多彈聯合快速任務規劃系統設計

林福良，宋 穎，王建宏，張 超

(1.北京控制與電子技術研究所信息系統工程重點實驗室，北京 100038;2.解放軍駐國營699廠軍事代表室，北京 100039)

現代戰爭已經發展到系統、體系或網絡的對抗，導彈集群協同聯合作戰是其重要組成部分。建立在高新技術基礎上的多彈聯合任務規劃的籌劃活動在近幾場局部戰爭中嶄露頭角。聯合火力的有效協同，不僅能夠做到優勢互補，而且還能實現整體效能倍增。如何綜合運用現有導彈武器裝備并通過聯合任務規劃提高或形成超預期的實戰能力，是導彈武器裝備發展領域亟待解決的難題。新的戰爭形態和新技術、新方法催生出了新的作戰需求，當前的任務規劃要求多彈聯合規劃，實現效能最優;戰場態勢瞬息萬變，要求規劃時間短;根據作戰需求，可隨時進行任務重規劃。本文基于新的作戰需求，探討使用新的技術手段實現多彈聯合快速任務規劃的新方法。

1 多彈聯合快速任務規劃作戰需求

現有任務規劃系統主要存在的以下幾個問題。

1)各武器系統單獨作戰

此前，不同體制的武器系統通常建設各自的任務規劃系統，同時各型號武器常單獨配置任務規劃系統。但是未來高技術戰爭是體系化的戰爭，是體系與體系的對抗，取得作戰勝利的決定因素不再局限于單件武器的現代化水平，而是如何應用武器裝備體系快速形成體系作戰能力，以及如何快速適應千變萬化的戰場環境。

2)計算量大、規劃時間長

目前，困擾任務規劃系統的關鍵問題之一是計算時間問題，一些型號武器對作戰任務進行規劃的時間超出預期。在稍縱即逝的戰場環境中，如果任務規劃系統不能在短時間內快速有效地做出反應，很容易給敵人喘息之機，而貽誤戰機。

3)通常只進行射前任務規劃

當前一些型號的任務規劃系統在導彈發射之后便無法再對其進行控制，尤其是對于可移動的目標，射前的信息保障誤差較大，信息保障能力較弱，很難準確地鎖定目標，并且沒有一個很好的機制對一次打擊任務的作戰效果做出快速評估并進行第二波次的打擊規劃。通常兩次規劃的時間間隔較長，很容易使敵方抓住時機進行反擊。

信息化戰爭需要整體效能最優的武器裝備體系的支持，強調的是作戰力量的整體實力，單件武器系統效能的好壞對作戰勝負的影響越來越小，武器裝備體系的整體效能、國家軍事整體實力的強弱是決定戰爭進程和結局的關鍵。

2 多彈聯合快速任務規劃系統主要特性

要滿足多彈聯合快速任務規劃的作戰需求，需要采用新的技術手段，制定合理的多彈聯合攻擊過程，實現高效、快速、靈活、可視化的多彈聯合攻擊，本文提出了一套多彈聯合攻擊的過程，如圖1所示。

圖1 多彈聯合攻擊過程

由此可見，多彈聯合快速任務規劃系統的主要特性可以概括如下:

1)多彈聯合任務規劃，避免各個武器系統單獨作戰

在軍事應用中，為了使摧毀目標的概率最大，通常需要實施飽和攻擊，即同時從不同方向對目標進行攻擊。解決多彈種、多目標協同控制中的任務分配和資源調度問題，實現多彈聯合作戰方案制定，促進各個武器系統效能的最大化，避免各個武器系統各自為政，單獨作戰。

2)快速制定火力實施方案，縮短任務規劃時間

對作戰時機的籌劃，意味著必須快速進行彈道規劃，制定火力實施方案，縮短任務規劃時間，才能抓住稍縱即逝的作戰時機。

3)實現動態網絡環境下實時任務規劃

戰場態勢的變化是多樣的，偵查探測的信息也在不斷更新，隨著敵情和戰場態勢的變化，可隨時進行作戰任務規劃，對提高整體作戰效能是不言而喻的。

4)根據效果評估結果，支持多波次任務規劃

隨著偵查手段的多樣化，對戰后效果評估的準確性也在不斷提高，根據效果評估的結果，進行多波次的任務規劃和攻擊，是高科技條件下必備的手段。

3 實現多彈聯合快速任務規劃系統的技術手段

多彈聯合快速任務規劃系統支持多彈種、多種目標、多波次的打擊規劃，并滿足聯合作戰、快速反應的要求，其實現的技術手段是本文要討論的主要問題。

多彈聯合快速任務規劃方法主要包括:1)基于建模理論和優化理論進行火力計算模型的建設;2)采用仿真的方法，構建目標體系模型;3)彈地數據鏈和彈間數據鏈技術是作戰任務重規劃的保障;4)基于圖像匹配、分析處理技術的打擊效果評估，為多波次的任務規劃提供依據;5)軟總線技術提高軟件計算、運行能力。

3.1 基于火力計算模型的多彈聯合任務規劃

常規導彈聯合火力打擊中目標與火力分配需要回答2個方面的問題:1)火力分配，即確定打擊不同目標需要使用的彈型、戰斗部及導彈數量;2)任務劃分，即各導彈部隊所要打擊的目標、發射導彈的數量以及使用的作戰區。火力分配模型中，考慮參戰的彈型及其可分配的導彈數量是不確定的，結合導彈造價、目標毀傷代價和目標毀傷程度要求3個方面因素，建立相應的優化指標函數。

在火力分配優化問題中，一方面盡量要求所消耗的彈量越少越好;另一方面盡量要求所打擊的目標價值越高越好，同時滿足所打擊目標的毀傷要求。模型在彈量滿足條件的情況下可以確保完成對目標的打擊任務要求，同時也可以在完成打擊任務要求的前提下節省一些彈量。建立火力計算模型對增強常規導彈任務分配的科學性、合理性，避免彈藥或兵力的浪費，更好地發揮常規導彈部隊作戰效能，提高作戰效果具有非常重要的現實意義。

3.2 基于目標體系模型的快速彈道規劃

信息化條件下衡量部隊作戰能力的一個重要指標就是戰場快速反應能力。這對指揮信息系統中任務規劃系統的快速決策能力提出了更高要求，而如何提高任務規劃系統的快速決策能力，首先是要有一個制定快速任務規劃的方法。

對于固定目標來說，快速任務規劃的瓶頸問題在其圖像匹配的仿真計算部分，一次仿真需要很長時間。而通過構建目標體系模型(包括目標點信息、對應的圖像匹配信息以及防御信息等)，找到相對該固定目標的可匹配區域和防御區域的范圍，研究不同類型雷達和不同防御條件下的彈道與可匹配區域和防御區域的空間對應的關系，建立目標體系模型數據庫，將以往通過仿真的規劃方式轉變為模型構建的方式，可以大幅減少規劃時間，實現快速任務規劃。

3.3 基于數據鏈的作戰任務重規劃

遠程導彈彈載數據鏈是面向遠程精確打擊的作戰使命/任務，基于遠程通信手段，動態連接傳感器平臺、指揮控制平臺及飛行中的導彈武器，以高效的消息格式實時交換探測信息、狀態信息、目標指示信息和飛行控制指令的專用數據鏈。

通過建立基于數據鏈的任務規劃系統，在導彈飛行過程中用實時信息再裝訂技術，實現對遠程目標參數的重新裝訂，通過改變導彈的飛行彈道達到對運動中的目標進行精確打擊的目的，進行作戰任務的重規劃。

3.4 基于圖像分析的打擊效果評估

打擊效果評估是指及時、準確地評估因運用軍事力量而造成的預定敵方目標的毀傷效果。影響打擊效果評估的主要因素包括打擊前后的圖像質量、配準精度和變化檢測3個方面。通過圖像高精度配準和變化檢測技術，分析打擊前后的圖像變化以及目標特征的變化與毀傷等級的對應關系，來實現快速準確的打擊效果評估。

可利用基于區域灰度相關的圖像匹配算法分析打擊前后圖像的變化，并根據打擊前后圖像區域目標特征變化大小，確定目標的毀傷程度。基于區域灰度相關的圖像匹配算法的基本思想是:在參考圖上逐像素滑動實時圖，計算實時圖與其覆蓋的參考圖子圖間的相關系數;遍歷全圖后，相關系數構成相關面，根據相關面中的極值點反演最佳匹配位置，該算法能夠大幅度降低運算量和存儲時間。基于圖像分析的打擊效果評估技術，可以最大限度地優化火力、提高戰役資源利用率、節約戰爭成本。

3.5 基于打擊效果評估的多波次任務規劃

利用偵察裝置將導彈的毀傷效果和戰場態勢信息進行實時探測及回傳，任務規劃系統接收到毀傷圖像及有關信息后，將此圖像與毀傷之前的圖像進行高精度配準比對，得出毀傷結論，并根據毀傷結論對前期規劃結果進行調整，做出第二波次打擊的決策。任務規劃系統根據回傳的探測信息快速做出毀傷效果評估，可為第二波次打擊提供最直接的決策依據，從而縮短兩次規劃的時間間隔，為達成預期作戰目標贏得時間。

3.6 基于信息軟總線的實時業務調度

實時業務調度服務實際上是應用了實時信息分發技術(DDS)，將數據和業務信息打包成統一信息格式，在各應用間進行數據交互和業務流程的實施。實時信息分發技術規范了分布式實時系統中數據發布、傳遞和接收的接口和行為，定義了以數據為中心的發布/訂閱(Data-Centric Publish/Subscribe)機制，提供了一個與平臺無關的數據模型，該模型能夠映射到各種具體的平臺和編程語言。該技術是一種輕便的、能夠提供實時信息傳送的中間件技術。其目的是簡化分布式系統中數據的有效發布，它主要應用在要求高性能、可預見性和對資源有效使用的關鍵任務領域。

實時業務調度服務通過以主題數據為中心的發布-訂閱模式，將數據信息及業務信息打包成統一信息格式，在各模塊間建立一條信息傳輸軟總線，使各應用之間通過一種統一標準的接口進行實時數據交互，并保證業務流程有序進行。

3.7 可視化任務規劃技術

通過建立基于地理信息的態勢規劃系統，使整個戰場態勢更直觀，規劃過程更清晰;用三維可視化技術實現仿真演示系統，在任務規劃系統運行過程中，實現規劃結果的三維顯示與交互，通過建立目標毀傷模型和突防模型，使作戰人員直觀、形象地了解任務規劃系統執行的狀態，研究中間結果及成果的可用性等信息。以超大規模三維地形可視化、三維虛擬數字地球模型和基于三維的人機交互為基礎，實現可視化仿真，嵌入到任務規劃系統中，推動系統高效運行。

4 多彈聯合快速任務規劃系統總體框架

多彈聯合快速任務規劃系統在建立各類基礎數據庫的基礎上，通過接收上級作戰任務和作戰要求以及情報保障系統的各類保障信息(包括戰場環境、部隊裝備信息、目標信息等)，進行任務規劃作業。系統在搭建快速計算平臺和三維顯示平臺的基礎上分為2大部分:應用級規劃和技術級規劃。其中:應用級規劃系統通過火力模型計算，形成包括火力方案、目標分配方案以及打擊方案在內的各類規劃方案，之后進行任務擬制并下發到各技術級規劃系統;技術級規劃系統接收到任務后進行彈道規劃、毀傷分析以及方案優化等作業，并對規劃結果進行效能評估。系統中各模塊之間的任務調度及信息傳遞通過業務調度服務實現。系統總體框架如圖2所示。

圖2 多彈聯合快速任務規劃系統總體框架

4.1 硬件組成

硬件系統包括圖形工作站、服務器、高性能微機、交換機、高分辨率彩色顯示器、投影設備等。其中:圖形工作站主要完成圖像處理及顯示功能，負責生成任務預演及回放模塊所需的三維地理圖像、導彈運動狀態和進行彈道的顯示;地理信息服務器主要存儲及處理數字地圖數據;計算服務器主要完成導彈參數及圖像匹配計算等;高性能微機主要完成各地面規劃任務;規劃得到的任務數據由相關的海量存儲設備進行存儲與備份。值得注意的是:新增了數據通信系統，通過數據鏈路與衛星或預警雷達等進行實時通信;導彈通過數據鏈與衛星進行通信來獲得新的目標定位信息和毀傷圖片的回傳。整個作戰任務規劃的硬件通過以太網絡聯接在一起。系統硬件組成如圖3所示。

4.2 軟件組成

為了滿足計算量大、實時性高、可視化、易用性、易維護性和通用性的要求，多彈聯合快速任務規劃系統采用層級體系和分布式架構模式。整個系統分4個層次設計，分別為數據層、服務層、業務層和表示層，系統軟件組成如圖4所示。

1)數據層

數據層包括預案庫、算法庫、業務庫、模型庫以及空間數據庫等數據庫。其中:預案庫用來存儲各模塊計算的成果，包括規劃成果、打擊方案成果等;算法庫用來存儲算法數據，例如捕獲概率算法、突防概率算法、火力解算算法等;模型庫用來存儲目標模型、武器模型以及三維模型等;業務庫用來存儲與業務相關的數據包括文電數據、環境數據以及一些基礎參數數據等;空間數據庫用來存儲與地理信息相關的空間數據、屬性數據等。

2)服務層

服務層提供模型計算服務、彈道計算服務以及業務調度服務等。其中:彈道計算服務通過最優的CPU分配方式為上層模塊提供計算服務，以提高任務規劃的效率;業務調度服務通過發布/訂閱的模式為各個模塊提供一種交互渠道，使得各模塊之間能夠通過一種統一的、標準的接口進行數據交互，有效提高系統資源利用率，同時業務調度服務可根據收發的數據類型控制任務規劃的流程，調動各應用模塊按流程執行規劃任務;模型計算服務通過建立火力分配模型，為火力規劃系統提供火力計算服務，使規劃系統能夠在較短時 間內生成火力方案。

圖3 多彈聯合快速任務規劃系統硬件組成

圖4 多彈聯合快速任務規劃系統軟件組成

3)業務層

業務層分為應用級規劃和技術級規劃2大部分。其中:應用級規劃部分包括目標分析子系統、火力規劃子系統、信息保障子系統和武器特性分析子系統等4部分;技術級規劃部分包括技術規劃子系統和仿真子系統2部分。各模塊在實時信息分發服務的調度下完成規劃任務。

4)表示層

表示層包括態勢指揮和仿真推演，整個任務規劃系統在二維/三維態勢的基礎上進行，使用戶能夠直觀方便地查看整個戰場態勢情況，并作進一步的規劃作業;規劃結果通過三維仿真的方式進行仿真驗證，并對于不滿足要求的規劃結果進行返回，做方案調整后重新驗證。

5 結束語

海灣戰爭以來的軍事斗爭實踐表明，單件武器裝備的能力總是有限的。因此提高武器裝備體系的整體作戰能力，是獲取信息優勢和決策優勢進而獲得戰爭主動權的基本保障。構建多彈聯合快速任務規劃系統能夠實現多彈種、多種目標、多波次以及聯合任務規劃，具有實時、快速、可視化以及通用的特點，是未來多種型號武器的任務規劃系統的發展方向。

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