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    穿透性制空作战建模仿真研究

    时间：2023-01-09 10:15:09来源：百花范文网本文已影响人

    张佳琦,曹 毅

    (国防大学联合作战学院,北京 100091)

    穿透性制空作战(Penetrating Counter Air,PCA)是美国空军为应对中俄两个大国构建的反介入/区域拒止体系(A2/AD)而提出的一种作战概念,于2016年首次出现在由美国2030年空中优势事业能力合作小组出台的《2030年空中优势飞行规划》中。该文件指出，美国空军需形成穿透性制空能力,明确以穿透性制空作战为A2/AD环境下空战体系对抗的一种解决方案。根据文件内容,其定义为:构建穿透性制空系统簇,确保在2030年高竞争环境下能够反击A2/AD,深入对手防空体系,完成有效侦察和打击,维持联合作战所需的时域和空域的空中优势。

    穿透性制空作战是美国空军战略调整的组成部分,是美军联合空中作战理论的最新发展。其根本目的是通过发展以高隐身性平台为核心的空中力量系统簇遂行攻势行动,对高威胁环境进行局部持续穿透,重点打击纵深高价值目标,消耗对手战争潜力，从而削弱A2/AD能力，保持自身空中优势。

    美军穿透性制空作战和相关武器装备仍在研发、验证、测试甚至愿景阶段,因此，研究穿透性制空侧重于定性的理论分析。但根据美军作战概念开发的经验做法来看,兵棋推演和建模仿真的手段能够一定程度支撑概念开发的定量分析。本文首先梳理穿透性制空作战的基本理论及特点,而后提炼出该作战中涉及的典型建模问题,并形成穿透性制空下仿真建模研究框架,为作战概念验证奠定基础。

    1.1 国内外理论研究现状

    目前，国外对穿透性制空作战概念有较多的理论研究,其中，美国战略与预算评估中心(Center for Strategic and Budgetary Assessments,CSBA)在2019年的报告《大国竞争时代的美国空军》中分析了以波罗的海和中国南海为想定背景的穿透性制空作战兵棋推演相关情况,探讨了穿透性制空作战的力量运用问题。根据国外杂志及报告,美军还提出采用穿透性电子攻击(Penetrating Electronic Attack,P-EA)飞机和穿透性情报监视和侦察(P-ISR)无人机为其他突防力量提供支援。并将发展一套可跨空、天、网电多个作战域运用的,聚合电磁环境和地面/水面能力的网络化能力簇,这一能力簇中的PCA战机将是高隐身的，且能够与F-22、F-35、B-21编组,并应用武库机的概念,由PCA战机等隐身飞机直入纵深为防区外武库机提供目指信息。

    国内研究者多认为穿透性制空是美空军的重要发展方向,主要分析其内涵特点、发展趋势和武器装备研究动向等。歼-20设计总师杨伟指出，穿透性制空作战场景符合分布式作战的特征,穿透性制空兵力在局部空间和部分时段可能会受到通信拒止,必须依靠穿透性编队内部和编队之间的协同才能及时应对,对打击清单外的时敏目标也需与防区外兵力共同决策。李铭浩等分析了穿透性制空作战下的无人飞行器发射母机作战体系及关键技术,探讨了侦察、攻击、电子战和通信无人机集群力量的运用方式。

    1.2 穿透性制空作战的特点

    综合美军相关空中作战理论研究,本文对穿透性制空作战特点总结如下:

    1)定位上,穿透性制空是一种联合作战体系支撑下的空中战役行动,是联合空中作战理论的新发展。穿透性制空作战需要一个能在高强度对抗环境下独立完成杀伤链(F2T2EA)所有阶段的作战系统簇。其中，既包括PCA平台、F-22和F-35等战斗机和B-2、B-21隐身轰炸机,也包括将B-52轰炸机、B-1B轰炸机和C-130运输机等老一代平台改装成有效载荷的武库机平台,也有P-EA电子战飞机、P-ISR情报/监视/侦察飞机,KC-46加油机以及具备隐身能力的高端无人机MQ-X和RQ-180等。PCA系统簇具备的宽带全频谱隐身、远航久航、大载弹量、无人力量高度参与、高强度电磁压制等特点将使现有联合空中作战产生变革,如具备隐身性能的无人机平台可作为P-ISR飞机全程参战,将成熟运用“忠诚僚机”和无人机蜂群作战。此外,大载弹量将颠覆以防区外打击为主的空袭模式,利用高隐身性实施效费比更高的防区内打击。

    2)样式上,穿透性制空兼具进攻性制空作战和空袭作战的特征。根据美军联合出版物JP3-01,进攻性制空包括攻击行动、压制敌防空、战斗机护航和战斗机扫荡四种行动,穿透性制空作战对这四类行动都有涉及,先期夺取短暂时间窗口和某个薄弱地带的制空权需进行压制敌防空和攻击行动,打开空袭通道需战斗机为隐身轰炸机护航,也需战斗机在预定空域扫荡进行佯动。从相关报告看,穿透性打击编队可在未夺取制空权的情况下，利用自身高隐身性，选择有利的航行剖面隐蔽突袭,其目标集包含对手战略纵深内的战斗机和轰炸机空军基地、反卫星武器发射站、远程预警传感器和指控节点等高价值目标,这是典型的战略空袭作战样式。

    3)形态上,穿透性制空作战将呈现分布式空战的特征。2014年，DARPA提出“空中分布式作战”的概念,试图实现大量成本较低，功能单一的装备系统的动态组合与密切协作,形成敏捷集成、富有弹性的空战系统。而穿透性打击编队也将灵活编组,主要以PCA战机、B-21轰炸机为代表的高端有人机平台与大量功能不同的无人机或无人机集群构成。其采用的穿透方式分为两种:①软穿透:利用自身隐身性进入敌空域;②硬穿透:利用具备诱饵、电子战、反辐射等能力的飞行器或集群强行突破敌方防线,通过低成本诱饵的饱和攻击和反辐射导弹的硬杀伤摧毁敌一体化防空体系。这一过程中,有人机、无人机及武库机等将在防区内外形成分布式空战体系。

    穿透性制空作战在未来运用时也存在一些问题:1)隐身能力有限,PCA战机的全频谱、全方位隐身能力在技术上是否可行尚存疑,现有隐身飞机面对防空预警体系有一定挑战;2)行动难以隐蔽实施,预警体系对重要机场的监控将及早获取穿透性行动征候;3)依赖空中加油,即便能在美军自适应发动机转换计划(AETP)加持下获得更远的航程,穿透性制空行动仍需借助空中加油来保障远距离奔袭和穿透。

    目前，专门针对穿透性制空作战建模仿真的研究还比较少。在CSBA开展的兵棋推演中,穿透性制空体现在两个方面:1)PCA战机实施压制敌防空作战,依靠隐身性进行“由内向外”和“由外向内”的多轴线攻击,并给防区外非隐身战机和轰炸机提供目标信息;2)B-21轰炸机在PCA战斗机和P-EA战机护航下实施纵深打击。

    作为反制A2/AD能力并深入对手本土和领空的作战概念,穿透性制空一旦实施，战略意义重大,因而较多侧重于战略战役层级的行动。建模仿真的层次应确立在粒度较粗的战役级模型,其主要需求在于模拟出穿透性制空作战的主要行动。依据CSBA的推演情况,图1给出了穿透性打击编队的主要行动阶段划分。

    图1 穿透性打击编队主要行动流程

    穿透阶段和防区内阶段体现着“穿透性”的核心内涵。在这两个阶段,隐身的有人机和无人机混合编组从多个战略方向实施穿透:1)软穿透编队以PCA战斗机等护航B-21轰炸机进行隐蔽突防,深入纵深后打击高价值目标;2)硬穿透编队压制防空后，在防区内转为战斗机扫荡,划定多个扫荡空域，寻歼空中目标,夺取制空权。此外,穿透性编队也可作为传感器为防区外轰炸机提供目指信息,实现信息的穿透。

    在这两种穿透方式下,穿透性打击编队的行动主要有压制敌防空、隐身突防、空中火力打击和空战等,从对抗的角度看,关键行动是压制敌防空和空战。因此，本文聚焦在压制敌防空作战和以隐身有人/无人协同空战为主要形态的分布式空战的建模仿真研究。

    2.1 压制敌防空作战的建模仿真

    压制敌防空(Suppression of Enemy Air Defense,SEAD)作战是对敌一体化防空体系的压制作战,目的是保障当前或后续空中进攻作战的顺利实施。在穿透性制空下,担负SEAD作战的空中力量将以PCA战机等有人机为指挥决策中心,以P-EA战机等无人机为主要干扰压制力量,采用责任区压制、局部压制和临机压制等方式实施电子攻击和火力打击行动。王兴虎等提出了有人/无人机协同防空压制作战的编组方式、任务区分、作战流程和智能决策系统设计,是有人机和无人机协同SEAD作战的初步研究。作为SEAD作战中的重要样式,随队支援干扰的仿真建模多基于雷达干扰方程进行数值计算,粒度较细,针对不同的作战筹划问题,模型侧重点不同，差异较大。SEAD作战以瘫痪或摧毁对手一体化防空体系为目标,因此对网络化防空体系结构的建模能够评估SEAD作战效能,并将其作为目标函数优化SEAD作战的筹划问题,形成SEAD作战建模的通用框架。

    对防空体系的建模通常利用复杂网络理论,将防空作战体系各要素和单元抽象为节点,将信息通联等交互关系抽象为边,构建复杂网络。一体化防空体系符合超网的多层、多级、多属性的特点,当前多构建超网络模型。如罗金亮等提出了“两层四链四网”超网架构，对网络一体化防空体系结构进行建模分析,其中“四链”是指侦察链、指控链、攻击链和协同链,“四网”则是实体连接网、预警探测网、指挥控制网、防空火力网。此外，罗金亮等出版的专著系统地总结了联合压制敌防空体系下电子对抗的运用及其定量分析方法,提出了基于功能贡献度的目标价值模型、网络拓扑结构分析等方法,对SEAD中电子攻击研究较为透彻。

    穿透性制空下的SEAD作战建模仿真关键在于借助防空体系网络模型，从空中战役层级对“穿透”效果进行量化。“穿透”指标可基于SEAD作战效能评估、纵深目标打击效能等进行初步确定。特别地,穿透性制空的优势在于其隐蔽突然性,SEAD作战很大程度上作为佯动来保障其他方向隐身飞机的软穿透,因此，能否隐身突防也是“穿透”的重要指标。

    在战役层级,筹划问题的求解算法需进行调整:如突防航线的优化算法要从全空间寻优转为几个作战方向的优选;干扰压制编队的阵位配置和干扰目标选择问题的优化需降低仿真计算复杂度,考虑基于效果的干扰模型;突防打击编队的目标选择算法,需基于其挂载方案、防空体系网络关键节点和纵深高价值目标建立匹配算法。图2总结了穿透性制空下SEAD作战的建模仿真框架。

    图2 SEAD作战建模仿真框架

    2.2 战役级有人/无人协同空战的建模仿真

    穿透性有人/无人混合编队主要对抗执行拒止任务的多批次、多编队的空中截击目标,因此，有人/无人协同空战是重点建模问题。当前研究多认为有人机/无人机协同作战将以有人机作为指挥决策中心,无人机作为攻击机,形成人在环上的协同模式。其建模仿真多聚焦在效能评估，任务分配，航迹规划和作战流程等战术层面上。现有空战模型通常设置多个概率参数，如占位概率、命中概率、杀伤概率，对包括飞机战术机动、空空导弹发射、制导和命中等多阶段在内的复杂空气动力学模型进行简化处理,也有较多运用兰彻斯特方程进行空战进程预测和空战效能评估的研究。

    在穿透性制空背景下,无人机集群的大量运用使得兰彻斯特平方律具备一定的适用性,但有人机与少量无人僚机编组作战的建模并不适用兰彻斯特方程,需要在现有空战概率模型上进行改进。

    基于参战无人机的数量规模,战役级有人/无人协同空战的建模仿真可区分为有人/无人集群协同空战和有人/无人僚机协同空战两种典型场景。

    文献[32]基于兰彻斯特方程和有人/无人平台的协同程度，建立了广泛的有人/无人协同作战模型。同样，可以基于协同样式以及空中编队的配置，构建出具有一般性的混合兰彻斯特空战模型。表1给出了基于兰彻斯特方程的有人/无人集群协同空战模型的主要情形,模型需体现出无人机的支援效果,可通过引入参数因子，调整损耗系数来进行建模。

    表1 基于兰彻斯特建模有人/无人集群协同的主要情形

    有人/无人僚机协同空战仍可通过概率模型来求解。特别地,针对分布式空战和“忠诚僚机”的特点,可首先建立有人机与无人僚机的态势感知和数据通联机制,有效模拟出无人僚机充当传感器和射手的作用。这种分布式空战中的杀伤链是复杂的,单架无人僚机可通过低可截获数据链将目标信息传递给其他编队的打击力量,因此，空战场杀伤链的分析具有重要意义。可行的方法是构建异质网络来描述空中武器装备的杀伤链,并进行杀伤链效能评估。图3总结了穿透性制空下有人/无人协同空战的建模仿真框架。

    图3 有人/无人协同空战建模框架

    3.1 隐身性的界定问题

    穿透性制空作战的可行性主要来自隐身性能。战役级作战模拟系统受计算资源的限制,其预警探测较少依据雷达方程进行仿真计算,而是基于效果通过设置随机数来表征其探测能力。依据概率论,即使将以全频段隐身为特征的PCA飞机的被探测概率设为趋于0,密集覆盖的雷达网仍有较大概率发现独立实施软穿透的飞行编队。若认为PCA飞机完全隐身,不被任何探测手段发现，显然不符合作战实际。而如果不实施软穿透,以压制防空后的硬穿透为主，实际上失去了穿透性制空直入纵深、先发制人的性质。若要有效实施软穿透，则应从少数防空体系薄弱地带进入,而这不仅需要更远的航程,且与多向穿透的要求是矛盾的。

    此外,隐身性能使得隐身飞机的交战模型面临较大挑战。穿透性打击编队若要突破前出拦截的隐身飞机战斗空中巡逻空域,双方很可能因为各自的隐身性能导致互相难以发现对手而不进行交战。因此，在仿真模拟时，如何合理界定隐身性,使得既能很好地体现穿透效果,又不失一定的反制手段，显得较为困难。

    3.2 基础性能参数的数据缺失

    PCA战机等穿透性制空系统簇相关装备尚在研究,B-21轰炸机的相关参数如载弹量、飞行速度、作战半径等也不够清晰。武器装备数据和交战数据等仿真的关键数据严重缺乏,进而使得相关模型参数失真,导致模型局限性较大,难以支撑穿透性制空作战概念的演示验证和分析。当前可行的方法是依托F-22、F-35等五代机构建PCA战机的相关数据,依托B-2A构建B-21的相关数据,并合理设置无人机集群的毁伤数据。此外,穿透性制空理论研究需进一步细化到作战方案层级,使得仿真模型的输入尽可能符合作战实际。

    穿透性制空作为美空军未来应对大国冲突的一种体系解决方案,将对后续美空军装备体系发展起指导作用。研究穿透性制空作战,建模仿真具有一定的局限性，但又是研究该作战概念的途径之一。本文总结了当前穿透性制空作战理论的三大特点,并将其建模仿真问题提炼为压制敌防空作战和有人/无人协同空战两个领域,而后从模型和算法层面梳理了穿透性制空背景下建模仿真的重点问题，并指出了面临的主要挑战,为相关模型的仿真实现和定量分析奠定了基础。后续需在模型的基础上继续深入研究该作战概念,以期形成应对、抗击和反击穿透性制空作战体系的策略。

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