雙機編隊空戰仿真模型設計

劉西，陳偉，馮志峰，翟樹朋，張偉芳

（上海機電工程研究所 上海 201109）

隨著新軍事體系的發展變革、信息技術的快速提升，聯合空中作戰指揮越來越先進，作戰方式也越來越多樣［1］。作為空中作戰編隊的最小任務編組，雙機編隊的協同作戰能力直接影響聯合空中作戰整體能力。

針對雙機編隊空戰仿真建模，目前有多位學者進行了研究，如陳元［2］探討了藍軍戰斗機編隊建模方法；徐西蒙等［3］建立了編隊關系和運動模型，并給出了編隊控制方法；孟光磊等［4］給出了雙機編隊超視距空戰條件下的威脅評估方法；羅德林等［5］給出了超視距空戰下的多目標攻擊決策方法；程啟月［6］從飛機、武器、機載設備的性能上對編隊協同作戰進行了效能評估。上述空戰編隊研究中，部分未考慮編隊飛機平臺及掛載設備能力，部分只針對OODA 中的單一環節進行分析。本文從編隊飛機作戰能力出發，研究戰斗機概念模型和雙機編隊空戰概念模型，并基于OODA 作戰流程，采用狀態機建模方法構建雙機編隊空戰行為仿真模型，設計雙機編隊離散態勢感知和行為方法，并基于專家經驗給出決策方法。

1 雙機編隊空戰概念模型

雙機編隊飛行員在空戰過程中主要完成戰斗機的操控以及編隊成員交互。為準確描述編隊空戰過程，并進行可靠建模仿真，采用面向對象的概念描述方法，從編隊空戰中戰斗機的操控角度分析戰斗機裝備組成，對戰斗機裝備進行合理簡化抽象，建立戰斗機對象模型和功能模型；采用面向過程的概念描述方法，圍繞雙機編隊空戰過程，描述編隊中不同身份飛行員執行作戰任務的完整流程。

1.1 戰斗機概念模型

空戰戰斗機主要是指掛載空空導彈與敵戰斗機進行空中格斗，奪取并保持戰區制空權的作戰飛機。以典型的F-22A、F-35C為研究對象確定戰斗機概念模型構成。其中F-22A 由發動機、氣動外形、布局和涂層決定機動能力以及輻射特性，采用Link-16 和IFDL 數據鏈實現機間和外部通信，根據組合導航設備獲取導航信息，作戰時由綜合電子戰系統提供目標情報，并由中央計算機進行火控、飛控解算，控制武器艙及掛點武器狀態，在滿足條件時發射導彈。F-35C 構成基本與F-22A 一致，只是新增光電系統強化態勢感知能力，以及新增任務系統提升戰場指揮能力。

1.2 編隊空戰概念模型

編隊空戰是指戰斗機編隊飛行員之間互相協同，與目標飛機空戰的過程。雙機編隊包含編隊長機和僚機，長機飛行員接收地面指揮所處置指令，聽從指揮所引導進入作戰空域，進入空域后編隊空戰可分為完成投彈、完成制導、完成脫離3 個階段。在各個作戰階段由長機負責觀察、研判和決策，編隊雙機按照決策完成機動控制、裝備控制等操作。

2 戰斗機仿真模型

2.1 運動模型

戰斗機運動模型模擬戰斗機的運動狀態。通過配置高度約束、速度約束、最大過載約束、爬升率約束、推力約束、油耗約束等實現不同類型戰斗機運動能力仿真。

2.2 機載雷達模型

機載雷達仿真模型可模擬戰斗機有源相控陣雷達，通過設置雷達頻率、功率、脈寬等基本參數，實現多種工作模式（邊搜邊測距、邊搜邊跟、單目標跟蹤）仿真，具有多目標探測、航跡管理、多目標鎖定、通視判斷、信噪比檢波等功能。

2.3 機載火控模型

機載火控模型可模擬機載對空、對地火控系統，具備情報處理、目標信息處理、發射區解算、導彈發射令處理、導彈制導信息計算和導彈掛載狀態管理等功能。

2.4 機載通信模型

機載通信模型可模擬飛機的數據鏈及無線通信能力，可實現飛機模型編組之間的態勢共享、戰術指令傳達、飛機模型與指揮所的態勢共享及任務指令傳達。

2.5 空空導彈模型

空空導彈模型可模擬典型的空空導彈道特性、飛行狀態，可仿真彈體運動計算、彈目相對運動、制導律和毀傷等功能。

2.6 輻射特性模型

戰斗機輻射特性模型模擬戰斗機不同視角下的幾何特性、紅外特性以及電磁特性。

2.7 干擾設備模型

干擾設備模型可模擬干擾設備吊艙功能，包括雷達信號偵收截獲、信號分選識別，采取欺騙或壓制干擾策略控制干擾源產生干擾信號，對目標雷達進行干擾。

2.8 光電模型

機載光電模型可模擬光電設備功能，采用紅外前視及電視監視對區域目標進行搜索，并可依靠雷達探測數據對目標進行持續跟蹤。

2.9 告警設備模型

告警設備模型可模擬機載告警設備器，接收處理雷達信號并進行測量定位，經分選識別后與目標數據庫進行匹配，根據輻射源威脅等級及狀態確定雷達信號告警信息。

3 編隊空戰仿真模型

3.1 編隊協同模型

編隊中長機、僚機基于飛機通信設備實現協同，編隊協同形式如圖1所示。

圖1 編隊協同作戰流程Fig.1 Formation cooperative operation process

采用狀態機建模方法對空戰流程中的長機、僚機飛行員行為進行仿真建模，狀態機可描述飛行員完整的空戰過程，完整的狀態機包括狀態、轉換、事件、監護條件和動作［7］。長機飛行員的觀察、判斷與決策過程可設計為長機決策狀態機，飛行員空戰時編隊機動及設備的控制可設計為機動控制狀態機和機載設備控制狀態機。

3.2 編隊作戰行為仿真

3.2.1 編隊決策模型

編隊長機負責在不同空戰階段圍繞不同作戰目標作出決策，各階段作戰態勢關注的重點不同，通過定性描述各階段的作戰態勢，形成作戰態勢集合，并確定完成目標的行動方案。下面具體分析各個作戰階段。

（1）發射階段。進入空戰后，編隊首要目標是完成導彈發射，發射階段長機決策狀態機運行流程如圖2所示。

圖2 編隊發射階段長機決策流程Fig.2 Decision-making process of lead aircraft in formation launch stage

在發射階段，長機從外部以及編隊內傳感器獲取空情信息，并確認是否包含處置目標的情報信息，沒有則保持隊形持續關注探測情報，有則分析當前作戰態勢。

為描述發射階段作戰態勢，綜合考慮雙機編隊被鎖定的狀態、雙機編隊鎖定處置目標的狀態、雙機編隊飛行狀態、處置目標編隊飛行狀態。鎖定狀態分為已鎖定和未鎖定，可從飛機平臺火控雷達仿真模型及告警仿真模型中獲取，雙機編隊對抗鎖定狀態包括16 種情形；編隊飛行狀態包括編隊飛行和分開飛行，己方編隊由長機根據編隊內飛機狀態進行判斷，目標編隊由目標情報確認，飛行狀態包括4 種情形。在典型雙機編隊互相對抗的情形下，共有64種態勢情況。

針對以上態勢情況，作戰在被鎖定時可采取雙機分開、干擾、被鎖定飛機分開誘敵，在優勢狀態時雙機快速接敵發射導彈共4種行動決策方案。

（2）制導階段。完成發射后，部分發射條件下需完成對導彈的制導過程。若編隊不具備協同制導能力，由單機自己完成；針對具備協同制導能力的作戰編隊，制導階段長機決策狀態機流程如圖3所示。

圖3 編隊制導階段長機決策流程Fig.3 Decision-making process of lead aircraft in formation guidance stage

制導階段作戰態勢需要考慮編隊內成員制導能力、鎖定目標狀態和被鎖定狀態，鎖定狀態同發射階段共包含16 種情形；編隊內成員制導能力分為可制導與不可制導。如不具備制導能力的掛彈無人機，或只具備制導能力的制導無人機，雙機編隊制導能力包含2種情形。在典型雙機編隊互相對抗的情形下，共有32種態勢情況。

針對以上態勢情況，制導過程中可采取放棄制導、發射平臺跟隨制導、非發射平臺跟隨制導以及發射平臺跟隨制導非發射平臺提供目標/制導信息共4種行動決策方案。

（3）回轉階段。完成發射、制導或不滿足繼續空戰的條件，作戰編組快速回轉脫離戰場，返回原任務空域或機場，回轉階段長機決策方案如圖4所示。

圖4 編隊回轉階段長機決策流程Fig.4 Decision-making process of lead aircraft in formation turning stage

回轉階段長機需考慮處置目標或其他目標的飛行狀態以及告警設備仿真模型的告警信息。雙機編隊告警信息包括4 種狀態；考慮編隊情報中是否有目標快速接近，分為2 種狀態，在典型雙機編隊互相對抗的情形下，回轉階段共有8種態勢情況。

針對以上態勢情況，回轉脫離過程中可采取雙機橄欖形回轉脫離、雙機加速回轉脫離2種行動決策方案。

3.2.2 編隊行動模型機動由機動控制狀態機實現，機動控制狀態機流程如圖5所示。

圖5 機動控制狀態機流程Fig.5 State machine process of maneuver control

編隊行動包括編隊機動和編隊設備控制，其中編隊機動由機動控制狀態機實現，機動控制狀態機流程如圖5所示。

機動控制狀態機接收長機決策的機動指令，并按照指令類型執行目標機動指令和空間機動指令，其中目標機動指令包括朝向目標機動、跟隨目標機動等，空間機動指令包括航線機動、指令時刻機動、空中巡邏機動、環形、8字機動等。

編隊設備控制由設備控制狀態機實現，不同身份控制方式相同，設備控制狀態機流程如圖6所示。

圖6 設備控制狀態機流程Fig.6 State machine process of equipment control

設備控制狀態機接收長機決策的設備控制指令，并按照指令類型執行光電/雷達、干擾、火控設備控制指令，完成設備狀態的切換。

3.3 編隊決策模型

編隊協同模型和行動模型描述作戰各階段的態勢集合和行動決策集合，由態勢到行動的映射可采取傳統優化方法或強化學習方法進行訓練，得到針對作戰場景的最優決策。

本文基于專家經驗給出編隊空戰的一種映射關系。在空戰發射階段，當完成對目標的鎖定時，采取持續接敵方案，當目標被鎖定時，被鎖定飛機開啟干擾，在開啟干擾后目標依舊被鎖定時，采取分開機動誘敵策略，如果雙機編隊都被鎖定則雙機雙向分開機動，在擺脫鎖定后向目標機動制導滿足發射條件；在空戰制導階段，優先使用無人系統進行制導，當發射平臺制導過程中目標被鎖定或被嚴重干擾時，可由其他未被鎖定的平臺接替制導，當其他平臺無法進行制導時，可提供目標信息或制導信息；在回轉階段，根據敵方機動能力和導彈能力，在無法擺脫時采取橄欖形隊形回轉壓制敵方追擊過程。

4 結語

本文以聯合空中作戰仿真為出發點，重點研究雙機編隊空戰仿真模型設計，首先對雙機編隊空戰概念進行描述，結合實際典型飛機平臺，研究雙機空戰中的戰斗機概念模型，并給出雙機編隊空戰的概念模型。按照概念模型梳理戰斗機仿真模型的基本組成和功能，基于狀態機構建編隊空戰模型，完成長機決策模型設計和編隊行動模型設計，可完整實現雙機編隊空戰仿真，為編隊空戰研究提供解決思路。本文重點在于模型建設，只考慮了基于專家經驗的決策實際，但模型中的狀態及動作拆解可較好地支撐后續強化學習等智能空戰領域的研究。