导弹防御指挥控制与作战管理系统研究

杨雪榕 程子龙 肖龙龙

随着信息技术的发展,以网络为中心基于信息系统的体系化作战系统,成为了新时代高科技战争的主角.自动化、无人化、精确化、非接触已经成为未来作战的主流形式,除了武器系统平台自主作战能力的提升,其指挥控制系统的高度智能化与自主化也成为必然的发展方向.战场信息收集与共享、作战态势的分析与评估、作战方案拟定与优化等活动,都将以一个高度集成化的指挥控制系统为核心展开.由此,在未来的装备体系建设中,指挥控制系统将与装备平台一并成为研究和发展的关键.

弹道导弹防御系统作为目前信息化程度和自主能力要求最高的体系化作战系统,其指挥控制问题,一直是其发展的核心问题之一.以美国弹道导弹防御系统的研制发展为例,其主要集中在传感器、武器和指挥控制作战管理通信系统(Command,control and battle management communication,C2BMC)[1]这3个最基本的组成部分上.从网络中心战的物理域、信息域、认知域[2]这3个划分领域来看,导弹防御指挥控制与作战管理系统则是横跨这3个领域实现导弹防御全系统融合的核心关键.

导弹防御系统由分布于不同地点的传感器、武器系统、指挥控制系统以及支持系统构成,共同完成对来袭导弹的预警识别、监视跟踪和拦截摧毁任务.由于导弹防御技术难度大、实时性要求高,采用传统的作战指挥控制与管理模式,已不能完全胜任复杂条件下对多目标、多样式威胁的全面防御.构建一个高度自主的一体化导弹防御指挥控制与作战管理系统,对导弹防御系统的综合作战能力的发挥,起着至关重要的作用.

本文以美国导弹防御系统的指挥控制作战管理通信系统基本能力分析为基础,提出导弹防御指挥控制与作战管理系统的基本方案设想,并给出研制发展的关键技术及核心问题,为我国导弹防御系统建设提供参考.

1 美国C2BMC系统分析

1.1 基本概况

由于历史原因,美国各军种针对不同的威胁,各自独立地发展了很多导弹防御系统,如“爱国者”反导系统,末端高空区域防御系统,宙斯盾弹道导弹防御系统等.与这些系统相匹配的是,一个独立的作战管理/指挥控制和通信—BM/C3系统.

这些系统有各自独立的传感器、武器和火控系统,相互之间无法共享信息和数据.将它们通过点对点方式松散的连接在一起,不能构成一个真正一体化的导弹防御系统,也无法通过优化的传感器武器系统组合来同时应对单个或多个不同射程的目标.

针对这种情况,2002年由美导弹防御局首次提出“指挥控制、作战管理和通信(C2BMC)”系统,作为美国全球性的导弹防御指挥控制系统,并将原有各个导弹防御系统的BM/C3系统称为C2BMC分系统[3].

C2BMC系统的主要承包商为洛克希德马丁公司,团队的主要成员有诺斯罗普格鲁曼公司、波音公司、雷神公司、通用动力公司.

C2BMC系统目前正在使用的是6.4版本,主要部署在太平洋司令部、北方司令部、战略司令部和欧洲司令部,实现了早期预警雷达、前置X波段远程预警雷达、宙斯盾雷达系统等传感器系统及陆基中段反导系统的管理与控制.图1展示出了C2BMC系统在导弹防御系统中的核心地位.

截至2017年,C2BMC将同时使用6.4和8.2两个版本.8.2版本在升级态势感知、协同作战管理等具体能力的同时,将进一步提高系统可靠性、安全性,具备与未来的“持续跟踪与监视系统”和C2BMC实验室互联能力.

预计到2020年,C2BMC系统8.2版将完成研制部署.届时,系统对威胁目标识别率将大大提高,并能够实现作战单元与敏感器资源的全面自动化管理.

图1 美国C2BMC系统地位

1.2 系统主要组成及功能

C2BMC系统通过弹道导弹防御通信网络,实现全球资源之间双向数据交流,对美国导弹防御作战力量发挥着指挥中枢和力量“倍增器”的作用.

如图2所示,C2BMC系统的指挥控制、作战管理和通信3大功能,主要由一系列软件套件和硬件计算通信设备实现.

图2 美国C2BMC系统主要功能

1.2.1 指挥控制

指挥控制功能主要负责对导弹防御行动进行规划和监视.它提供决策辅助应用程序,近实时地将信息和防御备选方案进行结合,从而为基于可靠信息的决策和缩短决策周期提供作战辅助.

通过该系统,指挥人员能够根据快速变化的态势和威胁情况,并迅速对资源进行转移和重新分配.

1)防御方案规划

防御方案规划功能由一系列软件工具实现,用于全球导弹防御和战区导弹防御计划制订过程中的各个阶段,包括危机前的防御方案优化、危机发生后的实时防御规划以及在交战过程中动态计划调整.具体能力包括:a)基于情报的威胁情况分析;b)己方受保护资产数据分析,包括关键程度、脆弱程度、恢复能力等;c)部署规划和弹道导弹防御部队任务设计;d)防御能力评估,包括传感器、武器性能评估.

2)态势感知

态势感知功能依靠一些列信息、数据处理和用户界面工具,掌控整个导弹防御作战态势,包括接收和显示弹道导弹防御部队作战状态数据、评估作战能力变化动态、监视拦截作战状态、评估弹道导弹防御作战的战果.主要功能有:a)陆基中段反导态势数据处理与显示;b)作战单元操作运行状态显示;c)弹道跟踪轨迹显示;d)地标与防护能力显示;e)天基红外预警信息显示.

1.2.2 作战管理

作战管理功能由一系列高度自动化的软件系统共同实现,通过综合所获得的信息,提供近实时的任务分配和状态信息,从而使系统根据预先计划做出反应,进而实现传感器组网与协同工作、跟踪数据融合、目标特征识别、威胁评估、一体化火力控制等能力.

1)敏感器资源管理

敏感器资源管理功能由自动决策支持工具和用户界面组成,作战人员可以对前沿部署的AN/TPY-2远程早期预警雷达进行控制,具体包括:a)改变雷达的控制条件和任务模式[4];b)选择和激活雷达的任务模式和搜索规划;c)指挥雷达搜索天基红外系统报告的战略威胁;d)启动或终止对特定弹道导弹轨迹的跟踪等.

2)弹道跟踪管理与分发

弹道跟踪管理与分发功能由弹道跟踪服务器负责,通过收集和融合处理早期预警系统和雷达跟踪数据,并将融合弹道分发至雷达和作战单元用于目标跟踪和作战准备.具体功能包括:a)雷达跟踪数据融合与处理;b)高精度弹道预报,得出威胁发射点和弹着点;c)目标识别、发射事件与弹道数据整合,用于作战决策;d)弹道跟踪数据分发.

3)协同作战管理

协同作战管理功能主要部署在不同作战中心的管理套件,自动化的完成威胁识别、评估,战场敏感器和武器系统作战能力计算、作战预案匹配等任务,是整个C2BMC的实现关键核心,具体功能有:a)基于先验信息的威胁辨识;b)基于落点预报的威胁评估;c)加权的跟踪优先级确定与拦截目标选择;d)观测的威胁与防御预案匹配;e)敏感器、武器系统可见性分析与作战时机计算;f)作战状态监控与作战计划评估;g)最优拦截武器推荐与协同作战管理决策辅助.

1.2.3 通信系统

通信系统功能将利用现有及在建的全球通信网 (GMD communications network,GCN)、国防信息系统网(Defense information system network,DISN)等,无缝地连接全球各导弹防御系统,实现系统之间的数据交换和各资源的网络互联.整个弹道导弹防御系统将被综合集成到一起并通过高可靠性的互联互通实现内部用户和外部用户的态势共享.

弹道导弹防御系统的网络运行中心通过综合网络管理系统分配作战带宽,通过战略司令部的联合网络管理系统提供网络集成管理.

1.3 未来发展重点

C2BMC系统正在发展研制的8.2版本,将对系统整体架构、作战管理自动化等方面进行整合和优化,主要表现在:

1)强化全球作战管理功能

对作战管理功能进行整合,将6.4版本中的作战司令部指挥控制套件,整合到全球作战管理套件中,形成统一的作战管理系统;重新规划了系统的软件架构,采用分布式的网络体系结构,实现以网络为中心的全球指挥控制与战区独立作战试验并存的运行模式.

2)进一步加强作战管理系统自动化处理功能

C2BMC系统未来将全面部署自动化的威胁评估、目标选择与跟踪、敏感器武器调度、战场态势评估[5]等功能,实现预案支持下的导弹防御作战全程自动化管理,减少人为因素对系统执行效率的影响,提高系统响应速度,提升整体作战效能.

3)增加顶空持续红外监视体系架构(BMDS overhead persistent infrared architecture,BOA)

现阶段C2BMC采用的天基红外预警信息,来源自综合战术预警和攻击评估(Integrated tactical warning and attack assessment,ITW/AA)得出的低虚警率预警报告,该报告主要服务于核反击决策,时效性较低;未来通过BOA系统可直接获取天基红外预警系统的数据,自动生成威胁发射事件和弹道,用于引导敏感器观测和武器系统作战准备,提高了系统反应效率.而来自于ITW/AA的预警报告还是最终决策重要依据.

4)继续增强任务规划和目标弹道跟踪能力

加入更多的敏感器资源,增强敏感器资源管理规划能力.直接引入天基红外监视信息,综合情报、雷达监测信息等多元信息,应用基于多重假设相关性分析[6]、弹道导弹发射事件关联性分析方法,提高信息融合与目标辨识能力.

5)增强同时作战与试验支持能力

通过节点化、层次化系统的构建[7],增加了系统的灵活性,既能够适应新型装备的接入,也能够支持全战区协同作战和导弹拦截试验.

2 建设导弹防御指挥控制与作战管理系统的总体方案设想

弹道导弹防御是一个体系化对抗任务,必须全面地发挥体系内资源的能力,才能实现对各类威胁的有效防御,而指挥控制与作战管理系统正是实现全面资源调度与控制的基石.导弹防御指挥控制与作战管理系统总体架构,如图3所示.

2.1 数据融合系统

数据融合系统获取传感器和武器系统提供的探测信号和状态数据,通过多源信息检测、目标估计、态势估计、威胁估计、效果估计,最终产生综合态势融合信息提供给一体化指挥控制和协同作战管理系统[8].

多源信息检测主要是对来自各种传感器的原始数据或原始图像,进行信号、像素级的检测、特征提取、杂波滤除、数据关联等处理,从多种传感器的不同频谱特性来检测目标是否存在,以便在不同物理特性上发现和识别目标,为较高层次的信息融合进行完整准确的目标状态和属性估计提供支持[9].

目标估计主要依据多源信息检测数据,对战场上单个目标的实时状态、身份和属性进行估计.

态势估计主要利用目标估计结果,并结合其他信息源的情报信息和战场环境信息,对战场上各个目标进行聚类,并对其进行关系分析,估计出敌人的作战企图、作战能力、机动性等,最终给出战场综合态势图.

威胁估计主要依据目标估计和态势估计结果,结合战场环境和己方的信息,对敌方能力、威胁企图和对我方威胁程度进行估计,并给出定量计算的结果,如强度、威胁企图、威胁等级和威胁时间等.

效果估计主要是对信息融合系统的性能和效能进行度量和评估,以及对战场监视和侦察的各个传感器和信息源进行管理和优化控制,以取得最佳的战场监视和信息获取效果.

2.2 协同作战管理系统

协同作战管理系统获取综合态势信息和数据库先验信息,推理得到协同跟踪控制和协同拦截控制策略,并将控制策略发送给一体化指挥控制系统供指控人员决策.同时将目标融合弹道、目标指示信息等作战基础信息发送给传感器和武器系统,用于跟踪和火力准备.

图3 导弹防御指挥控制与作战管理系统总体架构

协同跟踪控制模块根据已有防御计划或任务需求,通过协同探测方案,优化调度传感器系统各单元,完成目标的跟踪与监视.协同拦截控制通过多层拦截火力分配方案优化,实现对武器系统的协同调度.

2.3 一体化指挥控制系统

一体化指挥控制系统根据综合态势信息产生防御计划,经过态势感知产生可行决策方案供指挥人员选择,同时生成指挥控制命令发送给传感器和武器系统.防御方案规划可进行危机前的防御方案优化、危机发生后的实时防御规划以及在交战过程中动态计划调整.生成的防御预案可以存入数据库,作为自动化协同作战管理的依据和参考.

态势感知模块根据数据融合信息,通过态势综合显示技术得到全面、直观的战场态势信息.指控决策模块根据综合态势信息生成候选打击方案供指控人员选择.

2.4 支持系统

支持系统主要指数据库系统、计算服务系统和网络管理系统等用于支持指挥控制与作战管理系统运行的软硬件环境.其中,数据库系统作为整个指挥控制与作战管理系统基础信息资源中心,为数据融合、作战管理、一体化指挥控制提供数据支持主要负责管理各种情报资源数据、作战预案数据、装备信息数据和受保护资产数据等.

3 发展导弹防御指挥控制与作战管理系统的关键技术

由于导弹防御系统的高技术性、复杂性,美国的C2BMC系统采用“设计一点、研制一点、部署一点、了解更多”的螺旋式原则进行研制和部署,经历了漫长的发展历程.

我国发展建设导弹防御指挥控制与作战管理系统,除了发展健全完备的通信网络、构建完整的信息链路、设计合理的指控组织体系与架构以外,还有许多核心关键技术有待研究和突破.

3.1 导弹防御作战态势感知技术

导弹防御作战态势感知需要对作战空间中各种传感器、拦截武器系统、来袭导弹的基本情况予以综合和显示,形成尽量完备的情报信息数据,供指挥人员参考.

在作战态势感知中,将面临信息可信度等级不同、信息缺失或冗余、信息数据率变化等问题,这就需要进行态势估计,将获得的所有战场力量的部署、活动、战场周围环境、作战意图及机动性有机结合,分析并确定发生的事件,估计敌方的兵力机构、使用特点,最终形成战场综合态势图.

作战态势感知还应包括基本的威胁评估,能够给出威胁程度的定量描述,如强度、威胁企图、威胁等级和威胁时间等.威胁评估需要在情报数据和弹道预报基础上,结合我方高价值目标和资产情况,分析敌方企图,对比来袭导弹作战能力及我方防御能力,得出来袭导弹的威胁.

3.2 多源数据融合与弹道预报技术

数据融合是一个组合数据和信息以估计或预测实体状态的过程,具体来说,是指对来自单个和多个传感器的信息和数据进行多层次、多方面的处理,包括自动检测、关联、相关、估计和组合.

多源数据融合与弹道预报技术的研究是要在典型目标特征、推理规则和框架数据库的基础上,实现目标状态估计和身份识别,准确地预测来袭导弹的可能弹道,从而为指挥控制提供信息支持.

目标识别是一个较为复杂的过程,需要大量情报数据的支持,由此一个完备的来袭目标特性数据库是必不可少的.识别过程中需要使用预测推理方法,如神经网络[10]等,以加快数据搜索匹配的速度,提高识别概率.

弹道预报一直是导弹动力学研究的前沿,目标是预测出导弹的飞行轨迹,从而准确跟踪测量和防御拦截.在导弹防御中,导弹预报不仅面临动力学问题,还面临导弹自主机动等不确定行为下的弹道预测问题,需要使用各种探测数据源的信息,通过状态估计和数据关联[11],得出导弹的真实弹道.

3.3 防御拦截协同作战管理技术

导弹防御是一个体系化的作战任务,往往需要调度系统内所有传感器、武器资源,来完成一次拦截任务.这就需要构建一个分层协作的多层拦截体系,以增强作战效能.

协同作战管理就是要实现多层传感器协同工作、多层拦截武器协同交接、多目标协同分配拦截等任务,从而实现作战资源的优化配置.为此,需要要据目标特性与威胁程度,以传感器、拦截器的作战能力为约束,优化搜索、跟踪、识别传感器配置,实现分层拦截之间的可靠交接,提高导弹拦截成功率.

协同作战管理的实现,需要突破多目标优化计算的快速收敛和全局寻优问题,需要克服实时性要求高、状态不断变化、不确定性高等难题,这不仅要求有鲁棒性高、计算效率高的优化算法,还要求预先设计的协同方案的有力支持.

3.4 防御资源优化配置与动态规划技术

协同作战管理是实时用好系统资源,而资源优化配置则是在构建防御体系时就需要考虑的问题.针对敌方导弹打击能力,以及我方各型装备能力、重点保护目标情况,建立一个作战效能较优的防御体系是资源优化配置首要任务.在此基础上,还需要开展作战预案数据库的建立,根据各种情况想定,把体系内的各种反导装备有机集成起来,形成一系列防御作战预案,供作战管理实时应用.

动态规划是在作战过程中,针对当前作战态势,以作战预案为支撑,以传感器、武器系统的状态能力,实时给出指挥控制决策建议的过程.它涉及分阶段行动的最优化问题、作战全局最优策略规划问题.导弹防御作战中状态变量多,不同的作战目标下可能得出完全不同的决策,每一个阶段决策都会影响到全局作战效能,由此,如何在如此复杂的过程中,动态得出一系列决策建议是一个需要解决的难题.

在防御系统建设初期就充分考虑各种情况的需求,构建适当的冗余系统、降低各种资源使用的强约束条件,可以有效降低对资源优化配置与动态规划的要求.在研究基础算法的基础上,需要开展较为充分的作战预案研究,可为动态规划提供先验参考,以提高决策效率.

4 结束语

导弹防御体系的建设,不仅需要在关键技术和关键武器装备上有所突破,还需要从整体上优化论证.加强指挥控制与作战管理问题的研究,对导弹防御体系的整体效能发挥具有重要的意义,是全体系各新型传感器、武器系统有效整合,形成体系能力的重要保障.

本文在分析美国导弹防御C2BMC系统的基础上,给出了发展建设导弹防御指挥控制与作战管理系统的方案设想,提出了需要重点关注的关键技术问题,可以作为我国发展导弹防御系统的参考.