冷志成，張灝龍，薛鳳桐，劉瑞峰

(1. 中國人民解放軍92578部隊(duì)，北京 100161；2. 中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院，北京 100048)

1 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，及時(shí)快速地獲取戰(zhàn)場信息并對信息進(jìn)行處理決策，已經(jīng)成為決定戰(zhàn)爭勝利的重要手段。指揮控制系統(tǒng)作為信息化體系化戰(zhàn)爭中的主要參戰(zhàn)裝備，是保證多種裝備協(xié)同作戰(zhàn)并發(fā)揮最佳作戰(zhàn)效能的核心[1]。美國作為現(xiàn)代軍事強(qiáng)國，已經(jīng)構(gòu)建了包括先進(jìn)作戰(zhàn)管理系統(tǒng)(ABMS)、指揮控制交戰(zhàn)管理與通信(C2BMC)等指控系統(tǒng)，形成了聯(lián)合一體化、高效的指控體系，并在近年來的局部戰(zhàn)爭中得到了驗(yàn)證[2-3]。

以導(dǎo)彈防御為例，美國從冷戰(zhàn)時(shí)期就已經(jīng)開始建設(shè)反導(dǎo)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)本土防御和地區(qū)防御。2002年1月美國將彈道導(dǎo)彈防御辦公室(BMDO)更名為導(dǎo)彈防御局(MDA)，提出建設(shè)分層反導(dǎo)體系，形成全球?qū)椃烙芰4]。經(jīng)過近二十年的發(fā)展，美國彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)(Ballistic Missile Defense System，BMDS)已經(jīng)具備了“三段四層”的全球一體化導(dǎo)彈防御能力[5]。BMDS系統(tǒng)囊括了美國在全球部署的各類導(dǎo)彈防御資源，包括天基衛(wèi)星、?；?陸基雷達(dá)、宙斯盾反導(dǎo)系統(tǒng)、陸基中段反導(dǎo)系統(tǒng)以及末段高/低層反導(dǎo)系統(tǒng)等。

由于美國BMDS組成單元多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要一個(gè)指控系統(tǒng)完成對分布在全球的反導(dǎo)資源的協(xié)調(diào)控制。指揮控制交戰(zhàn)管理與通信(Command and Control， Battle Management， and Communications，C2BMC)系統(tǒng)[6]作為BMDS中的指控中心，實(shí)現(xiàn)對多源探測信息的數(shù)據(jù)融合、分布式反導(dǎo)資源的任務(wù)規(guī)劃、火控系統(tǒng)作戰(zhàn)方案的生成等功能，輔助指揮人員決策，其工作流程如圖1所示

圖1 BMDS工作流程

本文在導(dǎo)彈攻防作戰(zhàn)的背景下，面向聯(lián)合作戰(zhàn)需求，以美國反導(dǎo)指控系統(tǒng)為框架，以態(tài)勢感知與決策分配為核心功能，搭建一種面向體系化作戰(zhàn)的指控仿真系統(tǒng)，形成有效支撐導(dǎo)彈攻防對抗的作戰(zhàn)仿真推演驗(yàn)證環(huán)境。

2 反導(dǎo)指控仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

根據(jù)上述對美國反導(dǎo)系統(tǒng)的描述，本文針對反導(dǎo)作戰(zhàn)中的指揮控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的組成如圖2所示。面向體系化作戰(zhàn)的需求，基于分布式中間件、搭建好的雷達(dá)仿真系統(tǒng)、衛(wèi)星仿真系統(tǒng)以及攔截彈的仿真系統(tǒng)，構(gòu)建反導(dǎo)指控仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括三部分：顯控子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)和算法庫子系統(tǒng)。

圖2 反導(dǎo)指控仿真系統(tǒng)組成

2.2 顯控子系統(tǒng)

顯控子系統(tǒng)是作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)中主要的人機(jī)交互與控制系統(tǒng)，通過與算法庫、中間件以及數(shù)據(jù)庫中的作戰(zhàn)信息數(shù)據(jù)等交互完成作戰(zhàn)信息處理、作戰(zhàn)規(guī)劃以及人在回路作戰(zhàn)控制等功能，最終實(shí)現(xiàn)對戰(zhàn)場態(tài)勢信息、作戰(zhàn)決策信息以及攔截作戰(zhàn)信息的展示與控制，包括戰(zhàn)場態(tài)勢的二維、三維顯示，探測信息、目標(biāo)信息、攔截方案信息、作戰(zhàn)決策信息等。顯控子系統(tǒng)可以分為5個(gè)模塊二維態(tài)勢顯控模塊、三維態(tài)勢顯控模塊、態(tài)勢評估顯控模塊、作戰(zhàn)資源顯控模塊和作戰(zhàn)決策配置模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 顯控子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫存儲各防御單元的仿真系統(tǒng)和數(shù)據(jù)融合、作戰(zhàn)規(guī)劃等過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，主要包括態(tài)勢感知信息以及決策控制信息。數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)

1)衛(wèi)星信息：衛(wèi)星信息包括預(yù)警衛(wèi)星的名稱、工作狀態(tài)、位置坐標(biāo)等信息。

2)雷達(dá)信息：雷達(dá)信息主要包括雷達(dá)名稱、工作狀態(tài)、測量條件參數(shù)、部署位置等。

3)攔截彈信息：攔截彈信息包括攔截彈名稱、狀態(tài)、部署位置等。

4)攔截基地信息：攔截基地信息主要包括攔截基地名稱、位置，存儲攔截彈的名稱、數(shù)量等信息。

5)目標(biāo)探測信息：目標(biāo)探測信息主要指探測的點(diǎn)跡信息，包括探測信息名稱、來源名稱、目標(biāo)類別、時(shí)戳、探測位置坐標(biāo)、速度信息等。

6)目標(biāo)航跡信息：目標(biāo)航跡信息是經(jīng)過航跡融合后的點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)信息，主要包括航跡(目標(biāo))名稱、目標(biāo)航跡類別、包含的點(diǎn)跡名稱、對應(yīng)的時(shí)間、目標(biāo)對應(yīng)的位置及速度等信息。

7)目標(biāo)彈道信息：目標(biāo)彈道信息是經(jīng)過彈道預(yù)報(bào)算法處理過后的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，包括目標(biāo)彈道名稱、彈道對應(yīng)的目標(biāo)名稱、對應(yīng)的時(shí)間、落點(diǎn)位置、預(yù)測的位置和速度、剩余飛行時(shí)間等。

8)目標(biāo)威脅信息：目標(biāo)威脅信息是對目標(biāo)威脅程度評估后的信息，主要由目標(biāo)名稱、威脅程度、威脅順序等信息元素組成。

9)攔截彈狀態(tài)信息：攔截彈狀態(tài)信息主要是攔截彈在攔截飛行時(shí)的狀態(tài)信息，包括攔截彈名稱、時(shí)戳、飛行狀態(tài)、位置坐標(biāo)、速度、姿態(tài)等。

10)攔截方案信息：攔截方案信息是按照攔截預(yù)判算法計(jì)算得到的可攔區(qū)間結(jié)果，主要包括目標(biāo)名稱、時(shí)戳、可用攔截彈名稱、攔截概率、可攔區(qū)間、發(fā)射區(qū)間等。

11)分配決策信息：決策分配信息是任務(wù)分配算法根據(jù)各項(xiàng)約束計(jì)算出來的作戰(zhàn)決策結(jié)果，主要有攔截彈名稱、時(shí)間、打擊目標(biāo)名稱、預(yù)瞄時(shí)間、預(yù)瞄點(diǎn)、發(fā)射時(shí)間、發(fā)射角度等信息。

2.4 算法庫子系統(tǒng)

算法庫子系統(tǒng)是完成作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)功能的重要部分，實(shí)現(xiàn)對探測信息的融合、航跡關(guān)聯(lián)、彈道預(yù)報(bào)、威脅排序、毀傷評估以及攔截解算等功能。算法庫中主要包括：流程控制模塊、航跡融合算法、彈道預(yù)報(bào)算法、毀傷評估算法、威脅排序算法以及攔截解算算法，其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 算法庫結(jié)構(gòu)圖

流程控制模塊是算法庫子系統(tǒng)中的主控部分，也對整個(gè)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)有著重要的作用。流程控制模塊設(shè)計(jì)了與各功能算法的接口，實(shí)現(xiàn)對各功能算法的靈活調(diào)用與可擴(kuò)展。此外，流程控制模塊與顯控子系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，通過顯控子系統(tǒng)設(shè)置的功能按鈕，與各功能算法以及數(shù)據(jù)庫相關(guān)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，滿足指揮人員應(yīng)用功能算法完成感知數(shù)據(jù)的融合以及攔截方案和作戰(zhàn)分配策略的自動(dòng)生成等操作需求，實(shí)現(xiàn)對戰(zhàn)場態(tài)勢感知與作戰(zhàn)決策控制的人機(jī)交互，更好的支撐防御作戰(zhàn)。

對于各功能算法，已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，本系統(tǒng)可按照給定的接口進(jìn)行改造接入。航跡融合算法主要完成對衛(wèi)星航跡、雷達(dá)航跡，以及多種雷達(dá)航跡的融合，可以根據(jù)不同傳感器的置信程度進(jìn)行加權(quán)，融合得到探測目標(biāo)數(shù)據(jù)。基于融合后的探測目標(biāo)數(shù)據(jù)，根據(jù)識別的目標(biāo)類型有針對性的開展彈道預(yù)報(bào)，獲取目標(biāo)的彈道信息、落點(diǎn)以及剩余飛行時(shí)間等，支撐后續(xù)的威脅排序以及任務(wù)分配。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用威脅排序算法對各來襲各目標(biāo)按照打擊目標(biāo)價(jià)值、目標(biāo)威脅性、飛行速度、剩余飛行過時(shí)間等因素進(jìn)行威脅等級評估，給任務(wù)分配算法提供輸入。攔截預(yù)判算法是基于彈道預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，對各目標(biāo)的可用攔截彈、可攔截區(qū)間、攔截概率等開展計(jì)算，形成各目標(biāo)的攔截方案供指揮人員選擇。最后任務(wù)分配算法基于威脅排序和攔截預(yù)判結(jié)果，結(jié)合各攔截陣地的部署位置、攔截能力、攔截彈存儲數(shù)量等約束條件，用最小的成本規(guī)劃出最優(yōu)的攔截決策方案，支撐指揮人員的防御作戰(zhàn)。同時(shí)，各功能算法支持通過顯控系統(tǒng)的人機(jī)交互，按照指揮人員的經(jīng)驗(yàn)完成態(tài)勢感知與指揮決策。

3 反導(dǎo)指控仿真系統(tǒng)工作流程及數(shù)據(jù)接口

3.1 反導(dǎo)指控仿真系統(tǒng)工作流程

在攻防對抗作戰(zhàn)中，反導(dǎo)指控仿真系統(tǒng)的工作全過程如圖6所示。進(jìn)攻導(dǎo)彈發(fā)射后，在其主動(dòng)段，衛(wèi)星仿真系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)其尾焰，獲得初始預(yù)警信息并發(fā)出預(yù)警，同時(shí)對來襲進(jìn)攻彈實(shí)時(shí)跟蹤，將目標(biāo)的探測結(jié)果通過中間件發(fā)送給數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲。根據(jù)衛(wèi)星的預(yù)警信息，預(yù)警雷達(dá)按照預(yù)警信息的指引進(jìn)行探測跟蹤，使其較高效地完成遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)的預(yù)警跟蹤。預(yù)警雷達(dá)仿真系統(tǒng)對進(jìn)攻導(dǎo)彈進(jìn)行連續(xù)探測跟蹤，將探測信息傳送給數(shù)據(jù)庫，得到包括進(jìn)攻導(dǎo)彈位置、方向和速度等點(diǎn)跡信息。通過調(diào)用航跡融合算法將預(yù)警衛(wèi)星的探測信息與預(yù)警雷達(dá)的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，系統(tǒng)獲得進(jìn)攻導(dǎo)彈的航跡信息。結(jié)合雷達(dá)的探測信息，系統(tǒng)調(diào)用算法庫中的彈道預(yù)報(bào)算法，對導(dǎo)彈彈道進(jìn)行預(yù)測，得出彈道及落點(diǎn)，傳遞給數(shù)據(jù)庫保存。在指控系統(tǒng)中，根據(jù)進(jìn)攻導(dǎo)彈預(yù)測的落點(diǎn)、剩余飛行時(shí)間、類別等因素對來襲目標(biāo)進(jìn)行威脅排序，系統(tǒng)調(diào)用算法庫中威脅排序算法完成對戰(zhàn)場態(tài)勢的評估，得到各進(jìn)攻導(dǎo)彈的威脅程度排序。在得到目標(biāo)信息后，系統(tǒng)結(jié)合攔截彈的部署情況進(jìn)行攔截預(yù)判，計(jì)算各攔截彈可攔截區(qū)間、攔截概率、發(fā)射時(shí)間等信息，形成攔截方案并存到數(shù)據(jù)庫。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)根據(jù)不同進(jìn)攻彈的威脅等級、攔截彈的可攔截區(qū)間以及攔截彈的數(shù)量等約束條件，調(diào)用任務(wù)分配算法對攔截任務(wù)進(jìn)行分配，形成優(yōu)化的作戰(zhàn)決策方案存儲在數(shù)據(jù)庫中，并將攔截條件及裝訂的目標(biāo)信息發(fā)送給攔截彈。最后，攔截彈根據(jù)發(fā)射條件進(jìn)行發(fā)射攔截，再根據(jù)攔截任務(wù)完成情況判斷是否進(jìn)行二次攔截。

圖6 反導(dǎo)指控仿真系統(tǒng)工作流程

3.2 反導(dǎo)指控仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口

根據(jù)上述對反導(dǎo)指控仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及工作流程，數(shù)據(jù)庫是整個(gè)指控仿真系統(tǒng)的核心。數(shù)據(jù)庫通過中間件存儲各反導(dǎo)資源仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)算法庫各功能算法的處理并存儲在數(shù)據(jù)庫后，在顯控子系統(tǒng)進(jìn)行展示。指控仿真系統(tǒng)具體接口見表1。

表1 數(shù)據(jù)接口

4 仿真示例

為了驗(yàn)證上述反導(dǎo)指控仿真系統(tǒng)的有效性，針對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，搭建了面向體系化作戰(zhàn)的反導(dǎo)指控仿真原型系統(tǒng)，在某假定的作戰(zhàn)場景下開展仿真驗(yàn)證，其三維顯示界面和攔截指令如圖7和圖8所示。

圖7 面向體系化作戰(zhàn)的反導(dǎo)指控仿真原型系統(tǒng)三維顯示界面

從圖7中可以看出，原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對來自衛(wèi)星、雷達(dá)等探測數(shù)據(jù)的收集(如圖7中“目標(biāo)航跡探測”表格所示)，并對探測數(shù)據(jù)進(jìn)行融合形成威脅目標(biāo)(如圖7中“航跡融合分析”表格所示)；在此基礎(chǔ)上，開展來襲目標(biāo)的彈道預(yù)報(bào)和威脅分析(如圖7中“目標(biāo)航跡探測”表格所示)。結(jié)合攔截彈的能力，系統(tǒng)對分布在各地?cái)r截彈開展攔截預(yù)測，形成不同攔截彈打擊不同目標(biāo)的攔截概率和推薦攔截時(shí)間(如圖8中表格所示)。最后的攔截指令可以通過兩種模式生成：自動(dòng)生成和人在回路干預(yù)生成，自動(dòng)生成是按照系統(tǒng)內(nèi)置規(guī)則生成；人在回路干預(yù)生成則是根據(jù)指揮員的知識經(jīng)驗(yàn)在攔截彈的攔截區(qū)間進(jìn)行點(diǎn)選。

圖8 反導(dǎo)指控?cái)r截操作窗口界面

6 結(jié)語

反導(dǎo)指控系統(tǒng)是現(xiàn)代戰(zhàn)場中重要的信息化武器，可以奪取信息優(yōu)勢和決策優(yōu)勢。本文面向體系化作戰(zhàn)仿真需求，基于導(dǎo)彈攻防對抗的背景下，設(shè)計(jì)出了一種以態(tài)勢感知與決策分配為核心功能的導(dǎo)彈防御作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)。本文在研究美國反導(dǎo)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，給出了反導(dǎo)指控仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)搭建了原型系統(tǒng)并開展了仿真示例驗(yàn)證，為后續(xù)在聯(lián)合仿真條件下，建設(shè)作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)提供了一種有效的解決方案。