基于数据链的陆航作战指挥控制新模式＊

夏白桦 贺品瑜，3 苏泽友 叶永安

（1.国防信息学院 武汉 430010）（2.73141部队 泉州 362000）（3.71687部队 新乡 453000）

1 引言

距离地面300m以下的空间被称为超低空，又有“第五空间”的别称[1]。在“第五空间”，受制于地形地物，现有制导兵器很难充分发挥其威力，防空雷达也无法进行有效的探测，目前尚是导弹、雷达等武器的盲区，陆航直升机可充分地利用这一盲区隐蔽待命或隐蔽机动，从而避开雷达的探测，避免遭敌方拦截。但实际上，要力争做到不被发现，直升机还必须保持无线电静默，只接收来自数据链的战场态势信息和指令等，甚至不报告自身的状态、定位和识别信息。直升机不主动发布定位和识别信息，就会产生一系列新问题：1）态势信息不完整。这时，在统一的战场态势图上将缺少直升机编队的信息，网内其它作战平台无法掌握直升机编队的实时情况；2）难以完成作战任务的有效分配和适时调整。由于陆航指挥所不能准确获取各直升机的位置，也就不能依据战场态势的发展变化，对作战任务进行灵活的调整，以便命令空间位置最合适的直升机执行相应的作战行动；3）战术协同难度加大。编队内各直升机间、不同编队的直升机间，甚至是地面部队与编队直升机间，由于不了解直升机的确切位置，可能无法达成战术协同；4）网内成员识别困难。友邻部队没有直升机的位置信息和网内成员识别信息，有可能将其误判为敌机，从而造成误伤。如何做到既能隐蔽机动，又能使各作战单元时刻掌握直升机的位置并正确识别，是现代直升机作战面临的一个新问题。本文将提出一种新的指挥控制方式，以图解决上述问题。

2 陆航指挥控制新模式

数据链的运用，改变了传统的指挥控制方式，实现了指挥所对空中作战编队的自动化指挥[2～3]。通过数据链，陆航（地面或空中）指挥所可对各直升机的火控系统、飞控系统等进行自动控制，包括引导直升机飞行（机动）、指示并控制瞄准目标、计算攻击时机并控制导弹预热等。通常情况下，在指挥所对作战飞机引导的过程中，由作战飞机周期性地报告状态、定位和网内成员识别信息。当直升机处于无线电静默而不能报告这些消息时，可对报告责任主体作调整。在此提出由陆航指挥所报告直升机定位信息的新的指挥控制模式，即：

陆航指挥所根据作战任务，预先或实时地规划出直升机编队的飞行路径，并通过数据链网络向直升机发布飞行指令。直升机则在陆航指挥所的指令下，严格地按时间节点要求在指定时刻到达指定位置，以及在指定的地点变换飞行方向。陆航指挥所的指令，就是直升机严格执行的飞行命令。只要直升机实际到达的位置与指令中明确的位置相比较误差不大，对网络内其它参与平台而言，这种指令即是直升机的定位信息，可用于对直升机准确定位。

陆航指挥所的飞行指令明确了直升机相应时刻要到达的位置，所以，规划的直升机飞行路径应该是一系列直线段构成的折线，直升机沿直线飞行，在两条直线段交点处转弯。在飞行过程中，直升机需要利用机载卫星导航仪不断测定自身的位置坐标，同时不断计算到达指定位置的剩余飞行时间和飞行距离，调整飞行速度大小和方向，修正位置误差。实际上，直升机的飞行路径很难保持为直线，每一时刻也难以准确地到达指令所明确的位置，尤其是在转弯处，弯度带来的定位误差比较大。所以，在仅考虑二维情况下，直升机实际的飞行路径可看作是具有一定宽度的“路径带”。

指挥所负责直升机的飞行路径规划，可采用“预先规划”与“临机规划”相结合的方式进行。所谓“预先规划”，指在各直升机执行任务前，指挥所根据所获取的地理信息、敌防空火力、雷达网分布及作战任务，预先规划出飞行路径；所谓“临机规划”，指在直升机执行任务过程中，指挥所还可根据实时战场态势信息及作战任务变更情况，及时调整路径。路径规划中，要分析各种约束条件，如任务约束和直升机性能约束等[4]。针对新指挥控制方式，还需要考虑路径与直升机定位误差间的关系。一条合适的路径不仅能避开敌人的防空雷达和防空火力区域[5]，并以最短的时间完成任务，也能有效地降低直升机飞行中的定位误差。下面将从降低定位误差的角度计算路径带。

3 路径带的估算

3.1 定位误差产生原因

定位误差主要是由直升机转弯产生的位置偏移、卫星定位精度、地形地物的起伏、风向和风速的变化、飞行员的驾驶技术等因素引起。直升机转弯时的实际飞行路线为弧线，路线长度发生了变化；卫星定位精度带来的误差是确定的，与用户的级别有关[6]，这里假定为10m；规避地形地物同样改变了实际的飞行线路，但该因素在路径规划时需要作精细的考虑，以避免影响定位精度，当然，也可通过飞行员即时调整飞行速度加以弥补。风向和风速对直升机飞行的推动作用，需要通过飞行员的控制，尽量减小其对定位精度的影响；飞行员的驾驶技术高超，定位精度的控制就会较好，且飞行员驾驶直升机的水平是可以通过训练不断提高的。对于训练有素的直升机飞行员，由驾驶水平带来的位置偏移会控制在一个较小的范围内。

即使在现行的平台定位报告方式中，误差也是不可避免的[7]。如果由直升机自己报告定位与识别信息，经过一定的时间延迟后到达接收者。接收者据此推算该信息发送后各个时刻直升机的位置，所得结果与实际情况也会有出入。原因就在于信息传送过程中，直升机会因为风速和风向的变化、驾驶过程中的操作、地形地物的变化等问题，而无法到达理论推算的位置。所以，路径带的计算将只考虑直升机转弯和卫星定位精度的影响。

3.2 路径带直线段长度估算

从经验上理解，直升机沿直线飞行阶段定位误差是最小的。规划的直线段越长，直升机飞行时的横向和纵向偏移将会越小，直升机驾驶员也越容易通过速度的调整，降低偏移量。反之，直线段越短，直升机将频繁转弯，由此带来的偏移则越大，且频繁的转弯也不利于偏移的修正，严重时甚至会有较大的偏移积累。因此，直线段长度应尽可能的长。但是，为便于数据链网络参与平台根据监测到的直升机位置变化与从陆航指挥所指令中得到的位置比对，进行准确的敌我识别（若监测到直升机位置落在路径带内，且实际的路径与指令给出的路径变化规律相同，则视为我方成员），直线段长度不可以太长；另外，直线段短，方便避开不利地形地物及敌防空炮火和雷达覆盖区，减小规划的难度。由于直升机在“第五空间”机动，接收指令难度大，因此，在兼顾定位误差、敌我识别和规划难度条件下，最重要的应该是飞行指令的正确接收。

陆航指挥所向直升机发布的飞行指令应包含线段的起点、终点和到达这两个点的时刻。两个点确定后，即确定了一条飞行直线段，若再给出下一个时刻应到达的位置，则既确定了下一条飞行直线段，也相应地给出了转弯角度。在图1中是规划的直升机飞行直线段，其中A、B、C、D点是直升机在某些时刻应到达的位置，并在这些位置开始转弯，θ即为转弯角度。

图1 直升机飞行路径带示意图

陆航指挥所发布指令必须有一定的时间提前量，该提前量至少等于数据链网络的系统响应时间T响。如指挥所命令直升机在C点转弯沿飞行，最迟也要在直升机到达C点之前的T响时该发出到达C点和D点的指令，以免数据链本身可能产生的时延影响指令的到达。

陆航指挥所向直升机发布的飞行指令必须可靠地接收，否则即使指令下达了也不能被执行，所以，每一指令都必须多次发送。假定指令能被正确接收的概率为P单次，发送n次能被正确接收的概率为P，则有：

给定P和P单次值，可计算出n。当消息更新率为T更新时，则直升机在折线段上的飞行时间应为

若已知直升机的飞行速度、P单次和P，就可计算出直线段的最小长度。假定P单次为70%，T更新＝T响＝10s[8]。以美军 RAH－66“科曼奇”为例[11]，其最大巡航速度为252km／h。若要求P达到97%，计算得到n＝3，直线段的最小长度为2230m；若要求P达到99%，则n＝4，直线段的最小长度2800m。

3.3 路径宽度的估算

直升机在直线飞行阶段的横向偏移量比较小，且可通过飞行员的有效控制尽可能减小误差。而直升机在转弯阶段的横向偏移量则是其飞行阶段的最大横向偏移量。因此，只要估算出转弯阶段横向偏移量，即可确定路径带宽度。

如图1中，直升机在到达B点前沿直线飞行，到达B点后开始转弯，转弯角为θ，转弯半径为R为等效圆。飞行过程中，直升机到达B点后将沿着圆弧飞行，显然此时已偏离了原定的航线到达E点后，直升机开始转向直线此过程中，直升机一方面要尽快到达直线，同时还要使到达时的飞行方向与直线的夹角较小。这样，可保证直升机在到达后，不至于又产生较大的转弯角。这期间实际的飞行路线应为图1所示的实线

E点是直升机转弯时产生的最大位置偏移的大小即为规划路径带的宽度。极端情况下，若转弯角θ＝0°，也即直升机直线飞行阶段时，转弯引起的横向偏移为0；转弯角θ＝90°时，B点与M点重合，转弯引起的横向偏移为转弯半径R。故可知，转弯时的横向偏移量与转弯角度有关，且随着转弯角度的增大而增加。因此，在路径规划设计时，除特殊情况需要转急弯外，正常情况下应尽可能控制转弯角度，以便于减小路径带宽度，提高定位精度。经分析得到：

图2 转弯引起的横向偏移与转弯角度θ的关系曲线

式（3）中，位置最大偏移量与半径R成正比。在不降低飞行速度的情况下，可通过减小转弯角度降低位置偏移量。假定RAH－66“科曼奇”转弯半径R＝300m，得到转弯引起的横向偏移与转弯角θ之间的关系如图2所示。

如果路径规划确定的直升机转弯角为θ＝45°，由图2可知，转弯引起的横向偏移为90m，加上卫星定位精度引起的误差，路径带宽度最大值为100m，也即直升机将在宽度为100m的路径带内飞行。当θ＝30°时，路径带的宽度为50m，比转弯角度θ＝45°时的路径带宽度减小了一半。表明通过降低转弯角，可有效地减小路径带宽度，降低定位误差。

4 定位误差的分析

4.1 横向误差分析

横向误差是指直升机在直线段横向上的位置偏移。直升机飞行过程中产生的横向误差在不同阶段是不相同，可分为两个阶段讨论：1）转弯阶段的横向误差，2）直线飞行阶段的横向误差。

1）在转弯阶段，由路径带宽度分析可知，转弯引起的偏移是横向误差的最大贡献者，其它原因导致的误差相对较小。通过合理地设计规划路径，降低转弯角度或通过降低飞行速度从而降低转弯半径，误差可降低到只有几十米。

2）在直线飞行阶段，主要受到导航定位精度的误差影响，横向偏移通常较小，直升机飞行路径与指挥所规划的路径吻合度相对比较高。

在直升机飞行过程中，虽然转弯阶段横向误差较大，但它仅占了整个飞行路线中较小的一部分。如图1中，按直线段最小长度2230m，转弯半径300m分析，直升机在从B往C的飞行过程中，2／3的直线段上横向误差是很小的。

4.2 纵向误差分析

纵向误差表示直升机在直线段方向上的位置偏移。与横向误差类似，纵向误差也通常包括转弯阶段的纵向误差和直飞阶段的纵向误差，且纵向误差的最大值也出现在转弯阶段。

转弯阶段产生纵向误差的原因是直升机飞行路线变为弧线，与直线相比有一定的路径长度差。图1中，设直升机转弯阶段飞行的实际路线与直线的路径长度差为ΔS，有：

当转弯半径R＝300m时，由式（4）得ΔS与转弯角θ之间的关系如图3所示。

图3 转弯阶段纵向误差ΔS与转弯角度θ关系曲线

直升机在转弯过程中要多飞行ΔS的距离。如果直升机以最大巡航速度匀速飞行，会产生ΔS的纵向误差。当θ＝45°时，转弯带来的纵向误差为48m。再加上卫星定位精度，可得纵向误差最大值为58m。如果路径规划的更好，只需按θ＝30°的角度转弯，则转弯引起的纵向误差可迅速降为14m，加上卫星定位精度，误差才24m。因此，在路径规划时，可以通过规划相对较小的转弯角度来减小因转弯引起的纵向误差。

直升机在转弯过后，进入直飞阶段，这时的定位误差主要由卫星定位精度引起。与横向误差相似，在每条直线段上，至少有2／3的长度上纵向误差是很小的。

5 结语

论文针对陆航隐蔽机动无法提供定位及识别信息的问题，在基于运用数据链的基础上提出了一种新的指挥控制方式，即由陆航指挥所周期性地发送直升机飞行路径指令，直升机被动地接收并严格执行，网内其它参与平台将指令视作直升机定位信息的方式，实现直升机平台定位信息的获取。通过分析计算，确定了路径带宽度及最小直线段长度，以及它们与直升机定位精度的关系。进一步研究发现，尽管存在定位误差，但最大误差发生在直升机转弯处，其大小可以预测，且可通过合理的路径规划有效地降低，如减小直升机的转弯角度等。在直升机沿直线飞行路径上的定位误差则较小，主要由风速、风向及驾驶操作等随机因素导致，即使是直升机自己报告的定位信息，这种误差也是存在的。因此，只要把直升机的飞行路径看作是一条路径带，就可以准确地将其定位。并且，网络中各参与平台通过比对路径带及直升机飞行的路径变化规律，还可对其准确地识别。

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