高级教练机任务规划系统设计及应用

张明明，王 敏，万 鸣，夏正娜，王 魁

（航空工业洪都，南昌 330024）

0 引言

自20 世纪80 年代以来，世界各国纷纷开展了任务规划技术的研究。以美军为代表的西方国家最早开展任务规划的研究、研制和应用，在世界处于领先地位，任务规划技术在未来信息化战争中具有重要的军事价值和广阔的应用前景，其研究成果对推动国民经济的发展和国防力量的建设具有极为重要的意义。

美军的任务规划系统发展最早、最全面，遥遥领先于其他国家，因此，国外任务规划系统发展主要介绍美军的情况。自20 世纪70 年代起步，主要经历了起步、扩展和统型3 个发展阶段。

起步阶段：70 年代中期至80 年代中期，随着计算机技术的进步，计算机开始在军事领域普及使用。此阶段标志性成果是出现计算机辅助决策，作战指挥由纸上作业转变为电子地图作业。主要有：1980 年开始装备计算机辅助任务计划系统CAMPS。

扩展阶段：80 年代中期至90 年代中期，陆、海、空三军各自研发主战武器任务规划系统，代表性的装备有“战斧”的巡航导弹任务规划系统、1996 年完成Windows 环境下的便携式飞行计划软件PFPS，1998 年海军任务规划系统NavMPS 定版，武器平台级的任务规划系统在此阶段得到迅猛发展。

统型阶段：90 年代中期以来，同指挥信息系统的发展脉络一致，随着各型任务规划系统的发展建设，军队上层开始意识到任务规划系统建设也不能各立门户、各自为战。由此，美军开始注重系统建设的统一规划，把任务规划系统作为指挥信息系统的一部分，注重不同系统之间的兼容与互联、互通、互操作，开发了各军种通用的任务规划系统。2002 年研制出用于陆、海、空三军联合任务规划系统JMPS。

任务规划系统真正在实战中发挥强大作用是在海湾战争期间，为多国部队的成功作战做出了重大贡献，并引起了各国的高度重视。之后美军在对阿富汗作战以及伊拉克战争中更是广泛使用任务规划系统，为部队快速行动奠定了基础。任务规划系统的广泛应用取得了显著的作战效果，作为大脑，任务规划是武器系统发挥其作战效能的重要保证。

随着国际形势的挑战及训练体制改革深化，尤其是新训练大纲的推广，部队训练需向实战化贴近，训练强度需不断加大。因此，高级教练机不仅具备较全面的战术训练功能，满足飞行学员实战化训练需求，还需要执行“战斗值班”、“伴随训练”任务。而任务规划系统是高级教练机必不可少的一部分。

与国外相比，我国关于飞行器任务规划问题的研究起步较晚。国内学者从20 世纪80 年代开始进行任务规划方面的研究，最初的研究主要集中在地形跟踪与回避方面。到20 世纪90 年代，任务规划技术的研究得到了实质性进展，中国航天科工三院三部、国防科技大学、哈尔滨工业大学、西北工业大学等科研机构和高校开展了飞行器任务规划技术研究。进入21 世纪后，随着计算机技术、网络技术、卫星通信技术等相关技术的不断发展，我国的任务规划技术也开始向集成化、动态化、便携化方向发展，但相距西方的技术水平还有一定差距，并且在高级教练机上还未应用。因此，开展高级教练机的任务规划系统设计及应用已迫在眉睫。

1 教练机任务规划系统内涵

高级教练机的任务规划系统能够充分利用地理、情报等信息，以及飞机、武器、航空电子系统的技术性能，对飞机的突防突击战术、飞行航线规划、武器攻击航线规划，以及机载传感器的操作及使用进行综合设计与优化，更好地衔接战斗机的训练。系统能够在飞行后全面验证和评估飞行任务完成情况，全方位、多视角地重现任务完成过程。高级教练机任务规划系统的主要特点：

1）高效、科学、精确、协同地支持飞行、训练任务。能够按照指定的训练科目和飞行任务设置，为用户制定有针对性的、面向实战要求的训练任务计划，为飞机制定详细的飞行计划，对飞行轨迹、时间、动作等进行精确规划，并进行有针对性的分析评估，确保飞行安全、提高训练效果；能够为指挥员、飞行员、战勤人员掌握作战流程与方法，针对具体环境和作战目标研究战术战法，真正做到像作战一样训练。

2）能够组织实施复杂环境下联合训练。能够支持飞机编队与其他编队的协同规划，提高战术任务执行的协同性，以适应空中合作训练任务；能够支持飞机对地面部队的空中支援规划，实现编队与地面兵力在时间、空间、频域及火力支援等的协同配合，从而提高空- 地战术任务执行的协同性，以支持近距空中支援为主的空地联合训练任务。

3）组织实施快速精确化作战。任务规划系统的设计与应用，能够提供先进的规划手段对作战行动，特别是飞机对地攻击行动的全过程进行精确化设计，提高其作战实施的精确性，包括作战过程计划的精确性和作战目标达成的精确性。

任务规划系统通过系统设计与应用，缩短作战任务计划、训练计划、飞行表演计划等的生成时间，提高任务执行的精确性和协同性，任务规划系统的使用促使飞行学员全面提高战术素质，帮助飞行学员提高自主飞行、自主空战、自主执行各类作战任务的能力，促进飞机培训单位训练水平、作战效能、实战能力的提升。

2 教练机任务规划系统设计

2.1 系统组成

任务规划系统硬件产品由服务器、工作站、打印机、网络交换机等组成。为了适应大数据量运算需求，该计算机还需具备硬件加速的扩展能力。任务规划系统可连接打印机用于输出多种尺寸规格的任务简报、领航卡片和其他资料等。

2.2 系统主要功能

系统具备预先飞行/战斗任务规划和飞行重现与评估的能力。

2.2.1 作战、训练的任务规划能力

系统在获取准确的任务数据、基础数据、情报数据等基础上，辅助飞行员和战勤人员，依据既定的任务目标，综合考虑影响作战编队战术任务执行的各项因素，快速准确地制定适应复杂战场环境，满足飞机的各类任务需求的战术任务计划，大幅提高编队战术任务计划的有效性和精确性。

2.2.2 飞行情景重现与评估能力

通过飞参数据处理与回放，任务数据（事件数据）处理及回放等手段对飞行过程进行全面、完整和同步的情景回放或再现，使任务评估人员可以全方位、多视角地观察近乎真实的任务完成过程。

2.2.3 联入作战体系的能力

系统可实现指挥信息系统的互联互通，系统可接收相关系统提供的各类任务规划数据，以此为基础生成战术任务计划后提交上级指挥机构；可与飞机联通，系统所生成的战术任务计划可通过数据加载卡加载至飞机，辅助飞行人员执行任务。

2.3 系统软件架构

任务规划系统的软件设计采用开放式体系架构，包括数据层、基础框架层、通用组件层和专用组件层，实现各层之间的松耦合交联关系，便于系统的联合开发与升级扩展。如图1 所示。

图1 任务规划系统软件架构图

1）基础框架层在操作系统之上构建基础的数据服务、系统管理以及组件的装配/应用机制，通过对一系列通用组件和专用组件的集成，可以配置和运行任务规划环境，为飞机及其机载设备提供预先战术任务规划。

2）数据层是任务规划软件架构中的最底层，包含支撑任务规划系统运行和作业的多个数据库，统称为系统运行库。主要包括基础数据、情报数据和任务数据库。

3）通用组件层是完成任务规划所需要的，与具体机型无关的公共任务规划功能，提供面向不同规划业务的公共服务和工具集。如威胁分析组件等。

4）专用组件层针对飞机及其机载设备，在公共组件支持下加载其特定的模型和数据，并考虑其特定的规划流程和方法，支持该机型的任务规划。

2.4 规划流程

首先，任务规划系统接收来自上级的作战任务信息。然后对相关数据进行准备、分析，进行预先任务规划。针对不同的任务类型，分别进行任务分析、目标区规划、武器/传感器规划、航线规划等，并对编队内的详细计划进行综合。规划完成后，就可对整个计划进行预演评估，上报计划，获得上级批准后输出加载数据。任务执行完成后，从数据加载卡获取记录的数据，进行飞行重现，并与预先任务计划进行对比评估。流程图如图2 所示。

图2 任务规划系统规划流程图

主要的分析、规划内容如下：

2.4.1 任务分析

接收上级指挥控制系统任务指令，对任务进行分析和重述，设定任务所涉及的武器、威胁、目标、瞄准点等信息，定义任务及任务要素之间的关系。

2.4.2 目标分析

分析待攻击目标特性及要达到的毁伤效果，为确定攻击目标的武器类型、数量、投放方式，攻击航线的规划，传感器搜索方式等提供参考依据。

2.4.3 威胁分析

根据情报数据（威胁类型、地形等）结合任务规划系统中的探测类武器威胁空间模型、地空导弹威胁空间模型、高炮威胁空间模型等，分析计算出敌方雷达、地导、高炮等防空威胁系统在不同高度层的探测范围和火力杀伤范围。为攻击航路规划提供依据。

2.4.4 武器挂载方案规划

根据飞机挂载能力、各型武器参数以及载油量，结合目标特性，计算飞机挂载后的载重、配平和阻力系数等参数，并结合武器挂点规则，生成挂载方案，并进行可行性约束检查。

2.4.5 战术规划

综合考虑目标、地形、气象、威胁等战场态势信息以及飞行员自身的战术水平，并结合飞机自身的特性，对战术运用过程进行建模和设计，协调单机或编队内各成员飞机之间的战术行动时序和空间关系，实现飞机基本战术机动、典型战术战法、作战行动流程及时序的规划，生成较优战术实施方案。

2.4.6 武器投放规划

针对空地攻击，快速准确地制定优化的武器投放参数和载机机动轨迹，最大化攻击效能，具体包括：武器弹道计算、弹片散布范围计算、武器攻击包线计算等能力。

针对空战，提供空空导弹加载参数设置、优化，参数约束检查等功能。

2.4.7 航线规划

确定任务过程中各关键航线点属性，并通过调用飞机的飞行性能模型、油耗消耗模型、大气环境模型等，对任务编队航线、活动方法、飞行模式等进行细化，计算出精确的飞行距离、飞行剖面、时间和油耗等。航线规划的方法主要有燃油规划引导、时间规划引导。

燃油规划引导根据飞行性能模型（包括正常爬升/下降和巡航查询数据、最佳爬升/下降和最佳巡航查询数据等）、外挂阻力数据及重量、油量消耗模型计算每种模式下的每一航线段的燃油消耗，并在用户界面上显示Joker 油量、Bingo 油量，提示飞行学员爬升/下降和巡航所需的最佳速度。

时间规划引导根据飞行性能模型、每个航点的预达时刻，计算出每个航线段的最佳爬升/下降和巡航的所需速度。例如选择了一个集合点，时间计算生成一个起飞时间，以实现该集合点的预计到达时间。主要应用于飞行表演的预定点、战术规划的集合点、近距空中支援的IP 点等。

2.4.8 起降规划

起飞规划：分析指定的飞机重量、跑道条件下的滑跑距离和最小起飞速度；

降落规划：分析指定飞机重量、跑道条件下的飞机滑跑距离，建立各个机场/跑道的归航资料数据库，为用户的主／备降场提供归航资料。

2.4.9 协同规划

依据作战安全规定、空域使用规则等对各编队/单机的规划结果进行冲突查找和优化，通过调整起飞时间、频段使用等方式消除各编队/单机在空间、时间、频域上的冲突，使整体任务计划协调一致。

2.4.10 预演分析

对任务进行预先推演，即针对各编队/单机的规划结果，在统一的战场环境中进行预演，发现潜在缺陷，熟悉作战流程，确保行动计划完整周密执行，推演过程中，提供分析评估功能，对编队/单机的突防概率、任务成功率进行评估。能够在二维、三维数字地图环境中，对任务场景和执行过程进行仿真预演示，模拟飞机和武器按规划航路飞行和攻击过程。

3 教练机任务规划系统未来的发展

高级教练机的任务规划系统与美军的便携式飞行规划软件PFPS 相当，但与现阶段发达国家的任务规划系统相比，任务规划相关技术还有很大的进步空间。因此，结合美军任务规划系统功能特点、发展经验及存在的差距，分析未来教练机任务规划系统发展趋势如下：

1）通用化的软件架构。随着体系作战概念的推广，任务规划系统也从各军种、各飞机的独立发展，迈向了统一框架的联合发展，美军所有的飞机、导弹、无人机的任务规划系统基本统一到了JMPS框架下。BAE 系统公司“权杖”（Scepter）任务规划和信息门户工具不仅应用于“台风”战斗机和“鹰式”教练机，还可以应用到空、陆、海和赛博域。因此，教练机任务规划系统需与战斗机的任务规划系统进行统一设计，具备通用的运行平台、标准的基础服务、规范的界面显示、一致的操作习惯，以便使飞行学员无缝衔接战斗机。同时，软件设计采用开放式体系结构，实现其灵活配置、易于扩展等特性。

2）动态规划功能。虽然任务规划系统制订了详细的任务计划，但战场态势实时变化，教练机任务规划系统需具备动态实时规划的功能，在飞机执行任务计划过程中，通过快速重规划方法进行飞行航线、威胁规避等飞行中实时任务计划调整。使飞行学员真实地进行实战训练。

3）智能化规划。在目前的训练体制下，飞行学员既要学习飞行驾驶技能，又要进行战术作战训练，对于飞行学员而言，压力很大。美国国防部（DoD）正在努力打造联合信息环境（JIE）。它是一种基于云计算环境发展联合作战任务规划服务与应用软件，构建作战大数据和利用信息挖掘手段进行使命分析和精准的战场态势判断。因此，任务规划系统需代替人在复杂的战场环境中进行作战任务的计划、管理、控制和决策，减轻飞行学员负担。

4 结论

任务规划系统是现代信息技术发展的产物，主要涉及到虚拟实景技术、数字测绘技术、数据仓库技术、计算机图形技术、海量数据存储和压缩技术、宽频光纤通讯技术、网络技术、面向对象技术、互操作技术等，呈现出网络化、开放性、智能化、动态多维性等发展趋势。在未来信息化战争中具有重要的军事价值和广阔的应用前景。高级教练机任务规划系统的设计及应用，希望能够促进我军任务规划系统的发展，促使我军建设多层次、体系化、模块化的任务规划系统。以适应未来高强度、多变化化战场环境、多兵种快速作战的需求。