基于CPN Tools的航母編隊遠程協同防空指揮控制模型研究*

趙秦豫　李照順　藍灣灣　吳　琦

(海軍指揮學院　南京　211800)

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基于CPN Tools的航母編隊遠程協同防空指揮控制模型研究*

趙秦豫李照順藍灣灣吳琦

(海軍指揮學院南京211800)

摘要針對航母編隊遠程防空問題，分析了預警機協同艦載機進行遠程防空作戰指揮控制過程，并運用CPN Tools仿真平臺建立了航母編隊遠程協同防空作戰中的相關指揮控制模型，包括頂層模型、目標模型、防空響應模型、預警機探測引導模型、編隊指揮所指揮控制模型和艦載機模型，為航母編隊遠程協同防空作戰指揮控制動態仿真分析奠定了基礎。

關鍵詞航母編隊; 協同防空; 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

從近幾十年的幾場局部戰爭來看，空中打擊是現代作戰的典型樣式。航母編隊作為海上作戰行動中的主要突擊兵力，必將受到敵方航空兵和反艦導彈的重點打擊。

信息化條件下航母編隊協同防空就是將不同性能、類型的防空武器和相應的情報搜集、情報處理與輔助決策、通信、電子戰等裝備組成系統，與空襲系統之間進行體系與體系的對抗，在武器裝備所及范圍內，編隊指揮員需合理使用各種對空設備與武器，高效攔截打擊空中威脅目標。目前，航母編隊的對空防御體系主要由三道對空警戒幕和三道對空攔截幕組成[1]。在航母編隊協同防空作戰中采用層次協同的方法，由航母本艦負責內層防御、水面艦艇負責近層防空，水面艦艇區域防空戰術群負責中層防空，艦載機戰術群負責遠層防空[2]。

在航母編隊中，艦載機是編隊最主要的作戰力量之一，具有反應時間快、作戰范圍廣、打擊強度大、打擊效果好等特點，因此在編隊協同防空作戰中擔負著重要的使命。但由于其自身的探測范圍有限及受地球曲率的影響，很難發揮機載武器的遠程打擊能力，因此，由預警機、艦載戰斗機和電子戰飛機組成的防空作戰力量構成了航母編隊的遠程防空區，力圖在敵機發射反艦導彈前將其擊落[3]。本文旨在研究航母編隊中預警機與艦載機協同進行遠程防空作戰的指揮控制問題，并利用CPN Tools[4]仿真平臺建立相關Petri網模型。

2航母編隊遠程協同防空作戰指揮控制過程

遠程防空攔截由航母艦載戰斗機擔任，主要攔截敵來襲飛機和導彈，力圖在敵導彈射界之外或敵機占領發射陣位之前將其擊落。在遠程防空作戰中，編隊指揮所接收預警機等預警探測平臺上報的目標數據，進行實時融合處理，形成編隊統一態勢，并向編隊中其他作戰單元及其他協同兵力平臺分發，艦載機接收其他平臺的目標指示信息及編隊指揮所的命令信息對來襲導彈或敵機進行攔截打擊。艦載機可以根據編隊指揮所的指揮引導命令進行機動和攻擊，同時也可以由受委托的預警機來進行指揮引導。預警機在指揮引導艦載機實施空中攔截的同時，引導電子戰飛機對敵機雷達和通信裝備實施電子干擾，掌握制電磁權，為了簡化模型，文中暫不考慮電子戰飛機模塊。

艦載機在指揮引導下飛向預定攻擊陣位，經任務分配，在收到攻擊命令后對敵方來襲目標進行攔截打擊，并進行毀傷評估，若打擊失敗，尚未突防時繼續實施攔截打擊，當艦載機完成作戰任務后撤出戰場，若外層防御被突破，則由中程區域的水面艦艇運用艦對空導彈應對突防的導彈和敵機。具體流程如圖1所示。

圖1　遠程防空指揮控制流程

3基于CPN Tools的航母編隊遠程協同防空作戰指揮控制模型

根據對航母編隊遠程協同防空作戰指揮控制過程的分析，建立基于CPN Tools的預警機與艦載機協同進行遠程防空作戰指揮控制模型，這里主要分為六個模塊。

假設編隊指揮所授權預警機對艦載機進行指揮引導和遠程目標指示。在CPN Tools仿真平臺上建立指揮控制模型，在Top頁上建立頂層模型，描述了目標和響應之間的信息傳遞關系；在Target子頁建立來襲目標模型，描述目標狀態的變化；在Response子頁建立防空響應模型，描述防空響應過程；在aircraft_carrier子頁建立編隊指揮所指揮控制模型，描述編隊指揮所的指揮控制過程；在early_waring_plane子頁建立預警機探測引導模型，描述預警機探測引導過程；在ship_board_aircraft子頁建立艦載機模型，描述艦載機工作過程。

3.1頂層模型

頂層模型描述的是目標和防空響應之間的信息傳遞關系，如圖2所示。

圖2　頂層模型

變遷Target和變遷Response分別為目標活動變遷和防空響應變遷，其中Target會改變目標狀態，隨著仿真時間的推移，目標狀態持續更新，而Response只是使用目標信息。模型中各替代變遷之間的庫所表示子層頁面之間的接口；指向替代變遷的弧表示接口向子層頁面的輸入信息，背離替代變遷的弧表示子層頁面向端口輸出信息[5]。

3.2目標模型

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

colset Tar = product X*X*X*X*X*X*X；

Tar中各個變量與目標定義中各個屬性的對應關系為：

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

其中k1為狀態控制變量，表示對于目標系統所處的防空響應階段。k1=1，表示預警探測；k1=2，表示目標跟蹤；k1=3，表示攻擊。

time_tar中存儲的為目標的時延控制信息(k：整形托肯)，目標狀態每變化一次，k的可用時間加1，即到下一仿真周期內變遷Target才能發生。其模型如圖3所示。

圖3　目標模型

3.3防空響應模型

防空響應模型如圖4所示，替代變遷early_waring_plane、aircraft_carrier、ship_board_aircraft分別代表預警機探測引導模塊、編隊指揮所指揮控制模塊和艦載機模塊。

圖4　防空響應模型

當目標在early_waring_plane模塊的探測范圍內時，early_waring_plane模塊觸發，并按照規則將預警探測信息發送給aircraft_carrier，經融合處理后反饋給early_waring_plane，并根據規則觸發ship_board_aircraft模塊，最后由early_waring_plane模塊對ship_board_aircraft進行觸發控制。

模型中主要庫所和變遷的代表意義如表1所示。

表1　庫所和變遷意義

3.4預警機探測引導模型

預警機探測引導模型如圖5所示。預警機主要負責對空、對海遠程預警，在編隊指揮所授權下，也可擔負艦載機的指揮引導。預警機作戰系統包括搜索雷達、敵我識別器、導航系統、數據鏈系統等設備。其中搜索雷達能夠完成對目標的探測、跟蹤和顯示，是系統的核心。所以對搜索雷達模塊進行了比較細致的建模。預警機在編隊指揮所授權下，負責指揮引導艦載機對來襲威脅目標進行打擊攔截。艦載機編隊集結飛往作戰空域時向預警機報到，預警機指揮引導艦載機編隊，并根據戰術態勢，完成各類引導解算，向艦載機提供作戰引導信息和遠程目標指示信息[7]。

圖5　預警機探測引導模型

模型中主要庫所和變遷的代表意義如表2所示。

表2　庫所和變遷意義

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(target)作為輸入信息，輸出預警探測信息(pin)。radar為搜索雷達，其類型為NO5，對于雷達屬性選擇，radar為由五個整形變量組合而成的復合變量。radar各變量與所選的雷達屬性的對應關系為：

雷達屬性：{雷達高度，掃描方位，掃描周期，虛警概率，接收機噪聲功率}

radar：(t1，t2，t3，t4，t5)

圖6中左上角為Radar2代碼段，可以得出雷達對于目標的探測概率(P)、最大探測距離(DisMax)、雷達視距(DisHigh)。

pin0為Radar2掃描目標發現與否的反饋信息，類型為Tar。信息中包含目標距離、舷角和類型等基本信息以及是否發現目標的信息，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表示發現目標，k5=0表示未發現目標。庫所pra記錄最近四次掃描目標的發現情況，庫所next_tarP和庫所time_pra為時延控制庫所。

3.5編隊指揮所指揮控制模型

編隊指揮所指揮控制模型如圖7所示。

圖7　編隊指揮所指揮控制模型

編隊指揮所是艦載機協同防空作戰的主要決策者，負責攔截目標的分配、艦載機的協調以及火力的分配，預警機在收到編隊指揮所的委托命令后指揮引導艦載機對目標實施攔截。編隊指揮所將預警機和其他傳感器平臺獲得的目標信息進行融合后，再將態勢信息分發給預警機，并根據綜合態勢向艦載機下達任務分配命令。

該模型描述編隊指揮所的指揮控制過程。輸入端pin為從early_waring_plane子層獲得的預警探測信息，輸出端pin_in為融合后態勢信息，變遷CtoP表示數據融合過程。模型中還包括兩個替代變遷Eva和C2，分別為毀傷評估及任務分配模塊，由于篇幅所限，在此不詳細介紹。

3.6艦載機模型

在完成目標搜索、識別、跟蹤以及確認對威脅目標進行打擊后，艦載機將在預警機的指揮引導下進入攻擊陣位，進行協同打擊。其模型如圖8所示。

圖8　艦載機模型

此頁面分兩部分，WC(武器控制系統)和MANEUVER(機動決策系統)。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信息，zh1表示編隊指揮所的命令信息，FE表示給early_waring_plane子層的報到信息。

各變遷含義如下：

· Engage：把從預警機傳來的戰術引導和目標指示信息分發給武器控制系統和機動決策系統；

· Arrive：進行戰術機動以滿足武器發射要求；

· Fire：對目標進行打擊；

· BD：根據編隊指揮所的命令接敵并向預警機報到。

4結語

艦載機是航母編隊遠程防空作戰中的主要作戰力量，本文利用CPN Tools仿真平臺建立了航母編隊遠程協同防空作戰中相關的指揮控制模型，并使用CPN Tools中的交互仿真工具對所建立的模型進行觸發執行，可以形象直觀地看出艦載機在預警機協同下與威脅目標的對抗過程。可以通過在信息令牌的顏色集中添加不同的參數，在變遷的動作函數中設定不同的信息處理規則來研究預警機與艦載機協同防空作戰中的實際問題，對不同決策組織的優劣和不同的指揮控制方式的可行性進行研究。

參 考 文 獻

[1] 廖旭東,王永春.艦艇編隊協同防空任務規劃理論及應用[M].北京:國防工業出版社,2013.

[2] 樸成日,沈治河.基于作戰協同航母編隊兵力配置方法[J].指揮控制與仿真,2013,35(4):32-35.

[3] 徐圣良,姜青山,張培珍.艦機協同防空作戰活力運用研究[J]. 艦船科學技術，2010，32(11):113-117.

[4] 朱連章,隋瑞升,孔瑩瑩.基于CPN Tools的性能評價仿真研究[J].微計算機應用,2008,29(4):78-81.

[5] 吳哲輝.Petri網導論[M].北京:機械工業出版社,2006.

[6] 徐大江.基于著色Petri網的艦艇自防御建模仿真研究[D].北京:中國艦船研究院,2012.

[7] 王宗虎,徐圣良,王煥章,等.艦載航空兵超視距攻擊的目標分配優選模型[J].艦船電子工程,2008,28(10):10-13.

中圖分類號E911

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.02.001

作者簡介:趙秦豫，男，碩士研究生，研究方向:軍事智能信息系統。李照順，男，副教授，研究方向：軍事智能信息系統。藍灣灣，男，碩士研究生，研究方向:信息網絡安全。吳琦，女，碩士研究生，研究方向:信息網絡安全。

*收稿日期:2015年8月3日,修回日期:2015年9月27日