戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈協(xié)同任務(wù)規(guī)劃研究

廖 沫 劉 洋 莫文驥 蘇丙未

空間物理重點實驗室，北京100076

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戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈協(xié)同任務(wù)規(guī)劃研究

廖 沫 劉 洋 莫文驥 蘇丙未

空間物理重點實驗室，北京100076

分析了戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)模式和關(guān)鍵技術(shù)，重點針對導(dǎo)彈協(xié)同任務(wù)規(guī)劃技術(shù)進行分析和研究，提出三級結(jié)構(gòu)的導(dǎo)彈協(xié)同任務(wù)規(guī)劃體系，研究和分析了戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈協(xié)同任務(wù)規(guī)劃技術(shù)的主要內(nèi)容和關(guān)鍵問題，研究并提出了協(xié)同目標(biāo)分配、航跡規(guī)劃等問題的模型和方法，對典型協(xié)同任務(wù)進行了仿真。 關(guān)鍵詞 多彈協(xié)同；任務(wù)規(guī)劃；目標(biāo)分配；航跡規(guī)劃

導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)是指多枚導(dǎo)彈相互配合、協(xié)作、共同執(zhí)行戰(zhàn)斗任務(wù)。美國在上世紀(jì)70年代提出了協(xié)同作戰(zhàn)的概念，美國和俄羅斯等國家針對導(dǎo)彈協(xié)同攻擊技術(shù)開展了大量研究，并研發(fā)了具有協(xié)同攻擊能力的多種智能型導(dǎo)彈。美國的“網(wǎng)火”(NetFires)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)是一種帶指控系統(tǒng)的箱式發(fā)射火箭，將火力打擊、偵察監(jiān)視、效能評估和任務(wù)分配等功能通過數(shù)據(jù)鏈集成一體，采用巡邏攻擊導(dǎo)彈與精確打擊導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)模式，首先發(fā)射巡邏導(dǎo)彈(LAM)，在GPS/INS導(dǎo)引下飛至指定目標(biāo)區(qū)域上空盤旋滯留，用激光雷達搜索目標(biāo)，發(fā)現(xiàn)敵方蹤跡即發(fā)射低成本的精確打擊導(dǎo)彈(PAM)，LAM也可直接攻擊目標(biāo)。俄羅斯的花崗巖[1]超聲速反艦導(dǎo)彈也是最早實現(xiàn)協(xié)同攻擊的代表，導(dǎo)彈在武器系統(tǒng)計算機中建立了各類艦船的完整數(shù)據(jù)庫，彈上計算機貯存了多種現(xiàn)代戰(zhàn)船的目標(biāo)特性數(shù)據(jù)、可能采用的戰(zhàn)術(shù)編隊與電子對抗措施、以及根據(jù)戰(zhàn)場環(huán)境制定的攻防戰(zhàn)略，并進行任務(wù)規(guī)劃。具有“一彈對一艦”、“多彈對單艦”及“組彈對目標(biāo)群”的多種攻擊方式。

戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈作戰(zhàn)靈活、彈道形式和攻擊方式多樣，容易實現(xiàn)多彈協(xié)同作戰(zhàn)，提高導(dǎo)彈智能化水平和整體作戰(zhàn)效能。協(xié)同任務(wù)規(guī)劃是實現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，利用多平臺信息，合理分配和調(diào)度資源，進行多彈協(xié)同任務(wù)安排并指揮導(dǎo)彈協(xié)同完成任務(wù)。

本文分析了戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)模式，在此基礎(chǔ)上對導(dǎo)彈協(xié)同任務(wù)規(guī)劃的內(nèi)容、關(guān)鍵技術(shù)和方法進行了分析和研究。通過一個實例闡述了戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈協(xié)同規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)和過程。

1 戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)模式和關(guān)鍵技術(shù)

戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈協(xié)同主要包括時間、空間、功能和平臺協(xié)同等模式，在作戰(zhàn)運用時往往是多種模式同時應(yīng)用，實現(xiàn)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)最佳效能[2]。典型的協(xié)同方式如下：

1)多彈齊射

在一次攻擊中采用不同頻率、類型的導(dǎo)彈在不同方向上齊射，利用多彈同時攻擊突破敵方防空單元。

2)多彈突防

在不同時刻、不同區(qū)域發(fā)射的導(dǎo)彈同時到達某一防空陣地。利用數(shù)量、快速性和目標(biāo)共享等優(yōu)勢實現(xiàn)單枚導(dǎo)彈依次攻擊無法實現(xiàn)的突防效果。

3)編隊導(dǎo)航、探測和攻擊

在編隊構(gòu)成中，可由不同配置的導(dǎo)彈共同實現(xiàn)復(fù)雜的戰(zhàn)斗任務(wù)，如編隊飛行過程中，僅由一枚導(dǎo)彈或部分導(dǎo)彈安裝地形匹配設(shè)備，經(jīng)過匹配區(qū)完成地形匹配后，通過數(shù)據(jù)鏈共享導(dǎo)航修正信息，實現(xiàn)整個編隊成員的導(dǎo)航修正。

導(dǎo)彈編隊攻擊海上運動目標(biāo)群時，接近目標(biāo)區(qū)域后，領(lǐng)彈高彈道飛行，開機探測目標(biāo)群數(shù)據(jù)，在編隊內(nèi)分配目標(biāo)，通過數(shù)據(jù)鏈向其他編隊成員發(fā)送攻擊目標(biāo)信息，領(lǐng)彈自身也具備攻擊能力，完成目標(biāo)分配后直接攻擊目標(biāo)。其他成員導(dǎo)彈配備低成本短距離探測設(shè)備，接近目標(biāo)后低彈道飛行以提高生存能力，接收到攻擊目標(biāo)信息后低彈道逼近目標(biāo)，滿足探測距離后開機鎖定目標(biāo)進行攻擊。

4)“靜默”攻擊

一枚或多枚導(dǎo)彈接近目標(biāo)時開啟主動雷達導(dǎo)引頭，獲取目標(biāo)信息的同時吸引目標(biāo)的注意力，轉(zhuǎn)移火力。目標(biāo)信息通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送給其他編隊成員，使其有機會從側(cè)面接近攻擊。

目前，還出現(xiàn)了干擾彈和戰(zhàn)斗彈協(xié)同及不同類型導(dǎo)彈之間協(xié)同及巡邏-攻擊協(xié)同等新概念協(xié)同方式，隨著技術(shù)的發(fā)展和導(dǎo)彈武器性能的提高，新的協(xié)同方法將不斷出現(xiàn)并得到應(yīng)用。

2 導(dǎo)彈協(xié)同任務(wù)規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)

導(dǎo)彈協(xié)同任務(wù)規(guī)劃的目的是在導(dǎo)彈發(fā)射前和飛行過程中，利用和協(xié)調(diào)導(dǎo)彈的系統(tǒng)資源，合理分配攻擊目標(biāo)及飛行航跡，對飛行動作進行協(xié)調(diào)安排，實現(xiàn)多發(fā)導(dǎo)彈協(xié)同完成作戰(zhàn)任務(wù)。任務(wù)規(guī)劃可分為預(yù)先規(guī)劃和實時規(guī)劃。預(yù)先規(guī)劃是在導(dǎo)彈發(fā)射前制定目標(biāo)分配計劃，確定每發(fā)導(dǎo)彈從發(fā)射點到攻擊區(qū)的飛行航跡。在線任務(wù)規(guī)劃指在任務(wù)執(zhí)行過程中，根據(jù)戰(zhàn)場環(huán)境和任務(wù)變化，實時改變攻擊目標(biāo)和飛行航跡。不論預(yù)先規(guī)劃或?qū)崟r規(guī)劃，均需解決協(xié)同任務(wù)規(guī)劃體系、目標(biāo)分配和航跡規(guī)劃等問題。

2.1 導(dǎo)彈協(xié)同任務(wù)規(guī)劃體系

協(xié)同任務(wù)規(guī)劃體系規(guī)定任務(wù)規(guī)劃的層級、指揮關(guān)系和信息流向等，是實現(xiàn)多彈協(xié)同的基礎(chǔ)。圖1為指揮中心-領(lǐng)彈-成員導(dǎo)彈3層任務(wù)規(guī)劃體系，適用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈協(xié)同任務(wù)規(guī)劃。

圖1 戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈多彈協(xié)同任務(wù)規(guī)劃體系

指揮中心任務(wù)規(guī)劃根據(jù)上級下達的作戰(zhàn)任務(wù)、目標(biāo)、資源和戰(zhàn)場環(huán)境等綜合信息，進行全局任務(wù)規(guī)劃，確定攻擊波次、編隊組成、編隊任務(wù)和航跡等；接收領(lǐng)彈發(fā)回的信息，對編隊任務(wù)重規(guī)劃，發(fā)送至領(lǐng)彈，改變導(dǎo)彈編隊的任務(wù)。

領(lǐng)彈掌握編隊所有信息和任務(wù)，可接收上級任務(wù)指令，根據(jù)自身掌握的信息對編隊進行任務(wù)規(guī)劃/重規(guī)劃，包括改變編隊任務(wù)、重分配目標(biāo)、更新編隊或成員航跡，下發(fā)至成員導(dǎo)彈。領(lǐng)彈根據(jù)偵察信息分配編隊目標(biāo)，下發(fā)至各成員導(dǎo)彈。

導(dǎo)彈成員接收指揮中心或領(lǐng)彈的任務(wù)和航跡，也可自主規(guī)劃任務(wù)，可實時接收領(lǐng)彈下發(fā)的任務(wù)目標(biāo)，規(guī)劃在線航跡，完成協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)。

2.2 導(dǎo)彈協(xié)同目標(biāo)分配

目標(biāo)分配是指揮中心和領(lǐng)彈任務(wù)規(guī)劃的重要內(nèi)容，將多個任務(wù)分配給協(xié)同作戰(zhàn)的導(dǎo)彈，使整體作戰(zhàn)效能達到最大。

多彈協(xié)同目標(biāo)分配包括分配準(zhǔn)則、問題建模及問題求解3個方面。分配準(zhǔn)則的制定需具體分析作戰(zhàn)任務(wù)，確定目標(biāo)函數(shù)以及約束；分配問題建模是根據(jù)具體的目標(biāo)分配問題進行數(shù)學(xué)建模，以通過數(shù)學(xué)方法求解；分配問題求解是采用數(shù)學(xué)方法獲取分配策略。

假設(shè)編隊有N個導(dǎo)彈{M1,M2,…,MN}，M個目標(biāo){T1,T2,…,TM}，定義目標(biāo)分配矩陣XNM：

定義目標(biāo)分配參數(shù)：vi為導(dǎo)彈Mi的價值，表示導(dǎo)彈的戰(zhàn)斗力；ρj為目標(biāo)Tj的價值，表示目標(biāo)的重要度；pi,j為Mi攻擊Tj的效率，表示導(dǎo)彈摧毀目標(biāo)的概率；ri,j為Mi攻擊Tj的風(fēng)險，表示導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)被攔截摧毀的概率；Pthr,i,j為Mi到Tj的路徑威脅，表示導(dǎo)彈飛行到目標(biāo)點航跡過程中被摧毀的概率；Leni,j為Mi到Tj路徑長度指標(biāo)。

目標(biāo)函數(shù)：J1(X)=A·U(X)+B·Y(X)，其中A，B為權(quán)系數(shù)。

max(J1(X))

(1)

分配問題的求解是搜索問題，典型方法包括精確搜索，如窮舉法或改進窮舉法[3]，啟發(fā)式搜索如模擬退火、禁忌搜索、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法[4-5]等，多Agent分配如拍賣法[6-7]，應(yīng)根據(jù)具體問題，選擇合適的算法。

2.3 航跡規(guī)劃

航跡規(guī)劃是根據(jù)航線地圖、戰(zhàn)場環(huán)境和任務(wù)目標(biāo)等信息，制作導(dǎo)彈的飛行航跡。導(dǎo)彈航跡規(guī)劃問題包括問題建模和航跡搜索兩方面。

2.3.1 問題建模

航跡規(guī)劃問題建模是分析導(dǎo)彈的飛行任務(wù)，確定航跡規(guī)劃的目標(biāo)、約束、影響因素及規(guī)劃內(nèi)容，建立導(dǎo)彈航跡規(guī)劃數(shù)學(xué)模型。本文介紹基于Voronoi圖(簡稱V圖)的航跡規(guī)劃模型[8-9]。

V圖定義為：假設(shè)P={p1,p2,…,pN}為平面上N個互異點，任意兩點距離為dist (pi,pj)。對于二維平面E2上任意點x，任意一點pi都對應(yīng)一個區(qū)域V(pi)={x∈E2|dist (x,pi)

將威脅點集合P={p1,p2,…,pN}作為V圖的母點，以任意相鄰兩點的中垂線組成V圖，當(dāng)導(dǎo)彈沿V圖的每一條邊飛行時，可獲得相對高的安全系數(shù)，不偏向任何一方，受到來自兩個點的威脅也最小。圖2為包含起點、目標(biāo)點(終點)和威脅點的V圖，航跡規(guī)劃即獲得從起點到終點，途中經(jīng)過匹配點的滿足約束條件的最優(yōu)航跡，航跡搜索對各V區(qū)域頂點進行搜索，形成沿V區(qū)域邊的節(jié)點序列。如果起點、匹配點和目標(biāo)點不在V區(qū)域邊上，則在相應(yīng)點和所在V區(qū)域的頂點連接線上進行搜索，如圖2所示。

圖2 包含起點、終點和威脅點的V圖

圖3 航路邊(nodei，nodei+1)威脅代價定義

定義航跡規(guī)劃的約束條件：

1) 最大航程約束：Len(S)≤Lmax，Len(S)為S的總長度，Lmax為導(dǎo)彈允許的最大航跡長度；

2) 匹配點約束：?match(i)∈S，要求航路經(jīng)過所有要求的匹配點。

基于V圖的航跡規(guī)劃問題定義為：對于威脅集合P={p1,p2,…,pN}，匹配點集合match，通過航跡規(guī)劃獲取航跡S，使得：

min(J2(S))

s.t.Len(S)≤Lmax

?match(i)∈S

(2)

2.3.2 航跡搜索

A*算法中設(shè)置OPEN和CLOSE兩個表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于存放V圖中“待擴展”和“已擴展”的節(jié)點集合，A*算法流程如圖4所示。

圖4 A*搜索算法流程

對于如圖2所示的規(guī)劃問題，除了傳統(tǒng)的搜索V圖頂點外，還涉及起點、終點和匹配點的搜索，主要處理方式如下：

1) 如當(dāng)前節(jié)點是起點，起點所在的V區(qū)域頂點均為子節(jié)點；

2) 如當(dāng)前節(jié)點為包含終點的V區(qū)域，則終點也可為當(dāng)前節(jié)點子節(jié)點；

3) 對于匹配點，用A*搜索生成起點到第1個匹配點的路徑，然后依次生成到下一個匹配點的路徑，最后生成到終點的路徑，以滿足匹配點約束。

3 仿真實例

3.1 協(xié)同任務(wù)和想定

以前述編隊導(dǎo)航、探測和攻擊協(xié)同模式為例，編隊由具備地形匹配能力和遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測能力的領(lǐng)彈和僅配備短距離低成本目標(biāo)探測設(shè)備的成員導(dǎo)彈組成。導(dǎo)彈編隊飛行剖面如圖5所示，領(lǐng)彈負(fù)責(zé)編隊任務(wù)規(guī)劃，沿預(yù)定航跡編隊飛行至目標(biāo)區(qū)域，領(lǐng)彈通過匹配區(qū)域進行地形匹配，修正導(dǎo)航信息，并通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送至其他成員導(dǎo)彈進行導(dǎo)航修正，實現(xiàn)編隊高精度飛行。接近目標(biāo)區(qū)域后，領(lǐng)彈提前打開目標(biāo)探測設(shè)備探測目標(biāo)群，在導(dǎo)彈編隊內(nèi)分配目標(biāo)后向成員導(dǎo)彈發(fā)送攻擊目標(biāo)；成員導(dǎo)彈從領(lǐng)彈處接收目標(biāo)初步位置信息，下壓低空水平飛行，滿足探測設(shè)備作用距離后鎖定目標(biāo)攻擊，實現(xiàn)導(dǎo)彈編隊對目標(biāo)群的高效攻擊。

圖5 典型飛行任務(wù)過程

通過任務(wù)和彈道形式分析，考慮導(dǎo)彈爬升、下壓歷經(jīng)的航程較短，因此協(xié)同任務(wù)規(guī)劃的主要任務(wù)包括編隊航跡規(guī)劃和目標(biāo)偵查后末端攻擊目標(biāo)分配。

3.2 編隊航跡規(guī)劃結(jié)果

采用前述方法構(gòu)建航跡規(guī)劃V圖模型，采用A*搜索航跡規(guī)劃算法，圖6和7給出了含通過匹配點約束和不含匹配點約束2種工況的路徑規(guī)劃結(jié)果，根據(jù)不同的約束條件，沿V圖邊界分別得到了目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的規(guī)劃結(jié)果。

圖6 不通過匹配點的航跡

圖7 通過匹配點的航跡

3.3 終端目標(biāo)分配結(jié)果

根據(jù)前述目標(biāo)分配模型，定義矩陣X4×6，由于末端路徑較短，忽略飛行路徑對目標(biāo)函數(shù)的影響，目標(biāo)分配僅受導(dǎo)彈攻擊能力、目標(biāo)價值、直接攻擊風(fēng)險的影響。考慮到目標(biāo)分配的實時性，采用基于多Agent分布協(xié)同拍賣的動態(tài)目標(biāo)分配算法[7]，獲得目標(biāo)攻擊矩陣為：

即導(dǎo)彈M1→T5，M2→T3，M3→T4，M4→T3。

4 結(jié)束語

分析了戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)模式，對戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈協(xié)同任務(wù)規(guī)劃體系、目標(biāo)分配和航跡規(guī)劃等關(guān)鍵技術(shù)進行了研究和分析。通過仿真實例驗證了編隊導(dǎo)航、探測和攻擊協(xié)同作戰(zhàn)模式。

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Study on Coordinated Mission Planning Technology of Tactical Missile

Liao Mo，Liu Yang，Mo Wenji，Su Bingwei

Science and Technology on Space Physics Laboratory，Beijing 100076, China

Coordinatedcombatmodesandkeytechnologiesbytacticalmissilesareanalyzedandcoordinatedmissionplanningtechnologyisfocusedspecially.A3-classmissilecoordinatedmissionplanningframeworkisproposed,andthekeyproblemandmaincontentsofcoordinatedmissionplanningtechnologyarestudiedandanalyzed.Modelandmethodfortargetassignmentandtrajectoryplanningareproposedandstudied.Atypicalcoordinatedmissionplanningcaseisproposedandsimulated.

Multi-missilecoordination；Missionplanning；Targetassignment；Trajectoryplanning

2014-10-16

廖 沫(1978-)，女，廣西柳江人，博士，高級工程師，主要從事導(dǎo)彈總體設(shè)計；劉 洋(1982-)，女，天津人，碩士，高級工程師，主要從事彈道設(shè)計；莫文驥(1981-)，男，重慶萬州人，博士，高級工程師，主要從事武器系統(tǒng)總體設(shè)計；蘇丙未(1976-)，男，遼寧義縣人，博士，研究員，主要從事導(dǎo)彈總體設(shè)計。

TP316.2;V19

A

1006-3242(2016)04-0070-06