層綜合集成，實現作戰能力

應用層綜合集成的目標是建立網絡化的艦空導彈武器裝備體系，為超視距反導作戰“硬殺傷”能力提供具體裝備應用方案。從裝備結構角度看，應用層綜合集成強調“傳感器－指控系統－發射裝置”等作戰資源與作戰平臺的邏輯分離;從協同制導角度看，應用層綜合集成強調艦空導彈系統應該具備“慣性+指令+×××”的制導體制，如圖3所示，具備“遠程發射”、“接力制導”和“遠程交戰”能力，實現網絡化超視距反導作戰能力。

3.2.3 知識層綜合集成，實現決策能力

知識層綜合集成的目標是建立基于網絡的C4ISR系統，為超視距反導作戰態勢分析和決策提供知識管理能力。如圖3a所示，網絡化、多艦艇平臺上的“單一綜合空情圖(SIAP)”，力求將最恰當的反導作戰態勢知識，在最恰當的時候，傳遞給艦艇編隊指揮員，使他們做出最好的決策，以便實時地對編隊中異構、分布的艦空導彈系統進行指揮，共同完成艦空導彈超視距協同反導作戰任務。

總之，網絡層、應用層和知識層的3層綜合集成并不是分開的，而是有機融合在一起的，如圖3b所示。從武器裝備體系結構看，網絡化艦空導彈反導作戰裝備體系是一個基于信息系統的，具備異構、分布、協同特點的艦艇編隊防空反導裝備體系。

3.3 網絡化協同反導作戰和導彈控制的關鍵技術

從工程技術應用角度看，網絡化艦空導彈超視距協同反導防御系統是一個基于高速數據網絡的，具有異構、分布、開放和動態耦合特點的復雜的分布式人工智能控制系統。因此，需要解決下列關鍵技術問題。

3.3.1 高速數據網絡技術

高速數據網絡是寬帶、實時網絡。它不僅具有很高的傳輸速率，而且具備很強的抗干擾能力和精準的定向性和實時性。主要關鍵技術包括:1)相對和絕對格網鎖定(gridlock)技術;2)傳感器數據傳輸的智能接口技術;3)多波束天線多節點通信技術;4)網絡中有限節點最優跟蹤信息分發技術;5)寬帶和窄帶網絡數據交換關口鏈接器技術。

3.3.2 異構型多雷達組網技術

艦艇編隊中不同頻段、不同體制的異構型雷達協同工作，提升了對小目標、隱身目標、高速高機動目標、低空目標等的探測和跟蹤能力，以及整體抗干擾、抗摧毀能力。主要關鍵技術包括:

1)異構型多雷達優化部署技術;

2)基于信息柵格和點跡融合的雷達組網技術;

3)多雷達動態組合及控制技術;

4)雷達組網條件下的協同探測、遠程控制、目標識別、效能評估技術。

3.3.3 多傳感器數據融合技術

網絡化艦空導彈超視距協同反導防御系統是一個多平臺、多傳感器、多指控系統、多發射系統的探測、指揮、控制、制導一體化的信息融合系統。主要關鍵技術包括:

1)時空一致與誤差校正技術;

2)目標點跡壓縮合并、點跡串行合并等點跡融合技術;

3)多目標跟蹤技術;

4)多干擾源定位技術;

5)決策層融合、特征層融合和數據層融合等屬性信息融合技術。

3.3.4 網絡延時補償技術

網絡化艦空導彈超視距協同反導防御系統中，數據網絡將艦艇編隊內各作戰平臺上的探測跟蹤系統、指揮控制系統、武器系統整合成統一高效的網絡體系，戰場指揮員通過網絡可以有效地獲取快速變化的戰場態勢并進行判斷決策，但是由于物理距離以及其他一些因素，信息通過網絡傳輸時必然會存在延時。數據鏈延時使得戰場場景無法實時再現，這會影響指揮員的判斷與決策，同時縮短了決策時間。如果數據鏈延時過長，還會使空地導彈無法命中目標，因而完全有必要對數據鏈延時進行補償［10］。主要關鍵技術包括［11－12］:

1)延時時間測定技術;

2)目標狀態預測技術;

3)基于延時補償的濾波模型與算法。

3.3.5 多武器系統指揮控制技術

網絡化多平臺上，武器系統指揮控制中心不是固定的，且具有很強的系統重構性，提高了指揮和控制的可靠性［13］。同時，可根據作戰需要和戰場態勢的變化，指控中心隨時動態地將作戰資源加入或退出網絡化作戰系統，明確每艘艦艇上的作戰資源是否參加對來襲反艦導彈目標的攔截。主要關鍵技術包括以下幾點。

1)多目標威脅評估技術。

威脅評估是一個連續、動態的過程，它貫穿于整個作戰過程，從第一個威脅的出現到所有威脅的消失。威脅評估是編隊火力組織的基本依據，一直是編隊對空防御研究的重點和難點問題。根據編隊整體防御的思想，對目標威脅程度的評判應以其對整個編隊的威脅程度來分析。指標體系建立過程中，應突破傳統單艦威脅評估觀念的局限性，充分考慮到編隊中各隊列艦相對價值對于目標威脅程度的影響;同時，應充分利用編隊所獲取的目標信息，在信息類型上，不僅應利用目標的各種傳感器信息和電子戰信息，而且應綜合利用對敵方空襲典型戰術、典型編成、空襲作戰特點分析所得到的預先知識;在信息時域上，不僅要充分利用實時的目標信息，而且還應該綜合考慮目標的歷史航跡和戰術動作［14］;指標量化過程中，應認真分析指標對威脅影響機理，建立合理的量化模型;威脅評估模型的建立應盡量避免引入主觀性和盲目性。

2)艦艇編隊隊形優化配置技術。

平臺中心作戰模式下，編隊之間的信息共享程度很低，只具有在“有限數據鏈路”下達成的“有限協作”。因此，編隊隊形配置一般采用疏開配置，確定艦艦間距時，會考慮一定的火力協同與掩護，但這種火力協同與掩護是通過某種“約定”達成“有限協同”［14］。網絡化作戰模式下，艦艇編隊反導作戰系統已經實現了態勢的共享、武器系統的協同共用，并具備了遠程數據發射、遠程數據交戰、制導接力和射擊接力4種新的網絡化作戰方式，為了使這些能力得以充分發揮，必須重新考慮艦艇編隊的隊形配置，認真分析網絡化作戰模式下的隊形配置影響因素，確定面對不同目標環境編隊的隊形(線形、環形、菱形等)，以及各影響因素約束下的編隊艦艦位置關系模型。

3)多作戰節點武器目標分配技術。

艦艇編隊網絡化作戰模式下由于武器系統的協同共用，火力單元變成了發射節點和制導節點(發射節點和制導節點為艦空導彈武器系統的邏輯分解)臨時構成的虛擬組織，稱為“集成火控系統(IFCS)”，艦艇編隊網絡化反導作戰中，IFCS的組成不是固定不變的，它們能夠根據需要解體、重組。IFCS的產生使得目標火力通道的組織突破了作戰平臺的限制，目標火力通道組織變得多樣化、復雜化，目標分配問題變成了集成火力單元與目標的優化配對，也就是“發射節點－制導節點－目標”三者的匹配優化問題［15－16］。

3.3.6 飛行彈道交班控制技術

超視距作戰條件下，飛行彈道交班控制是中、遠程艦空導彈大空域飛行彈道交班控制。包括“彈道中段接力交班控制”和“彈道中－末段制導交班控制”兩個方面的關鍵技術。

1)彈道中段接力交班控制技術。

彈道中段接力交班控制要求艦空導彈飛行彈道相對平直。影響艦空導彈彈道平直的因素較多，一是系統動態誤差和初始航向偏差，可以通過對導彈導引規律和發射裝置跟蹤規律的合理設計，從原理上解決;二是導彈測量誤差和目標測量誤差，會隨時間的增加而增加，使彈道變得彎曲;目標的機動形式、機動方向和縱向加速度都是隨機的，只能依靠控制系統糾正由其引起的偏差。

2)彈道中－末段制導交班控制技術。

彈道中－末段制導交班控制，要求彈上計算機根據導彈和目標之間的相對位置，計算出導引頭波束指向。引起導引頭波束指向誤差的因素很多，目標機動、目標縱向加速度、導彈縱向加速度、導彈的重力、初始航向偏差，都會造成“彈－目視線角速度”產生變化，并引起需用過載的增加。除了初始航向偏差外，其余誤差的量值均隨時間的增加而增加，到命中點時達到最大，彈道變得彎曲。因此，分析各種誤差源對中－末制導交班的影響，分配相關分系統誤差范圍，就成為彈道中－末段制導交班控制設計的重點工作。

3.3.7 超視距協同反導艦空導彈射擊諸元解算技術

射擊諸元計算是指揮員進行導彈攔截可行性判斷和發射時機確定的基本依據，無論是單平臺作戰還是協同制導作戰，這些參數的解算都是必不可少的，其主要包括艦空導彈的殺傷區、發射區、目標到達發射區近界和遠界的時間、預測遭遇點等參數的計算。

4 結束語

網絡化作戰條件下，艦艇編隊反導防御系統的反應速度、抗飽和能力、反隱身能力、抗干擾能力、重組和抗毀能力都得到了大大提高，同時也解決了艦空導彈的殺傷區受制于單個制導平臺威力限制的問題。因此，構建網絡化艦空導彈超視距協同反導防御系統，既是未來海上防御作戰的必然要求，也是艦艇編隊防御由平臺中心戰向網絡中心戰轉型的必由之路。深入研究系統體系結構，綜合運用系統集成方法，集智攻關破解關鍵技術難題，是實現網絡化艦空導彈超視距協同反導防御系統的關鍵。

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