舰艇编队队形自动导航控制问题研究∗

李 伟 李天伟 王书晓周 兵 张 勇

（1.海军大连舰艇学院航海系 大连 116018）（2.海军大连舰艇学院学院办公室 大连 116018）

1 引言

随着海军舰艇装备发展和使命任务的变化，大型舰艇编队作为海上作战集群形式将越来越普遍。舰艇编队的组成主要根据作战对象、作战环境、海上作战态势、作战时机、作战海域等不同条件进行合理编组，根据作战需要按照决策实时应变队形形式，达到打击、消灭敌人保存自己的目的［1］。相比于单个舰艇，多舰艇协作具有容错性和适应性强等优点，舰艇编队在航行中可以形成动态网络，各舰艇之间通过分工合作迅速准确地感知船队所在区域的环境信息，从而加快系统任务的完成，提高系统的工作效率［2］。舰艇编队队形控制是指通过选取合适的控制策略，使得多艘同类或不同类型舰艇组成的海上作战集团保持期望的相对态势，维持编队队形的协同运动和变换，同时适应环境及作战条件约束，最终完成特定作战任务的控制技术。编队队形最优化配置、及时准确变换和保持队形是实现编队综合防御能力和作战效能最大化的关键问题之一。

2 舰艇编队队形控制任务

舰船编队队形控制相关问题出发点主要是便于舰艇编队的航渡组织、火力发挥以及综合防御效能。编队队形的生成主要解决编队内部舰艇相互之间的相对位置配置问题。配置编队防御队形的基本要求包括：防御武器最有效的使用、降低敌打击效果、电子器材的电磁兼容性、严密观察、自由机动、便于指挥等；在进行导弹攻击组织时，编队内部不同型号水面舰艇装备的反舰导弹型号一般不相同，其技术战术性能也不相同，舰艇编队应根据各目标的威胁程度、本编队各舰艇反舰导弹的性能和每艘舰艇的打击效果，确定出最优的火力分配方案，使舰艇编队的整体作战效能达到最大［3］；在组织导弹对空防御和对潜防御时，为便于编队防御的组织［4］，还需要考虑编队对空对潜观察组织、防御的完整性、编队成员之间的任务分配等［5］；除此之外，编队作战还应进行备件优化配置、作战效能分析等。大型海上作战集群是现代海战中夺取制空权和制海权的重要利器，但是它面临的空中和水下威胁也越来越严峻。因此，利用舰艇编队内部的有限舰艇兵力，进行最优化的队形配置，以实现舰艇编队最优的对空对潜防御能力，对于提高舰艇编队的生命力和作战能力具有重要意义［6］。

舰艇编队成员均具有多种传感器，编队内部能够实现数据交换和态势感知，通过分享数据获得较为全面的环境信息，具有良好的机动性和灵活性［7］。为了实现舰艇编队运动协同控制，提升系统对环境自适应能力，扩大任务范围，提高任务执行效率、完成质量和在高危环境中的作战能力，必须解决舰载模块的状态感知和数据融合、任务分配和航迹规划、编队控制和通信组网等多个技术，并研究多项技术间的协同作用［8～10］。编队队形控制一般是借助成员间的局部交互实现多成员系统的群体行为，从而解决全局性的任务，具体需要解决的问题主要包括以下几个方面。

1）编队队形配置［11］：在满足约束条件的前提下，确定编队内部成员相互位置关系的问题；

2）编队队形保持：通过队形控制实现编队系统在运动中保持队形的稳定，即保证编队内部成员相对位置关系不变；

3）编队队形变换：编队系统按照任务需求，通过不同成员机动从一种队形变换到另一种队形的问题；

4）编队威胁规避：运动中遇到障碍或威胁因子时，整体改变编队运动规划或改变编队结构规避潜在威胁的问题；

5）编队自适应技术［12］：在动态不可预判的复杂环境下，编队系统自动保持或改变编队队形，实现最佳环境适应的问题。

3 舰艇编队队形控制过程

3.1 舰艇编队海上活动阶段划分

舰艇编队自有的海上存在特性，决定了舰艇控制主要解决编队航渡队形组织，以及组成既定攻击或防御队形时的问题［13］。

编队舰艇从各自不同的始发港口或待机锚地出发，在规定时间内到达预定集结点，通过一定的舰艇机动组成预定的编队队形。队形组成完毕，赴预定任务区航渡，期间必定会进行航向调整、规避障碍物或海上目标等，在此过程中需控制编队内部舰艇因子，以保持编队队形的稳定。为了应对复杂海区环境或编队防御任务转换，可能需要对编队队形进行调整或重构。

为实现编队整体监控或警戒范围的延伸，还需要排遣单个或多个舰艇，脱离编队执行侦察或警戒等任务，并应保持与原编队整体的同步机动。出列舰艇执行任务完毕需要回归编队，有时根据情况亦可能要求内部某个舰艇因子向基准舰靠拢，也就是召回某舰。进入任务区域后，编队需根据任务进行决策，编队内部舰艇执行各自的任务，在此过程中，内部舰艇因子可能会出现损毁。同时，敌我态势的随时变化可能导致攻防态势的转化，需要根据编队内部情况和外部态势调整编队队形。

任务完成之后，航渡返回过程中同样需要控制舰艇因子以保持队形。返回某个预定解散点后，编队解散，一般大型编队舰艇因子驻泊港口较为分散，编队内部相同驻泊方向的舰艇又需要重新集结共同返回驻泊地。

3.2 舰艇编队队形控制过程划分

按照编队海上航渡、作战流程，总体可以分为以下8个阶段，如图1所示。按照各个不同阶段的使命任务特点，对编队控制的过程进行相应划分。编队生成和编队解散所涉及的问题主要是编队集结问题，舰艇编队赴预定任务区航渡和编队返回基地组织则可归结为编队保持问题，编队航渡过程队形动态调整和编队作战队形则涉及到编队队形变换问题，编队出列和归队则可归为出入列问题。

4 舰艇编队队形控制关键问题解析

4.1 舰艇编队集结机动解算

编队集结主要考虑三个方面的问题。首先要保证从任意初始状态开始，依据特定约束条件，通过拟订合理航渡计划，最终使所有舰艇因子能够在有限的时间内到达某个集结点。一般而言，约束条件包括：编队集结完成时间最短；能够有效地避开障碍物或威胁；避免各舰艇因子之间的冲突或碰撞；舰艇因子速度限制；消耗燃油量最少等。其次，要设定或选取合适的队形，主要考虑武器的使用效能、航行安全等因素。最后，还应保证所有舰艇因子经过合适的机动后进入编队队形内指定的阵位，通常按照占领阵位方法进行计算。在机动过程中同样需要满足一些约束条件，包括机动所需区域尽可能小、执行简单、迅速、便于检查、不影响编队其他舰艇机动及特殊情况下的武器使用等。

4.2 舰艇编队集结机动解算

编队队形保持主要指在编队航渡过程中，如何实时地控制各个舰艇因子的运动轨迹，以保持编队队形的几何关系不变。编队保持有很重要的意义，比如在组成对空防御队形或对潜防御队形时，舰艇编队队形的改变将直接影响到防御效果，甚至会导致防御漏洞的出现。正常航行中编队队形保持并不是太大的问题，在舰艇编队整体规避障碍物或威胁以及编队转向，一旦航向放生变化，舰艇编队内部的各舰艇因子之间的阵位关系也将改变。因此，需要按照一定的规则进行机动使编队各舰重新组成预设队形。编队队形保持主要包括两类问题，即编队整体规避问题和编队转向解算。

4.3 舰艇编队队形变换机动解算

舰艇编队在航渡过程中，可能会遇到障碍物或敌方目标，或者编队内部某个舰艇因子出现故障或被摧毁，或者敌方情况发生较大变化时，需要根据当时的环境或态势及时地改变编队结构，以达到避险或提高任务效能的目的。在一个队形或队列中的舰艇严格地按照规定进行行动，并依次编成各种式样的队形称为队形变换，主要表现为改变队形的样式、变换舰艇在队形中的位置和改变舰艇之间的距离。队形变换与保持从本质上讲是同一类问题，变换是编队内各舰从初始阵位占领基准舰的指定阵位从而组成或变化成新的队形，保持是变换的特殊形式，是指当基准舰转向导致其余舰艇阵位变化时编队各舰重新组成原队形。

目前，舰艇编队队形变换与保持问题一般简化为占位机动求解，对舰艇间距较大的松散队形适用，但对于较密集的编队来说则缺乏对舰艇航行安全的考虑；为方便编队队形变换控制，也制定了编队运动规则来规范和协调舰艇队形的变换，主要出发角度在于编队的航行安全，只适用于小型编队，对于复杂队形的变换目前还没有比较成熟的方法。

4.4 编队舰艇出入列机动解算

出入列机动也是编队队形变换的一种类型，指编队中某一艘舰艇或某几艘舰艇由于战术需要离开编队序列，完成战术机动后重新回到原序列的过程。与通常意义的变换与保持机动内容不同，舰艇的变换与保持机动主要考虑机动舰与基准舰的相对运动关系，而出入列机动是为了特定的战术目的而进行的机动，需要讨论其与基准舰、目标（或限制条件）三者的关系。此外，在进行出入列机动解算时，还需要考虑入列时间、基准舰运动态势及海区环境等约束条件。归队机动是出入列机动的一种特殊形式，主要指在情况需要时要求某个舰艇因子向基准舰靠拢时所进行的机动。

4.5 机动解算与智能体编队控制方法的结合

舰艇编队队形保持与变化的机动解算，主要基于三角函数原理进行图上绘算，处理目标信息有限，实时性不强。借助计算机系统处理虽然可以大幅度提高机动绘算速度，但对于多舰艇的编队队形变换缺乏有效的数学模型，在结合舰艇编队军事活动，从宏观上解决编队内部基于作战和任务需求的简单队形变换的基础上，舰艇编队队形的控制应借鉴智能体系统队形控制技术的前沿性成果展开研究，实现编队队形控制的智能化辅助决策支持，解决海上大型编队队形控制的问题。

5 结语

舰艇编队控制的研究涉及到舰艇武器装备性能、舰艇操纵能力、自动化控制、编队航路规划、多传感器信息融合、管理决策及效能评估等诸多内容，虽然取得了一定的研究进展和成果，但距离实现大型舰艇编队队形实时有效控制还有很大差距，迫切需要开展在作战任务需求和复杂海区条件约束下的强鲁棒、高精度舰艇编队队形控制技术与方法研究。