趙秦豫　李照順　藍(lán)灣灣　吳　琦

(海軍指揮學(xué)院　南京　211800)

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基于CPN Tools的航母編隊(duì)遠(yuǎn)程協(xié)同防空指揮控制模型研究*

趙秦豫李照順?biāo){灣灣吳琦

(海軍指揮學(xué)院南京211800)

摘要針對(duì)航母編隊(duì)遠(yuǎn)程防空問題，分析了預(yù)警機(jī)協(xié)同艦載機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程防空作戰(zhàn)指揮控制過(guò)程，并運(yùn)用CPN Tools仿真平臺(tái)建立了航母編隊(duì)遠(yuǎn)程協(xié)同防空作戰(zhàn)中的相關(guān)指揮控制模型，包括頂層模型、目標(biāo)模型、防空響應(yīng)模型、預(yù)警機(jī)探測(cè)引導(dǎo)模型、編隊(duì)指揮所指揮控制模型和艦載機(jī)模型，為航母編隊(duì)遠(yuǎn)程協(xié)同防空作戰(zhàn)指揮控制動(dòng)態(tài)仿真分析奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞航母編隊(duì); 協(xié)同防空; 指揮控制; CPN Tools

Command and Control Model of Remote Cooperative Air Defense for Aircraft Carrier Formation Based on CPN Tools

ZHAO QinyuLI ZhaoshunLAN WanwanWU Qi

(Naval Command College, Nanjing211800)

AbstractIn view of the problems about remote air defense for aircraft carrier formation, it was analyzed that the process of the command and control about remote cooperative air defense with shipboard aircraft and AEW. Some related command and control models were established for aircraft carrier formation through the CPN Tools, which included the top model, the target model, the air defense response model, the AEW detection and guide model, the command and control model of the Formation Command Post and the shipboard aircraft model. These models would lay the foundation for the dynamic simulation of the command and control about remote cooperative air defense for aircraft carrier formation.

Key Wordsaircraft carrier formation, cooperative air defense, command and control, CPN Tools

Class NumberE911

1引言

從近幾十年的幾場(chǎng)局部戰(zhàn)爭(zhēng)來(lái)看，空中打擊是現(xiàn)代作戰(zhàn)的典型樣式。航母編隊(duì)作為海上作戰(zhàn)行動(dòng)中的主要突擊兵力，必將受到敵方航空兵和反艦導(dǎo)彈的重點(diǎn)打擊。

信息化條件下航母編隊(duì)協(xié)同防空就是將不同性能、類型的防空武器和相應(yīng)的情報(bào)搜集、情報(bào)處理與輔助決策、通信、電子戰(zhàn)等裝備組成系統(tǒng)，與空襲系統(tǒng)之間進(jìn)行體系與體系的對(duì)抗，在武器裝備所及范圍內(nèi)，編隊(duì)指揮員需合理使用各種對(duì)空設(shè)備與武器，高效攔截打擊空中威脅目標(biāo)。目前，航母編隊(duì)的對(duì)空防御體系主要由三道對(duì)空警戒幕和三道對(duì)空攔截幕組成[1]。在航母編隊(duì)協(xié)同防空作戰(zhàn)中采用層次協(xié)同的方法，由航母本艦負(fù)責(zé)內(nèi)層防御、水面艦艇負(fù)責(zé)近層防空，水面艦艇區(qū)域防空戰(zhàn)術(shù)群負(fù)責(zé)中層防空，艦載機(jī)戰(zhàn)術(shù)群負(fù)責(zé)遠(yuǎn)層防空[2]。

在航母編隊(duì)中，艦載機(jī)是編隊(duì)最主要的作戰(zhàn)力量之一，具有反應(yīng)時(shí)間快、作戰(zhàn)范圍廣、打擊強(qiáng)度大、打擊效果好等特點(diǎn)，因此在編隊(duì)協(xié)同防空作戰(zhàn)中擔(dān)負(fù)著重要的使命。但由于其自身的探測(cè)范圍有限及受地球曲率的影響，很難發(fā)揮機(jī)載武器的遠(yuǎn)程打擊能力，因此，由預(yù)警機(jī)、艦載戰(zhàn)斗機(jī)和電子戰(zhàn)飛機(jī)組成的防空作戰(zhàn)力量構(gòu)成了航母編隊(duì)的遠(yuǎn)程防空區(qū)，力圖在敵機(jī)發(fā)射反艦導(dǎo)彈前將其擊落[3]。本文旨在研究航母編隊(duì)中預(yù)警機(jī)與艦載機(jī)協(xié)同進(jìn)行遠(yuǎn)程防空作戰(zhàn)的指揮控制問題，并利用CPN Tools[4]仿真平臺(tái)建立相關(guān)Petri網(wǎng)模型。

2航母編隊(duì)遠(yuǎn)程協(xié)同防空作戰(zhàn)指揮控制過(guò)程

遠(yuǎn)程防空攔截由航母艦載戰(zhàn)斗機(jī)擔(dān)任，主要攔截?cái)硜?lái)襲飛機(jī)和導(dǎo)彈，力圖在敵導(dǎo)彈射界之外或敵機(jī)占領(lǐng)發(fā)射陣位之前將其擊落。在遠(yuǎn)程防空作戰(zhàn)中，編隊(duì)指揮所接收預(yù)警機(jī)等預(yù)警探測(cè)平臺(tái)上報(bào)的目標(biāo)數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)融合處理，形成編隊(duì)統(tǒng)一態(tài)勢(shì)，并向編隊(duì)中其他作戰(zhàn)單元及其他協(xié)同兵力平臺(tái)分發(fā)，艦載機(jī)接收其他平臺(tái)的目標(biāo)指示信息及編隊(duì)指揮所的命令信息對(duì)來(lái)襲導(dǎo)彈或敵機(jī)進(jìn)行攔截打擊。艦載機(jī)可以根據(jù)編隊(duì)指揮所的指揮引導(dǎo)命令進(jìn)行機(jī)動(dòng)和攻擊，同時(shí)也可以由受委托的預(yù)警機(jī)來(lái)進(jìn)行指揮引導(dǎo)。預(yù)警機(jī)在指揮引導(dǎo)艦載機(jī)實(shí)施空中攔截的同時(shí)，引導(dǎo)電子戰(zhàn)飛機(jī)對(duì)敵機(jī)雷達(dá)和通信裝備實(shí)施電子干擾，掌握制電磁權(quán)，為了簡(jiǎn)化模型，文中暫不考慮電子戰(zhàn)飛機(jī)模塊。

艦載機(jī)在指揮引導(dǎo)下飛向預(yù)定攻擊陣位，經(jīng)任務(wù)分配，在收到攻擊命令后對(duì)敵方來(lái)襲目標(biāo)進(jìn)行攔截打擊，并進(jìn)行毀傷評(píng)估，若打擊失敗，尚未突防時(shí)繼續(xù)實(shí)施攔截打擊，當(dāng)艦載機(jī)完成作戰(zhàn)任務(wù)后撤出戰(zhàn)場(chǎng)，若外層防御被突破，則由中程區(qū)域的水面艦艇運(yùn)用艦對(duì)空導(dǎo)彈應(yīng)對(duì)突防的導(dǎo)彈和敵機(jī)。具體流程如圖1所示。

圖1　遠(yuǎn)程防空指揮控制流程

3基于CPN Tools的航母編隊(duì)遠(yuǎn)程協(xié)同防空作戰(zhàn)指揮控制模型

根據(jù)對(duì)航母編隊(duì)遠(yuǎn)程協(xié)同防空作戰(zhàn)指揮控制過(guò)程的分析，建立基于CPN Tools的預(yù)警機(jī)與艦載機(jī)協(xié)同進(jìn)行遠(yuǎn)程防空作戰(zhàn)指揮控制模型，這里主要分為六個(gè)模塊。

假設(shè)編隊(duì)指揮所授權(quán)預(yù)警機(jī)對(duì)艦載機(jī)進(jìn)行指揮引導(dǎo)和遠(yuǎn)程目標(biāo)指示。在CPN Tools仿真平臺(tái)上建立指揮控制模型，在Top頁(yè)上建立頂層模型，描述了目標(biāo)和響應(yīng)之間的信息傳遞關(guān)系；在Target子頁(yè)建立來(lái)襲目標(biāo)模型，描述目標(biāo)狀態(tài)的變化；在Response子頁(yè)建立防空響應(yīng)模型，描述防空響應(yīng)過(guò)程；在aircraft_carrier子頁(yè)建立編隊(duì)指揮所指揮控制模型，描述編隊(duì)指揮所的指揮控制過(guò)程；在early_waring_plane子頁(yè)建立預(yù)警機(jī)探測(cè)引導(dǎo)模型，描述預(yù)警機(jī)探測(cè)引導(dǎo)過(guò)程；在ship_board_aircraft子頁(yè)建立艦載機(jī)模型，描述艦載機(jī)工作過(guò)程。

3.1頂層模型

頂層模型描述的是目標(biāo)和防空響應(yīng)之間的信息傳遞關(guān)系，如圖2所示。

圖2　頂層模型

變遷Target和變遷Response分別為目標(biāo)活動(dòng)變遷和防空響應(yīng)變遷，其中Target會(huì)改變目標(biāo)狀態(tài)，隨著仿真時(shí)間的推移，目標(biāo)狀態(tài)持續(xù)更新，而Response只是使用目標(biāo)信息。模型中各替代變遷之間的庫(kù)所表示子層頁(yè)面之間的接口；指向替代變遷的弧表示接口向子層頁(yè)面的輸入信息，背離替代變遷的弧表示子層頁(yè)面向端口輸出信息[5]。

3.2目標(biāo)模型

本文中涉及的目標(biāo)屬性包括：舷角(Azi)、距離(Dis)、高度(High)、速度(Speed)、平均雷達(dá)截面積(Acre)以及目標(biāo)類型(Type)[6]。聲明目標(biāo)信息的變量類型為Tar，是由七個(gè)整型變量組合而成的復(fù)合變量，其定義為

colset Tar = product X*X*X*X*X*X*X；

Tar中各個(gè)變量與目標(biāo)定義中各個(gè)屬性的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

Tar ? tar：{Azi，Dis，High，Speed，Acre，k1，Type}

其中k1為狀態(tài)控制變量，表示對(duì)于目標(biāo)系統(tǒng)所處的防空響應(yīng)階段。k1=1，表示預(yù)警探測(cè)；k1=2，表示目標(biāo)跟蹤；k1=3，表示攻擊。

time_tar中存儲(chǔ)的為目標(biāo)的時(shí)延控制信息(k：整形托肯)，目標(biāo)狀態(tài)每變化一次，k的可用時(shí)間加1，即到下一仿真周期內(nèi)變遷Target才能發(fā)生。其模型如圖3所示。

圖3　目標(biāo)模型

3.3防空響應(yīng)模型

防空響應(yīng)模型如圖4所示，替代變遷early_waring_plane、aircraft_carrier、ship_board_aircraft分別代表預(yù)警機(jī)探測(cè)引導(dǎo)模塊、編隊(duì)指揮所指揮控制模塊和艦載機(jī)模塊。

圖4　防空響應(yīng)模型

當(dāng)目標(biāo)在early_waring_plane模塊的探測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，early_waring_plane模塊觸發(fā)，并按照規(guī)則將預(yù)警探測(cè)信息發(fā)送給aircraft_carrier，經(jīng)融合處理后反饋給early_waring_plane，并根據(jù)規(guī)則觸發(fā)ship_board_aircraft模塊，最后由early_waring_plane模塊對(duì)ship_board_aircraft進(jìn)行觸發(fā)控制。

模型中主要庫(kù)所和變遷的代表意義如表1所示。

表1　庫(kù)所和變遷意義

3.4預(yù)警機(jī)探測(cè)引導(dǎo)模型

預(yù)警機(jī)探測(cè)引導(dǎo)模型如圖5所示。預(yù)警機(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)空、對(duì)海遠(yuǎn)程預(yù)警，在編隊(duì)指揮所授權(quán)下，也可擔(dān)負(fù)艦載機(jī)的指揮引導(dǎo)。預(yù)警機(jī)作戰(zhàn)系統(tǒng)包括搜索雷達(dá)、敵我識(shí)別器、導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)等設(shè)備。其中搜索雷達(dá)能夠完成對(duì)目標(biāo)的探測(cè)、跟蹤和顯示，是系統(tǒng)的核心。所以對(duì)搜索雷達(dá)模塊進(jìn)行了比較細(xì)致的建模。預(yù)警機(jī)在編隊(duì)指揮所授權(quán)下，負(fù)責(zé)指揮引導(dǎo)艦載機(jī)對(duì)來(lái)襲威脅目標(biāo)進(jìn)行打擊攔截。艦載機(jī)編隊(duì)集結(jié)飛往作戰(zhàn)空域時(shí)向預(yù)警機(jī)報(bào)到，預(yù)警機(jī)指揮引導(dǎo)艦載機(jī)編隊(duì)，并根據(jù)戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢(shì)，完成各類引導(dǎo)解算，向艦載機(jī)提供作戰(zhàn)引導(dǎo)信息和遠(yuǎn)程目標(biāo)指示信息[7]。

圖5　預(yù)警機(jī)探測(cè)引導(dǎo)模型

模型中主要庫(kù)所和變遷的代表意義如表2所示。

表2　庫(kù)所和變遷意義

其中替代變遷Radar模型如圖6所示。

圖6　Radar模型

該模型以目標(biāo)(target)作為輸入信息，輸出預(yù)警探測(cè)信息(pin)。radar為搜索雷達(dá)，其類型為NO5，對(duì)于雷達(dá)屬性選擇，radar為由五個(gè)整形變量組合而成的復(fù)合變量。radar各變量與所選的雷達(dá)屬性的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

雷達(dá)屬性：{雷達(dá)高度，掃描方位，掃描周期，虛警概率，接收機(jī)噪聲功率}

radar：(t1，t2，t3，t4，t5)

圖6中左上角為Radar2代碼段，可以得出雷達(dá)對(duì)于目標(biāo)的探測(cè)概率(P)、最大探測(cè)距離(DisMax)、雷達(dá)視距(DisHigh)。

pin0為Radar2掃描目標(biāo)發(fā)現(xiàn)與否的反饋信息，類型為Tar。信息中包含目標(biāo)距離、舷角和類型等基本信息以及是否發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的信息，其形式如下所示：

pin0：{舷角，距離，0，速度，0or1，0，類型}

pin0：(k1,k2,k3,k4,k5,k6,k7)

其中，k5=1表示發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，k5=0表示未發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。庫(kù)所pra記錄最近四次掃描目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)情況，庫(kù)所next_tarP和庫(kù)所time_pra為時(shí)延控制庫(kù)所。

3.5編隊(duì)指揮所指揮控制模型

編隊(duì)指揮所指揮控制模型如圖7所示。

圖7　編隊(duì)指揮所指揮控制模型

編隊(duì)指揮所是艦載機(jī)協(xié)同防空作戰(zhàn)的主要決策者，負(fù)責(zé)攔截目標(biāo)的分配、艦載機(jī)的協(xié)調(diào)以及火力的分配，預(yù)警機(jī)在收到編隊(duì)指揮所的委托命令后指揮引導(dǎo)艦載機(jī)對(duì)目標(biāo)實(shí)施攔截。編隊(duì)指揮所將預(yù)警機(jī)和其他傳感器平臺(tái)獲得的目標(biāo)信息進(jìn)行融合后，再將態(tài)勢(shì)信息分發(fā)給預(yù)警機(jī)，并根據(jù)綜合態(tài)勢(shì)向艦載機(jī)下達(dá)任務(wù)分配命令。

該模型描述編隊(duì)指揮所的指揮控制過(guò)程。輸入端pin為從early_waring_plane子層獲得的預(yù)警探測(cè)信息，輸出端pin_in為融合后態(tài)勢(shì)信息，變遷CtoP表示數(shù)據(jù)融合過(guò)程。模型中還包括兩個(gè)替代變遷Eva和C2，分別為毀傷評(píng)估及任務(wù)分配模塊，由于篇幅所限，在此不詳細(xì)介紹。

3.6艦載機(jī)模型

在完成目標(biāo)搜索、識(shí)別、跟蹤以及確認(rèn)對(duì)威脅目標(biāo)進(jìn)行打擊后，艦載機(jī)將在預(yù)警機(jī)的指揮引導(dǎo)下進(jìn)入攻擊陣位，進(jìn)行協(xié)同打擊。其模型如圖8所示。

圖8　艦載機(jī)模型

此頁(yè)面分兩部分，WC(武器控制系統(tǒng))和MANEUVER(機(jī)動(dòng)決策系統(tǒng))。其中tin和zh1為輸入端口，tin表示從early_waring_plane子層獲得的指揮引導(dǎo)信息，zh1表示編隊(duì)指揮所的命令信息，F(xiàn)E表示給early_waring_plane子層的報(bào)到信息。

各變遷含義如下：

· Engage：把從預(yù)警機(jī)傳來(lái)的戰(zhàn)術(shù)引導(dǎo)和目標(biāo)指示信息分發(fā)給武器控制系統(tǒng)和機(jī)動(dòng)決策系統(tǒng)；

· Arrive：進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)以滿足武器發(fā)射要求；

· Fire：對(duì)目標(biāo)進(jìn)行打擊；

· BD：根據(jù)編隊(duì)指揮所的命令接敵并向預(yù)警機(jī)報(bào)到。

4結(jié)語(yǔ)

艦載機(jī)是航母編隊(duì)遠(yuǎn)程防空作戰(zhàn)中的主要作戰(zhàn)力量，本文利用CPN Tools仿真平臺(tái)建立了航母編隊(duì)遠(yuǎn)程協(xié)同防空作戰(zhàn)中相關(guān)的指揮控制模型，并使用CPN Tools中的交互仿真工具對(duì)所建立的模型進(jìn)行觸發(fā)執(zhí)行，可以形象直觀地看出艦載機(jī)在預(yù)警機(jī)協(xié)同下與威脅目標(biāo)的對(duì)抗過(guò)程?？梢酝ㄟ^(guò)在信息令牌的顏色集中添加不同的參數(shù)，在變遷的動(dòng)作函數(shù)中設(shè)定不同的信息處理規(guī)則來(lái)研究預(yù)警機(jī)與艦載機(jī)協(xié)同防空作戰(zhàn)中的實(shí)際問題，對(duì)不同決策組織的優(yōu)劣和不同的指揮控制方式的可行性進(jìn)行研究。

參 考 文 獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)E911

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.02.001

作者簡(jiǎn)介:趙秦豫，男，碩士研究生，研究方向:軍事智能信息系統(tǒng)。李照順，男，副教授，研究方向：軍事智能信息系統(tǒng)。藍(lán)灣灣，男，碩士研究生，研究方向:信息網(wǎng)絡(luò)安全。吳琦，女，碩士研究生，研究方向:信息網(wǎng)絡(luò)安全。

*收稿日期:2015年8月3日,修回日期:2015年9月27日