地空导弹网络化协同防空作战系统研究*

王道重,滕克难,孙 媛,孙吉良

(1.海军航空大学,山东 烟台 264001;2.中国人民解放军91206部队,山东 青岛 266108)

现代空袭是有计划的、事先协调的、按约定时空关系实施的大规模对指定地面目标的空中攻击。在空袭体系执行作战任务过程中,呈现出集中指挥、快速性、协调性、隐蔽性、高强度和目标多样性等特点。随着信息网络技术的迅猛发展及其在军事上的普遍应用,战争形态已转变为信息化战争,多次局部战争表明:以空中打击为主的陆、海、空、天、电一体化的多维立体战成为现代空袭的主要样式。它实现了对打击对象的大纵深、多层次、多批次、多方向的全方位打击[1]。此外,空中目标的技术性能和空袭战术也发生了很大变化:在技术性能方面,目标的速度、射程、机动性能、抗干扰性能以及隐身性能都得到了较大提升;在空袭战术方面,目标在接近要地时多采用低空、超低空突防战术,实施饱和攻击以及防区外攻击,电子侦查、干扰与压制相结合[2]。空袭战术和空袭兵器的不断发展。推动了防空作战体系的发展,鉴于此,本文将对地空导弹网络化协同防空作战体系进行深入研究。

1 地空导弹网络化协同防空概述

1.1 基本概念

地空导弹网络化协同防空是基于“网络中心战”的思想[3],利用计算机和通信网络,将地空导弹各火力单元进行组网,使各火力单元下的作战节点(如指挥控制节点、探测跟踪节点、武器控制节点和发射节点等)集中指挥,并共享各火力单元的战场感知,再加上火力单元自身的同步和协调能力,从而达到提高指挥效率、提高武器作战效能、提高部队生存能力的目的。此外,传感器网具备“即插即用”的智能接口,各节点还可以根据作战需要以及实际情况实现动态接入与退出。

1.2 作战优势

地空导弹网络化协同防空具有以下几个优点:一是提高了整个作战体系的稳定性,当一个作战节点出现故障时,可以利用其他火力单元的作战节点来弥补,并不影响整个体系的作战效果;二是增加了作战体系防御低空和超低空目标的能力,通过各火力单元的协同探测和信息融合,相对于单个火力单元,可以做到提前发现目标,形成超视距拦截的优势,从而增加作战体系的反应时间和拦截次数;三是各火力单元在统一指挥下,可以根据实时的战场态势,使目标分配更加优化;四是可有效对抗反辐射导弹等干扰压制,利用接力制导的作战样式,对已发射的地空导弹的制导雷达进行切换,可以使敌方的反辐射导弹难以跟踪我方雷达所辐射的电磁波,从而达到在不影响我方防空导弹制导的情况下,使敌方反辐射导弹的命中率大幅降低[4]。

1.3 作战体系结构

将各地空导弹火力单元简单划分为指挥控制节点、探测跟踪节点、制导节点和发射节点。在地空导弹网络化协同防空作战体系中,各节点之间的关系如图1所示。

图1 作战节点关系

1)作战系统指控中心

作战系统指控中心汇集和融合所有作战平台探测跟踪节点的目标信息,形成统一的战场态势图,并实时更新,再通过威胁评估和目标分配等环节,对指挥控制节点、探测跟踪节点、制导节点和发射节点进行动态重组,形成拦截目标的最优组合。

2)指挥控制节点

指挥控制节点即各火力单元的指控中心,是指挥控制本火力单元武器系统作战的大脑。在协同作战情况下,其主要任务是指挥控制本级火力单元(必要时,可对其他火力单元进行接替指挥),通过通信网络,将探测跟踪信息和导弹状态信息发送给作战系统指控中心,再根据指挥控制中心的命令,对制导节点和发射节点进行指挥。

3)探测跟踪节点

探测跟踪节点的主要任务是探测和跟踪目标,为作战系统指控中心提供尽可能精确的目标指示信息;截获和跟踪我方导弹,为指挥控制中心提供我方导弹的状态信息。

4)制导节点

制导节点的主要任务是向导弹发送制导指令,同时接收导弹的回馈信息,不断对导弹进行指令修正,使其飞向目标。协同作战下,制导节点在必要时和条件允许的情况下可以对其他火力单元发射的导弹进行制导。

5)发射节点

发射节点主要由导弹和导弹发射系统组成,当发射系统接收到指控中心的发射命令后,做好装订数据和发射准备,并发射导弹。导弹进入中制导阶段后,根据制导节点发送的制导指令对导弹自身进行修正,并向制导节点发送回馈信息,以保证导弹准确的飞向目标。

1.4 作战过程

地空导弹网络化协同防空的作战过程(如图2所示)可以简单描述为以下几个环节。

1)各地空导弹火力单元根据上级指示命令做好作战准备,各火力单元协同探测,通过信息融合得到目标综合航迹,同时对目标进行综合识别,作战系统指控中心形成实时的统一的战场态势图,并实时共享给所有火力单元;

2)作战系统指控中心对来袭目标进行威胁评估、拦截排序和目标分配,在目标分配环节实现“发射节点-制导节点-来袭目标”优化匹配,形成新的“虚拟火力单元”,在“虚拟火力单元”中,探测跟踪节点、指挥控制节点、制导节点、发射节点等可能由不同火力单元的节点组成;

3)对临时形成的“虚拟火力单元”进行射击诸元计算,然后进入火力分配环节,其目的是把目标分配给拦截最有利的火力通道,当火力单元接收到发射命令后,对导弹进行参数装订并发射导弹,雷达截获导弹后,在中制导阶段不断向导弹发送指令修正,同时接收导弹的下行信息,如此循环使导弹不断飞向目标,如果需要接力制导,则对导弹进行制导权交接,最后导弹进入末制导阶段,自动寻的,实现弹目交会;

4)拦截效果评定,判断目标是否需要二次拦截以及目标是否进入下一拦截层。

图2 协同防空反导作战过程

2 作战模式

地空导弹网络化协同防空可实现协同跟踪、三角定位、距离信息支援、外部信息制导、接力制导五种组网作战模式。

2.1 协同跟踪

各地空导弹火力单元组网后,可将各火力单元的雷达探测信息进行融合处理,从而得到连续稳定的目标航迹,指控中心再将连续稳定的目标航迹共享给所有火力单元,协同跟踪的跟踪过程处理流程如图3所示。协同跟踪克服了单一作战平台跟踪目标不连续、不稳定的问题,这种作战模式主要应用于对抗各种干扰和隐身目标。

图3 协同跟踪流程

2.2 三角定位

三角定位是指利用两个火力单元的基线长度(即两个火力单元之间的距离)和两部雷达所测量的目标角度、角速度信息计算出目标距离的方法[5,6]。这种方法适用于两个作战平台的雷达都受到目标的自卫干扰,只能进行被动跟踪的情况。其原理如图4所示。

图4 三角定位原理图

在三维直角坐标系oxyz中,火力单元O与火力单元O1之间的距离为L,目标T在水平面xoy的投影为T1,在铅垂面xoz的投影为T2,设目标T的坐标为(xt,yt,zt),则

θ=α+β

(1)

在OT1O1中,根据正弦定理有

(2)

(3)

所以目标T在直角坐标系oxyz中的坐标为

(4)

值得注意的是,三角定位的方法对两个火力单元所测量出来的角度精确度要求非常高,测量出来的角度差之毫厘,经过三角定位计算,所得出的目标距离有可能失之千里。

2.3 距离信息支援

距离信息支援是利用其他火力单元测量的目标距离信息和本地测量的角度、角速度信息进行融合处理,解算出目标的位置和速度。距离信息支援的原理和三角定位原理类似,协同火力单元所测量的误差,将直接影响本地火力单元解算出来的目标位置和速度信息,相对于三角定位方法,距离信息支援能更加精确一些。距离信息支援适用于本地火力单元受到目标的自卫干扰,只能进行角度跟踪,而友邻协同火力单元可以提供目标距离信息的情况。

2.4 外部信息制导

外部信息制导是指本地火力单元没有探测跟踪到目标,但友邻协同火力单元(协同火力单元由于航路捷径过大等原因不能打击目标)可以为本地火力单元提供目标信息,使本地火力单元能够达到发射要求。外部信息制导如图5所示,来袭目标为飞机目标,采用超低空突防战术,由于受到地球曲率的影响,火力单元A的武器系统雷达未能发现目标。火力单元B率先探测到并跟踪目标,但由于目标航路捷径过大,火力单元B不适宜拦截,于是将目标信息发送给火力单元A,火力单元A通过火力单元B发送的目标信息进行射击诸元计算、发射导弹并形成制导指令等,最后完成对目标的拦截。外部信息制导适用于本地火力单元无法探测跟踪到目标,而友邻协同火力单元可以探测跟踪到目标,但协同火力单元由于各种原因不能发射导弹进行拦截的情况。

图5 外部信息制导

2.5 接力制导

所谓接力制导,是指导弹发射至命中目标这段时间内,制导指令通过不同的制导站接力发送给导弹,使导弹能够在飞行过程中,通过不断修正飞行弹道,达到击毁目标的目的[7]。接力制导示意图如图6所示,火力单元A遭到反辐射导弹的攻击,并且地空导弹已发射,火力单元A需要采用无线电静默的方式规避反辐射导弹,在中制导阶段,将地空导弹制导权交给火力单元B,此时,反辐射导弹由于过载等原因,无法改变太大方向去攻击火力单元B。如此接力制导,既可以规避反辐射导弹,又不影响地空导弹制导。

图6 接力制导示意图

3 协同防空组网作战信息流

3.1 地空导弹武器系统信息流

地空导弹武器系统独立作战时,目标的探测跟踪、威胁评估、射击诸元计算、火力分配等流程都是由地空导弹武器系统自主完成的。当探测跟踪系统发现目标后,按照指控中心的目指信息对目标进行粗跟踪和精跟踪,同时,探测跟踪系统要实时给指控中心提供目标航迹;当目标进入地空导弹发射区达到发射条件时,指控中心给武器发射系统下达发射命令,并提供导弹初始参数,发射系统完成对导弹的初始参数装订,发射地空导弹;制导系统根据指控中心发来的导弹参数对导弹进行截获,进入中制导阶段,制导系统制导地空导弹使其飞向目标;当导弹导引头截获目标后,进行中、末制导交班,地空导弹自寻的制导与目标相遇。地空导弹武器系统独立作战信息流如图7所示。

图7 地空导弹武器系统信息流

3.2 组网作战信息流

多地空导弹火力单元在集中指挥组网作战模式下,指挥控制中心对各火力单元协同探测信息进行融合处理,形成统一的战场态势,并利用融合后的空情信息进行威胁评估和目标分配等环节。各火力单元实时从指挥控制中心获取目标综合航迹,当接收到指控中心发射导弹命令时,利用融合后的综合航迹进行射击诸元计算、装订参数、发射并制导导弹飞向目标。多地空导弹火力单元组网作战信息流程如图8所示。

图8 组网作战信息流

4 结束语

本文以现代防空所面临的威胁为牵引,引出地空导弹网络化协同防空作战系统的相关概念;然后对地空导弹网络化协同防空作战系统的组网作战结构、各节点的功能及相互关系进行了详细阐述;最后给出了协同跟踪、三角定位、距离信息支援、外部信息制导和接力制导五种组网作战模式,并介绍了组网作战信息交互关系。本文的研究内容,可为地空导弹网络化协同防空作战提供理论支撑。