基于威力場的超視距協(xié)同空戰(zhàn)態(tài)勢評估方法*

常一哲，李戰(zhàn)武，2，孫源源，楊海燕，羅衛(wèi)平

（1.空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，西安 710038；2.西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，西安 710072；3.解放軍94968部隊，南京 210000；4.空軍工程大學(xué)空管領(lǐng)航學(xué)院，西安 710051）

基于威力場的超視距協(xié)同空戰(zhàn)態(tài)勢評估方法*

常一哲1，李戰(zhàn)武1，2，孫源源3，楊海燕4，羅衛(wèi)平1

（1.空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，西安 710038；2.西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，西安 710072；3.解放軍94968部隊，南京 210000；4.空軍工程大學(xué)空管領(lǐng)航學(xué)院，西安 710051）

針對非參量法模型將動態(tài)優(yōu)勢與靜態(tài)優(yōu)勢孤立，傳統(tǒng)表現(xiàn)形式無法直觀、形象體現(xiàn)具體編隊的超視距協(xié)同空戰(zhàn)態(tài)勢的問題，將威力場的概念應(yīng)用于超視距協(xié)同空戰(zhàn)態(tài)勢評估。根據(jù)超視距協(xié)同空戰(zhàn)特點，從戰(zhàn)斗機攻擊能力、通信能力、探測能力、生存能力、電子干擾能力、協(xié)同能力和全向告警能力等方面構(gòu)建威力勢模型。仿真結(jié)果表明此方法能夠克服非參量法模型的缺點，能夠全面、直觀、形象地對超視距協(xié)同空戰(zhàn)的態(tài)勢進行評估，且可以有效提高戰(zhàn)場決策者的效率和決策的質(zhì)量。

威力場，協(xié)同空戰(zhàn)，態(tài)勢評估，超視距

0 引言

態(tài)勢評估是指對特定戰(zhàn)場環(huán)境中各種戰(zhàn)斗力要素當(dāng)前狀態(tài)描述和發(fā)展趨勢的預(yù)測，評估結(jié)果的合理性和準(zhǔn)確性將直接影響決策者對戰(zhàn)場態(tài)勢的把握以及決策的實施［1］。現(xiàn)階段大多數(shù)態(tài)勢評估方法是利用改進的非參量法建立優(yōu)勢函數(shù)模型［2，4-8］。但是在超視距協(xié)同空戰(zhàn)中，基于非參量法模型的評估方法會將戰(zhàn)斗機乃至作戰(zhàn)編隊的動態(tài)優(yōu)勢和靜態(tài)優(yōu)勢相孤立、相隔離，且不能直觀、形象地體現(xiàn)出當(dāng)前協(xié)同編隊的具體空戰(zhàn)態(tài)勢。鑒于以上原因，將威力場［3，9］的概念應(yīng)用到超視距協(xié)同空戰(zhàn)的態(tài)勢評估中具有十分重要的意義，不僅可以將作戰(zhàn)單元的動態(tài)優(yōu)勢和靜態(tài)優(yōu)勢相結(jié)合以進行態(tài)勢分析，更可以利用威力場的分布形象地表現(xiàn)出當(dāng)前編隊的協(xié)同空戰(zhàn)態(tài)勢，從而幫助決策者以更少的時間做出更加準(zhǔn)確的判斷。因此，本文提出了基于威力場的超視距協(xié)同空戰(zhàn)態(tài)勢評估方法。

1 威力場的概念及其在態(tài)勢評估中的應(yīng)用

1.1 威力場的概念

根據(jù)文獻［3］，威力場定義為：戰(zhàn)斗機在空中一定具有威力，若攜帶武器則可以攻擊目標(biāo)，威力不言而喻；即使不考慮武器裝備的因素，也具有動能（速度）和勢能（高度），所以即使自身爆炸或者與目標(biāo)相撞也有可以威脅的范圍，即也具有威力。因為在空中的戰(zhàn)斗機存在這種威力，所以能對周圍空間產(chǎn)生影響，形成威力場。

1.2 威力場在態(tài)勢評估中的應(yīng)用

由于以貝葉斯法為代表的參量法模型［10］運算量大，不能夠滿足空戰(zhàn)的實時性要求。因此，目前關(guān)于態(tài)勢評估的文獻大多利用非參量法或其改進構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，用數(shù)值表示相應(yīng)的優(yōu)勢。這種方式只能根據(jù)模型計算出載機和目標(biāo)的自身優(yōu)勢，無法描述其對戰(zhàn)場產(chǎn)生的影響。然而，空戰(zhàn)中不僅僅作戰(zhàn)單元會受到對方的作用，戰(zhàn)場中的任一區(qū)域都會受到雙方對抗的影響，因此，利用非參量法模型的評估方法是孤立的、不全面的。為此，本文提出基于威力場的超視距協(xié)同空戰(zhàn)態(tài)勢評估方法，將威力場的概念應(yīng)用到超視距協(xié)同空戰(zhàn)的態(tài)勢評估中，不僅可以綜合作戰(zhàn)單元的動態(tài)優(yōu)勢和靜態(tài)優(yōu)勢進行分析，更可以全面、形象地表現(xiàn)出當(dāng)前編隊協(xié)同的空戰(zhàn)態(tài)勢，體現(xiàn)出對抗雙方對戰(zhàn)場中每一點的影響。在文獻［3］中，已經(jīng)提出利用威力場進行空戰(zhàn)的分析，但是其所用的威力場只是對抗雙方威力場的簡單疊加，并不能體現(xiàn)出編隊中各個作戰(zhàn)單元之間的協(xié)同能力，也不能體現(xiàn)出對抗雙方之間威力場的相互作用，更不能將雙方在對抗中的威力變化形象的表示出來。針對以上問題，本文對威力場模型進行了改進，并將其應(yīng)用于超視距協(xié)同空戰(zhàn)的態(tài)勢評估。

2 超視距協(xié)同空戰(zhàn)威力場模型

空戰(zhàn)中，每一個作戰(zhàn)單元都會在圍繞其周圍一定范圍內(nèi)的環(huán)境產(chǎn)生影響，即具有威力。根據(jù)紅藍(lán)雙方的不同性質(zhì)，可以分為正場和負(fù)場。這里定義我方作戰(zhàn)單元產(chǎn)生的威力場為正場，勢為正。敵方作戰(zhàn)單元產(chǎn)生的威力場為負(fù)場，勢為負(fù)［3］。圖1所示為單架戰(zhàn)斗機在作戰(zhàn)空域中產(chǎn)生的威力場。

2.1 威力勢模型

針對超視距協(xié)同空戰(zhàn)以及戰(zhàn)斗機的特點，構(gòu)建以攻擊能力、探測能力、電子干擾能力、生存能力、通信能力、協(xié)同能力、全向告警能力為基礎(chǔ)的威力勢模型。構(gòu)建威力場勢的計算模型如下：

式（1）中，EA為全向告警能力；ED為探測能力；EW為攻擊能力；EE為電子干擾能力；ES為生存能力；EC為通信能力；Kco為協(xié)同能力。

2.1.1 攻擊能力

在超視距協(xié)同空戰(zhàn)中，執(zhí)行對敵攻擊任務(wù)的主要武器為中距空空導(dǎo)彈。據(jù)此，建立戰(zhàn)斗機攻擊能力模型如下：

式（2）中，AM為攻擊能力因子，其模型構(gòu)建如下［12］：

式（3）中，N為導(dǎo)彈的數(shù)量；PK為單發(fā)導(dǎo)彈殺傷概率；φ為導(dǎo)彈攻擊范圍角；nmax為導(dǎo)彈的最大可用過載；ωmax為導(dǎo)彈的最大跟蹤角速度；ψ為導(dǎo)彈的離軸發(fā)射角；KD為制導(dǎo)方式的修正系數(shù)，指令修正慣導(dǎo)加半主動雷達(dá)末制導(dǎo)KD=1，指令修正慣導(dǎo)加主動雷達(dá)末制導(dǎo)KD=1.5；θ為載機相對計算點的提前角；r為載機與計算點的距離；rmax為導(dǎo)彈最大發(fā)射距離；rmin為導(dǎo)彈最小發(fā)射距離。

2.1.2 探測能力

在超視距協(xié)同空戰(zhàn)中，對敵機探測的主要設(shè)備為雷達(dá)和紅外搜索跟蹤裝置［12］。因此，戰(zhàn)斗機探測能力模型可以建立如下：

式（4）中，ADR為雷達(dá)探測能力因子；ADIR為紅外探測能力因子。

雷達(dá)探測能力因子可以由下式計算得出：

式（5）中:STR為雷達(dá)最大發(fā)現(xiàn)目標(biāo)距離；θR為雷達(dá)搜索總方位角；PTR為發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率；K2為雷達(dá)體制衡量系數(shù)，圓錐掃描雷達(dá)K2=0.6，單脈沖雷達(dá)K2=0.8，脈沖多普勒雷達(dá)K2=1［13］；mR1為同時跟蹤目標(biāo)數(shù)量；mR2為同時允許攻擊目標(biāo)數(shù)量。

紅外探測能力因子可以根據(jù)式（6）得到：

式（6）與式（5）中的參數(shù)意義基本一致，其中K2'為紅外體制衡量系數(shù)，多元固定式探測裝置K2'=0.6，搜索跟蹤裝置K2'=1［13］。

2.1.3 電子干擾能力

超視距協(xié)同空戰(zhàn)中，電子干擾能力對空戰(zhàn)結(jié)果起著至關(guān)重要的作用。文中從有源干擾和無源干擾兩個方面進行建模。假設(shè)雷達(dá)壓制區(qū)的軸線與飛機軸線同方向，構(gòu)造電子干擾能力參數(shù)如下：

式（7）中，ADISA為有源干擾能力因子；ADISPB為箔條干擾彈干擾能力因子；ADISPIR為紅外干擾彈干擾能力因子。

有源干擾能力因子模型：

式（8）中:Pj為干擾機的發(fā)射功率；Gj為干擾天線增益；θ'為天線的波束寬度；Ω為天線波束在空間的最大指向范圍；n為多個雷達(dá)的干擾能力，即雷達(dá)干擾系統(tǒng)同時進行有效干擾不同雷達(dá)的數(shù)量；Pf為干擾機的頻率范圍對被干擾雷達(dá)的頻率范圍覆蓋率；△tj為引導(dǎo)時間，即干擾機從接收到威脅雷達(dá)信號到發(fā)射射頻干擾信號的時間；△f為頻率引導(dǎo)誤差，△θ為方位引導(dǎo)誤差，二者之和為引導(dǎo)誤差；K為增益系數(shù)。

箔條干擾彈干擾能力因子模型：

式（9）中，Nb為載機攜帶的箔條干擾彈的數(shù)量；Pb為箔條干擾彈成功發(fā)射的概率；σb為單枚箔條干擾彈的有效反射面積；tb為箔條干擾彈的散開時間。

紅外干擾彈干擾能力因子模型：

式（10）中，NIR為載機攜帶的紅外干擾彈的數(shù)量；PIR為紅外干擾彈成功發(fā)射的概率；σIR為單枚紅外干擾彈的有效反射面積；tIR為紅外干擾彈的散開時間。2.1.4 生存能力

飛機生存力是指飛機躲避或承受人為敵對環(huán)境的能力［14］，因此，其對編隊的協(xié)同作戰(zhàn)能力具有重要作用。構(gòu)建生存能力模型為：

式（11）中，AS為生存能力因子。

生存能力因子模型：

式（12）中，W為飛機的翼展；L為飛機的全長；RCS為飛機的雷達(dá)有效反射面積；Avi為飛機表面易損性部件面積；Av為飛機的表面積。

2.1.5 通信能力

在超視距協(xié)同空戰(zhàn)中，編隊中作戰(zhàn)飛機間的通信能力尤為重要。通信能力能夠直接影響到協(xié)同空戰(zhàn)的作戰(zhàn)效果。文中主要考慮無線電通信能力和數(shù)據(jù)鏈通信能力：

2.1.6 協(xié)同能力

在超視距協(xié)同空戰(zhàn)中，協(xié)同能力對空戰(zhàn)的結(jié)果具有至關(guān)重要的影響。大多數(shù)文獻中，協(xié)同能力主要考慮各作戰(zhàn)單元協(xié)同的可靠性和可信性［15］或通過協(xié)同系數(shù)表示［16］以及單機作戰(zhàn)能力的簡單疊加［18］。在文中，主要考慮編隊隊形對協(xié)同能力的影響。

不同的編隊產(chǎn)生的威力分布不同，對空戰(zhàn)態(tài)勢的影響也不盡相同。因此在這里定義編隊的協(xié)同空戰(zhàn)能力：

式（14）中，T表示編隊的隊形編號，T=1表示飛機編隊為楔形編隊，T=2表示飛機編隊為垂直編隊，T=3表示飛機編隊為翼形編隊。每種編隊具有不同的協(xié)同能力a、b、c，且a≠b≠c，a>1，b>1，c>1。圖2～圖4分別表示了楔形編隊、垂直編隊和翼形編隊產(chǎn)生的威力場。

2.1.7 全向告警能力

告警設(shè)備方面沒有統(tǒng)一的模型，因此，根據(jù)相關(guān)文獻［18-21］，構(gòu)建全向告警能力模型如下：

式（15）中，AI為紅外告警能力因子；AU為紫外告警能力因子；AR為雷達(dá)告警能力因子。

紅外告警能力因子模型［19］：

式（16）中，Dai為最大告警距離；Pdri為探測概率；Pfai為虛警率；準(zhǔn)i為覆蓋空域；di為角分辨力。

紫外告警能力因子模型［19-20］：

式（17）中，Dau為最大告警距離；Pdru為探測概率；Pfau為虛警率；準(zhǔn)u為覆蓋空域；du為角分辨力。

雷達(dá)告警能力因子模型［22］:

式（18）中，Dar為最大告警距離；Pdrr為雷達(dá)靈敏度；Pfar為虛警率，μu為測向精度；tr為雷達(dá)告警器反應(yīng)時間；fmax為頻率測量范圍的上限；fmin為頻率測量范圍的上限。

2.2 超視距協(xié)同空戰(zhàn)中編隊的威力場勢

在多機超視距協(xié)同空戰(zhàn)的過程中，假設(shè)我方作戰(zhàn)編隊有n個作戰(zhàn)單元，則我方編隊整體威力場的勢為各個作戰(zhàn)單元威力場勢的疊加和，其值取為正。即：

同理，敵方編隊的整體場的勢按相同的方法計算，值取為負(fù)。假設(shè)敵方有m個作戰(zhàn)單元，則其編隊的威力場勢為：

3 仿真分析

設(shè)紅藍(lán)雙方各有3架飛機進行超視距協(xié)同空戰(zhàn)，初始位置信息如表1所示：

在算例中，雙方戰(zhàn)機裝備性能參數(shù)參照文獻［3］。生存力參數(shù)的選擇參考文獻［14］。紅方W=［14.74，11.36，11.36］m2；L=［21.94，17.32，17.32］m2；RCS=［10.7，9.1，9.1］m2；Avi=［50，40，40］m2；Av=［200，175，175］m2；Dau=Dar=Dai=6 km；tr=［0.8，0.9，0.9］s；rmax=［40，60，60］km；rmin=［12，10，10］km；ψ=［45°，45 °，45°］；PK=［0.8，0.9，0.9］；PC1=［0.9，0.9，0.9］；Pb=［0.8，0.9，0.9］；STR=［80，90，90］km；θR=［45°，60°，60°］；mR1=［10，9，9］；mR2=［6，4，4］；△tj=［1.5，2，2］s；NIR=［100，120，120］；Gj=［50，50，50］；Pdau=Pfai=0.2；Pfai=0.1；Pj=［100，110，110］W；θ'=［30，35，35］MHz。藍(lán) 方 W=［15.86，10.3，10.3］m2；L=［17.93，18.21，18.21］m2；RCS=［12.5，10.1，10.1］m2；Avi=［60，45，45］m2；Av=［190，185，185］m2；Dau=Dar=Dai=5 km；tr=［0.7，1，1］s；rmax=［50，60，60］km；rmin=［14，12，12］km；ψ=［40°，45°，45°］；PK=［0.8，0.8，0.8］；PC1=［0.9，0.9，0.9］；Pb=［0.9，0.7，0.7］；STR=［100，85，85］km；θR=［60°，50°，50°］；mR1=［8，9，9］；mR2=［4，5，5］；△tj=［1.5，1，1］s；NIR=［110，90，90］；Gj=［50，50，50］；Pdau=Pfai=0.15；Pfai=0.2；Pj=［100，100，100］W；θ'=［40，30，30］MHz。圖5～圖7分別描繪出紅藍(lán)編隊在逐漸接近的過程中的態(tài)勢信息。紅方編隊采取的是翼形編隊，藍(lán)方采取的是楔形編隊?？梢钥吹剑S著雙方編隊的不斷接近，各自的威力場也在不斷發(fā)生著變化。

由于空戰(zhàn)中對抗雙方編隊之間有一架飛機探測到對方編隊中的任意一架飛機即意味著整個編隊對對方編隊產(chǎn)生了威力，因此，在文中定義編隊之間的距離為兩個編隊中相距最近的飛機之間的距離。從圖5可以看到，編隊距離R=86.4 km時，編隊的隊形在紅藍(lán)雙方的威力分布中起著非常大的影響。圖6描述了編隊距離R=40.5 km時，由于紅藍(lán)雙方都進入了對方雷達(dá)、導(dǎo)彈的威力區(qū)域，且除載機自帶告警設(shè)備以外，自身后方并不存在產(chǎn)生威力的設(shè)備，因此，雙方的威力已經(jīng)可以延伸到對方編隊的后方空域，且威力分布相對對方的前方更為廣闊。從圖6和圖7可以看到，紅方編隊在藍(lán)方編隊側(cè)翼的優(yōu)勢較為明顯，特別是紅方1號機產(chǎn)生的威力已經(jīng)覆蓋藍(lán)方編隊后方的大部分空域。在另一側(cè)，紅方3號機產(chǎn)生的威力雖然受到藍(lán)方編隊威力的作用，影響空域有限，但是其威力分布已經(jīng)接近與1號機產(chǎn)生的威力區(qū)域相聯(lián)。因此，紅方的1、3號機可以將藍(lán)方編隊的兩翼作為空戰(zhàn)占位的機動方向。而紅方2號機由于處于藍(lán)方編隊的正前方，威力場受到的削減較為明顯，因此，在態(tài)勢上對其極為不利。而藍(lán)方的威力場在受到紅方威力場的作用后，在編隊的正前方的威力場被削減的程度較強，但是由于編隊隊形的作用，在其編隊前方的方向上，紅方2號機已經(jīng)完全被藍(lán)方的威力場包圍，總體來看藍(lán)方在此方向上仍然具有較為明顯的優(yōu)勢，因此，該方向可以作為藍(lán)方的重點機動方向。

4 結(jié)束語

為解決超視距協(xié)同空戰(zhàn)態(tài)勢評估中非參量法模型簡單以及傳統(tǒng)表示形式無法直觀、形象地體現(xiàn)編隊的具體空戰(zhàn)態(tài)勢的問題，本文將威力場的概念應(yīng)用于超視距協(xié)同空戰(zhàn)的態(tài)勢評估中，構(gòu)建了基于威力場的態(tài)勢評估模型，并針對文獻［3］中威力場的模型進行了改進，使其體現(xiàn)出對抗雙方威力場的相互作用，從而表現(xiàn)出雙方戰(zhàn)斗機在對抗下的空戰(zhàn)態(tài)勢變化。最后利用仿真算例進行了驗證，結(jié)果表明文中所提出的威力場模型能夠直觀、形象以及全面地體現(xiàn)出當(dāng)前雙方編隊進行超視距協(xié)同空戰(zhàn)的具體態(tài)勢，不僅可以提高戰(zhàn)場決策者的效率和決策的質(zhì)量，還可以利用威力場的分布為編隊的目標(biāo)分配和單機的機動決策做鋪墊。

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Situation Assessment Method for Cooperative Air Combat Based on Combat Power Field

CHANG Yi-zhe1，LI Zhan-wu1，2，SUN Yuan-yuan3，YANG Hai-yan4，LUO Wei-ping1
（1.School of Aeronautics and Astronautics Engineering，Air Force Engineering University，Xi’an 710038，China；2.School of Electronic Communication，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China；3.Unit 94968 of PLA，Nanjing 210000，China；4.School of ATC navigation，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

Considering on the remaining problem in current situation assessment of Beyond-Visual-Range cooperative air combat，such as isolation of static/dynamic state superiority，the concept of combat power field is applied in situation assessment of Beyond-Visual-Range cooperative air combat.Coupled with characteristics of cooperative air combat，the model of combat power field is constructed by aspects of attack，communication，detection，maneuverability，electronic countermeasure and cooperation and alert.The method is verified by the simulation and the result shows the method in the paper has advantages of visualization，figurativeness and integrity compared with former situation assessment methods，and is also able to improve the quality and the efficiency of the decision.

combat power field，cooperative air combat，situation ssessment，Beyond-Visual-Range（BVR）

V271.4

A

1002-0640（2015）10-0040-06

2014-08-05

2014-10-07

國家自然科學(xué)基金資助項目（61472441）

常一哲（1991- ），男，北京人，碩士。研究方向：火力指揮控制原理與技術(shù)。