預警機空天協同作戰典型樣式效能仿真分析及對策

顧忠征, 陳善靜, 李偉鵬

(1.空軍工程大學航空工程學院,西安,710038;2.陸軍勤務學院,重慶,401331)

現代戰爭中,各種新型作戰飛機在沒有預警機的支撐下作戰效能將大打折扣。預警機是現代空軍作戰的重要力量,其扮演的核心指控角色及其所處的特殊戰場環境決定了預警機必須與陸?？仗於嗥脚_、多系統、多單位進行協同指揮、情報共享。作為空中作戰指控中心,預警機在戰場機動性、可靠性、生存能力、覆蓋范圍等方面具有顯著優勢,同時其兼有預警探測、情報偵察、通信中繼、指揮控制和戰場管理等功能[1-2],因此,在協同偵察衛星、支援飛機和陸地或海面作戰力量等方面都發揮著重要的作用[3-4]。研究預警機的空天協同作戰,需要充分考慮各作戰單元之間的協同機制和典型樣式,形成空天多型作戰力量優勢互補,提升整體作戰效能。

1 預警機空天協同作戰的現實需求

預警機自誕生之初就肩負著偵察探測和指揮控制的重任,而隨著信息技術的高速發展和空天攻防裝備的升級換代,預警機如何與空天信息系統及作戰飛機開展體系協同、聯合攻防正成為現代空軍所面臨的重大現實需求。

1.1 外軍預警機空天協同作戰日趨成熟

1945年3月,世界上第1種預警機“美國海軍的TBM-3W”正式服役[5],并在越南戰爭中大范圍付諸實戰。在此后的多場戰爭中,尤其是在科索沃戰爭、伊拉克戰爭等信息化局部戰爭中發揮了重要作用。預警機的協同作戰歷程大體上劃分為以下3個階段:

產生階段(20世紀40年代到60年代初):主要標志是雷達上機,主要任務是解決雷達裝機升空和強雜波背景下的探測問題。這一階段的預警機信息化水平低,空空協同能力初步發展,各國的衛星技術也正處于起步階段,因此只具備初步的指揮控制能力,并不具備空天一體協同作戰能力。

發展階段(20世紀60年代到90年代初):主要標志是能夠實現對單平臺的指揮和控制。此時預警機實現了兩個突破:一是相控陣技術的運用,增加了預警機機載雷達的工作模式,增強了雷達的探測性能;二是數字通信技術的發展保證了空地情報分發,預警機通信模式從話音向數據鏈轉換。這一階段的預警機初步實現了空天協同作戰,形成了一定的戰斗力。

成熟階段(20世紀90年代至今):主要標志是指揮控制實現網絡化。隨著導彈和隱身飛機等高科技武器裝備帶來的威脅顯著增加,聯合作戰目標的數量日益增多,戰場環境日益復雜,美國第三代預警機的典型代表E-2D“高級鷹眼”預警機能夠有效利用、整合太空力量支持,在太空電子偵察衛星、成像偵察衛星的有力支撐下,進行成熟的空天協同作戰,已經具備了極高的實戰價值,并扮演“空中指揮官”的重要角色。

除美國外,俄羅斯、日本、以色列等國家的預警機作戰應用也日趨成熟。例如:俄羅斯合并空軍和空天防御部隊,統一管理空軍,研究運用導彈攻擊預警和宇宙空間監督系統,加強預警機、預警衛星與空基、地基以及臨近空間武器裝備的協同,已進入“空天一體”融合發展的新階段;日本組建了一支預警機特別中隊,擁有4架E-767、13架E-2C預警機,彌補日本島內雷達盲區,還增加了其“窺探”世界各地的能力;以色列在貝卡谷地之戰中,利用預警機不斷偵測敵機方位、距離等重要數據,引導己方作戰飛機及時升空占據有利攻擊陣位或支援,同時將作戰情況通報地面指揮中心以便指揮者做出正確的戰場決策,從而一舉摧毀了貝卡谷地導彈陣地。

1.2 預警機空天協同作戰需求迫切

從海上維權作戰態勢來看,南海諸島嶼距離大陸沿?；剡b遠,地面雷達在指揮、引導等方面有一定局限性,而預警機在此能發揮重要作用,因此,預警機的空天協同需求急劇上升。

預警機作為戰略空軍裝備中的核心,必須在信息化局部戰爭中扮演好“戰場指揮官”的核心角色。目前世界主要軍事強國的預警機已基本形成了高低搭配、遠近協同的空中預警網絡,可承擔空中巡邏警戒和指揮控制任務,但目前預警機在空天協同作戰方面有待進一步完善。天基平臺的成像偵察衛星、電子偵察衛星和紅外預警衛星能提供大范圍的戰場態勢監控信息,及時發現敵方重要陣地、機場、港口動態變化和進攻征兆,從而引導預警機針對性預警監視某一方向并規避潛在威脅。又如預警機與高地球軌道上的通信衛星組網后,可實現大范圍、遠距離指揮、控制和引導有人/無人機開展軍事行動,創新空天信息系統支撐下空軍攻防作戰理論與戰法。未來戰場涉及陸、海、空、天等多域目標,因此,為滿足探測、指揮、控制、中繼等戰場感知與管理需要,預警機亟需裝備和升級電子/光電偵察與對抗、敵我識別、導航等信息系統[6-7]。

相較美國和俄羅斯,中國預警機發展起步較晚,中國的預警機多選擇當前最為先進的固態有源相控陣雷達,而美國的預警機主要以無源相控陣和機械掃描雷達為主,俄羅斯由于電子工業的落后,其預警機依然以機械式雷達和脈沖多普勒預警雷達為主。但在空天協同進攻作戰背景下,預警機與衛星、無人機等協同作戰的理論與實踐不太成熟。

2 預警機空天一體協同進攻作戰基本樣式

預警機空天協同作戰涉及到復雜多系統之間通連和協同,要達成一定的協同作戰效果,預警機需要與陸基、海基、空基和天基武器系統密切配合,形成完整的作戰體系。預警機空天協同作戰是指以預警機為指揮控制中樞,與空天地海各種信息源組網探測,基于空天地海通信鏈路組網通信,實時完成空中戰場態勢感知和信息處理融合,對各個作戰單元實施情報分發和指揮控制,完成既定的攻擊和防御任務。研究表明,信息化空天作戰形態漸漸趨向“空天融合、攻強守弱、網電制勝”[8],本文重點以最為常見的預警機支撐下的空天協同進攻作戰基本樣式為研究對象,以電子偵察衛星信息支援下預警機協同作戰飛機開展遠程打擊為背景,利用蟻群組合優化算法對作戰過程進行模擬仿真。空天協同進攻作戰是在空天信息平臺的協同支撐下使用各種火力打擊力量,對敵地面、海上或太空目標進行打擊的作戰活動?？仗靺f同進攻作戰行動是消除空天威脅、維護國家空天安全的戰斗行動樣式。預警機空天協同進攻作戰是指預警機指揮和協助各種作戰單元完成既定打擊目標。在預警機和空天信息平臺的輔助下,各種作戰任務單元通常能夠更好地摧毀和破壞敵方高價值的政治、軍事、經濟目標。

從美國海軍根據太平洋?？諔鸬慕涷灨难b出世界上第一架空中預警機試驗機AD-3W“復仇者”,到人造衛星的不斷發展運用,空天協同支援空中作戰成為預警機作戰運用的主要方式之一。空天信息的有效融合運用,擴大了空中預警、指揮、控制和引導的功能,極大豐富了作戰飛機的信息源。據美國空軍計算,1架E-3預警機相當于2～3個雷達團的作戰效能。在海灣戰爭中,美國E-3預警機充分發揮了預警、指揮和控制多種功能,多國部隊使用16架E-3空中預警機,在“沙漠風暴”作戰中,飛行448架次,合計5 546 h,平均每架次飛行時間長達12 h。伊拉克被擊落的39架飛機中,有37架是由預警機指揮引導多國部隊戰斗機擊落的。

預警機對空協同作戰任務主要可分為4個部分:戰術編隊、威脅評估、目標分配、飛機引導[9]。戰術編隊是預警機執行任務的基礎,主要為空中進攻作戰提供作戰力量組織保障。目標威脅評估是預警機對空作戰決策的重要任務,及時精確的威脅評估數據將極大地提高作戰飛機戰場生存能力和應對反擊能力。目標分配、飛機的指揮與引導是預警機對空協同作戰的核心部分,預警機上大量的信息系統主要圍繞該功能進行建設和配置?？罩型粨糇鲬疬h離己方陸基、?；走_支援,需預警機提供遠程預警探測和情報傳遞等中介保障任務[10-11]。以空天信息支援下預警機協同航空兵遠程打擊敵地面目標的典型進攻作戰樣式為例,外層空間中,各種電子偵察衛星、成像偵察衛星通過空天通信鏈路與預警機進行情報交換,實時優化打擊方案并規避潛在威脅。預警機選擇低可探測頻段(如大氣吸收較強的波段)對戰斗飛機進行單向情報分發、任務指示和統一指揮。天基偵察探測系統(如基于衛星平臺的可見光、紅外、雷達等成像偵察系統,以及電子偵察系統等)與預警機雷達系統形成空天一體組網偵察系統。天基平臺負責大面積戰場態勢普查和信息傳輸,預警機負責地面電磁信號監測與目標詳查,形成空天偵察優勢互補。預警機配合天基多型偵察系統在進行空天一體組網偵察預警與態勢感知時,各個信息平臺按任務區分和戰技指標對各自負責的任務空域開展偵察預警和監視跟蹤,同時依托星間通信鏈路和空天通信鏈路實現信息共享、優勢互補、協作補盲,形成連續警戒和監視空域,如圖1所示。

圖1 預警機空天一體協同進攻作戰基本樣式

3 預警機空天協同進攻作戰仿真模擬與效能分析

為了進一步定量化分析預警機空天協同作戰效能,本文構設預警機與衛星、作戰任務飛機協同進攻作戰背景及模型,借助蟻群優化算法開展預警機空天協同進攻作戰的仿真模擬與定量化效能分析。

3.1 基本理念與模型設計

基于以上進攻作戰樣式構想,結合當前熱門的群智能網絡,本文提出利用蟻群優化算法對預警機空天協同作戰方案和路徑規劃進行系統性的仿真模擬,重點分析與對比各任務飛機在以預警機、衛星為代表空天多信息系統的協同輔助下,達成既定戰役目標的作戰效能。蟻群優化算法(ant colony optimization,ACO) 是意大利學者Marco Dorigo等人提出的一種仿生模擬算法[12-13]。蟻群優化算法由于具有自組織性、并行性、正反饋性、魯棒性,在系統仿真和路徑優化領域有著廣泛的應用,長久以來受到許多專家的高度關注與重視[14]。設以預警機為信息中心Vs,單個作戰單元(飛機)為虛擬螞蟻Ak(k=1,2,…,m)。虛擬螞蟻在突襲方向與預警機保持信息溝通,每次信息溝通對應任務路徑上的信息素τ進行相應調整。當作為虛擬螞蟻的任務飛機反饋高價值信息或預警機、衛星平臺提供有利的偵察預警信息時,對應變化量Δτ為正數;當任務飛機反饋不利信息或潛在威脅,以及預警機、衛星平臺提供不利于已方的偵察預警信息時,對應變化量Δτ為負數。當任務飛機無預警機和衛星平臺進行信息保障時,τ主要依據自身戰場感知數據進行調整。設信息素的揮發系數為ρi∈(0,1],隨執行任務時間的增加各個虛擬螞蟻所在路徑上的信息素不斷累積,但又同步自然揮發消散。作戰效能建模方面以任務回報系數和危險系數構建判別函數。通過大量虛擬螞蟻與信息中心Vs多次溝通傳遞各種正負反饋信息后,在進攻方向將出現優勢路徑,同時該路徑為作戰效能最高的路徑,而大部分虛擬螞蟻為圓滿完成既定任務都將選擇這個優勢路徑Eb,同時獲得最佳作戰效能Mb。

3.2 路徑與作戰效能蟻群優化建模

在蟻群優化算法建模中首先構建螞蟻搜索轉移所在的虛擬路徑空間,假設擬達成決心任務Z包含W個備選原始路徑,即Z={z1,z2,…,zW},蟻群優化算法主要目標是找到d個組合路徑所構成的數據集S,使得判別函數J達到極值點:

J(S)=max(或min)[J(zi1,zi2,…,zid)]

(1)

式中:(zi1,zi2,…,zid)?(z1,z2,…,zW)。在本文中路徑數據集包括完整任務路徑和分段式任務路徑,同時以任務回報系數和危險系數構建判別函數J(S)可表示為:

設第k只虛擬螞蟻Ak處于路徑zj。根據蟻群優化算法基本原理,螞蟻在虛擬路徑上不斷轉移或信息傳遞,同時結合預警機和衛星輔助數據信息,各條虛擬路徑上的信息素τ將發生相應的改變。螞蟻Ak依據各條路徑上的信息素和期望值確定下一分段路徑zj,對應路徑的選擇概率為:

(4)

式中:Q為一個正常數,表示信息素總強度;Lk表示螞蟻Ak在該次狀態轉移中走過路徑的長度。經過蟻群的多次迭代搜索后,基于最優判別函數J所對應得特征子集即為算法得出優化處理結果。

3.3 空天協同作戰仿真模擬與效能分析

本文根據蟻群優化算法基本原理開展預警機和作戰飛機空天協同進攻作戰仿真模擬與效能分析。以預警機和作戰飛機組成的空中集群,借助山脈的天然遮擋、天基電子偵察衛星實時預警提示,繞開敵防空導彈的雷達陣地,進而完成對某一陸上目標遠程打擊為作戰背景和任務想定。作戰仿真模擬圖如圖2所示。預警機為信息中心Vs,作戰任務飛機為Ak。在電子偵察衛星、預警機提供的先驗輔助信息和任務飛機感知到潛在雷達威脅后,路徑zij上的信息素τij開始減少,Δτij為負值,如At1和At2的路徑。當路徑上沒有威脅時,信息素τij增加,Δτij為正值。路徑上越有利于執行任務,如任務路線上氣象條件良好,無云、雨、霧的干擾,其信息素增加量Δτij越大,如At5和At6的路徑。同時假設路徑z34上的任務飛機At3和At4,以及路徑z56上的任務飛機At5和At6得到天基電子偵察衛星支援,可實時感知前方防空導彈和警戒雷達威脅。模擬各個任務飛機與預警機多次信息溝通和傳遞,以及空天通信鏈路提供的偵察情報支持,結合蟻群優化算法,即可得到當前任務條件下最優作戰任務路徑,Eb=z56,選擇各路徑的作戰效能分析如圖3所示。

圖2 基于蟻群優化算法的空天協同作戰仿真模擬圖

圖3 選擇各路徑(方案)的作戰效能分析圖

結合圖2和圖3可以看出,在以電子偵察衛星為代表的天基偵察系統的輔助下,戰場敵防空威脅可通過預警機及時轉發給我前方作戰飛機,而作戰飛機能更準確地感知大范圍敵方威脅,再加之其自身可直接獲取前方攻擊目標信息和自然環境變化,因此,在天基偵察系統和預警機的支持下,作戰飛機選擇路線z34和z56獲得的回報系數較高,危險系數較小,整體作戰效能較好。從圖3給出的歸一化作戰效能分析結果看出,進攻路線(方案)z34和z56的作戰效能M較z12分別提升了0.19和0.31。而預警機可結合地形、天氣和敵威脅綜合計算出最優的進攻路線或方案,進而獲得最佳作戰效能M56。

4 提高預警機空天協同作戰能力的對策

為提升預警機空天協同作戰能力,創新預警機作戰理論,從作戰理念、力量建設、作戰訓練和人才培養等方面對預警機空天協同作戰能力建設與優化提出對策建議。

4.1 樹立以天強空的作戰理念

隨著空間技術的飛速發展,太空領域的戰略地位日益凸顯,尤其是隨著各類電子偵察衛星、成像偵察衛星和民用遙感衛星的迅猛發展,戰場動態變得透明化。實踐表明,天基系統已成為海陸空各式武器裝備作戰能力的“倍增器”。特別是在戰場態勢認知、遠程精確打擊、導彈預警、信息戰等方面,航天力量能夠向作戰部隊提供至關重要的戰略和戰術支援,是實現真正意義上的一體化聯合作戰的重要支撐力量和物質保證[15]。目前,我國通過多年的持續技術攻關,終于在偵察、預警、通信、導航領域建立了全方位天基信息系統。世界各軍事強國在太空領域的快速發展,為空天協同作戰奠定了堅實基礎,大量的仿真模擬和演訓實踐也表明,在預警機和天基信息系統的聯合支撐下,可提升航空力量作戰效能,形成局部空天信息優勢。這也要求各軍事強國必須樹立以天強空的作戰理念,加大空天協同作戰理論與方法研究,借助作戰模擬手段和人工智能算法提升空天協同作戰效能,推動以預警機為中心空天作戰力量在未來實戰中發揮更大作用。

4.2 加快預警機空天協同作戰建設

加強空天協同作戰,切實增強部隊戰斗力,就要加快預警機與天基設施協同建設,利用天基綜合網絡間信息交換的自由靈活、無縫覆蓋等特點,實現作戰中信息的獲取、處理、分發和引導能夠在很短時間內完成。一方面,要繼續大力發展北斗導航衛星系統、各類電子偵察衛星、成像偵察衛星以及通信衛星,努力提升太空力量獲取情報、傳輸情報與數據處理的能力,建立多節點扁平化的通訊信息網絡,實現天空各平臺互聯互通、情報信息實時快速共享。另一方面,要進一步推動預警機作戰支援能力建設,一是在數量上要盡快滿足局部高技術戰爭的需要,二是提高預警機技術水平,為贏得高科技局部戰爭提供可靠的情報和指揮平臺支撐。預警機通過與天基平臺裝備和作戰飛機進行信息交互和作戰協同,可實現多維戰場信息深度融合、戰場態勢精確感知、攻擊任務合理規劃、戰場資源科學調度,進而提升空天作戰力量的整體作戰效能。三是要創新預警機空天協同作戰理論與戰法研究。探索預警機與無人機、隱身飛機和其它常規作戰飛機協同進攻和聯合防御的機制與方法,實現空天各作戰單元的空間區位優勢、頻譜探測優勢、隱身突防優勢、情報信息優勢與火力優勢互補。空天作戰力量建設必須互相協調、融合一體,必須以實際戰斗力增長這一個硬性指標來指引預警機的協同作戰建設。

4.3 加強預警機空天協同作戰訓練

戰斗力的增長必須在不斷的訓練中得以實現,尤其是在信息時代的大背景下,戰場環境極其復雜,各類電子干擾幾乎充斥了整個空間。有效提高預警機空天協同作戰水平不僅需要技術裝備的支撐,而且需要科學的實戰化訓練。預警機空天協同訓練是提高空天協同作戰能力,切實提高實戰水平的基本途徑:一是營造復雜電子干擾下的戰場環境,提高訓練背景的戰場模擬度。以實戰實訓為要求,瞄準強敵設置演訓背景和復雜電磁環境,通過開設和強化預警機引入天基信息、大范圍戰場態勢感知、實時化威脅預警等空天協同作戰訓練科目,提升實戰化背景下預警機空天協同作戰能力。二是針對作戰機構進行精簡升級,以提高機構作戰效率為目的,提高預警機空中編隊與太空力量進行協同作戰的默契度和熟練度。

4.4 加強支撐空天聯合作戰的人才培養

崗位實踐是軍事人才成長的重要途徑,是軍事斗爭準備的直接表現方式。要培養一名熟悉戰斗編成、掌握作戰特性、感知發展動向的優秀空天作戰指揮人才,必須具備堅定的政治信仰、豐富的處突經驗、冷靜的心理素質、敏銳的洞察能力和嫻熟的專業技能;必須要打破常規,經歷一些急事、難事、大事、復雜的事,在完成急難險重任務中充分發揮主動性、能動性,打破傳統思維,突破自我極限,不斷激發內在潛力;必須經過多領域、多層次、多崗位的歷練,在大量的實踐中積累豐富的指揮經驗,煉就嫻熟的專業技能,培養沉穩的心理素質,從而更好地把握軍事斗爭準備的發展規律,鍛造過硬的打贏本領。

5 結語

本文分析了預警機空天協同作戰的現實需求,探討了預警機空天一體協同進攻作戰基本樣式,開展了協同作戰仿真模擬與效能分析,并對預警機空天協同作戰能力建設提出了對策建議。預警機作為戰場感知、通信中繼和指揮控制的重要平臺,是空軍信息化建設的重點。預警機空天一體協同作戰理論、樣式和方法研究是預警機作戰能力生成的重要基礎和前提。以預警機為核心、天基信息系統為支撐、多機種協同的空中打擊集群將成為空軍未來發展的重要方向。