无人空战指控建模仿真方法研究.pdf
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1、()指挥控制与仿真 引用格式:李耀宇,金帅,马满好,等无人空战指控建模仿真方法研究指挥控制与仿真,():,():无人空战指控建模仿真方法研究李耀宇,金 帅,马满好,任 伟(国防科学技术大学信息系统工程重点实验室,湖南 长沙;部队,河北 张家口)摘 要:针对当前无人空战仿真中,缺乏支持全流程作战指挥控制建模与仿真这一问题,结合当前无人空战仿真系统相关研究,系统梳理和研究指控模型构建方法,通过探索不同仿真层级不同类型的无人机指挥控制建模原理和方法,设计并且构建了一套适合指挥信息系统装备特点的指控模型仿真系统。通过进行符合预设约束的想定设定,对目标作战任务进行了效能评估和对比,可为无人空战相关指挥信
2、息系统装备的论证、评估方式提供理论和现实指导。关键词:无人空战;指挥控制;仿真评估中图分类号:文献标志码:,(,;,):,:;收稿日期:修回日期:作者简介:李耀宇(),男,博士,副教授,研究方向为军事运筹、任务规划、建模与仿真。金 帅(),男,硕士,工程师。当前无人武器,特别是无人机和作战系统的日趋复杂化,应用也日趋广泛。无人指挥信息系统装备如何融入作战体系、支撑作战任务发挥效能是当前急需解决的问题。如何通过仿真建模,评估无人空战指挥信息系统装备的效能以及如何评估无人空战指挥控制流程等,是当前研究的一个重点。美军对于空战,以及相关的导弹战研究较早,以先进仿真集成与建模框架()和扩展防空仿真系统
3、()最 具 代 表 性。扩 展 防 空 仿 真 系 统()是支持空战、导弹战和空间战的多对多仿真系统,它向作战人员提供一整套的分析、训练和作战规划支持。由作为美国导弹防御局()执行代理的陆军空间与导弹防御司令部()建模与仿真司()未来战争中心()管理。先进仿真集成与建模框架()可提供灵活的综合防空系统仿真能力,同时可进行作战研究、装备论证、模拟训练等领域的仿真实践。和 是当前美军最成熟、应用最广泛的任务级仿真系统代表。当前针对无人空战指挥控制仿真与建模的专项研究虽然不多,但是相关领域的研究,还是获得了一定的进展,文献对基于群体智能的多无人机空战系统进行了研究,并针对飞机的空气动力学模型和飞机路
4、径上的威胁区域进行了建模。文献结合当前流行的深度学习和强化学习研究,提出一种无人机近距空战格斗自主决策模型,采取并改进了奖励函数,避免了智能体被敌机诱导坠地的问题,同时可以有效引导智能体向最优解收敛。文献提出一种分层决策多机空战对抗方法,根据战术动作类型设计分层动作决策网络,降低了动作决策空间维度,在多机空战仿真环境中进行了实验验证,比现有多机空战决策方法表现较好。针对某些具体环节的研究和探索,研究人员都取得了比较好的成果,但还是缺乏一个能够在实现空战仿真建模基本功能的前提下,兼顾战争和武器装备的 李耀宇,等:无人空战指控建模仿真方法研究第 卷复杂性,模型与数据的组织调度高,支持全流程的建模仿
5、真方法与系统。本文通过研究现有仿真系统中的指控模型构建方法、指控模型作战指挥规则、信息流转关系、指令消息处理方法及运行调度机制,针对典型无人空战任务背景,设计并实现了一套指控仿真系统,聚焦仿真服务作战计划评估,实现人不在环仿真中不同指挥层级不同类型指挥所对完成典型作战任务的影响程度,达到从作战全流程场景设定下验证无人空战指控设定的有效性的。系统架构设计文献根据 空战理论提出了仿真系统的功能要求,设计了仿真系统的工作原理、多层次模块化的技术方案和各功能模型之间的数据交互关系。该仿真系统模块化程度高,数据交互的实时性和稳定性强,能够为无人机空战战术决策算法的开发和验证提供高效可靠的支撑。通过借鉴和
6、学习当前空战相关仿真系统的架构,本文系统总体主要架构和核心组件如图 所示,主要包括三个主要部分:仿真准备、仿真运行和仿真分析。图 系统总体架构 仿真准备模块。提供模型管理、想定编辑 管理、地理信息管理等功能,重点支撑对仿真所需的静态模型和数据的组织和管理。仿真运行模块。主要提供仿真引擎和调度(基于离散事件的调度机制),包括运动轨迹处理、指控、探测和传播;指控是整个运行模型体系的核心,模拟了各类指挥控制决策、航迹处理、消息处理,是实现交战管理和控制的核心模型;运动轨迹处理模块实现各类战场实体的运动模型;探测模型对各类传感器进行建模;传播模型模拟了通信链路的连通性,用以确定消息传递是否能够执行。仿
7、真分析模块。提供运行回放、分析评估和辅助分析工具,用以支撑仿真运行后的事后数据分析和评估。模型与数据组织结构如图 所示。图 模型与数据组织结构 采用组件化建模思想,按照元素、系统和平台的层次结构,最终由平台与环境、地图、区域、航路、低空穿越航线、网络等要素共同构建完整的仿真想定。元素模型是基础元模型,各元素组合增加部分参数构成系统模型,系统模型部署于想定场景之中即为平台模型。指控建模针对空战的指控建模,文献提出了一些有价值的建设性方案,也提出了有价值的组织结构方式。结合之前的研究,本文系统仿真对象的行为模型通过规则集来控制,系统内置了规则集,可通过选择规则并设置相应阶段的控制参数,建立对抗双方
8、战场实体的指挥、控制、通信、决策等规则模型。对于每一类规则集,总体结构相同,共分为 个模块:战斗管理、消息处理和航迹处理。如图 所示,战斗管理阶段将参战平台的决策和交战过程划分为若干作战阶段进行管理,涵盖任务分配、决策或交战的一系列行为;消息处理模块决定了指定平台对其他平台发来消息的响应,这些信息反过来又会影响作战管理阶段所执行的行为;航迹处理模块相对于规则集的其他两个模块来说相对独立,主要用于决定对航迹数据的处理。规则集的组合可以形成柔性指挥所规则,基于柔性指挥所规则,可以自由搭配构建各级各类指挥所。仿真系统主要包含以下 类指挥决策模型:威胁评估第 期指挥控制与仿真 图 指控规则集总体结构
9、模型、火力分配模型、冲突消解模型。上述模型主要用来模拟集中式架构指控系统基于作战飞机、防空反导武器系统、地地导弹系统等的作战指挥决策过程,作战对象包括敌作战飞机、战术弹道导弹、巡航导弹等。威胁评估模型威胁评估模型是系统的重要组成部分,相关研究也有一些进展,文献提出了各自的解决方案,针对空战过程中多时刻态势信息,提出基于变权理论的态势权重解析方法,并结合基于正态累积分布生成时间序列权重的算法,解决了属性参数与权值动态匹配的问题,具备可行性和有效性。综合前人的研究,威胁评估模型主要模拟 方面的功能:确定哪些目标具有威胁;评估对哪些威胁目标具有交战能力;对威胁目标进行优先级排序,作为火力优化分配的输
10、入。)威胁判定仿真系统采用不同的方法判定敌战术弹道导弹、作战飞机、巡航导弹是否具有威胁性。对于战术弹道导弹,如果我方保护资产处于敌导弹预测弹着点为中心的毁伤区域内,则判定敌导弹为威胁目标。如图 所示,弹道导弹毁伤区域用一个长方形表示,其长宽由用户设定。对于同一优先级水平的战术弹道导弹,根据预测的导弹着地时间进行排序。导弹着地时间越早的紧急目标,优先级越高。图 敌战术弹道导弹威胁判定 对于作战飞机及巡航导弹,上级指令拦截的目标航迹直接认定为威胁目标;否则,通过用户设定的威胁距离致命距离两个参数来评估目标是否具有威胁。如图 所示,目标具有威胁需满足以下两个条件:图 敌作战飞机威胁判定 目标到我方资
11、产的地面距离进入威胁距离范围;目标航路最近点到我方资产的地面距离小于致命距离。航路最近点假设目标保持当前状态飞行,目标航路上距离我方保护资产最近的点。一旦目标越过并驶离航路最近点,将不再视为威胁。如果目标已经进入致命距离范围,通过目标到我方保护资产的距离远近来比较威胁程度高低。定义威胁距离比目标和资产地面距离 致命距离,威胁距离比越小,则威胁程度越高。如果目标在致命距离范围外,威胁距离范围内,通过预测的目标进入致命距离范围时间比较威胁程度高低,进入时间越早,威胁程度越高。)拦截可行性约束本文仿真系统中,用户可设置目标拦截评估距离、资产最小允许距离 个参数,用于触发目标拦截相关动作。如果威胁目标
12、航迹进入拦截评估距离范围,则触发目标拦截点预测;如果预测拦截点在我方保护资产最小允许距离范围内,则判定威胁目标需拦截。威胁目标是否具有可拦截性,需满足以下约束:武器攻击包线约束:最大高度、最小高度、最大距离、最小距离、最大拦截距离。预测拦截点需要在拦截武器攻击包线内,才具备可拦截性。传感器约束:视场范围、最大探测距离。如果拦截武器飞行过程中需要目标航迹,则目标需在提供目标航迹传感器视场范围、最大探测距离范围内,才具有可拦截性。角度约束:拦截武器的最大俯仰角、最小俯仰角、最大方位角、最小方位角。预测拦截点需要在拦截武器角度约束内,才具有可拦截性。李耀宇,等:无人空战指控建模仿真方法研究第 卷拦截
13、点约束:拦截时目标速度和拦截武器速度夹角、相对速度。拦截时需满足相对速度、夹角要求,才具有可拦截性。主动导引头照射角约束:主动导引头开机时刻,目标相对拦截武器位置矢量与预测拦截点相对拦截武器位置矢量的夹角。用来评估主动导引头开机后,是否能一直捕获目标。杀伤概率约束:用户定义杀伤概率门限。根据拦截武器性能参数以及预测的拦截点,计算此次拦截杀伤概率。若杀伤概率高于用户设定门限,才具有可拦截性。传感器资源约束:包括占空比、系统占用率等传感器资源。若为本次拦截提供交战支持的传感器资源不足,则不具可拦截性。地形遮挡:在交班前,传感器需要能够跟踪目标,将控制指令 目标航迹等传输给拦截武器,如果被地形遮挡,
14、则不具可拦截性。)预测拦截点计算本文仿真系统假设拦截武器以直线匀速飞行或按照飞行表飞行;敌导弹按照既定弹道及速度飞行,敌作战飞机按照直线匀速飞行、或按照飞行表飞行。飞行表由用户提供,定义到达空间某位置所需飞行时间、到达该位置时的航向角及速度矢量等参数。不同类型武器装备具有不同飞行表,同一类型拦截武器可针对不同类型目标设置不同的飞行表。拦截点计算方法:从探测到导弹的时刻 开始,首先,以 秒为迭代单元不断步进(初始值可设 秒),计算在第 步,导弹在 时刻的位置(),计算拦截武器及导弹到达()的时间差。如果 大于(),则继续以 迭代推进,式中,为拦截武器速度,为弹道导弹速度;否则,重新以 为起始时刻
15、,以原始迭代单元的一半,秒为迭代单元推进。重复以上过程,直到某 时刻,拦截武器及导弹到达位置()的时间差 小于用户设定拦截误差门限(系统默认值为 ),则拦截时间为,拦截点位置为()。整个拦截过程需满足武器攻击包线、传感器等约束,否则,不具可拦截性。同时,考虑了武器发射平台的初始速度、发射准备时间、拦截武器最大飞行时间等因素对拦截时间及拦截点的计算的影响。)威胁排序仿真系统提供两种威胁排序方法:基于资产威胁排序;基于资产及目标交战优先级威胁排序方法。基于资产威胁排序:基于资产威胁排序是一种多层次分类排序的方法。如表 所示,第一层排序,设定 种威胁类型,将目标按照威胁类型归类。第一栏由上到下,各类
16、型目标威胁程度依次递减。属于同一种威胁类型的目标,根据下一层排序中相应评估指标进行分类及排序。对平台自身构成威胁的敌战术弹道导弹具有最高优先级,按照预测着地时间先后排序,撞地时间越早优先级越高。对于上级命令拦截的敌战术导弹,按照接收到任务命令时间先后来排序,以体现上级指挥官对敌目标优先级排序、作战意图,接收任务命令时间越早优先级越高。同理,对于上级命令拦截的敌作战飞机,包括战斗机、轰炸机等,也按照接收到命令时间先后排序。对平台所辖资产构成威胁的目标,首先,按照我方资产高、中、低 个保护优先等级,将威胁目标分为相应 个拦截优先级水平;其次,同一优先级水平中,战术弹道导弹目标优先级高于作战飞机目标
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