面向防空實戰(zhàn)問題的協(xié)同探測發(fā)展研究 *

王波蘭， 施裕升， 王曉科

(上海機電工程研究所， 上海 201109)

0 引言

制空權是指在作戰(zhàn)過程中，在一定的時間內(nèi)控制一定的空間，有效地限制敵方的作戰(zhàn)行動，并使己方享有行動的自由權[1]。制空權的奪取貫穿戰(zhàn)爭始終，并極大地影響和決定戰(zhàn)爭的進程和結局[2]。其中，防空探測是奪取制空權的前提和關鍵，直接決定指揮控制和火力攔截作戰(zhàn)效能。

隨著技術和多平臺聯(lián)合體系的不斷發(fā)展，現(xiàn)代空襲戰(zhàn)爭中，空襲兵器的數(shù)量、種類、能力激增，空襲戰(zhàn)法愈加靈活多變，戰(zhàn)場的復雜電磁干擾成倍提升。防空作戰(zhàn)中，雷達、光電等探測器各自為戰(zhàn)，存在易被偵察和打擊、易被干擾、覆蓋區(qū)域有限等問題，面臨“看不見”、“看不全”、“看不清”等困境，需要實施多傳感器的協(xié)同探測[3]。

協(xié)同探測，指的是兩個或兩個以上的探測資源相互配合，協(xié)調(diào)一致地完成目標探測任務[4-5]，實現(xiàn)任務種類多、抗干擾能力強、系統(tǒng)健壯性高的探測能力。協(xié)同探測具有以下優(yōu)勢：

一是能量積累優(yōu)勢。通過協(xié)同將傳感器資源綜合應用、能量積累，能夠提升隱身目標的探測能力和復雜環(huán)境下的目標探測能力。

二是空間分布式優(yōu)勢。通過空間角度積累得益，以及不同作戰(zhàn)單元分布式部署形成體系預警和對抗能力，提升整體的作戰(zhàn)效能[6]。

三是資源靈活調(diào)度優(yōu)勢。根據(jù)來襲目標威脅、環(huán)境、裝備和戰(zhàn)術等，自適應調(diào)整資源配置，提升整個打擊過程的資源利用效率。

四是火力快速分配優(yōu)勢。通過協(xié)同，形成全空域、高質(zhì)量、快速及時的預警探測態(tài)勢，提升多方位飽和攻擊的火力快速分配和反應能力。

協(xié)同探測具有多方面的優(yōu)勢，是未來體系化作戰(zhàn)的必然趨勢。國內(nèi)外學者對其進行了大量研究，主要有兩個方向：一是協(xié)同架構角度，主要包括協(xié)同探測中傳感器管理的優(yōu)化方法綜述[7]、多傳感器協(xié)同管理架構[8]等；二是具體算法角度，主要包括同構或異構傳感器協(xié)同算法[9]、協(xié)同探測與資源管控[10-11]等。無論是架構還是算法，協(xié)同探測最終都要用于實戰(zhàn)。因此，從實戰(zhàn)需求出發(fā)，分析協(xié)同探測的發(fā)展方向，更具實際工程意義。

本文首先以21世紀爆發(fā)的現(xiàn)代戰(zhàn)爭為牽引，分析了現(xiàn)代防空作戰(zhàn)中防空探測面臨的實戰(zhàn)問題；其次，分析了美國、法國和中國的協(xié)同探測現(xiàn)狀；最后，結合我國實際情況，分析了協(xié)同探測的發(fā)展方向，能夠為構建防空協(xié)同探測系統(tǒng)及其關鍵技術攻關提供借鑒作用。

1 防空實戰(zhàn)對協(xié)同探測的需求

21世紀以來，全球范圍內(nèi)發(fā)生了“敘利亞霍姆斯沙特拉特空軍基地被襲”“敘利亞化學武器設施被襲”“沙特油田被襲”“春天之盾”“納卡沖突”等局部戰(zhàn)爭，這里選取3個經(jīng)典戰(zhàn)例分析實戰(zhàn)中防空探測面臨的主要問題。

1.1 敘利亞化學武器設施被襲

2018年4月14日，美、英、法三國以敘利亞擁有并使用了化學武器等大規(guī)模殺傷性武器為由，對敘利亞國內(nèi)多個目標進行了導彈襲擊。本次空襲分為4個方向，如圖1所示。佯攻方向：東地中海 北約在獲悉雷達的部署位置后，認為敘方主要防御方向為東地中海，因此，僅發(fā)射了9枚巡航導彈；第一主攻方向：紅海 北約部隊發(fā)射了37枚“戰(zhàn)斧”巡航導彈，依靠山地地形遮擋雷達探測距離，且遠處山地會產(chǎn)生強雜波；第二主攻方向：阿拉伯灣北部 北約部隊發(fā)射了23枚“戰(zhàn)斧”巡航導彈，此處地形呈坡地，山頂?shù)睦走_處于下視，極度影響探測距離與發(fā)現(xiàn)概率；第三主攻方向：卡塔爾 此處地形比較開闊，發(fā)射了19枚隱身導彈，實現(xiàn)快速、突然的隱身突防。

圖1 敘利亞化學武器設施被襲的作戰(zhàn)態(tài)勢圖

該戰(zhàn)役中防空方存在的防空探測問題：

1) 缺乏合理的部署，敘軍雷達部署存在戰(zhàn)術缺陷，且容易暴露。敘軍將預警雷達與跟蹤制導雷達均部署在山頂，易暴露且存在探測盲區(qū)，使得三國部隊找到了進攻的突破點。

2) 缺乏合理的警戒，無法盡早地發(fā)現(xiàn)目標。敘軍沒有考慮到各類空域的探測效能，當超低空隱身目標十分接近時，雷達才發(fā)現(xiàn)目標，但為時已晚。

3) 缺乏各方位的多目標探測能力，無法看全目標。面對全方位的飽和攻擊，“手忙腳亂”，作戰(zhàn)效能大大降低。

4) 缺乏超低空、隱身目標的探測能力，無法看準目標。雷達受地球曲率和山地地形影響，超低空目標探測距離被嚴重壓縮。此外，探測隱身目標時，點跡時有時無，無法形成完整航跡。

1.2 沙特油田被襲

2019年9月14日凌晨，沙特東北部的煉油廠和油田突然遭到也門胡賽武裝襲擊，參與這次襲擊的有18架無人機和7枚導彈，多處石油設施發(fā)生連環(huán)爆炸并燃起大火，如圖2所示。14日之前，也門胡賽武裝利用長航時無人機對沙特石油設施進行多次空中偵察拍照，獲得了大量的裝備信息；襲擊開始后，Kassef-3、Samad-3和一型未公開的無人機從不同地點起飛，航路經(jīng)過精細規(guī)劃，其中一架無人機帶有電子壓制設備，在電子壓制干擾保護下，多架無人機抵近目標并進行了空襲；襲擊完成后，無人偵察機還對目標進行了毀傷評估，根據(jù)毀傷效果判斷是否再進行打擊。

圖2 沙特油田的防空警戒區(qū)域與被襲圖

執(zhí)行此次襲擊任務的Kassef-3無人機，飛行速度僅150 km/h，作戰(zhàn)高度最低可達20 m，屬于典型的低慢小目標，如圖3所示。

圖3 執(zhí)行空襲任務的無人機

該戰(zhàn)役中防空方存在的防空探測問題：

1) 缺乏合理的部署籌劃方案，無法隱蔽自身位置和裝備類型，同時對敵方可能的進攻形式想定有疏漏。防空方一直沒有發(fā)現(xiàn)無人機目標，導致無人機偵察了裝備部署，并形成了警戒區(qū)域態(tài)勢圖。

2) 缺乏合理的警戒籌劃方案，沒有考慮到超低空目標探測，無法實現(xiàn)全空域防御。沙特沒有關注超低空區(qū)域的防御，對無人機目標的來襲渾然不知，雷達剛反應時就被摧毀。

3) 缺乏探測低慢小目標的能力，無法及時看準目標。由于低慢小目標的RCS較小，速度較慢，低空雜波較強，傳統(tǒng)雷達難以探測該類目標。

4) 缺乏合理的戰(zhàn)后效能評估，無法及時修正戰(zhàn)術戰(zhàn)法。借鑒空襲方的毀傷評估戰(zhàn)法，若沙特能夠根據(jù)各傳感器狀態(tài)及時反饋戰(zhàn)場態(tài)勢，優(yōu)化戰(zhàn)術戰(zhàn)法，或許能降低損失。

1.3 “春天之盾”軍事行動

2020年3月1日，土耳其軍隊對敘利亞政府軍發(fā)起代號為“春天之盾”的軍事行動。首先，土耳其出動大型無人攻擊機編隊，采用高空突防方式進入交戰(zhàn)空域，對“鎧甲-S1”武器系統(tǒng)制導雷達進行電子偵察，將所得雷達特征參數(shù)傳遞至后方“科拉爾”(KORAL)電子戰(zhàn)系統(tǒng)；然后，“科拉爾”電子戰(zhàn)系統(tǒng)產(chǎn)生大功率射頻信號，進行遠距支援干擾，使“鎧甲-S1”武器系統(tǒng)搜索雷達喪失作戰(zhàn)能力；最后，土軍TB2攻擊無人機編隊在電子干擾掩護下進入機載武器射程后引導空地導彈對“鎧甲-S1”武器系統(tǒng)進行精確打擊，如圖4所示，而鎧甲武器系統(tǒng)未發(fā)射導彈進行攔截，暴露出其在復雜作戰(zhàn)場景下戰(zhàn)場生存能力不足。

圖4 “鎧甲-S1”武器系統(tǒng)被鎖定跟蹤的圖像

該戰(zhàn)役中防空方存在的防空探測問題：

1) 缺乏合理的部署籌劃方案，無法隱蔽自身的陣地位置。敘軍在近程末端部署單裝，明顯是錯誤的，大大增加了單裝系統(tǒng)的暴露風險。

2) 缺乏有效的抗干擾能力，無法看清目標。由于配備單裝，搜索、跟蹤雷達受到干擾時，敘軍一直沒有實施反擊。

3) 缺乏多目標的跟蹤能力，無法看全目標。鎧甲系統(tǒng)在干擾下目標跟蹤數(shù)量減少，并且容易丟失，無法穩(wěn)定跟蹤。

1.4 小結

通過上述3個戰(zhàn)例的分析，防空探測實戰(zhàn)問題如表1所示。

表1 現(xiàn)代戰(zhàn)爭暴露的防空探測問題

2 協(xié)同探測建設現(xiàn)狀

2.1 美國

CEC協(xié)同交戰(zhàn)能力(Cooperative Engagement Capability)[12]系統(tǒng)起源于冷戰(zhàn)時期，美國海軍針對防御巡航導彈對其艦艇的攻擊而提出，通過將戰(zhàn)場上的艦載和機載雷達鏈接起來，將各節(jié)點傳感器的探測情況一并處理運算以產(chǎn)生非常精確的單一集成空中圖像(Single Integrated Air Picture，SIAP)，允許艦艇與其本身傳感器作用距離以外的目標作戰(zhàn)。

CEC在協(xié)同探測上的關鍵能力體現(xiàn)在復合追蹤與識別(Composite Tracking and Identification)以及精確提示(Precision Cueing)上。這兩項技術具備的優(yōu)勢主要有兩個方面： 1) 管控方面。整合處理間斷信號，掌握匿蹤目標(隱身或超材料目標)；提前獲得戰(zhàn)場目標態(tài)勢，增加攔截縱深，為超視距攔截、多次攔截等創(chuàng)造條件。2) 融合方面。通過多點聯(lián)合定位演算有助于獲得比單一雷達更精確的目標坐標信息，效果示意圖如圖5所示；利用各節(jié)點傳感器的信息互補，有助于生成清晰穩(wěn)定的動態(tài)目標軌跡，效果示意圖如圖6所示。

圖5 多節(jié)點聯(lián)合運算提升精度

圖6 多節(jié)點聯(lián)合生成目標軌跡

2.2 法國

法國海軍目前已建成協(xié)同交戰(zhàn)能力體系，也成為美國之外世界上第二個公開具備獨立海軍協(xié)同交戰(zhàn)能力的國家。其協(xié)同交戰(zhàn)能力體系稱為“多平臺態(tài)勢感知演示驗證系統(tǒng)”(TSMPF)[13]，如圖7所示。該系統(tǒng)同CEC一樣，是高質(zhì)量的態(tài)勢感知和綜合火力控制信息系統(tǒng)，通過將地理上分散的各個傳感器(例如艦艇和航空器)實時聯(lián)接，形成“統(tǒng)一整合的信息圖譜”，提升整個傳感器集團的協(xié)同作戰(zhàn)能力。2017年，該系統(tǒng)進行了模擬作戰(zhàn)演示，“戴高樂”號、“地平線”級和“阿基坦”級上的傳感器組成傳感器網(wǎng)，共享空情態(tài)勢，成功對由8架“陣風”戰(zhàn)斗機組成的模擬打擊集團進行了有效的應對和攔截。

圖7 TSMPF系統(tǒng)組成圖

2.3 中國

目前定型或在研裝備已初步具備了作戰(zhàn)連協(xié)同、主從車協(xié)同等作戰(zhàn)模式[14]，在連指揮車或主車的集中指揮下具有雷達探測信息共享及數(shù)據(jù)融合、火力分配等，但距離網(wǎng)絡化協(xié)同作戰(zhàn)還有一定的差距。特別是在協(xié)同探測、融合、打擊策略及高速實時數(shù)據(jù)鏈等方面未取得技術突破，未實現(xiàn)工程應用。

2.4 小結

從國外的實戰(zhàn)現(xiàn)狀來看，美、法兩國的協(xié)同探測系統(tǒng)發(fā)展成熟，并在工程應用上有所建樹。然而，根據(jù)有關報道和文獻可知，國內(nèi)協(xié)同探測系統(tǒng)的研究還處于起步階段，與國外相比，尤其是美國，在技術研究和工程應用方面還存在較大差距。

3 協(xié)同探測發(fā)展方向分析

通過上述實戰(zhàn)分析，結合未來戰(zhàn)爭典型態(tài)勢的推演可知，協(xié)同探測的主要問題是戰(zhàn)前的部署考慮不周、戰(zhàn)前的警戒區(qū)域覆蓋不廣、戰(zhàn)中的目標定位探測效能較差(包括抗干擾、超低空隱身、無人機目標等)、戰(zhàn)中的抗飽和攻擊能力較差、戰(zhàn)后的毀傷效果評估技術匱乏。因此協(xié)同探測的發(fā)展重點主要圍繞多傳感器管控、協(xié)同探測融合、效能評估和策略修正這三方面，彼此關系圖如圖8所示。

圖8 協(xié)同探測發(fā)展重點的關系圖

3.1 作戰(zhàn)任務籌劃與傳感器管控

多傳感器協(xié)同探測之間需要籌劃作戰(zhàn)任務，明確作戰(zhàn)需求。即在獲得敵方情報的基礎上，在滿足各個傳感器的約束條件下，戰(zhàn)前靜態(tài)分析敵方可能的作戰(zhàn)態(tài)勢，預先判斷敵方可能采取的攻擊方式、攻擊目標、航線、時機等，設計各種針對性的探測方案。或者是，戰(zhàn)中根據(jù)敵方的超低空突防、隱身突防、飽和攻擊等進攻態(tài)勢，實時動態(tài)規(guī)劃作戰(zhàn)任務，合理調(diào)度傳感器的探測資源，最大滿足作戰(zhàn)需求。

完成作戰(zhàn)任務籌劃后，需要進行傳感器的管控。即在滿足戰(zhàn)場環(huán)境條件以及各種戰(zhàn)術和技術指標等約束下，根據(jù)作戰(zhàn)任務需求，確定傳感器的最優(yōu)部署位置，以滿足最大的探測空域；確定何種傳感器執(zhí)行何種探測任務，以滿足探測何種類型的目標；確定傳感器的最優(yōu)工作參數(shù)與調(diào)用規(guī)劃，以滿足探測資源的合理利用。

綜上，作戰(zhàn)任務籌劃與傳感器管控的關系圖如圖9所示。

圖9 多傳感器管控的發(fā)展方向

3.2 針對新型目標和空襲戰(zhàn)法的協(xié)同探測融合定位

在各種作戰(zhàn)樣式中，最重要的作戰(zhàn)任務需求就是對目標的探測與定位，獲取目標的位置信息，并穩(wěn)定跟蹤目標。針對上文分析的戰(zhàn)例，從新型目標和空襲戰(zhàn)法兩個方面探討協(xié)同探測定位的發(fā)展方向，如圖10所示。

1) 新型目標。由前文可知，無人機作戰(zhàn)逐漸成為未來空襲的熱點之一。傳統(tǒng)雷達難以發(fā)現(xiàn)該類目標，需要研發(fā)專門針對無人機的探測雷達。或者，可以采用無線電信號監(jiān)測、光電識別跟蹤以及聲音監(jiān)測等輔助手段進行多源信息融合，獲取高質(zhì)量目標信息。關鍵技術主要有基于運動模型識別的信息融合定位、基于深度學習的智能融合定位、基于位置信息與語義地圖融合的探測定位等。

2) 空襲戰(zhàn)法。由前文可知，空襲戰(zhàn)法主要有飽和攻擊、強電子干擾、超低空突防、隱身突防等。面對這些空襲戰(zhàn)法，需要聯(lián)合多個同構或異構傳感器進行信息互補。關鍵技術主要有基于多源信息融合的智能規(guī)劃技術、智能抗干擾技術、反隱身技術等。

圖10 協(xié)同探測融合的發(fā)展方向

3.3 協(xié)同探測效能的建模仿真與試驗評估技術

協(xié)同探測效能的建模仿真是從理論上分析協(xié)同探測的效能，協(xié)同探測效能的試驗評估是從實際作戰(zhàn)上檢驗協(xié)同探測的效能。為了能在實戰(zhàn)中實時、合理、有效評估各傳感器狀態(tài)和協(xié)同作戰(zhàn)效果，優(yōu)化后續(xù)的戰(zhàn)術戰(zhàn)法，需要大力發(fā)展協(xié)同探測效能的建模仿真與試驗評估技術，主要內(nèi)容如圖11所示。

1) 協(xié)同探測效能的建模仿真。對于協(xié)同探測系統(tǒng)的復雜性而言，探測效能的建模仿真需要從體系的思維出發(fā)，凸顯協(xié)同系統(tǒng)的屬性，即“體系建模”。建模方案可分為3個主要部分：軍事概念模型、數(shù)學度量模型和系統(tǒng)仿真模型。

2) 協(xié)同探測效能的試驗評估。需要構建不同的試驗環(huán)境，包括典型的、最常見的、最極端的等，盡可能地全方位評估協(xié)同探測效能；綜合采用多種評估方法，充分利用多種評估方法的優(yōu)勢，根據(jù)各種指標選擇合適的評估方法。

圖11 協(xié)同探測效能評估的發(fā)展方向

4 結束語

面臨目標多樣化、電磁環(huán)境復雜化、戰(zhàn)法多變化的戰(zhàn)場態(tài)勢，防空協(xié)同探測是未來體系化作戰(zhàn)的必然趨勢。本文首先研究了現(xiàn)代戰(zhàn)爭中防空探測的實戰(zhàn)需求，并從多傳感器管控、融合和效能評估進行了總結與歸納；其次綜述了國內(nèi)外協(xié)同探測的建設現(xiàn)狀；最后針對多傳感器管控、融合、效能評估三個方面分析了我國建設協(xié)同探測的發(fā)展方向，為構建防空協(xié)同探測系統(tǒng)及其關鍵技術攻關提供借鑒作用。