面向OODA 過程的飛機類目標行為建模方法?

郭小威 于 暢

（92941部隊 葫蘆島 125001）

1 引言

作戰仿真已成為新型武器裝備試驗的重要手段，為體現參試兵力的對抗性，逼真的作戰對手不可或缺。當前，在艦空導彈武器系統試驗任務中，飛機類目標模擬方面尚無完備的作戰對手模型支撐，大多是通過簡單的運動公式推算或外測數據回放模擬點目標，沒有反映強敵飛機類目標的作戰行為特征，攻防對抗過程不明顯。為此，建設具備行為決策能力的飛機類目標仿真實體十分必要［1～5］。

在描述飛機作戰過程方面，美國空軍軍官John Boyd 在總結飛行經驗和空戰數據的基礎上，抽象提出了OODA（Observe，Orient，Decide，Act）環理論，為優化作戰流程提供了模塊化、流程化分析手段，并隨著裝備智能化水平的不斷提升，逐步應用于攻防對抗機理分析中。本文根據艦空導彈作戰仿真試驗需求，通過研究分析典型作戰對手飛機類目標的裝備性能、作戰思想和戰術原則等，面向OODA 過程構造作戰實體CGF（計算機生成兵力）行為數學模型，實現任務規劃、通信探測、推理決策和規避對抗等行為能力模擬［6～10］，為艦空導彈作戰仿真試驗構建包含目標戰術行動的復雜多變戰場態勢，有效考核其作戰能力。

2 艦機對抗過程分析

艦機對抗是現代海空戰中的典型博弈對抗場景。一般而言，作為防御方的紅方艦艇，以保存自我為基本作戰需求，實現對敵方飛機類目標的探測、跟蹤與殺傷；作為進攻方的藍方飛機，追求達成隱蔽接敵、執行打擊與安全退出的作戰目的。雙方在對抗過程接續體現高強度的探測與突防、跟蹤與干擾、攔截與規避等行為對抗要素。

1）艦艇防空作戰裝備及流程

艦艇防空作戰裝備一般包括艦載探測制導雷達、武器控制系統、中遠程艦空導彈和信息支援系統等組成，順次完成對空搜索、目標探測、識別跟蹤、武器發射、制導、目標毀傷等，艦艇防空作戰詳細OODA環路這里不再贅述。

2）飛機反艦作戰裝備及流程

藍方飛機類目標反艦作戰裝備一般包括雷達、導彈、告警器、干擾彈等，攻擊過程中一般會有己方預警機、偵察飛機的信息支援，依次完成任務領受、信息支援、航線規劃、反艦武器發射、規避探測跟蹤、躲避艦空導彈攔截等行為，其反艦作戰OODA過程后文中會詳細介紹。

3）艦機對抗過程

結合攻防過程和雙方主要裝備運用，分析對抗關系如圖1所示。

圖1 艦機裝備對抗關系

3 飛機類目標建模

3.1 OODA過程

Observe 為目標與威脅探測過程。該環節中，飛機類目標主要包含三類行為：一是探測敵方艦艇目標，主要通過機載主動雷達探測；二是探測敵方攔截導彈，主要通過己方預警機、告警雷達探測；三是通過機載數據鏈獲取友機、支援飛機等推送的戰場態勢。

Orient 為信息融合過程。主要將探測到的信息傳輸到綜合信息系統中，融合后傳輸給飛機CGF，通過現有的戰場信息（敵方目標信息、來襲導彈信息、飛機信息等）不斷更新，對任務執行需求和敵方防空系統威脅程度做出判斷，為下步決策提供依據。

Decision 為行為決策過程。主要由飛機CGF根據現有的戰場信息，遍歷行為模型庫中的各種預設方案，篩選出前進機動、返航回避、釋放干擾等動作方案。最后根據整體戰術思路（攻擊目標優先級、飛機安全優先級等），找到最適合處理當前態勢的行動方案。

Act為行為執行及反饋過程。根據已選擇的行動方案進行仿真模擬，并根據執行的結果（被跟蹤、成功規避探測、成功規避導彈鎖定、成功干擾攔截導彈、成功擊中敵方目標等）反饋給飛機CGF，并進入下一個OODA循環過程。

3.2 行為規則庫

1）規則庫

按階段劃分飛機類目標的行為規則庫，描述如下：

（1）無威脅飛行接敵階段：一般選用合適航線，以經濟飛行速度接近目標區域，過程中接收己方預警機等支援兵力的信息引導和態勢推送；

（2）有威脅飛行接敵階段1：在接近敵艦載方雷達探測區域時，視情選用低空/超低空飛行、島礁/地形掩護、己方干擾機電磁壓制支援等手段，選擇合理的航路規劃，突入敵方防空區域；

（3）有威脅飛行接敵階段2：在接近敵方艦空導彈攔截區時，參照上一階段執行，另需通過機載雷達、告警系統、支援兵力等鏈路時刻掌握敵方艦空導彈發射狀態，威脅程度較高時則放棄任務返航等；

（4）中距防區突防階段：接近敵方反艦導彈發射區域時，需要改變低空/超低空突防狀態，拉升飛行高度達到反艦導彈發射條件，此時極有可能被敵方雷達鎖定，需要以告警系統提示信息開展行為決策；

（5）艦空雷達鎖定階段：告警系統給出初期預警信息時，飛機根據戰場態勢開展機動規避行為決策；

（6）艦空導彈發射后：探測到敵方艦空導彈發射后，根據探測到的或預警機推送的威脅態勢，開展機動規避行為決策；

（7）末制導導引頭鎖定后：機載告警系統給出被鎖定威脅信息后，根據敵方艦空導彈來襲方位等信息，開展機動規避行為決策。

2）知識庫

主要包括戰場環境信息和先驗敵情信息，描述如下：

（1）氣象環境信息方面：溫度、風向/風速、云雨等影響飛機機動行為的氣象環境要素；

（2）地形/海情方面：航路沿途的島礁分布、高度、大小，以及海況等級等影響低空飛行和機動的要素；

（3）敵方雷達性能參數：雷達探測遠界、掃描周期、能量/功率、角度等與機載告警系統交互耦合的要素；

（4）中遠程艦空導彈性能參數：攔截遠界、制導方式、機動過載等要素；

（5）攻防對抗態勢信息：敵方艦船運動信息、己方電磁壓制態勢信息等。

3.3 目標機動模型

以六自由度運動學模型表示飛機類目標機動模型，在軌跡水平坐標系（h系）下描述基本機動動作實現過程，并可根據需要轉換為大地系和機體系下的狀態信息。戰術機動動作則是基本機動動作的復合［11～12］，其中，勻速/勻加（減）速運動，實現較為簡單，下面重點說明爬升/俯沖與轉彎動作的操作過程。

1）爬升與俯沖

爬升過程與俯沖過程互為逆過程，故僅對爬升過程的軌跡方程進行描述。飛機的爬升分為進入段、直線段和改出段，其中T為爬升或俯沖總時間。

（1）進入段

軌跡方程設計如下：

式中，V0為爬升前的平飛速度，T為爬升總時間。

此時俯仰角表示為

（2）直線段

在該階段，飛機以恒定的俯仰角爬升到需要的高度，機體角速率ωbx=0。則有

（3）改出段

改出段軌跡方程中鉛錘方向目標加速度與進入段軌跡方程方向相反，即

此時俯仰角表示為

2）飛機轉彎

設飛機為協調轉彎，轉彎過程無側滑，飛行軌跡在水平面內。設轉彎過程中飛機速度為，轉彎半徑為R，轉彎角速度為，轉彎所需向心力由重力傾斜產生的水平分量來提供，其加速度為。則有：

飛機的轉彎分為三段：由平飛改變滾轉角γ進入轉彎段、保持滾轉角以等角速度轉彎段和轉完后的改平段。設轉彎開始時，傾斜角變換線性增加，角速率ωhz近似認為是線性增加，結束時，γ和ωhz線性減少。

（1）進入轉彎段

飛機在該段以等角速度將滾轉角調整到所需的值，其與飛機性能相關，這里設定此階段過渡時間為2s，滾轉角度為π/6，轉彎總時間為T，計算公式如下：

（2）等角速度轉彎段

式中，ψ=ω?（t-1）。

（3）改平段

式中，ψ=ω?(t-1)-

在轉彎階段，飛機產生的機體加速度和機體角速度分別為

3.4 行為決策模型

主要是在戰術機動模型庫基礎上，選擇下一階段機動行為集合，通過改變飛行控制參數，最大可能的不被雷達跟蹤和不被艦空導彈攻擊。戰術機動模型主要是根據基礎機動模型庫和3.3節運動學建模方法，實現飛機類目標在不同感知態勢下的一系列戰術行為，體現的是“飛行員”應該決策執行的對抗行為。在機動模型庫基礎上可組合成多類戰術機動動作，要求方位、速度、加速度、高度、爬升率、轉彎半徑、轉彎角度等限制參數在一定范圍內隨機，主要包括：1）定常平飛；2）大加速度平飛；3）大減速度平飛；4）大載荷爬升；5）大載荷俯沖；6）大載荷左轉；7）大載荷右轉；8）左轉爬升；9）左轉俯沖；10）右轉爬升；11）右轉俯沖；12）盤旋（近似圓周機動）；13）S形/蛇形機動（部分圓周機動組合）。

在行為選擇邏輯控制下生成連續的機動行為集合，不停地在直線飛行、加速/減速、爬升/俯沖、轉彎、改平等狀態下變換，做到真實模擬戰術機動行為。本文選擇基于有限狀態機（Finite State Machine，FSM）的CGF 行為決策模型實現選擇邏輯控制，根據對抗態勢和當前飛行狀態信息，用于確定可執行的下一步戰術機動動作集合，簡要表述如下：

給定一組狀態集S和輸入集X的前提下，一旦輸入x(t)和狀態s(t)確定，在映射和的作用下可確定有限狀態機的下一狀態x(t+1)和輸出y(t)。在CGF行為決策模型中，有限狀態機用于描述CGF行為的狀態變化，通過不同的態勢輸入，經過有限步的狀態轉移計算，獲得其輸出。

定義飛機類目標有限狀態機模型為一個四元組G：

式中，S為狀態空間的非空有限集，X為輸入空間的非空有限集，Y為輸出空間的有限集，f為狀態轉移函數。

從時序理解轉移函數f為：在第k次狀態轉移階段，當前狀態s(k-1)?S，輸入x(k)?X，則系統轉移為下一個狀態s(k)并產生輸出y(k)，即：

并有s(0)為系統初始狀態。

其中，f狀態轉移函數為程序設定的邏輯程序，但需要考慮優先權問題。優先權評估方面，下一步機動戰術動作優先權高的節點被執行概率，大于優先權低的節點。多個行為可供決策選擇時，第i個節點被選擇執行的概率pi正比于它的優先權，即：

式中，wi代表第i個行為的優先權，k為一調整正實數。

3.5 CGF模型

飛機類目標模型設計在仿真系統中以CGF 形式實現，是指通過計算機在一個虛擬戰場環境中生成一系列仿真實體，可對其進行控制，也可自主地對虛擬戰場環境中的事件和狀態做出相應的合理反應。該模型主要由三部分組成：感知器、控制器和執行器。感知器負責對虛擬戰場環境中地形、氣候、敵情等各元素的感知，完成對戰場信息的收集和分析過程，感知結果將對仿真實體的決策產生影響。控制器一般包括學習、決策、規劃等幾個要素，是行為模型的核心；決策是從相互沖突的一組行動中選擇一個執行；規劃是在現有的信息基礎上，完成一系列行動方案制定。執行器用來模擬實體執行的動作。

基于OODA過程建立CGF行為模型框架，如圖2 所示。框架中感知器部分，由飛機上的雷達模型、數據鏈模型、告警器模型等通過探測/接收實現；控制器作為核心，包含了飛機模型實體的信息狀態、執行的戰術行為庫以及實現決策的作戰邏輯規則庫等；執行器完成戰術行為在運動學模型的解算，作為仿真推進的結果反饋到戰場信息中。

圖2 CGF行為模型框架

這里將典型飛機類目標CGF 的3 類裝備模塊，劃分為通信探測、推理決策、指令解析、執行機構和飛行狀態5 個仿真功能模塊具體實現，如圖3 所示。各模塊主要功能及交互信息見表1。

圖3 功能模塊組成

4 實例驗證

在某仿真試驗平臺基礎上，開發仿真代理、通信組件、飛機類CGF 狀態監控等輔助工具，構建艦空導彈攔截飛機類目標仿真驗證系統。以藍方艦載機攻擊紅方驅逐艦為作戰場景，檢驗驗證飛機類目標行為模型執行狀態，以及對紅方攔截效果的影響，紅藍方主要裝備結構如圖4和圖5所示。

圖4 紅方艦空導彈武器系統仿真模型結構

圖5 藍方艦載機仿真模型結構

主要根據3.5 節各功能模塊輸入輸出信息內容，定義紅方、藍方以及仿真試驗平臺之間的信息交互關系，如圖6所示。

圖6 仿真驗證系統主要信息交互關系

驗證想定描述如下：

1）作戰背景：某作戰海域，藍軍意圖運用艦載機通過空襲形式攻擊紅方巡航值班艦艇，紅方判明敵方意圖后開展防御作戰，重點運用艦空導彈防空作戰。

2）紅方作戰意圖：在藍方艦載機可能攻擊的方位上進行偵察探測與攔截，運用艦載雷達遠程探測優勢和中遠程艦空導彈遠程攔截優勢，阻敵前突，將其拒止在可發射對海打擊武器發射區域外。

3）藍方作戰意圖：運用艦載機掛載反艦導彈作為主攻兵力，空中預警機和電子戰飛機為保障支援兵力，隱蔽突防，抵達紅方艦艇一定范圍時發射反艦導彈。進攻過程中，時刻防備紅方水面艦艇探測和攔截；在受威脅較大時可放棄進攻任務，以求安全返航，支援兵力提供相應的紅方裝備作戰狀態等戰場態勢信息。

某次攻防對抗實例驗證中，藍方飛行接敵航線設置為低空出航-低空進入-中高空返航模式，當在紅方艦載雷達探測范圍之外時，基本不受威脅，沒有對抗劇烈的行為決策，這里不做詳細分析；藍方飛機進入階段，艦載機CGF模型不斷收到紅方雷達開機、鎖定、導彈發射、末制導雷達開機告警等戰場態勢信息推送和感知，據此作出相應行為決策。對抗過程中順次執行了1000m 平飛-降高至200m-平飛保持-爬升至500m-平飛保持-武器發射-右轉向至10°-平飛-降高至200m-平飛-右轉向至90°-加速至415m/s-平飛保持20s-減速至300m/s-爬升至3000m-返航等機動動作。在紅方探測坐標系下藍方飛機模型飛行軌跡和速度變化曲線如圖7 和圖8所示。

圖7 藍方艦載機模型飛行軌跡

圖8 對抗過程速度變化曲線

多次測試驗證，以往采用航路規劃的藍方飛機類目標，只要進入紅方艦空導彈殺傷區，基本都會被有效攔截；本文研究中具備行為決策能力的飛機類目標，相同攻擊任務下，受到攔截時在有效探測信息保障下，執行了多個戰術機動動作，大幅影響紅方導彈命中結果。

5 結語

本文根據艦空導彈作戰仿真試驗實際需求，通過分析典型作戰對手飛機類目標的裝備性能、作戰思想和戰術原則等，面向OODA 過程構造飛機類目標行為數學模型，實現其任務規劃、通信探測、規避對抗和推理決策等行為能力的模擬，模擬了真實攻擊作戰過程，為艦空導彈作戰仿真試驗構建復雜多變的戰場對抗態勢，并進行了實例驗證。驗證結果表明：飛機類目標行為建模方法有效可行，可支撐裝備作戰能力評估。下一步將重點考慮多機協同作戰模式下行為建模方法，完善體系化作戰模型。