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多弹协同拦截综述与展望
魏明英1,2, 崔正达1, 李运迁1     
1. 北京电子工程总体研究所, 北京 100854;
2. 北京仿真中心, 北京 100854
摘要: 多弹协同是未来导弹发展的一个重要方向,根据协同效果可分为协同攻击、协同拦截、协同探测3大类。协同攻击发展起步较早,协同拦截已由信息协同逐渐发展到自主协同,而协同探测则是基础条件,随着技术的进步三者也在融合、发展。首先简述了多弹协同3类技术的发展历程,重点针对多弹协同拦截自主作战技术,分析其实现难点,并对未来发展方向进行展望。
关键词: 多弹协同    协同攻击    协同拦截    发展展望    协同探测    
Review and future development of multi-missile coordinated interception
WEI Mingying1,2, CUI Zhengda1, LI Yunqian1     
1. Beijing Institute of Radio Measurement, Beijing 100854, China;
2. Beijing Simulation Center, Beijing 100854, China
Abstract: Multi-missile coordination is an important direction of missile development in the future. According to the coordination effect, multi-missile coordination includes coordinated attack, coordinated interception, and coordinated detection. The development of cooperative attack started early, and cooperative interception has gradually developed from information collaboration to autonomous collaboration. Cooperative detection is the basic condition. With the progress of technology, these three categories are also converging and developing. In this paper, firstly, the development course of multi-missile cooperative guidance technology is briefly described, and the confrontation, fusion, and development of cooperative attack and cooperative interception are summarized. The key point is the autonomous combat technology of multi-missile cooperative long-range interception, and the difficulties of its technical implementation are analyzed, and the future development direction is presented.
Keywords: multi-missile cooperation    cooperative attack    cooperative interception    future development    cooperative detection    

现代战争呈现出体系化、信息化、智能化、多样化、广域化、超视距的特点,表现为交战双方在强烈、复杂态势下、在多维空间中进行体系间的对抗。无人机集群、卫星星座群、水下航行器群、导弹群[1]、预警加油机群、舰艇群、甚至异构集群交替协同作战,实现群体间高度融合、整体联动、优势互补、信息共享的能力。极大丰富了传统单枚导弹作战中有限的任务模式。以导弹为例,如:实现饱和攻击[2]、拒止条件下目标搜索识别能力、战场态势协同感知、武器系统协同战术隐身、联合电子对抗能力、目标信息多源获取能力等。此外还可以通过弹群中的领弹或部分导弹携带造价高昂的导引头[3],其他导弹仅带有成本较低的舵面控制部件,可达成降低作战成本、提升费效比的效果。

多弹协同维度的不同带来协同效果的多样性,其所需要的状态变量、控制策略均有所不同。按照协同效果来说可以将导弹协同分为协同攻击、协同拦截、协同探测、特种协同4项,其中前3项是本文主要讨论内容。

多弹协同攻击概念提出较早,公开的研究文献也较多[4-9],主要用于巡航导弹、弹道导弹等攻击地面、海面静止或低速目标,体现在时间、方位、落角的协同性,实现对目标的饱和攻击,提高毁伤概率。

多弹协同拦截最初的研究主要集中在信息协同,地基多火力单元之间或者舰队多舰船之间,通过目标指示信息协同、接力制导[10-12],突破平台跟踪、制导距离的局限。扩大防御面积,提高作战效能,实现对来袭目标的有效拦截。随着技术的进步和战争的发展,作战场景越来越复杂,拦截弹间的协同需求变得迫切,这时主要通过地面武器系统进行信息中转,以实现协同拦截。现在,空袭目标的机动性越来越强、可探测性越来越低、个数和模式越来越多样,多弹自主协同拦截逐渐发展起来,解决的问题主要包括3个方面:

1) 多弹通过信息共享、协同机动、方位互补,抵消目标的高机动特性,实现对目标的围捕。

2) 多弹分域搜索、视场拼接,在低精度指示信息条件下,实现弹群自主交班,确保对目标的稳定截获。

3) 多拦截弹对多目标的集群作战[13],实现场景认知、威胁评估、任务共识、时空匹配控制。

多弹协同探测从无人机、卫星等飞行器协同探测发展而来,随着多弹协同攻击、拦截的发展,信息共享成为基础条件,而多弹协同探测也成为一种必需的保障条件。不过不同导弹对于不同目标的探测条件差别很大,这也造成多弹协同探测发展的多样性。

随着技术的发展和战争需求的增长,拦截弹射程越来越大,已逐渐超出防御的范畴,带有攻击的性质。这就意味着,进攻弹需要考虑的因素拦截弹均需考虑,同时需要避免被敌方拦截弹进行反拦截,因此,拦截弹逐渐脱离传统的作战模式,开始与巡航导弹、弹道导弹进行融合发展。此外,在拦截弹射程超出地基雷达的支援范围外,多弹协同自主作战将成为必然。在此前提下,多弹协同攻击、协同拦截、协同探测开始融合发展,并成为一种趋势。

本文针对多弹协同3个方面:协同攻击、协同拦截、协同探测,分别简述了其研究现状和发展历程。而多弹协同拦截自主作战技术,作为协同3个方面的融合,重点分析了其技术难点,并对未来的发展方向进行了展望。

1 多弹协同攻击

多弹协同攻击用于解决单枚导弹在攻击时容易被拦截、生存概率低等问题。对导弹的攻击时间和碰撞落角进行控制,使得导弹群在同一时间、沿不同方向、以各自指定的落角进行攻击,实现对目标的饱和攻击,从而提高提升突防率和目标损毁概率。其协同效果的重点在于时间维度上的协同,辅以攻击方向或者碰撞角度的协同以达到四面八方同时进攻突防的效果,以提升体系防御下导弹的强突防能力、生存能力和强干扰体系下的协同干扰对抗能力。

多弹协同攻击最初大都假设目标静止,或目标移速缓慢可近似认为静止,在此前提下,将导弹的剩余飞行时间估计量作为弹间协同变量,各个导弹控制飞行时间趋近于收敛后的协同变量,实现同时到达的效果。其中,2005年Mclain和Beard[14]初次提出协同变量的概念之后,以协同变量作为不同个体之间相互传递的参数规范底层控制率,进而达到相应协同效果的手段被认为是一种通用的协同方法,这样就建立了协同制导的整体结构。2006年,Soo和Lee[15]针对反舰导弹提出的基于碰撞时间的制导控制率(ITCG),相当于提出了底层的控制律实现方法。此后,大量此类时间协同制导文献都以这两种控制策略为研究基础进行拓展。

在ITCG的基础上Soo和Lee[16]加入了碰撞角度的约束,发展出了ITACG制导律,该制导律可以在控制反舰导弹碰撞时间的同时,使得导弹的攻击角达到预先设定好的值,是实现协同攻击十分重要的一环。该制导律为了方便求解,采用了大量的近似和简化,使得其时间和角度可控范围、裕度有所降低,并且时间需要事先装订,不能随战场情况的改变而动态变化,不是该问题下的最优解,并不适合实际工程应用。针对最优解问题在集中式协同引导拓扑下,赵世钰和周锐[17]设计了二维平面中带有时间约束的偏置比例引导率,选取剩余时间为协调变量、控制能量之和为协调函数,实现了能量最小的二维平面时间协同。但是导弹向目标迫近时由于其过载项表达式含有距离项在分母,随着向目标迫近会发散超出可用过载限制,时间工程应用同样受限。

对于碰撞时间的动态预测问题,Kumar等[18]设计了基于滑模控制的时间协同引导律,其基于协调算法和撞击时间控制律相结合的思想实现了动态碰撞时间预测。在此基础上,张保峰等[19]利用变结构控制原理设计了角度约束下满足攻击时间和满足终端视线角的导引律,提出一种切换思想, 使得导弹在飞行过程中根据不同情况在两种导引律间合理切换,在二维平面中统一了飞行时间并同时兼顾攻击角度和视线角约束。但是其最终解只是时间和能量的次优解,滑模面之间频繁切换的方法也带来抖振和使得导弹产生大机动的弊端。

针对上述能量最优问题,Kumar和Ghose[20]采用基于滑模控制的时间约束导引律作为底层控制律,上层则以所有导弹滑模面偏差量总合最小为依据,得到期望攻击时间为剩余时间平均值的协同制导方法,实现了全局控制能量最优。但是,该方法采取的滑模控制表达式过于复杂,且无法实现多弹头饱和攻击的效果。此外,在工程上法向大机动会产生大的视场角,对于视场角较窄的导引头容易丢失目标。针对该问题,张友安等[21]从导引头视角视线的动力学方程出发,通过在比例导引律中附加非线性反馈项,设计了一种带有攻击时间控制及满足导引头视场限制的末制导律。

对于三维空间内的静止目标,Zhao等[22]采用三维比例引导可以将问题从二维拓展到三维空间。对于机动目标,王晓芳等[23]以目标为球心、领弹距目标的距离为半径构造虚拟球体,在虚拟球体上确定虚拟点且使得虚拟点和目标连线的方向为从弹的理想攻击方向,既保证了同时攻击,又保证了从弹攻击角度。不过,该方法只给出了从弹速度和弹道角的指令,对于轴向速度不可控导弹,使用较困难。

2 多弹协同拦截

多弹协同拦截是指针对空中来袭目标,防御方在信息融合基础上发射多枚拦截弹对目标进行协同拦截,以达到摧毁或阻止对方进入既定空域的防御技术。采用协同拦截的策略可以使各枚拦截弹相互协调配合,从而达到提高拦截成功率、与目标群进行协同对抗以及提升远程概略目标的搜索识别能力。

协同拦截与协同攻击最主要的区别在于拦截目标的高速和高机动性是不可忽略的。针对高速目标和高机动目标,协同策略有所不同,但达到协同拦截效果的重点均在时空的匹配性。针对高速目标,采用多弹分域拦截的方式,弥补系统响应时间的不足;针对高机动目标,采用多弹多方位拦截的方式,将目标机动能力的发挥降至最小。在目标同时具备高速、高机动特性的情况下,就需要多枚拦截弹基于博弈论,向不同的路径点进行预测式拦截,覆盖所有可能的空域,实现低中高空域、移动半径内的三位一体拦截。

协同拦截最初的研究主要是在信息层面的协同,随着空袭兵器航程远、突防高度低的趋势越发明显,拦截武器也必须具有超视距和低空的特点,而由于地球曲率和单平台能力的限制,其在距离上难以实现全程覆盖,为了增强射程与拦截的成功率,就需要应用网络规划方法及接力制导模式。这是符合矛与盾哲学思辨的发展模式。其中包含制导交班平台选择、误差计算、制导权移交时机等问题。

对于误差传递问题,刘兵等[24]建立了空基平台探测信息误差传递模型,并且运用转换坐标卡尔曼滤波和数理统计,对目标机动进行预测。从而减少了误差、提升了防空导弹武器系统中末制导交班能力。赵永涛等[25]结合无线电指令传送机制和移动通信切换技术,设计了两种通讯方式中切换式的接力制导交接方案,使得两种通讯方式可互为备份。从而提高了制导交接的可靠性。

针对制导权移交时机问题,唐明南等[26]基于作战平台的几何位置关系建立了一种可以描述舰空导弹平台交班的模型,根据该模型,给出了能实现正确交接的交班空域高低界计算方法,分析了在交班空域内舰空导弹完成交接飞行纵深和导弹的交班时间的界限。并且分析了海基制导平台和天基制导平台的差异。

在协同拦截中脱靶量并非唯一的战术指标,还需综合考虑时间、拦截角度、路径点、弹间通信距离、空间等多种约束的协同,主要体现在动态目标分配和时变编队协同控制上。

1) 动态目标分配

动态目标分配问题根据其研究侧重点不同可从集中式和分布式两种拓扑结构进行讨论。集中式布局经过几十年的发展,表现出全局特性较好,但收敛性与鲁棒性稍显不足的特性。在二维条件下,花文华等[27]基于线性二次型微分对策理论,设计了两枚导弹角度协同拦截单个高价值目标的制导律。在确保自身命中目标的前提下,考虑了对策方的机动控制,其方法可显式表示脱靶量和攻击角度,在时间的协同上没有进行严格控制。该方法可方便的应用于两枚导弹,在推广到多弹协同上求解比较困难。针对上述多体问题,Darrah等[28]以多无人机任务规划为基础进行了集中式建模,并采用混合整数规划方法进行了求解,使其在动态环境下也可以发挥作用。同样Deng等[29]在前文研究基础上应用遗传算法设计了“查打一体”的任务规划模型,实现了多体多任务的规划。针对上述时空协同一致能力差的问题,王龙[30]基于时空覆盖优化算法,对分时协同拦截的时间间隔进行了优化,使得时间、空间统一调配,并且基于目标和拦截器的运动能力给出了可拦截区域的数学描述。以上方法,对于拦截弹的多弹协同的研究同样具有借鉴意义。

分布式布局任务规划方法相较于集中式,具有简单、易于实现、鲁棒性高的优势。针对系统节点数目、拓扑变化以及其他动态不确定性的适应性较强,分布式单元间的信息交流和协同变量全局收敛性是学者们关注的问题。龙涛等[31]基于合同网拍卖算法,设计了一种分布式任务规划方法,并建立条件合同机制对任务执行过程进行协调,这种方法能够动态舍弃当前任务集,寻求能获得更高效能的新任务。刘波等[32]在此基础上改进并扩展了组合拍卖CABOB算法,明显提高了求解质量、稳定性和可扩展性。但是,基于合同网拍卖算法的缺点是如果集群数量庞大、任务种类多时容易出现决策层信息爆炸的情况,不适用高速交会时需要快速反应的场景。因此,在拦截弹多弹协同方面仍需进一步研究。

2) 时变编队协同控制

对于时变编队协同控制,目前主要分为基于虚拟结构的编队控制策略、基于Leader-Follower的编队控制策略以及基于一致性的编队控制策略。

领弹-从弹的策略在协同编队思想中是最自然的,发表也最早,在1978年Cruz[33]基于博弈问题就提出了Leader-Follower的多决策体组织架构。领弹-从弹架构同样分为集中决策式拓扑结构和分布式拓扑结构两种:采用基于条件反馈机制的集中式Leader- Follower队形控制方法时,从弹的动作分解为向领弹运动、特殊情况处理、避障运动和队形保持4种子动作,这样领弹每一个行为可看成其他从弹的行为输入;分布式拓扑结构中考虑了一个领弹可变互连的一致性问题,设计了基于邻近单元状态的控制器,给出了每个单元基于相邻单元的状态估计规则,这样可变的逻辑领弹就可以避免集中式拓扑结构中一旦领弹被毁或者失效将会导致整个任务失败的情况。

3 多弹协同探测

协同探测的研究首先在无人机、卫星等飞行器方面得到发展:多架无人机之间或者雷达、卫星和无人机之间形成体系同时对一个未知区域进行编队搜索,目的就是大量获取该区域的信息,对于不同的搜索对象可采用广谱、多角度协同探测和搜索模糊动目标的准确位置信息等。如无人机集群可在大范围内对一片区域从多个角度进行协同搜索甚至实时对该区域态势进行评估、3D建模。分布式卫星可突破自身结构的限制,通过编队扩展形成更大的合成孔径,从而极大地提高了拍摄的分辨率。预警机编队对各自感知的带状区域信息进行融合处理、情报共享,可以形成整个战场的态势。与协同攻击、协同拦截不同,协同探测受搜索设备本身的能力限制较大,类如:拍摄角度、通信条件、供电情况、相对位置要求等各种边界条件,同时动目标移动半径覆盖的条件约束也更加明显。稍有差错会导致多源信息无法融合、信息重复率高或产生遗漏区域等问题。

从目前的研究来看,协同搜索问题的研究主要针对无人机、静态目标及简单的运动目标,在简单的环境中执行搜索任务,研究的焦点放在编队的构型和多视线协同探测的共享视线角和信息融合问题上。

多弹协同搜索的研究起步相对较晚,其难点主要体现在多弹相对位置、相对速度、相对姿态变化很快,在目标具有高速、高机动特性时,弹间的相对变化与弹目的相对变化产生干扰、耦合,更加增大了协同探测的难度。目前,多弹相对探测的公开文献相对较少,下面进行简要介绍。张帅等[34]针对多飞行器协同拦截机动目标时,几何构形对协同探测和制导效果的影响问题,基于最优控制理论提出一种考虑探测构形的协同探测与制导一体化设计方法。在制导控制系统设计中,引入视线分离角参量以调制协同探测几何构形、减小相对距离探测误差。从而在制导全程增强协同探测效果。Robert和Shima[35]在一架飞机同时发射多枚协同拦截导弹对抗来袭的背景下,提出了一种新的基于信息共享的协同降阶估计方法,通过每一枚防御弹与团队其他成员分享视线角数据,群间个体相对状态和未知参数进行估计,提高拦截效率。王宁远[36]在三维情况下设计了基于协同覆盖的搜索路径规划算法,提出一种基于生长树方法的区域覆盖路径规划算法和一种基于并发分配与轨迹规划方法的目标点覆盖路径规划算法。该方法能够快速高效的完成对于整片区域的搜索工作,但在搜索环境中存在障碍物、敌方高炮打击区域以及雷达探测范围等不确定信息的影响下还是没法进行自主规避。

多弹协同探测是多弹自主作战的基础,对于多弹协同攻击、协同拦截都具有重要的意义,未来将会有更大的发展。

4 多弹协同拦截自主作战技术难点与发展展望

多弹协同拦截自主作战是协同拦截的延伸和发展,需要协同探测作为基础,同时兼具协同攻击的突防、规避特性。多弹协同拦截的目标为快速或高速机动空中平台,拦截弹轴向速度不可控,需要多个高速动平台通过时间、位置、方位协同[37],实现对动目标的探测、拦截。这就带来了以下问题:

1) 目标信息提取与轨迹修正问题

拦截弹目标指示信息将不再局限于传统的地基雷达,可能来自空、天、海、地等多种平台,信息来源多样、精度水平差异大、信息维度不同,给中制导目标信息提取和修正策略带来困难。

2) 弹群航迹协同规划问题

拦截弹在稠密大气层内飞行,由于发射时间和条件的区别、环境因素的干扰、多弹个体差异等多种因素相互影响和累积,弹道散布很大,为实现多弹协同探测所需的空间、时间、方位等约束,需要在单弹约束(导弹飞行环境、机动能力、控制量)的基础上,协调多弹飞行路径[38],同时考虑弹目交会关系等约束条件。

3) 弹群编队控制问题

在拦截弹轴向速度不可控、气动大干扰条件下,通过弹群个体之间以及与目标之间的相对位置、相对速度控制,实现多弹的协同突防、协同探测、协同拦截,同时考虑主动防碰撞、通信连通性保持、探测角度等多种约束条件。

4) 多弹协同制导律设计问题

多弹协同拦截目标时,制导指令的生成不仅依赖自身的弹目运动关系,同时需要引入群内其他个体与目标的相对运动关系,状态维度大幅增加,制导律求解困难,需要从理论上研究新的设计方法。

5) 多弹任务分配问题

多弹协同飞行过程中,需要根据弹群内各成员之间相对位置、与目标之间的相对位置关系的变化,以及群内各成员的飞行健康状态,进行角色调整,以及协同模式的选择;在弹群能够探测到多个目标的情况下,还需要根据目标的威胁程度、自身价值、拦截难易程度等,对群内成员进行目标分配。

未来可能的解决途径包括:

1) 多信息源自适应中制导控制技术

采用多模型自适应滤波方法,综合应用不同类型的指示信息,提取多维度的目标信息,融合获得目标状态估计;基于目标的信息品质,预测目标误差范围,实现对目标最大可能空域的全部覆盖。

2) 弹群在线航迹规划技术

在单条弹道多阶段多约束弹道规划技术研究的基础上,通过智能寻优得出协调变量,根据协调变量对群内成员进行弹道规划,使弹群整体的协同探测条件满足要求。

3) 群编队实时调整与时空匹配控制技术

针对弹群协同拦截轴向过载不可控、主动防碰撞及通信连通性保持、探测角度及拦截弹道互相协调等多种约束条件下的编队控制需求,采用基于最优控制量和虚拟结构的控制方法,实现多约束条件下弹群编队弹道与姿态协同控制能力,确保多弹按规划路径飞向目标,交会关系满足指标要求,拦截区域实现互补。

4) 基于多体对抗模型的协同制导技术

将博弈论、对策论引入制导策略设计,建立多体对抗模型,根据目标机动特性、弹群的资源配置、战场态势转变,进行目标信息不确定条件下的协同制导策略设计,基于弹群协同制导策略,确定多弹协同探测的区域划分与搜索策略[39-40]

5) 弹群自主任务分配与管理技术

基于控制决策专家系统设计弹群任务分配与管理系统,根据当前的飞行阶段、目标信息质量、弹间相对位置关系、成员健康状态等因素,进行协同模式选择、成员角色分配和任务调整。

5 结论

在概述多弹协同攻击、协同拦截、协同探测发展历程的基础上,重点针对多弹协同拦截自主作战技术,分析了其技术难点和发展趋势。多弹协同拦截自主作战技术是拦截弹发展的一个重要方向,是多弹协同攻击、协同拦截、协同探测各自发展过程中的融合。未来在学者的不断探索下多弹协同拦截自主作战技术将会有更大的发展和应用。

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http://dx.doi.org/10.7527/S1000-6893.2019.23804
中国航空学会和北京航空航天大学主办。
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文章信息

魏明英, 崔正达, 李运迁
WEI Mingying, CUI Zhengda, LI Yunqian
多弹协同拦截综述与展望
Review and future development of multi-missile coordinated interception
航空学报, 2020, 41(S1): 723804.
Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2020, 41(S1): 723804.
http://dx.doi.org/10.7527/S1000-6893.2019.23804

文章历史

收稿日期: 2019-12-13
退修日期: 2020-01-06
录用日期: 2020-01-08
网络出版时间: 2020-01-16 16:08

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