陸基防空武器與無人機協(xié)同防空作戰(zhàn)樣式設(shè)計研究

亓子龍，黨 玲，韓春雷，鹿 瑤，孫曉龍

陸基防空武器與無人機協(xié)同防空作戰(zhàn)樣式設(shè)計研究

亓子龍1，黨 玲2，韓春雷1，鹿 瑤1，孫曉龍1

（1 中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068；2 海軍大連艦艇學(xué)院，大連 116018）

陸空人機協(xié)同是未來有人/無人作戰(zhàn)模式的重要發(fā)展方向，其中陸基防空武器與無人機協(xié)同防空作戰(zhàn)可以充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，擴大協(xié)同效應(yīng)。針對陸基防空武器存在目標(biāo)發(fā)現(xiàn)距離近，攔截反應(yīng)時間少；預(yù)警機防空探測成本較高，存在人員傷亡風(fēng)險等問題，提出陸基防空武器與無人機進行人機協(xié)同作戰(zhàn)的概念，設(shè)計一體化陸—空協(xié)同防空作戰(zhàn)樣式，利用數(shù)據(jù)鏈將無人機雷達提供的目指信息共享到陸基防空武器，開展超視距攔截來襲目標(biāo)，實現(xiàn)“盡遠發(fā)現(xiàn)，盡遠攔截”的目的。

陸空協(xié)同防空；數(shù)據(jù)鏈；無人機

0 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，重要軍事區(qū)域面臨的首要威脅很大可能來自空中，由于這些重點區(qū)域一般缺乏機動性和隱蔽性，因此防空作戰(zhàn)的壓力尤為突出。在以前國土防御思想影響下，陸軍和空軍各自為戰(zhàn)，缺乏陸空協(xié)同作戰(zhàn)的經(jīng)驗，單純依靠陸基防空武器配備的跟蹤雷達對空中目標(biāo)進行探測，就會存在發(fā)現(xiàn)距離被約束在視距范圍內(nèi)的情況，且受地球曲率的影響，存在低空盲區(qū)等問題，導(dǎo)致目標(biāo)發(fā)現(xiàn)時距離已經(jīng)很近。再加上空中目標(biāo)本身飛行速度極快，因此攔截準(zhǔn)備的反應(yīng)時間不充足，實施一次攔截后若目標(biāo)未成功毀傷，則目標(biāo)已飛行到防護區(qū)內(nèi)部很近的位置，根本沒有第二次攔截的機會，大大降低了防空作戰(zhàn)效能。

針對重點區(qū)域陸基防空作戰(zhàn)面臨的問題，經(jīng)深入研究發(fā)現(xiàn)陸空協(xié)同作戰(zhàn)可以有效解決上述問題。所謂陸空協(xié)同作戰(zhàn)指空中作戰(zhàn)單元與地面作戰(zhàn)單元為執(zhí)行同一任務(wù)而建立整體編隊，通過平臺互操作和資源共享控制，完成共同的任務(wù)目標(biāo)。陸空一體協(xié)同作戰(zhàn)一直是裝備發(fā)展的重要方向，特別是在無人作戰(zhàn)裝備迅速發(fā)展的今天，陸空協(xié)同體系作戰(zhàn)的優(yōu)勢更為明顯?？罩凶鲬?zhàn)平臺具備機動性能好、態(tài)勢感知能力強的優(yōu)勢，陸基武器裝備具備火力強、射程遠、彈藥充足的優(yōu)勢，采用空中飛機與陸基武器裝備協(xié)同作戰(zhàn)的方式，可充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，形成協(xié)同作戰(zhàn)能力，提高整體作戰(zhàn)效能，能夠“看得更遠”、“反應(yīng)更快”、“打得更多”[1]。

當(dāng)前隨著自動化和人工智能技術(shù)的發(fā)展成熟，無人機逐漸在各行各業(yè)進行廣泛的使用，特別是在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展突飛猛進，各種型號、用途的無人機正在被大量生產(chǎn)和使用?？紤]到在重點防護區(qū)域常態(tài)化部署大型預(yù)警機與陸基防空武器進行協(xié)同防空作戰(zhàn)，既不經(jīng)濟也不現(xiàn)實，同時基于無人機技術(shù)的發(fā)展趨勢，本文提出了無人機與陸基防空武器進行人機協(xié)同防空的作戰(zhàn)樣式，所謂人機協(xié)同就是戰(zhàn)場上有人裝備與無人裝備，通過密切的協(xié)同配合完成包括態(tài)勢感知、指揮決策、目標(biāo)引導(dǎo)，火力打擊、毀傷評估等作戰(zhàn)過程，達成作戰(zhàn)目的。人機協(xié)同作戰(zhàn)的基本形式是以有人裝備為中心，與無人裝備實施組網(wǎng)作戰(zhàn)。戰(zhàn)場上，人機協(xié)同作戰(zhàn)發(fā)揮的整體效能遠超有人裝備和無人裝備各自所發(fā)揮的作戰(zhàn)效能之和，其優(yōu)勢在于顯著提高作戰(zhàn)效率，明顯提升生存能力，更能適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境的干擾等[2]。利用無人機不受地形約束、空中俯視視角下盲區(qū)遠小于陸基防空武器跟蹤雷達、能觀察到陸基防空武器跟蹤雷達受障礙物遮擋的區(qū)域等優(yōu)勢，將陸基防空武器與空中飛機之間互連互通、信息共享，就可以擴展陸基防空武器對低空目標(biāo)探測范圍，提升作戰(zhàn)反應(yīng)效率。通過在無人機上加裝火控雷達，由多架無人機在空中組成探測網(wǎng)絡(luò)，采用協(xié)同探測方式可擴展探測區(qū)域，增強戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力，為有人控制的陸基防空武器提供盲區(qū)內(nèi)目標(biāo)探測信息，實現(xiàn)陸基防空武器超視距目標(biāo)攔截能力。

1 陸基防空武器與無人機協(xié)同防空需求分析

1.1 陸基防空武器探測范圍受限

陸基防空武器一般部署在地面上，海拔相對較低，受地球曲率的影響，低空目標(biāo)在距離較遠位置時，處于陸地防空雷達探測盲區(qū)內(nèi)，如圖1所示。

圖1 雷達探測目標(biāo)示意圖

陸地上部署的雷達對目標(biāo)的直視距離如式（1）所示：

1.2 預(yù)警機協(xié)同防空成本高

在防護區(qū)域常態(tài)化部署大型預(yù)警機，與陸基防空武器協(xié)同防空，利用預(yù)警機雷達可在高空探測，具備“站得高，看得遠”的優(yōu)點，擴展目標(biāo)探測范圍，彌補低空探測盲區(qū)，延長陸基防空武器攔截目標(biāo)的反應(yīng)時間，從而增加二次攔截的機會，提升防空作戰(zhàn)效能。但是預(yù)警機需要大量人員、設(shè)備和場地等資源配合，重點防護區(qū)域大多氣候條件惡劣，資源補給沒有保障，進行設(shè)備維修保養(yǎng)難度很大。重要防護區(qū)域的防空強度大、時間長，在長期的戰(zhàn)備值班中，要忍受長期緊張和過度疲勞，要隨時抗擊敵方的空襲，面臨著死亡和傷病。而在常態(tài)化防空的情況下，長期處于引而不發(fā)的緊張狀態(tài)，加劇了人員的心理壓力，而且燃料資源和人員精力都不滿足預(yù)警機長時間留空進行探測的條件[3]。

1.3 無人機協(xié)同防空優(yōu)勢明顯

陸基防空武器協(xié)同無人機進行防空作戰(zhàn)，可以利用無人機在一定程度上替代預(yù)警機擴展目標(biāo)探測范圍，彌補陸地雷達對低空目標(biāo)存在探測盲區(qū)的缺陷，同時可減少人員、設(shè)備和場地的投入成本，也降低了運維的經(jīng)濟成本，充分發(fā)揮無人裝備持續(xù)性、穩(wěn)定性的優(yōu)點，消除人員傷亡的風(fēng)險。

陸基防空武器和無人機協(xié)同作戰(zhàn)在體系化作戰(zhàn)中具有以下優(yōu)勢：

1）采用協(xié)同探測方式可擴展探測區(qū)域，增強戰(zhàn)場空間態(tài)勢感知能力；

2）地面有人裝備作戰(zhàn)任務(wù)決策可彌補無人機智能不足，提高無人機應(yīng)對復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境的能力；

3）利用無人機的高隱身、低成本、無人員傷亡的優(yōu)勢，與地面有人裝備協(xié)同作戰(zhàn)，在減少風(fēng)險的同時提高執(zhí)行高危任務(wù)的成功率；

4）提升對多目標(biāo)的精確打擊能力[4]。

2 陸基防空武器與無人機協(xié)同防空方案設(shè)計

在新型防空作戰(zhàn)過程中，武器發(fā)射平臺和目標(biāo)制導(dǎo)平臺并不一定存在固定的隸屬關(guān)系，也不一定局限在同一個地理位置范圍內(nèi)。為了提高整體的防空效能，位于不同位置的武器發(fā)射平臺和目標(biāo)制導(dǎo)平臺可以通過數(shù)據(jù)鏈形成攔截聯(lián)盟，挑選探測效果最好的目標(biāo)制導(dǎo)平臺和攔截效能最高的武器發(fā)射平臺組成最優(yōu)搭配進行協(xié)同防空，對來襲目標(biāo)進行有效的攔截，突破了地理位置的局限性，打破了武器發(fā)射平臺和目標(biāo)制導(dǎo)平臺固定的配屬關(guān)系[5]。本文在這個方面進行了一些探索，針對陸地部署的雷達對低空突防目標(biāo)存在盲區(qū)，探測距離受限，而大型預(yù)警機長時間留空探測又受燃料資源和人員精力的限制，無法實現(xiàn)陸基防空武器和預(yù)警機協(xié)同防空的問題，設(shè)計了一種陸基防空武器和無人機協(xié)同防空的作戰(zhàn)樣式。在無人機上加裝火控雷達、戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈和天基數(shù)據(jù)鏈等設(shè)備，利用天基數(shù)據(jù)鏈對無人機進行遠程控制，可以派遣無人機快速向前突擊到陸基雷達探測盲區(qū)進行高空探測，能夠有效提升目標(biāo)發(fā)現(xiàn)距離，通過戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈將精確的目標(biāo)指示信息快速傳輸給陸地部署的防空武器，陸基防空武器根據(jù)該信息可在其傳感器未獲得目標(biāo)位置的情況下發(fā)射攔截彈，實現(xiàn)超視距打擊低空來襲目標(biāo)。這種作戰(zhàn)樣式將陸地平臺上的武器發(fā)射通道和無人機平臺中的目標(biāo)制導(dǎo)通道協(xié)同共用，可提前發(fā)現(xiàn)低空來襲目標(biāo)，延長了防空反應(yīng)時間，并為二次攔截提供時間機會，形成了一體化陸—空協(xié)同防空作戰(zhàn)系統(tǒng)，概念圖如圖2所示。

圖2 陸基防空武器與無人機協(xié)同防空概念圖

無人機由于載荷有限，加裝的火控雷達探測性能肯定不如預(yù)警機雷達，但無人機的優(yōu)點在于成本低，無需考慮人員傷亡，可以抵近威脅區(qū)域進行探測，而且通過將多架無人機組成協(xié)同探測網(wǎng)，能夠擴大目標(biāo)探測范圍，增強目標(biāo)探測的連續(xù)性和穩(wěn)定性。目標(biāo)探測的精確指示信息通過無人機加裝的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈可快速傳輸?shù)疥懙厣系臄?shù)據(jù)鏈地面站，供陸基防空武器制導(dǎo)發(fā)射攔截彈。防空武器對目標(biāo)指示信息的數(shù)據(jù)率和穩(wěn)定性有一定要求，而天基數(shù)據(jù)鏈雖然數(shù)據(jù)傳輸覆蓋范圍廣，但數(shù)據(jù)傳輸速率慢，且信號不穩(wěn)定，不能用來傳輸目標(biāo)指示信息，因此只有戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈可以滿足防空武器對目標(biāo)指示信息傳輸?shù)囊?。?dāng)無人機飛行距離超出戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈最大傳輸距離時，可控制其他無人機飛到中途作為通信中繼站，以此來擴展陸基防空武器到最遠無人機的通信傳輸距離。

本文利用天基數(shù)據(jù)鏈遠程控制無人機，而不是直接利用戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈，主要是因為以下兩點原因：

1）天基數(shù)據(jù)鏈的傳輸范圍遠大于戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈，這樣可以利用天基數(shù)據(jù)鏈控制無人機到超出戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈地面站傳輸范圍的地方執(zhí)行任務(wù)，不會發(fā)生失聯(lián)情況，而且無人機的遠程控制指令對傳輸速率要求不高，即使飛行中信號不穩(wěn)定，無人機可以依靠自身的自動控制技術(shù)，保持一段時間的平穩(wěn)飛行。也就是說無人機遠程控制對數(shù)據(jù)鏈的要求更注重傳輸距離，而對傳輸速率和穩(wěn)定性的要求較低，這與目標(biāo)指示信息的傳輸要求相反，所以天基數(shù)據(jù)鏈正好滿足無人機遠程控制的需求。當(dāng)然戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈通過無人機通信中繼也可以擴展無人機遠程控制指令的傳輸距離，但這需要隨時規(guī)劃用于中繼通信的無人機位置，增加了技術(shù)復(fù)雜度，在實施過程中可能出現(xiàn)信號長時間中斷的問題而導(dǎo)致無人機失聯(lián)，不如天基數(shù)據(jù)鏈時刻保持信號大范圍覆蓋有優(yōu)勢。

2）目標(biāo)指示信息對戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的傳輸負(fù)荷已經(jīng)很高，再讓無人機遠程控制指令占用一部分傳輸資源，會影響防空武器的攔截效果，所以利用戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈專門傳輸目標(biāo)指示信息，利用天基數(shù)據(jù)鏈專門傳輸無人機遠程控制指令，兩者可以優(yōu)勢互補，實現(xiàn)通信資源的高效利用。

3 陸基防空武器與無人機協(xié)同防空系統(tǒng)組成

陸基防空武器與無人機協(xié)同防空系統(tǒng)主要由陸基指揮控制系統(tǒng)、無人機系統(tǒng)以及無人機通信數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)等組成。其中，陸基指揮控制系統(tǒng)包含陸基指控中心、無人機地面指控站和陸基防空武器控制系統(tǒng)；無人機系統(tǒng)包含無人機任務(wù)規(guī)劃與控制系統(tǒng)、機體、推進及飛控系統(tǒng)、雷達管理系統(tǒng)和發(fā)射與回收系統(tǒng)；無人機通信數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)包含戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈地面站、天基數(shù)據(jù)鏈衛(wèi)星地面站、無人機戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈和無人機天基數(shù)據(jù)鏈[6]。

在陸基防空武器與無人機協(xié)同防空作戰(zhàn)過程中，陸基指揮控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)無人機任務(wù)下達、防空武器控制及其他相關(guān)活動的指揮；無人機系統(tǒng)負(fù)責(zé)無人機發(fā)射與回收、任務(wù)規(guī)劃與飛行控制及火控雷達的管理控制；無人機通信數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)天基數(shù)據(jù)鏈和戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈在陸基指控中心與無人機之間的通信。陸基防空武器與無人機協(xié)同防空系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 陸基防空武器與無人機協(xié)同防空系統(tǒng)組成示意圖

4 結(jié)語

本文分析了陸基防空武器面臨的目標(biāo)發(fā)現(xiàn)距離近、攔截反應(yīng)時間少、預(yù)警機空中探測條件艱苦、人員壓力大等問題，提出了構(gòu)建陸基防空武器與無人機協(xié)同防空的作戰(zhàn)樣式，明確了無人機火控雷達通過數(shù)據(jù)鏈為陸基防空武器提供目標(biāo)指示的設(shè)計理念。針對無人機與陸基防空武器之間的指揮、通信問題，研究了戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈和天基數(shù)據(jù)鏈的數(shù)據(jù)傳輸特點，并在實際應(yīng)用當(dāng)中合理配置，采用戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈傳輸目標(biāo)指示信息，天基數(shù)據(jù)鏈傳輸無人機控制指令，最大限度發(fā)揮通信傳輸性能。文中沒有對陸基防空武器與無人機協(xié)同防空中應(yīng)用的裝備型號進行詳細(xì)選型分析，也沒有考慮電子干擾對無人機及數(shù)據(jù)鏈的影響，而新型作戰(zhàn)樣式需要有合適的裝備支撐才能實現(xiàn)作戰(zhàn)能力，且現(xiàn)代空襲與反空襲作戰(zhàn)中電子對抗已成為常態(tài)，并扮演著重要角色，因此，在今后的研究中要進一步分析實際裝備的選型，并考慮如何消除電子干擾對無人機及數(shù)據(jù)鏈的影響，使得陸基防空武器與無人機協(xié)同防空更接近于實戰(zhàn)條件。

[1] 劉鑫，孫厚俊. 陸戰(zhàn)裝備與無人機空地協(xié)同作戰(zhàn)指揮控制技術(shù)[C]. 第六屆中國指揮控制大會論文集（上冊），2018.

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[4] Zhiyu Zhou，Bin Rao，Xiaoxia Xie. The influence mechanism of UAV group on the detection performance of air defense radar[C]. Proceedings of 2018 3rd International Conference on Automation，Mechanical Control and Computational Engineering（AMCCE 2018），2018.

[5] 伍凱，賀正洪，吳舒然. 制導(dǎo)與發(fā)射分離的協(xié)同防空殺傷區(qū)模型與仿真[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2019（03）.

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Research on Cooperative Air Defense Combat Mode Design of Land-Based Air Defense Weapon and UAV

QI Zilong, DANG Ling, HAN Chunlei, LU Yao, SUN Xiaolong

Land-air man-machine cooperation is an important development direction of manned/unmanned combat mode in the future, in which land-based air defense weapons and UAV cooperative air defense combat can give full play to their respective advantages and expand synergy. Aiming at the problems of land-based air defense weapons have close target detection distance and less interception reaction time; the air defense detection cost of early warning aircraft is high, and there is a risk of casualties, the concept of cooperative air defense between land based air defense weapon and UAV is proposed. A land-air integration cooperative air defense combat style is designed, the target indication information provided by the UAV is transmitted to the land based air defense weapon through data link, and the coming target is intercepted beyond visual range, so as to realize the purpose of "discovery and intercept as far as possible".

Land-Air Cooperative Air Defense; Data Link; UAV

V279

A

1674-7976-(2022)-06-438-05

2022-03-08。

亓子龍（1989.08—），陜西西安人，碩士，工程師，主要研究方向為數(shù)據(jù)融合、編隊作戰(zhàn)指揮控制。