多平臺協同的遠程空空導彈網絡化制導研究

馬晨 崔顥 陳辛

DOI：10.12132/ISSN.1673-5048.2019.0007

摘要：遠程空空導彈飛行距離遠、時間長，若按照傳統復合制導方式進行中制導，對制導鏈路的作用距離和范圍提出了較高的要求，并且遠距離飛行容易受到敵方干擾、制導平臺容易被摧毀，這都對導彈中末制導截獲概率有著極大的影響。網絡化制導系統以網絡為中心，利用多個傳感器的目標指示信息對導彈進行制導，具有很強的抗干擾以及抗毀傷能力，可大幅提升系統作戰效能。本文從閉合遠程空空導彈的殺傷鏈出發，對支持遠程空空導彈打擊的網絡化制導及其關鍵技術進行分析，通過構建戰場對抗仿真系統，對整個制導過程進行驗證。

關鍵詞：遠程空空導彈;制導鏈路;截獲概率;網絡化制導;對抗仿真系統;武器協同技術

中圖分類號：TJ765文獻標識碼：A文章編號：1673-5048（2019）04-0067-08

0引言

預警機是現代空戰的重要支撐節點，在聯合作戰、預警探測、作戰指揮等各方面扮演著重要的角色，是現代空戰體系的核心。摧毀敵方預警機是使對手喪失制空能力，實現“擊要破體”的重要手段。而預警機作為高價值空中目標，往往活動于作戰空域后方，因此要想對其實施有效打擊，傳統空空導彈不能滿足攻擊需求，需要開展遠程空空導彈能力的研究。多平臺協同網絡化制導作戰方式，能通過武器協同數據鏈，將分布在戰場上的各類傳感器聯網，構成一個巨大的分布式傳感器網絡。不僅能提高信息探測精度，同時能解決單一平臺抗毀能力差、容易受干擾等缺點，進而大幅提高遠程空空導彈的作戰效能[1-3]。

本文從遠程空空導彈的多平臺協同網絡化制導能力需求出發，研究支持遠程空空導彈攻擊的打擊體系、動態組網、多源信息融合等技術，利用戰場對抗XSim仿真軟件，構建典型作戰場景，通過戰術對抗仿真，驗證多平臺協同的遠程空空導彈網絡化制導的可行性。

1國外發展情況

冷戰期間，為應對蘇聯海軍、空軍低空掠海飛行反艦導彈的飽和攻擊，美國約翰-霍普金斯（JohnsHopkins）大學應用物理實驗室提出使用空基雷達協同防空艦射艦空導彈進行跨地平線攻擊的設想，這一設想發展成為后來的協同交戰系統（CEC）[4]。CEC是實現導彈網絡化制導的典型代表，其利用戰場戰術通信網絡將傳感器和武器系統連接在一起，使網絡內的傳感器共享目標信息，并對網內所有火控計算機的信息進行自動更新，從而使武器系統與目標交戰（如發射導彈和指揮飛機攻擊等）不局限于單個武器系統，而是協調網絡內的各武器系統以最佳方式、最佳位置、最適合的武器系統來對付敵方目標。除此之外，CEC系統能連接網絡內所有探測節點，形成一條各節點同步的目標航跡，解決了傳統單一傳感器被干擾、摧毀而造成的殺傷鏈斷裂的問題。

在CEC基礎上，美國海軍提出了海軍一體化防空火控項目（NIFCCA）[5]，如圖1所示。該項目基于數據鏈系統構建數據共享網絡獲取信息優

勢，構建分布式探測-跟蹤-火控-打擊的防空攔截鏈，實現編隊協同作戰和超視距防空作戰能力，是美軍典型的網絡中心戰系統。

NIFC-CA的作戰流程遵循了美國國防部體系結構框架（DODAF），并被分成海上（FTS）、空中（FTA）以及濱海陸地（FTL）三種殺傷鏈，見表1。陸地殺傷鏈為空海殺傷鏈的引申，因此僅對空海殺傷鏈進行描述。在海上殺傷鏈，各協同作戰平臺進行獨立搜索，確認威脅目標后，自動生成最優協同防空交戰，并通過綜合防空火力控制系統組織火力通道，完成協同防空交戰任務。在空中殺傷殺傷鏈遠程傳感器傳感器網主動制導導彈海上（FTS）E-2D預警機、聯合對陸攻擊巡航導彈防御浮空式網絡化傳感器系統（JLENS）協同交戰能力（CEC）“標準-6”艦空導彈空中（FTA）E-2D預警機、F-18E/F戰斗機Link-16數據鏈AIM-120D先進中程主動雷達制導空空導彈陸地（FTL）E-2D預警機、JLENS、TPS-59雷達、G/ATOR低/空任務定向雷達復合目標跟蹤網、CTN（安裝CEC設備的陸戰隊機動車輛）低空補盲武器系統（AIM-120D導彈的陸基型）鏈，協同平臺搜索到目標之后，利用Link-16數據鏈，將探測傳感器的信息回傳到火力平臺上，為火控提供實時通信能力。

目前，NIFC-CA主要包含5個部分：①E-2D“先進鷹眼”預警機，作為中心節點，負責協調航空母艦打擊群的空中裝備與航空母艦聯隊的所有其他飛機保持聯接，同時還負責與航空母艦打擊群的其他艦隊通信;②聯合對陸攻擊巡航導彈防御浮空式網絡化傳感器系統（JLENS），負責高空多目標的探測、跟蹤和識別，并為防空系統提供告警;③協同交戰能力（CEC），用于海上、空中和濱海陸地作戰單元與武器系統的聯接，支持火控級精度的復合跟蹤，實現對威脅目標的協同打擊;④宙斯盾（AEGIS）作戰系統，負責艦艇的綜合作戰、指揮控制以及訓練等作戰任務;⑤“標準-6”導彈，可利用空、海、天等遠程傳感器的信息，通過網內作戰平臺的制導交接，實現多平臺的接力制導，摧毀目標。

在美軍2016年6月發布的《2016-2025年海軍航空兵愿景》中提出，未來會將F-35C、EA-18G、無人機等納入前出作戰節點，在與海上艦艇協同、集成后，形成航空母艦編隊的一體化防空火控能力，并最終形成整個海軍的一體化防空火力能力。

2遠程空空導彈網絡化制導分析

多平臺協同的遠程空空導彈網絡化制導是通過多平臺組網形成作戰體系，對被攻擊目標進行偵察、探測、攻擊和評估的作戰方式，在遠程打擊敵方預警機等空中高價值目標時，其作戰能力相對單一平臺有顯著提升。本文主要對網絡化制導的兩個關鍵技術進行研究：支持遠程空空導彈制導的多源信息融合技術、網絡化動態組網技術。

2.1多源信息融合技術

在針對預警機等高價值目標的攻擊過程中，往往需要空空導彈對超遠距離外目標實施打擊，而在這一攻擊過程中，單平臺制導攻擊方式已經不能滿足遠距離制導的需求，因此，必須利用體系內多種探測平臺為導彈提供目標信息，確保整個攻擊過程中的信息支持。

但由于體系中多探測平臺提供的目標信息存在多源信息時空不一致、信息維度缺失、信息非周期延遲等問題，需要對多源信息進行融合處理，獲得唯一的導彈中制導信息，確保遠程空空導彈攻擊的閉環。多源信息融合方法由時空配準、多目標跟蹤、異步異質信息融合等環節組成，其總體框架結構如圖2所示。

遠程打擊網絡化制導過程中，由于各傳感器偏差引起的測量誤差，對導彈中末制導交接班截獲概率有較大影響，多源信息時空對準主要解決測量誤差的問題。其中，多源信息的時間對準算法，通常使用最小二乘法、內插外推法、曲線擬合法以及濾波法等[6-10]?？紤]到內插外推法簡單、容易實現，因此可采用內插外推法進行多源信息的時間對準;空間對準主要內容為坐標系的轉換，可利用最大似然法對目標狀態值、傳感器系統偏差和傳感器姿態偏差進行配準;在系統野值方面，可采用卡爾曼濾波算法來剔除野值。

多目標跟蹤算法主要實現各個探測節點對多個目標的航跡生成及更新，不僅提高了信息更新的頻率，同時解決了數據鏈中斷的問題。多目標跟蹤算法通常包括NN（最近鄰域法）、PDA（概率數據關聯）、MHT（多假設目標跟蹤）等[11-14]，其中MHT算法被認為是理想條件下數據關聯的最優算法[12]，同時其計算原理簡單，能實現實時計算。MHT算法流程如圖3所示。

根據已有目標航跡，生成若干目標假設，使用N-best方法進行航跡的快速分配，并在最后一次求解的假設中，使用剪枝算法Prune對航跡進行迭代，不斷形成新的預測與假設。

為了提高低信息精度條件下空空導彈遠程打擊的能力，開展多源信息異步異質融合方法的研究。在多源信息異步融合算法中，對于目標狀態未更新的情況，可建立當前時刻的偽量測，并采用去相關卡爾曼濾波的方法獲得目標狀態估計;對于目標狀態已更新的情況，則可采用遞推的方法，對采樣時刻到當前融合時刻的所有目標狀態進行更新。對于異質融合，則可采用拓展卡爾曼濾波的方法對量測進行融合處理。

2.2網絡化動態組網技術

在網絡化動態組網技術的研究中，由于空中作戰平臺普遍存在移動速度快、作戰半徑廣等特點，網絡節點的高速移動可能造成已建立的網絡連接失效，若網絡重新連接的時間較長，將嚴重影響網絡節點的可用性;同時網絡化作戰體系也存在網絡節點數量多、跨域分布，網絡結構拓撲變化等特性，因此，如何通過網絡化動態組網技術實現對體系內已有資源、平臺間的相互支援、協作，成為遠程空中打擊的重要途徑或方法。

在多源信息網絡化作戰系統中，動態自組網數據鏈系統會利用各類傳感器、數據庫等資源，通過實時共享作戰過程中的目標位置、姿態、威脅度等信息，實現跨越低軌天基、地基、空基三個層次的立體化網絡連接，實現各作戰平臺之間的戰技配合作戰。網絡化動態組網技術集成應用了空間信息網絡、武器協同鏈、信息融合以及復合制導等技術，能實現多源信息平臺的動態快速接入應用，以及面向精確制導應用的高效信息分發。多源信息網絡應包含以下幾點功能：①根據戰場態勢快速構建作戰網絡;②平臺自動實現入網、退網，而不會對網絡造成影響;③各作戰平臺與導彈之間的通信鏈路隨意切換，不需要平臺重新退網、入網;④根據信息優先級調整網絡信道等資源，從而保證數據傳輸的高效性、可靠性、抗干擾性。

網絡化動態組網技術的研究主要包含網絡路由協議的制定、作戰平臺的多址接入技術。

現有無線移動網絡協議有OLSR，DSDV，AODV，DSR等[15-16]。DSDV協議能消除路由環路的產生，同時加快了收斂速度。當傳輸節點需要發送數據時能直接得到路由的信息，減少了數據包的傳輸時延，滿足需求[17]。但是該協議在建立過程中，每一個移動終端都會建立一個路由，這樣就會對網絡造成很大的負擔。因此可選用DSDV協議，同時將基于跳數的路徑代價改為基于鏈路發送功率和速率的代價，這樣每個節點就可以通過與相鄰節點交換信息，建立網絡中所有節點的傳輸路徑。

常用的多址接入技術有輪詢，FDMA，TDMA，CSMA，SPMA，SDMA，OFDMA等[18-20]，通常為了提高接入性能，往往會采用多種接入機制混合使用[21]。由于SPMA接入協議相比于其他協議能快速訪問信道，接入時延更低，同時具有更高的協議接入靈活性，具備較強的業務優先適配和網絡拓撲的自適應能力，因此更適合高動態、高實時的網絡化動態組網技術。

3基于體系對抗的網絡化作戰仿真

隨著空空導彈技術的不斷發展，越來越需要從戰場需求的角度出發，考慮裝備在實際體系對抗中所能發揮的作用和能力，而傳統的仿真手段不能滿足這一需求[22-23]。因此需要對裝備體系化作戰進行仿真，本文采用XSim體系對抗仿真軟件進行仿真分析。XSim是一款具有高度二次開發接口的作戰對抗仿真軟件，該軟件支持組件的模塊化設計，能實現作戰系統的實時仿真、動態推演以及作戰結果的綜合分析評估等多方面功能需求。

3.1仿真場景構建

作戰場景設置：敵我雙方奪取某海域制空權，敵方作戰群在我方海域執行情報搜索任務;我方作戰單元在我方海域執行巡邏任務。敵方作戰單元入侵我方領土后，由我方空海天作戰平臺協作制導遠程攻擊空空導彈，攻擊敵方預警機作戰節點。我方主要作戰節點設置有：前出探測機、預警機及其護航戰斗機群、艦船以及天基衛星群;敵方作戰節點設置有：預警機及其護航戰斗機群。在仿真過程中，設置我方探測信息不連續，模擬實戰中信號中斷情況，同時模擬敵方對我方探測平臺的干擾作用，用以檢測網絡化作戰關鍵技術的作用。

3.2仿真模型

根據作戰場景，建立各作戰節點的實體模型，仿真系統設計中，主要實體模型有：飛機模型、艦船模型、天基衛星模型等?？栈w行模型包括我方導彈發射機、巡邏機、預警機，以及敵方預警機群模型。考慮到網絡化制導條件下導彈工作模式的變化，需要對空空導彈模型以及衛星模型、多源信息融合模型、通信仿真模型進行開發。各模型構建方法及模型間關系如圖4所示。

3.2.4通信仿真模型

通信仿真模型利用多個不同探測器獲得的目標信息，經過打包處理，通過網絡傳輸到空空導彈上的通信端機，由導彈上的處理系統形成更高精度的目標信息供導彈飛行。該模塊仿真模擬真實情況中的延遲、丟包、傳輸速率等網絡特征，并提供信息透傳能力。在仿真過程中，每個通信仿真模型對應于一個平臺上的通信端機，各通信仿真模型之間相互獨立，并接受仿真總控的周期調度。

組網通信模型主要包含信息維護、節點的入網、數據的調度。其中信息維護主要包含仿真時間的維護以及各節點狀態的維護;節點的入網通過與鄰居節點進行信息交互，從而實現網絡的發現以及信息的交換，并采用分布式入網認證的方式對節點進行快速認證，進而接入網絡;數據的調度主要包含節點對數據的接收、發送以及中繼。節點會根據數據的狀態進行判斷，選擇接收或丟棄數據，同時數據在發送時就會判斷其優先級，并根據情況選擇其對應的傳輸信道，確保重要信息的高效分發。

3.3仿真結果

觀察仿真對抗結果可以發現，我方空空導彈在友方作戰單元的信息支持下，實現了多源信息的融合，其融合結果如圖6所示。由圖可以看出，融合前各探測器中均存在探測精度較差的信息，但經過多源信息融合系統融合后，目標航跡基本能與目標運動軌跡重合，且為一條連續的航跡信息。圖7為網絡化拓撲結構圖，圖中各平臺間的指揮控制關系由虛線連接，平臺之間的通信過程由實線連接。由圖可知，導彈在運動過程中，能接受來自不同作戰平臺提供的信息。

各平臺信息狀況如圖8所示。通過圖8可發現，我方探測平臺在信息探測階段由于外界環境等原因，造成探測信息的中斷或信息不連續的情況，但在多源信息融合系統之后，通信階段均能夠提供完整的目標信息;同時由于敵方干擾機對我方探測平臺實施干擾，造成我方探測機出現通信缺失的情況。通過仿真結果可發現，即使敵方對我方某一區域內平臺實施干擾，我方導彈仍能在未受干擾平臺的接力制導下完成導彈的制導工作。

在以上作戰想定下，分別改變導彈發射機高度、速度以及目標機動等信息，計算得到導彈中末制導交接班截獲概率，結果如表2所示。結果顯示，截獲概率均值能達到0.926，即使在極端環境下，截獲概率也均能達到0.885，相比于傳統制導方式，其末段截獲性能得到極大的提升。

4結論

遠程空空導彈網絡化作戰是未來空空導彈發展的必然趨勢，多平臺傳感器間火控級精度的協同制導，能極大提高對機動目標的連續有效跟蹤，進而提高導彈命中率，提高體系作戰效能。本文以遠程空空導彈網絡化作戰為背景，結合相關文獻，對網絡化作戰中多源信息融合、多源信息動態組網等關鍵技術進行簡要分析，并通過體系對抗仿真軟件對典型場景進行仿真分析。由仿真結果可知，多平臺的協同作戰能為導彈提供完整的目標信息，同時導彈中末制導交接班截獲概率相較于傳統制導方式有較大提升，能滿足遠程空空導彈網絡化作戰的需求。

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