有人无人战斗机协同空战模式与能力需求分析

有人/无人战斗机协同空战模式及能力需求分析付昭旺摘要：针对未来空战的特点对有人/无人战斗机协同空战的作战模式及能力需求进行了研究。从信息链到武器链时空过渡的角度分析了有人/无人机协同空战的作战优势；提出了两种典型的有人/无人机协同空战方式，并给出了作战过程描述及功能结构分析；基于“观测-评估-决策-执行”指挥控制环分析了有人/无人机协同空战的指挥控制流程；基于协同空战的任务需求提出各参与平台的能力需求。本文的研究对有人/无人机协同空战的发展具有一定的指导意义。关键词：协同空战作战优势指挥控制能力需求OperationalModesandCapabilityRequirementsforCooperativeAirCombatofMannedVehicleandUnmannedVehicleFUZhao-wang，Abstract:Cooperativemodesandcapabilityrequirementsforcooperativeaircombatofmannedvehicleandunmannedvehicleareproposedbasedonthecharacteristicsofthefutureaircombat.firstly,Theoperationaladvantageofmannedvehicleandunmannedvehiclecooperativeaircombatisdeeplyanalyzedbasedontheinformationtransformationstyle,then,twocooperativecombatmodeareproposedandthecombatprocessandfunctionalstructureareanalyzedseparately.Third,thecommandandcontrolproblemissearchedbasedontheObserve-Orient-Decide-Actcommandandcontrolcircle.Atlastthecapabilityrequirementsforeachplatformofcooperativecombatsystemareanalyzed.Thisresearchwillbecertainsignificanceforthedevelopmentofcooperativeaircombatofmannedvehicleandunmannedvehicle.keywords:cooperativeaircombat,operationaladvantage,commandandcontrol,capabilityrequirements0引言1多机协同空战是指由多种战斗机组成的编队体系在探测、指挥控制、信息传输处理与武器打击之间进行的深层次配合的联合作战方式，它全面考虑整个作战过程，是战术、技术和装备体系有机结合下实施的作战行动。传统上，协同空战一般是指多种有人飞机（编队）之间的协同，本文扩充了这一概念的外延，协同空战不仅指多种有人机之间的协同，而且应包括有人机和无人机的协同，后者称为有人－无人机协同空战，这种空战方式具有更大的作战潜力和应用前景。有人/无人机协同空战是指，将具有远距探测能力的有人机作为指挥机，将不具备远距探测能力、隐身性能良好并且携带制导武器的无人机作为攻击机，指挥机位于敌机的火力打击范围之外，攻击机处于指挥机的监视空域，在数据链信基金项目：“十一五”预研基金项目（KJ-050402011）,航空科学基金（20085196011）作者简介：付昭旺（1985-）男，湖南邵阳人，博士生，研究方向为协同作战，体系对抗。息的支持下，攻击机和指挥机通过密切协同来完成信息获取、战术决策、指挥引导、武器发射和武器制导等火控过程达成作战任务。阿富汗战争中，美国用“掠夺者”作为载体，发射了“海尔法”空地导弹，实现了无人机直接对地攻击，改变了无人机的作战模式，也初步体现了有人/无人机协同作战的优势和通过其他平台引导无人机发射精确制导武器作战的有效性[1]。在未来的战争中，各种武器平台之间一体化协同作战将是一种重要的作战模式，而无人战斗机也必然成为协同作战系统中的重要组成部分，多平台协同作战将使各种资源得到充分、合理地配置，从而极大地提高作战效能。当前，无人机与有人机协同作战的模式已成为无人机作战运用研究中的一大热点，引起了世界各国极大的研究兴趣[1-4]。本文立足于现有武器装备和未来空战的发展趋势，主要对有人/无人机协同空战的作战优势、作战模式、指挥控制和能力需求等问题进行探讨分析。1.有人/无人机协同空战的作战优势有人/无人机协同空战实现了“传感器”和“射手”空间上的有效分离，而通过数据链实时高效的信息共享，又保证了“传感器”和“射手”协同的高度一致性，有人/无人机协同作战方式改变了信息链到武器链的时空过渡方式，其作战优势主要体现在以下几个方面。（1）可以实现“发现即摧毁”的作战模式。网络中心战的重要特征是从传感器到打击平台的链路中信息的高效流动。现代空战中，载机对目标的探测和跟踪距离远远大于武器发射距离，有人/无人机协同作战方式可以将有人机获得的目标信息及时、充分地利用起来，迅速达成作战效果，大大缩短从目标信息获取到组织火力打击的作战过程。（2）能有效地应对现代空战的复杂电磁干扰环境。现代空战都处在复杂电磁环境下，作战飞机的传感器容易受到敌方的干扰或反辐射导弹的攻击，而有人/无人机的协同作战方式，等于将传感器建立在后方飞机上，避免受到敌方反辐射导弹的攻击，同时，多机的传感器可以组成一个信息源网络，每架载机作为网络上的一个节点，任何一个或多个节点功能的毁坏都不会影响其他节点的正常工作，增强了复杂电磁环境下战场信息的保障能力。（3）可以实现灵活的作战战术。因为无人机不涉及人员伤亡问题，能够承担有人机无法执行的危险性战斗任务，比如抵近目标实施近距离的电子干扰或深入危险空域完成侦察干扰等。同时，由于无人机不进行电磁辐射，仅采用数据链进行通信，信息流量小、通讯频率较低、保密性好，不易被敌方察觉和截获，可实现隐蔽接敌和静默攻击战术。（4）能大大提高作战效能。有人/无人机协同空战充分发挥了人的决策优势和无人机的特点，通过优势互补、分工协作，将各自的效能发挥到最大。在作战过程中，有人机处于安全地带，通过指挥控制无人机执行作战任务，降低了飞行员的作战风险，无人机造价低廉，能大量投入使用，无人机特有的“我亡敌亡”的作战方式将使敌人防不胜防。进攻作战中，采用无人机进行先期作战，可以消耗敌人的有生力量，为后续的有人机作战创造空战优势，防御作战，在无人机的协同下，几架有人机就能防御广阔的空域，能减少兵力和作战资源投入，降低作战成本，提高了防御效率。2有人/无人机的协同作战方式有人/无人机的协同作战从目标探测开始，经过目标截获、跟踪、瞄准直至武器发射等一系列作战过程。根据协同方式和传递信息不同可以分为传递目标信息与传递控制指令两种协同空战方式，如3(a)和3(b)所示。目目目目目目目目雷达跟踪目标目目目目目目目目图3（a）传递目标信息的协同空战目目目目雷达跟踪目标目目目目目目目目目目目目图3（b）传递控制指令的协同空战2.1传递目标信息的协同空战传递目标信息的协同作战方式是指，有人机获取目标信息，然后通过数据链将目标信息传递给无人机，无人机将收到的目标信息经过坐标转换、滤波、误差处理后进行火控解算，得到控制指令，自主完成机动站位和武器发射，后续的武器制导可由有人机完成，也可由无人机完成，由无人机完成制导要求有人机持续地给无人机提供目标信息，无人机仅作为制导信息中转平台，其协同流程如图4所示。有人机信息目标计算武器发射条件机动站位目标瞄准武器发射无人机武器制导武器制导指令火控计算图4传递目标信息的协同作战传递目标信息的协同空战，有人机只给无人机提供实时的目标指示信息，包括目标编号、目标类型、目标位置、飞行速度等目标参数，由无人机自己完成火控计算，这就要求无人机装备简易的火控系统，使其具有一定的自主作战能力。无人机的火控系统应包括机载传感器、火控计算机、外挂物管理系统、飞行控制系统和数据链终端设备，如图5所示。机载传感器有人机数据链火控计算机外挂物管理系统飞控系统武器信息无人机火控系统图5无人机火控系统结构火控计算机是无人机火控系统的核心，主要对各种内部和外部信息源进行处理，产生火力和飞行控制指令。飞行控制系统主要用于稳定无人机飞行姿态角和飞行航迹。机载传感器主要用于获得无人机的飞行状态信息。数据链设备用于无人机和有人机进行信息交联。外挂物管理系统完成武器管理和武器投放。2.2传递控制指令的协同空战有人机给无人机传递的控制指令主要包括引导指令和控制命令，传递引导指令是指有人机跟踪测量目标信息，并根据无人机和目标的空间位置及运动状态实时解算无人机对目标的火控解，得到无人机要完成攻击的引导指令并传递给无人机。无人机根据引导指令进行机动飞行，一旦无人机进入武器发射区域，有人机向无人机传递武器发射控制命令，无人机即发射武器并脱离，后续的武器制导由有人机完成，其协同流程如图6所示。有人机跟踪目标指令引导机动站位目标瞄准武器发射无人机飞控系统武器制导制导指令有人机火控系统武器发射条件计算射指令武器发无人机电磁静默图6传递控制指令的协同作战流程传递控制指令的协同空战是一种全程引导式的协同，在作战全过程无人机均需要有人机提供控制指令，有人机不仅要获得目标的信息参数还需要无人机回传自身的位置参数。有人机只需要给无人机提供引导指令和控制命令，引导指令参数主要包括无人机飞行航向、飞行速度、飞行高程、飞行时间，控制命令包括无人机的作战方式、武器发射时机和发射方向等。无人机一方面根据引导指令来完成自身的飞行控制和导航解算，并打包回传自身的飞行状态及位置参数，另一方面，根据有人机的控制命令使用资源和发射武器。全程引导式的协同方式，无人机仅仅作为一种空中武器发射平台，只须装备飞控系统和导航定位装置，而不必装备探测设备和火控系统，防止了电磁暴露，能提高攻击的隐蔽性和突然性，所以这种协同方式具有巨大的作战效能和发展潜力。将成为未来一种重要的有人/无人机协同作战方式。3协同作战的指挥控制有人/无人机协同作战的指挥控制是指有人机对无人机在任务执行各阶段中的飞行、通信、战术运用和武器发射的监管、指挥和控制。协同空战体系本身就是一个复杂的控制系统，与传统的协同空战方式相比，无人机不具备和有人机一样的自主性，这对有人/无人机协同空战的指挥控制提出了更高的要求。从国外研究情况来看[5]，有人/无人机协同作战指挥控制是一个十分复杂的问题，它具有系统的复杂性、决策信息分布性和控制过程的高度实时性三个特点，涉及到无人机平台的自主控制、信息通信、人机交互和动态反馈等多方面内容，目前国内对有人/无人机协同控制的研究尚处于探索阶段[6]。经典的观测－评估－决策－行动的决策控制模型或称为OODA（Observe，Oritent，Decide，Act）指挥控制环由美国上校John.R.Boyd提出，广泛应用于指挥控制、决策分析领域，OODA循环如图7所示。观测决策评估行动图7指挥控制中的OODA环OODA环以嵌套的形式关联，基于OODA环的角度而言，有人/无人机协同空战中，最小的OODA环是１架有人机和１架无人机组成的作战系统的闭环控制环。对应于OODA控制环节，有人机主要完成观察、评估和决策三个环节，而无人机则完成行动环节。观察是指有人机获取战场态势信息和目标信息，评估是通过对获取的信息进行处理完成战场态势评估，决策是指根据评估结果完成目标分配，行动是指无人机根据有人机的指挥引导执行攻击过程。这种循环类似于非线性的反馈控制系统的控制流程[7]，如图8所示。流程主要包括三个功能环节，信息环节，控制环节和执行环节，统称为指挥控制环节。敌我态势目标信息信息环节态势评估控制环节目标分配执行环节指挥引导空战态势的变化观测评估决策行动战场态势指挥控制图8有人－无人协同作战的指