導彈集群智能突防技術的新發展
鷹，搏擊長空而無畏。
鷹，大千盡覽而敏銳。
鷹，動如雷霆而持重。
海鷹資訊，力求以鷹一般的氣魄、視野和迅捷去打造專業的情報資訊，讓繁複世界中最有價值的情報盡收眼底。
當前，美國導彈防禦武器的先進性和反導理論的前瞻性都走在了世界前端，其導彈防禦體系日趨完備，作戰空域從末段低層、末段高層、中段大氣層外反導發展到儘早攔截、全程攔截，防禦手段由動能直接碰撞式殺傷到高功率激光等多種方式，攔截目標由傳統彈道導彈到臨近空間高超聲速武器，試驗類型從單一靶彈發射點、單一攔截點轉向多靶彈發射場、多攔截點，逐漸形成以亞洲、歐洲和中東地區為重點區域，以本土防禦為後盾的天、空、海、陸全球一體化多層次的體系化、信息化和智能化的反導防禦體系。
面對先進的導彈防禦技術，傳統的拋物線型彈道已經充分暴露出了易探測、機動性能差、彈道可預測等缺點，落後的隱身、預定程序突防、電子干擾突防和誘餌干擾突防等突防方式，都存在突防策略程序化、機動彈道固化、無法感知態勢、無法主動作為的缺點。為突破先進的反導防禦體系，導彈突防技術也朝著體系化、信息化和智能化的趨勢不斷發展。
體系化——導彈集群協同編隊技術
伴隨著戰爭自機械化轉向信息化的過程，現代戰爭逐漸變成了各體系之間的對峙。傳統導彈及其各自為戰的作戰方式在現代信息化戰爭中暴露了諸多問題，導彈武器協同作戰問題引起了各國關注。
導彈集群系統是由空間信息聯網構成的彈群網路，多枚同構或異構的導彈或彈頭（如偵察型導彈、攻擊型導彈和干擾型導彈等）通過無線網路技術實現無線組網。導彈集群系統通過集群內各個節點間的信息交互，完成功能、時間、空間等多個維度的協同，形成探測、干擾、突防和打擊等多個能力的協同（如圖1所示）。
圖1 導彈協同作戰示意圖
近年來，隨著美國的協同作戰能力（Cooperative Engagement Capability， CEC）構建設想的提出，協同作戰模式首先在巡航導彈上得到了廣泛應用。蘇聯的花崗岩導彈運用領彈協同作戰模式，以領-從彈的高低搭配方式，將衛星、戰術鏈等傳輸的數據信息進行融合處理，進而感知目標，實現了領彈與從彈的協同攻擊。2002年，美國在NetFires研製計劃中建立了巡航彈與精導彈協同作戰的模式，在發射後可自動跟蹤目標並在飛行後通過雙向數據鏈更新數據，對戰鬥損傷評估；美國Raytheon公司於2010年將信息協同技術應用到Tomahawk導彈上，在飛行中通過雙向衛星數據鏈，可以改變作戰路線，攻擊新目標。
相比於巡航導彈，彈道導彈速度快、機動能力有限、跨空域運動的特點給彈道導彈組網帶來了新挑戰。近年來，我國針對彈道導彈協同組網作戰運用問題，大力開展相關研究。目前，彈道導彈組網協同仍處於技術研究階段，其核心主要包括導彈集群編隊技術和導彈集群協同編隊控制技術。
1
導彈集群協同編隊設計技術
隊形設計是多彈協同編隊（coordination formation flight）任務實現的關鍵。合理的隊形設計需要充分考慮戰場環境變化、作戰任務動態需求、彈間通信冗餘以及編隊成員避碰等約束條件，實現最大限度減少成員相互干擾、提高編隊適應戰場能力。
在導彈編隊飛行過程中，由於編隊成員各自功能、任務等不盡相同，因此編隊成員間需要保持一定的構型，如距離、間隔和高程差等。合理的編隊隊形，不僅能夠增加編隊飛行安全，有效躲過敵方雷達偵查，還可以最大限度發揮編隊功能，順利完成編隊飛行任務。但是什麼樣的隊形才是最合理的是隊形設計的關鍵。
從國內外公開文獻來看，幾乎沒有針對彈道導彈編隊設計的相關研究成果，學者們多以相對簡單的無人機編隊為研究對象，重點研究編隊構型的形成問題、移動中隊形的維持與不同隊形間切換問題、隊形的空間變構型控制問題、隊形的穩定性和魯棒性問題、隊形可實現的概率問題以及隊形的分解與重構問題等關鍵問題，因此在導彈集群編隊設計的過程中可以借鑒無人機編隊的研究重點開展專門研究。
2
導彈集群協同編隊控制技術
協同編隊控制技術是實現導彈集群作戰的基礎，近年來，多飛行器協同控制技術發展迅速。根據決策方式不同，多飛行器的協同控制可分為人在迴路的遠程決策與控制和自主協同決策與控制。根據控制結構方式的不同，多飛行器協同控制結構可分為集中式和分散式。多飛行器集中式控制方式是在中心控制站的統一指揮和控制下執行任務，具有良好的全局控制與決策能力，但是存在中心計算站計算任務重、對通信要求高等問題。多飛行器分散式控制方式通常採取協作的方式來解決全局控制問題，大量的計算和決策在飛行器本地進行，從而實現信息和控制的分散化。該控制方式的可靠性和靈活性大大改善，使編隊具有較好的魯棒性和穩定性，但是分散式要求飛行器的具有較高的自主能力。隨著飛行器自主水平的提高和通信水平的提升，分散式協同控制逐漸成為發展的重點。
分散式協同控制主要面向飛行器的動態執行和自主求解，重點關注多飛行器如何在線自主地進行分散式任務決策、飛行器自主軌跡規劃和航跡協調、飛行器編隊飛行控制。較常用的研究思路包括兩種，一種是自頂而下的思路，基於分層遞階求解思路，複雜問題被拆分為若干個較為簡單的子問題。多飛行器之間通過協商和合作的方式協同完成對子問題的求解，從而實現任務的協同。主要方法包括基於合同網市場競拍機制方法、分散式馬爾科夫決策方法、動態分散式約束優化方法等等。一種是自下到上的思路，主要研究基於動態反應和行為規則的控制方法，重點強調動態環境下的個體反應，以及多個個體之間在已有規則約束下的行為協同，逐步形成了群集智能方法。主要方法有：基於人工信息素的方法，基於進化機制的多飛行器集群行為方法等。這些方法基於自下而上的數據驅動和建模方法，將簡單對象整合聚類，全局的智能行為可由簡單智能主體的聚集協同來實現，具有運算量小、魯棒性強等諸多優點。
多智能體系統(Multi-agent Systems， MAS)作為一個嶄新的領域而被廣泛關注。與生物種群中的群體性行為類似，多智能體之間的協調與合作將極大增強個體的智能化程度，可具備單一個體無法實現的功能，展現出良好的群體智能。MAS具有魯棒性強、智能化程度高等優點，因此，可將導彈集群視作MAS系統，並在此基礎上研究導彈集群的編隊控制問題。
信息化——導彈集群協同態勢感知技術
當前，導彈突防最大的弱勢在於導彈無法實時感知威脅，難以獲得最新的攻防態勢信息。以薩德系統為例，薩德系統以射擊-瞄準-射擊的攔截策略（如圖2所示），在導彈防禦的全過程中，攔截彈獲得了來自於天基預警雷達的威脅信息、薩德雷達提供的目標軌跡信息、自身攜帶的導引頭提供的目標信息，通過實時信息保障成功攔截。
圖2 薩德導彈工作流程
在主動規避式突防問題中，導彈面臨的主要威脅即敵方攔截器，而突防的關鍵在於準確獲取攔截彈的狀態、機動時機、機動方向等信息。為了實現導彈集群的主動突防，必須以已知攔截彈的實時狀態信息為基礎，才能達到知己知彼，百戰不殆的效果。
聯合彈群網路的戰場態勢感知體系，主要依靠彈群自身獲取的攔截彈的有效量測信息，對攔截彈的狀態和性能進行精確判斷，並通過與指揮控制中心之間的鏈路進行信息交互，實現對攔截彈威脅的準確評估。
目前，聯合彈群網路的協同態勢感知技術已經應用在部分巡航導彈和巡飛彈上，主要感知對象是目標而非攔截威脅。
美國戰術戰斧導彈能夠在飛行過程中實現在線動態瞄準、傳輸自身飛行信息及評估敵方毀傷程度，在空中待機能力的支持下，可完成偵、控、打、評多維一體的戰場任務。可見美國巡航導彈已有很強的態勢感知能力，但利用導彈編隊進行態勢感知的研究成果還比較欠缺。
美國準備為在研的主宰者（Dominator）和洛卡斯（LOCASS）巡飛彈裝配低性能感測器和簡易程序，通過成批次、大規模巡飛彈協同，完成目標攻擊。雖然單個感測器不具備較強的探測能力，但若群體最前端的巡飛彈實現近距離探測目標，便可立刻將探測到的信息數據傳遞給身後的巡飛彈，巡飛彈就會對目標實行群組攻擊。這些巡飛彈構成的探測網路構成了簡單的戰場態勢感知系統，實現了目標的自主探測，支撐了C4KISR架構，提高了彈藥整體的作戰效能。
俄羅斯П－700「花崗岩」超音速反艦導彈SS－N－19導彈，其前端的領彈與身後的攻擊彈協同打擊樣式也充分反映了基於協同感知的導彈群組作戰思想。領彈裝配的高精度感測器首先探測到攻擊目標，同時可將陸、海、空基感測器，甚至衛星獲取的信息數據進行融合處理，共享目標信息，繼而進行在線任務規劃，自主完成打擊任務。
智能化—導彈群組博弈突防技術
在「以量取勝」的傳統思維指引下，逐步發展形成了單彈的多彈頭（分導式多彈頭、子母彈群和集束式彈頭）突防模式以及彈群飽和攻擊模式。
針對日益凸顯的非傳統彈道導彈威脅，美國正在大力研發新一代的多目標殺傷器（MOKV）技術。MOKV負載高精度感測器，採用姿態軌道控制和目標判別等先進技術，輔以一定規模的飽和攻擊，可在大氣層外對彈道導彈自由段的彈頭、誘餌等目標有效判別並實施攔截（如圖3所示）。美國導彈防禦局2014年開始研製的通用殺傷器（CKV）項目旨在擁有多平台部署和多目標殺傷能力，在第一研發階段重新設計的殺傷器（RKV）是當前大氣層外殺傷器（EKV）的升級和補充，與試驗記錄不佳的EKV相比，RKV擁有更好的機動性和瞄準能力；2016年開始研發的多目標殺傷器（MOKV），針對敵方的洲際彈道導彈（ICBM），預實現由路基攔截導彈（GBI）負載，釋放後可完成對多目標（多彈頭、多誘餌彈）的識別與攔截。
圖3 多目標殺傷器概念圖
防禦技術的發展催生和促進著突防攻擊技術的提高，運用預設的既定規律的程序式機動突防策略的導彈的突防能力不斷下降，學者們逐漸開始研究導彈的智能突防技術。
有文獻針對傳統比例導引模型的導彈攔截系統，基於威脅告警設計了一種智能機動方法；Shiner基於極大值原理將二維運動學模型進行線性化，分析了Bang-Bang控制形式的最優規避機動制導策略；Kim和Beard等針對傳統比例導引的地空攔截系統推導了基於人工智慧的梯度神經網路和基於模糊邏輯的編隊機動控制演算法以實現飛行器的機動突防；也有應用LQ微分方法設計了最優規避及決策演算法，制定了反艦導彈反攔截機動的策略；也有基於攻防雙方末速度近似為定值的背景，採用微分策略設計了高空的機動突防方法，以逆比例制導作為突防控制，推導得到垂直於制導面的視線方向為最優推力方向；針對攔截系統導彈制導律可能未知的情況，研究了基於有限時間 H2性能指標計算辦法及保性能控制策略，探討了如何在能耗最省的前提下完成使敵方達到最大脫靶量的突防機動。
雖然就導彈的智能突防問題已有很多研究成果，但以下問題還有待進一步研究：
（1）現階段研究大多是將機動突防過程抽象為二人追逃問題，進攻方突防成功與否的衡量標準是攔截導彈的最大脫靶量，而運用最優控制和微分對策等相關理論求解得到的最大脫靶量並未考慮到突防後對目標打擊精度的影響，因此不具備一體化實戰化應用優勢。
（2）現多採用比例導引的運動學模型對攔截導彈進行建模，但攔截系統的反應時間等信息並未考慮，因此模型準確性有一定偏差。
（3）現階段主要以單彈突防模式研究為主，並未進一步討論多彈形式。當以群組突防為研究背景時，在多彈間防碰、彈間通訊等前提約束下，應對反攔截機動時對隊形的影響以及機動後是否還具備協同攻擊的能力等問題展開深入的研究。
傳統的「一對一」攻防對抗可抽象為典型的博弈問題，但多對多的攻防對抗並不能簡單的分解為多個「一對一」的問題，群體內的協作是提高突防效果的關鍵。群體意圖並非獨立，其與個體意圖相關且並存，是群組內個體意圖的聚合與協同並最終反映於個體思維中；群體行為的執行效果取決於分解到個體行為後的執行效果。因此，可以建立導彈集群和攔截彈群之間的攻防博弈過程，研究對群體意圖、個體意圖、群體行為和個體行為間的關係，求解導彈集群中各個導彈/彈頭的機動時刻和機動控制指令，實現導彈集群的智能突防決策。
結束語
本文針對導彈集群智能突防問題，從導彈集群編隊協同、聯合彈群網路的協同態勢感知和導彈集群智能突防三個方面展開分析，結合軍事需求和研究現狀，提出了導彈突防問題的未來發展方向及研究趨勢，即體系化、信息化與智能化，可為導彈集群突防進一步研究提供一定參考：
（1）體系化彈道導彈組網協同集群編隊設計及控制技術進一步研究可借鑒多無人機編隊、多智能體系統和分散式協同控制等重點展開；
（2）信息化導彈集群協同感知當前巡航導彈已具有較強的戰場態勢感知能力，下一步可重點研究導彈集群編隊的協同態勢感知技術。
（3）智能化導彈群組博弈突防在「一對一」單彈突防的基礎上進一步研究「多對多」模式的導彈集群攻防博弈過程，以實現集群智能突防。
本文轉載自《戰術導彈技術》2018年第5期
作者：張凱傑，林浩申，夏冰
本文刊自《戰術導彈技術》2018年第5期
《戰術導彈技術》由中國航天科工集團公司主管，中國航天科工飛航技術研究院主辦，北京海鷹科技情報研究所承辦，是為導彈的研究、設計、製造、試驗、使用等服務的學術期刊。刊物創刊於1980年、雙月刊、是「中文核心期刊」，國內外公開發行。刊物主要刊登導彈和導彈武器系統總體技術，任務規劃技術，推進技術，制導、導航與控制技術等方面的學術論文。
TAG:海鷹資訊 |