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(zhàn)仿真已成為新型武器裝備試驗的重要手段，為體現(xiàn)參試兵力的對抗性，逼真的作戰(zhàn)對手不可或缺。當(dāng)前，在艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)試驗任務(wù)中，飛機類目標模擬方面尚無完備的作戰(zhàn)對手模型支撐，大多是通過簡單的運動公式推算或外測數(shù)據(jù)回放模擬點目標，沒有反映強敵飛機類目標的作戰(zhàn)行為特征，攻防對抗過程不明顯。為此，建設(shè)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(zhàn)過程方面，美國空軍軍官John Boyd 在總結(jié)飛行經(jīng)驗和空戰(zhàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，抽象提出了OODA（Observe，Orient，Decide，Act）環(huán)理論，為優(yōu)化作戰(zhàn)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(yīng)用于攻防對抗機理分析中。本文根據(jù)艦空導(dǎo)彈作戰(zhàn)仿真試驗需求，通過研究分析典型作戰(zhàn)對手飛機類目標的裝備性能、作戰(zhàn)思想和戰(zhàn)術(shù)原則等，面向OODA 過程構(gòu)造作戰(zhàn)實體CGF（計算機生成兵力）行為數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)任務(wù)規(guī)劃、通信探測、推理決策和規(guī)避對抗等行為能力模擬［6～10］，為艦空導(dǎo)彈作戰(zhàn)仿真試驗構(gòu)建包含目標戰(zhàn)術(shù)行動的復(fù)雜多變戰(zhàn)場態(tài)勢，有效考核其作戰(zhàn)能力。

2 艦機對抗過程分析

艦機對抗是現(xiàn)代?？諔?zhàn)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(zhàn)需求，實現(xiàn)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(zhí)行打擊與安全退出的作戰(zhàn)目的。雙方在對抗過程接續(xù)體現(xiàn)高強度的探測與突防、跟蹤與干擾、攔截與規(guī)避等行為對抗要素。

1）艦艇防空作戰(zhàn)裝備及流程

艦艇防空作戰(zhàn)裝備一般包括艦載探測制導(dǎo)雷達、武器控制系統(tǒng)、中遠程艦空導(dǎo)彈和信息支援系統(tǒng)等組成，順次完成對空搜索、目標探測、識別跟蹤、武器發(fā)射、制導(dǎo)、目標毀傷等，艦艇防空作戰(zhàn)詳細OODA環(huán)路這里不再贅述。

2）飛機反艦作戰(zhàn)裝備及流程

藍方飛機類目標反艦作戰(zhàn)裝備一般包括雷達、導(dǎo)彈、告警器、干擾彈等，攻擊過程中一般會有己方預(yù)警機、偵察飛機的信息支援，依次完成任務(wù)領(lǐng)受、信息支援、航線規(guī)劃、反艦武器發(fā)射、規(guī)避探測跟蹤、躲避艦空導(dǎo)彈攔截等行為，其反艦作戰(zhàn)OODA過程后文中會詳細介紹。

3）艦機對抗過程

結(jié)合攻防過程和雙方主要裝備運用，分析對抗關(guān)系如圖1所示。

圖1 艦機裝備對抗關(guān)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(huán)節(jié)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(dǎo)彈，主要通過己方預(yù)警機、告警雷達探測；三是通過機載數(shù)據(jù)鏈獲取友機、支援飛機等推送的戰(zhàn)場態(tài)勢。

Orient 為信息融合過程。主要將探測到的信息傳輸?shù)骄C合信息系統(tǒng)中，融合后傳輸給飛機CGF，通過現(xiàn)有的戰(zhàn)場信息（敵方目標信息、來襲導(dǎo)彈信息、飛機信息等）不斷更新，對任務(wù)執(zhí)行需求和敵方防空系統(tǒng)威脅程度做出判斷，為下步?jīng)Q策提供依據(jù)。

Decision 為行為決策過程。主要由飛機CGF根據(jù)現(xiàn)有的戰(zhàn)場信息，遍歷行為模型庫中的各種預(yù)設(shè)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(jù)整體戰(zhàn)術(shù)思路（攻擊目標優(yōu)先級、飛機安全優(yōu)先級等），找到最適合處理當(dāng)前態(tài)勢的行動方案。

Act為行為執(zhí)行及反饋過程。根據(jù)已選擇的行動方案進行仿真模擬，并根據(jù)執(zhí)行的結(jié)果（被跟蹤、成功規(guī)避探測、成功規(guī)避導(dǎo)彈鎖定、成功干擾攔截導(dǎo)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(huán)過程。

3.2 行為規(guī)則庫

1）規(guī)則庫

按階段劃分飛機類目標的行為規(guī)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(jīng)濟飛行速度接近目標區(qū)域，過程中接收己方預(yù)警機等支援兵力的信息引導(dǎo)和態(tài)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(qū)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(guī)劃，突入敵方防空區(qū)域；

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

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

（5）艦空雷達鎖定階段：告警系統(tǒng)給出初期預(yù)警信息時，飛機根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢開展機動規(guī)避行為決策；

（6）艦空導(dǎo)彈發(fā)射后：探測到敵方艦空導(dǎo)彈發(fā)射后，根據(jù)探測到的或預(yù)警機推送的威脅態(tài)勢，開展機動規(guī)避行為決策；

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

2）知識庫

主要包括戰(zhàn)場環(huán)境信息和先驗敵情信息，描述如下：

（1）氣象環(huán)境信息方面：溫度、風(fēng)向/風(fēng)速、云雨等影響飛機機動行為的氣象環(huán)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(shù)：雷達探測遠界、掃描周期、能量/功率、角度等與機載告警系統(tǒng)交互耦合的要素；

（4）中遠程艦空導(dǎo)彈性能參數(shù)：攔截遠界、制導(dǎo)方式、機動過載等要素；

（5）攻防對抗態(tài)勢信息：敵方艦船運動信息、己方電磁壓制態(tài)勢信息等。

3.3 目標機動模型

以六自由度運動學(xué)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(xiàn)過程，并可根據(jù)需要轉(zhuǎn)換為大地系和機體系下的狀態(tài)信息。戰(zhàn)術(shù)機動動作則是基本機動動作的復(fù)合［11～12］，其中，勻速/勻加（減）速運動，實現(xiàn)較為簡單，下面重點說明爬升/俯沖與轉(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)彎

設(shè)飛機為協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎過程無側(cè)滑，飛行軌跡在水平面內(nèi)。設(shè)轉(zhuǎn)彎過程中飛機速度為，轉(zhuǎn)彎半徑為R，轉(zhuǎn)彎角速度為，轉(zhuǎn)彎所需向心力由重力傾斜產(chǎn)生的水平分量來提供，其加速度為。則有：

飛機的轉(zhuǎn)彎分為三段：由平飛改變滾轉(zhuǎn)角γ進入轉(zhuǎn)彎段、保持滾轉(zhuǎn)角以等角速度轉(zhuǎn)彎段和轉(zhuǎn)完后的改平段。設(shè)轉(zhuǎn)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(jié)束時，γ和ωhz線性減少。

（1）進入轉(zhuǎn)彎段

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

（2）等角速度轉(zhuǎn)彎段

式中，ψ=ω?（t-1）。

（3）改平段

式中，ψ=ω?(t-1)-

在轉(zhuǎn)彎階段，飛機產(chǎn)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(zhàn)術(shù)機動模型庫基礎(chǔ)上，選擇下一階段機動行為集合，通過改變飛行控制參數(shù)，最大可能的不被雷達跟蹤和不被艦空導(dǎo)彈攻擊。戰(zhàn)術(shù)機動模型主要是根據(jù)基礎(chǔ)機動模型庫和3.3節(jié)運動學(xué)建模方法，實現(xiàn)飛機類目標在不同感知態(tài)勢下的一系列戰(zhàn)術(shù)行為，體現(xiàn)的是“飛行員”應(yīng)該決策執(zhí)行的對抗行為。在機動模型庫基礎(chǔ)上可組合成多類戰(zhàn)術(shù)機動動作，要求方位、速度、加速度、高度、爬升率、轉(zhuǎn)彎半徑、轉(zhuǎn)彎角度等限制參數(shù)在一定范圍內(nèi)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(zhuǎn)；7）大載荷右轉(zhuǎn)；8）左轉(zhuǎn)爬升；9）左轉(zhuǎn)俯沖；10）右轉(zhuǎn)爬升；11）右轉(zhuǎn)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(xù)的機動行為集合，不停地在直線飛行、加速/減速、爬升/俯沖、轉(zhuǎn)彎、改平等狀態(tài)下變換，做到真實模擬戰(zhàn)術(shù)機動行為。本文選擇基于有限狀態(tài)機（Finite State Machine，F(xiàn)SM）的CGF 行為決策模型實現(xiàn)選擇邏輯控制，根據(jù)對抗態(tài)勢和當(dāng)前飛行狀態(tài)信息，用于確定可執(zhí)行的下一步戰(zhàn)術(shù)機動動作集合，簡要表述如下：

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

定義飛機類目標有限狀態(tài)機模型為一個四元組G：

式中，S為狀態(tài)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(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)。

從時序理解轉(zhuǎn)移函數(shù)f為：在第k次狀態(tài)轉(zhuǎn)移階段，當(dāng)前狀態(tài)s(k-1)?S，輸入x(k)?X，則系統(tǒng)轉(zhuǎn)移為下一個狀態(tài)s(k)并產(chǎn)生輸出y(k)，即：

并有s(0)為系統(tǒng)初始狀態(tài)。

其中，f狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)為程序設(shè)定的邏輯程序，但需要考慮優(yōu)先權(quán)問題。優(yōu)先權(quán)評估方面，下一步機動戰(zhàn)術(shù)動作優(yōu)先權(quán)高的節(jié)點被執(zhí)行概率，大于優(yōu)先權(quán)低的節(jié)點。多個行為可供決策選擇時，第i個節(jié)點被選擇執(zhí)行的概率pi正比于它的優(yōu)先權(quán)，即：

式中，wi代表第i個行為的優(yōu)先權(quán)，k為一調(diào)整正實數(shù)。

3.5 CGF模型

飛機類目標模型設(shè)計在仿真系統(tǒng)中以CGF 形式實現(xiàn)，是指通過計算機在一個虛擬戰(zhàn)場環(huán)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(zhàn)場環(huán)境中的事件和狀態(tài)做出相應(yīng)的合理反應(yīng)。該模型主要由三部分組成：感知器、控制器和執(zhí)行器。感知器負責(zé)對虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中地形、氣候、敵情等各元素的感知，完成對戰(zhàn)場信息的收集和分析過程，感知結(jié)果將對仿真實體的決策產(chǎn)生影響。控制器一般包括學(xué)習(xí)、決策、規(guī)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(zhí)行；規(guī)劃是在現(xiàn)有的信息基礎(chǔ)上，完成一系列行動方案制定。執(zhí)行器用來模擬實體執(zhí)行的動作。

基于OODA過程建立CGF行為模型框架，如圖2 所示?？蚣苤懈兄鞑糠郑娠w機上的雷達模型、數(shù)據(jù)鏈模型、告警器模型等通過探測/接收實現(xiàn)；控制器作為核心，包含了飛機模型實體的信息狀態(tài)、執(zhí)行的戰(zhàn)術(shù)行為庫以及實現(xiàn)決策的作戰(zhàn)邏輯規(guī)則庫等；執(zhí)行器完成戰(zhàn)術(shù)行為在運動學(xué)模型的解算，作為仿真推進的結(jié)果反饋到戰(zhàn)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(zhí)行機構(gòu)和飛行狀態(tài)5 個仿真功能模塊具體實現(xiàn)，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(chǔ)上，開發(fā)仿真代理、通信組件、飛機類CGF 狀態(tài)監(jiān)控等輔助工具，構(gòu)建艦空導(dǎo)彈攔截飛機類目標仿真驗證系統(tǒng)。以藍方艦載機攻擊紅方驅(qū)逐艦為作戰(zhàn)場景，檢驗驗證飛機類目標行為模型執(zhí)行狀態(tài)，以及對紅方攔截效果的影響，紅藍方主要裝備結(jié)構(gòu)如圖4和圖5所示。

圖4 紅方艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)仿真模型結(jié)構(gòu)

圖5 藍方艦載機仿真模型結(jié)構(gòu)

主要根據(jù)3.5 節(jié)各功能模塊輸入輸出信息內(nèi)容，定義紅方、藍方以及仿真試驗平臺之間的信息交互關(guān)系，如圖6所示。

圖6 仿真驗證系統(tǒng)主要信息交互關(guān)系

驗證想定描述如下：

1）作戰(zhàn)背景：某作戰(zhàn)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(zhàn)，重點運用艦空導(dǎo)彈防空作戰(zhàn)。

2）紅方作戰(zhàn)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(yōu)勢和中遠程艦空導(dǎo)彈遠程攔截優(yōu)勢，阻敵前突，將其拒止在可發(fā)射對海打擊武器發(fā)射區(qū)域外。

3）藍方作戰(zhàn)意圖：運用艦載機掛載反艦導(dǎo)彈作為主攻兵力，空中預(yù)警機和電子戰(zhàn)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(fā)射反艦導(dǎo)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(wù)，以求安全返航，支援兵力提供相應(yīng)的紅方裝備作戰(zhàn)狀態(tài)等戰(zhàn)場態(tài)勢信息。

某次攻防對抗實例驗證中，藍方飛行接敵航線設(shè)置為低空出航-低空進入-中高空返航模式，當(dāng)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(dǎo)彈發(fā)射、末制導(dǎo)雷達開機告警等戰(zhàn)場態(tài)勢信息推送和感知，據(jù)此作出相應(yīng)行為決策。對抗過程中順次執(zhí)行了1000m 平飛-降高至200m-平飛保持-爬升至500m-平飛保持-武器發(fā)射-右轉(zhuǎn)向至10°-平飛-降高至200m-平飛-右轉(zhuǎn)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(guī)劃的藍方飛機類目標，只要進入紅方艦空導(dǎo)彈殺傷區(qū)，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(wù)下，受到攔截時在有效探測信息保障下，執(zhí)行了多個戰(zhàn)術(shù)機動動作，大幅影響紅方導(dǎo)彈命中結(jié)果。

5 結(jié)語

本文根據(jù)艦空導(dǎo)彈作戰(zhàn)仿真試驗實際需求，通過分析典型作戰(zhàn)對手飛機類目標的裝備性能、作戰(zhàn)思想和戰(zhàn)術(shù)原則等，面向OODA 過程構(gòu)造飛機類目標行為數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)其任務(wù)規(guī)劃、通信探測、規(guī)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(zhàn)過程，為艦空導(dǎo)彈作戰(zhàn)仿真試驗構(gòu)建復(fù)雜多變的戰(zhàn)場對抗態(tài)勢，并進行了實例驗證。驗證結(jié)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(zhàn)能力評估。下一步將重點考慮多機協(xié)同作戰(zhàn)模式下行為建模方法，完善體系化作戰(zhàn)模型。