侦察卫星支援对海打击作战研究

彭 耿, 张绪明, 刘 磊

(复杂舰船系统仿真重点实验室, 北京 100161)

侦察卫星支援对海打击作战研究

彭 耿, 张绪明, 刘 磊

(复杂舰船系统仿真重点实验室, 北京 100161)

侦察卫星是天基信息支援力量的重要组成部分,是实施远海精确打击的重要信息来源。引入OODA作战环理论,建立了一种侦察卫星与海上作战平台的信息火力融合式作战过程模型,重点从信息链的角度分析了作战过程的主要因素及其影响效果,并通过Matlab进行实例仿真验证。

侦察卫星; 对海打击; OODA; 作战过程模型; 信息链

信息支援是伴随信息技术走进战场的新型作战力量,它一诞生就与火力支援、兵力支援、战略投送一并构成作战支援,成为构建现代军队一体化联合作战能力的重要内涵之一。研究探索信息支援的本质、作用机理和作战运用,既是夺取战场主动权的必然要求,也是加快转变战斗力生成模式的必由之路[1-2]。

信息火力打击,是指以信息系统为支撑,协调一致地运用诸军兵种火力,直接达成战略、战役、战术目的的一种作战样式[3]。它充分发挥了体系作战优势,是体系作战的主要样式。侦察卫星是天基信息支援力量的重要组成部分,是实施海上精确打击的重要信息来源。文献[4]介绍了美国国家侦察办公室(NRO)的“先进原理技术验证”(ACTD)计划,它将使战术导弹能直接下载NRO的卫星侦察数据以支持其快速打击目标,预计在2004财年完成;文献[5]介绍了美军“作战响应空间”(ORS)计划下重点发展的关键技术之一——天基通用数据链(Space CDL)的进展情况,其中2009年发射的TacSat-3卫星可在10min内完成从战术用户提出侦察要求到卫星进行侦察、处理并将侦察情报数据传输到战术用户终端的全过程,2011年发射的ORS-1卫星可将上述过程的耗时缩减到6.5min以内;文献[6]指出ORS计划已经成功验证了侦察卫星对导弹等武器系统的战术支援能力;文献[7-16]对侦察卫星支援导弹精确打击的相关问题展开了研究,如利用卫星制导远程机载导弹的几个问题、基于卫星目标指示的舰舰导弹可攻性研究、导弹打击海上移动目标中的卫星侦察信息精度影响分析等。

目前,尚未见到相关文献研究天基信息支援对海打击作战过程建模,特别是分析整个过程中各种因素对打击效果的影响。本文以侦察卫星支援对海打击作战为例,开展天基信息支援对海打击作战研究:通过引入OODA作战环理论,构建了从海上目标探测到反舰导弹攻击效果评估的侦察卫星支援对海打击作战全过程模型,重点根据此模型从信息链的角度分析了链路中的各种因素对打击效果的影响。

1 侦察卫星支援对海打击作战过程

1.1 作战过程模型

信息化条件的现代作战行动中,越来越强调体系作战的重要性:以战争胜利为目的,以作战对象、参战部队以及各种武器的优劣为出发点,进行一种体系的组(融)合,以最小的代价、最小的伤亡,换取最大的作战效能。美空军上校John R. Boyd(约翰·包埃德)于1987年提出的OODA环是一种对体系作战行动的整个过程进行高度抽象的典型模型,它以指挥控制为核心,能够较为清晰地描述整个体系作战行动的全过程“观察(O)—判断(O)—决策(D)—行动(A)”,形成完整的体系作战过程环路[17-18],即整个作战指挥控制过程可以看作为四个分离但并不独立的阶段的循环。目前,OODA环已经得到了广泛应用,根本原因在于它以简单的方式表达了作战实体的复杂作战行为的内在规律。

根据相关文献给出的天基信息支援打击作战实例[5-13],可总结概括出侦察卫星支援对海打击的典型作战过程模型对应的OODA环如图1所示。

图1 侦察卫星支援对海打击的典型作战过程

在图1中,信息节点包括情报中心、指挥所等相关的信息传输与处理节点;(紫色)虚线表示数据处理中心的卫星侦察情报信息可直接通过通信卫星分发至海上指挥所;(红色)点画线表示星上处理生成的卫星侦察情报信息可以广播分发至海上指挥所;该图对应的OODA环的具体步骤如下:

1)“O”,观察,侦察卫星根据上注的遥控指令在作战海域上空开机,执行侦察任务,获取海战场信息(包括舰船目标的位置等参数)并下传侦察数据;

2)“O”,判断,数据接收站直接或通过星地通信中继节点接收下传的卫星侦察数据,并同步传输至数据处理中心,该中心进行数据处理与情报生产并快速分发卫星侦察情报信息至情报中心(中间可能存在其他信息传输与处理节点),情报中心对情报信息进行处理形成海上态势并分发至指挥所;

3)“D”,决策,指挥所根据任务目标、作战原则和海上态势等要素,进行判断、定下决心,形成目标打击指示信息并分发至相关的海上作战平台;

4)“A”,行动,海上作战平台根据指挥所的决策和目标打击指示信息,发射反舰导弹对海上舰船目标实施精确打击。

1.2 作战过程对侦察卫星的要求分析

分析可知,作战过程对提供目标情报信息支援的侦察系统必然存在时空覆盖、情报信息质量方面的要求,即上述作战过程对侦察卫星本身也必然存在时域覆盖性、区域覆盖性、信息连续性、信息实时性、信息准确性等要求[19-20]。由于卫星等航天器固有的轨道特性,使得其只能周期性地覆盖某一区域,因此侦察卫星在成功发射并在轨运行后,其时域覆盖性、区域覆盖性、信息连续性及目标探测能力(包括目标截获概率、定位精度等指标)就基本固化了(暂不考虑次数有限的卫星轨道机动等情况),只有信息实时性、信息准确性在一定范围内是可变的。

信息实时性、信息准确性主要与侦察卫星系统的信息传输与处理时延、目标检测与识别能力有关,而目标检测与识别能力本质上包括准确性、实时性两个方面,由于上述作战过程是在确定打击目标后才利用侦察卫星提供的目标情报信息直接支援反舰导弹实施对海打击,因此需要重点考虑的是实时性这个可变量,即信息传输与处理时延,侦察卫星系统的时域覆盖性、区域覆盖性、信息连续性、信息准确性等要求可假设已经满足而不需要进一步考虑。

2 作战过程的主要因素及其影响效果分析

2.1 支援对海打击作战卫星侦察信息链

在打击舰船等移动目标过程中,为反舰导弹提供高质量的目标指示信息是实施海上精确打击的关键。从获取目标信息到导弹完成目标装订并发射的过程中,目标信息经过了OODA环中的各个节点,每个节点对信息的影响最终都会体现在目标指示信息的质量上,决定了导弹的命中概率(假设导弹可靠飞行、目标无抗击措施且末制导雷达捕捉到目标后能准确命中)[21]。为了分析主要因素对上述作战过程的影响效果,即度量OODA环中各个节点对目标指示信息质量的影响,定义了支援对海打击作战卫星侦察信息链及其误差的概念。该信息链的定义为:被攻击舰船目标信息在“获取与处理卫星侦察信息—传输卫星侦察信息—海上作战平台利用卫星侦察信息装订射击诸元并发射”等过程中所历经的节点集。该信息链的误差定义为:利用卫星侦察信息装订的反舰导弹在发射时,被攻击的舰船目标和反舰导弹装订的目标位置的相对位置的散布度。

支援对海打击作战卫星侦察信息链实际上是指从卫星侦察信息的获取到利用全过程组成的节点集合,即OODA环的(信息)节点集合。该集合不同于一般意义上的信息传输链[22-23],它包含了3类节点(集):信息获取节点、信息传输与处理节点集(组成信息传输链)、武器发射节点集。根据上述作战过程分析可知:在确定打击任务和提供目标指示信息的侦察卫星后,信息获取节点、武器发射节点集基本是固定不变的,可变化(增加或删减)的主要是信息传输与处理节点集。

2.2 基于链路误差的主要因素分析

根据以上分析可知,支援对海打击作战卫星侦察信息链误差的来源主要有:侦察卫星的目标定位精度及其自身定位精度[16],武器发射平台自身定位精度、信息传输与处理时延内的舰船目标运动等[24-25]。其中,信息传输与处理时延来源于OODA环中各个节点的时延,且此时延根据信息传输与处理节点集的变化而变化。

目前,国外用于海洋目标侦察与监视的卫星系统的定位精度一般为km量级,如美国“白云”系列海洋监视卫星的定位精度为2km～3km,俄罗斯“US-P”系列海洋监视卫星的定位精度为6km～13km[26]。当前,GPS、GLONASS、北斗、Galileo等天基导航系统的定位精度很高(如在亚太中低纬度地区,GPS、北斗的民用级定位精度相当,平面定位精度优于3m[27]),侦察卫星、作战平台可利用他们进行自身定位,且通过多源导航信息融合可进一步提高定位精度至dm甚至cm量级,则该类影响因素可近似忽略。另外,由于舰船目标的最高航行速度在很多情况下达到了30kn(约1km/min),因此信息传输与处理时延内的舰船目标运动不能忽略。可见,上述作战过程中需要重点考虑的主要影响因素,即链路误差的主要组成为:侦察卫星的目标定位精度、信息传输与处理时延内的舰船目标运动。

2.3 主要因素对作战效果的影响

主要因素对作战效果的影响本质上就是目标指示信息的精度,即上述支援对海打击作战卫星侦察信息链路误差,其中侦察卫星的目标定位精度是固化的,下面重点研究信息传输与处理时延内的舰船目标运动。根据中远程反舰导弹的作战使用条件,可将舰船目标运动的散布分成3种情况考虑[28]:已知目标位置和速度;只知目标的概略位置,且可根据战场态势估计目标运动情况;只知目标的概略位置情况,且无法估计目标运动情况。根据目前国外海洋监视卫星的目标定位精度和舰船航行速度,分析可知基本不可能准确获取舰船目标的航行速度,因此暂时只需重点考虑第3种情况。

图2为极坐标系,其中O点为原点,OX轴为航向。对于t时刻的舰船目标位置,可以用2个参量来表示,一个是与原点的距离R,另一个是相对OX轴的航向角β,此时它在0°～360°范围内均匀分布。对于目标离开原点的距离R来说:R=r+Vt,V是目标航速,其取值范围为Vmin～Vmax。为了使遥感卫星提供的目标指示信息尽最大可能涵盖舰船目标的机动范围,则当R0=r0+Vmaxt=3σ0+Vmaxt时,从概率论可知P(|R|

图2 仅知概略位置时的舰船目标散布范围

3 仿真实验

本文采用与文献[29]相同的仿真条件,以侦察卫星为A、B、C共3型反舰导弹提供目标指示信息,建立水面舰艇编队模型并作为攻击目标,进行侦察卫星支援对海打击作战过程仿真(其中的导弹命中概率等相关模型同文献[29])。通过Matlab仿真实验,初步分析了链路时延、侦察卫星定位精度、舰船目标航行速度等因素对作战效果的影响,仿真结果如图3所示(图中的纵坐标为导弹命中概率)。

图3 主要因素对侦察卫星支援对海打击作战效果的影响

根据图3所示的仿真结果可知:

1)相对于侦察卫星定位精度、舰船目标航行速度等因素,链路时延(卫星侦察情报信息的实时性)对作战效果的影响最大,这就说明在卫星侦察时间与武器打击时机密切结合且确保情报准确的前提下,情报实时性越高则打击效果就越好。

2)当链路时延在小于某一数值的范围内时,作战效果对该因素比较敏感;当链路时延大于某一数值时,作战效果对该因素相对不敏感,究其原因是此时的目标指示精度已经较低,基本上都不能引导导弹准确命中目标。

3)侦察卫星定位精度越高,舰船目标航行速度越低,均可有效提高反舰导弹的命中概率。

4 结束语

针对侦察卫星与海上作战平台的信息火力融合,基于OODA作战环理论建立了侦察卫星支援对海打击作战过程模型,重点从信息链的角度分析了作战过程的主要因素及其影响机理,并通过仿真实验对比分析了影响效果,可为外部侦察信息支援海上远程精确打击研究提供参考。当然,文中的探讨仅针对当前侦察卫星提供目标概略位置的情况,后续将针对提供位置和速度的情况进行研究。

[1] 军事论坛. 信息支援——跃居前台的信息化战场新锐[N/OL]. 解放军报,2012-02-09(12)[2012-02-09]. http:∥www.zz/pladaily/arcticle/2021/02/02/981625.html.

[2] 耿桂珍. 美陆军军事信息支援行动变革及其新特点[J]. 军队政工理论研究, 2014, 15(4): 124-126.

[3] 王勇男. 体系作战制胜探要[M]. 北京: 国防大学出版社, 2015.

[4] 殷前根. 美拟将卫星数据线路用于战术导弹[J]. 上海航天, 2000, 17(4): 10.

[5] 李高峰, 王余涛. 美军天基通用数据链发展研究[J]. 国际太空, 2013(11): 47-58.

[6] 魏晨曦. 美军天基通用数据链及发展[J]. 航天电子对抗, 2015, 31(2): 20-23.

[7] 董云峰, 刘佳, 苏建敏. 利用卫星制导远程机载导弹的几个问题[J]. 航空兵器, 2005(3): 3-7.

[8] 祝彬, 陈萱. 基于天基信息系统的远程精确打击(上)[J]. 中国航天, 2007(3): 27-30.

[9] 祝彬, 陈萱. 基于天基信息系统的远程精确打击(下)[J]. 中国航天, 2007, 4: 35-40.

[10] 金鑫, 毕义明, 李瑛. 卫星信息支援对作战效能影响度评估方法研究[J]. 系统仿真学报, 2008, 20(19): 5066-5070.

[11] 胡绪杰, 刘志田, 王默, 等. 天基信息支援对导弹攻防作战的效用分析[J]. 航天器工程, 2009, 18(1): 104-107.

[12] 王光辉, 孙学锋, 严建钢, 等. 基于卫星目标指示的舰舰导弹可攻性研究[J]. 系统仿真学报, 2010, 22(8): 2010-2012.

[13] 马满好, 罗雪山, 汪彦明, 等. 常规导弹精确打击中卫星应用效能评价[J]. 计算机仿真, 2011, 28(1): 107-110.

[14] 张雷, 李瑛博, 夏志飞，等. 卫星支援弹道导弹反航母作战研究[J]. 装备制造技术, 2011(11): 31-33.

[15] 杨娟, 刘欣. 空间信息支援导弹防御系统作战需求论证的反向分析方法[J]. 四川兵工学报, 2013, 34(5): 141-144.

[16] 王建江, 徐培德, 王慧林, 等. 导弹打击海上移动目标中的卫星侦察信息精度影响分析[J]. 国防科技大学学报, 2013, 35(1): 180-184.

[17] 刘刚, 韩云山, 李云凡, 等. 指挥信息系统作战运用服务需求[J]. 装甲兵工程学院学报, 2014, 28(6): 71-75.

[18] 蓝羽石, 王珩, 易侃, 等. 网络中心化C4ISR系统结构“五环”及其效能表征研究[J]. 系统工程与电子技术, 2015, 37(1): 93-100.

[19] 谈群, 邱涤珊, 李志猛, 等. 卫星侦察需求价值量化的改进STT分析方法[J]. 火力与指挥控制, 2012, 37(10): 59-62.

[20] 杨敏, 徐慨, 孙洋. 面向作战区域覆盖的成像侦察小卫星及星座应用[J]. 信息通信, 2014(7): 34-36.

[21] 曾家有. 各种因素对现在点射击方式反舰导弹捕捉概率的影响分析[J]. 兵工学报, 2011, 32(6): 719-724.

[22] 任国光. 机载激光武器作战信息链分析[J]. 激光技术, 2002, 26(4): 241-243.

[23] 李蕾, 余传祥. 弹道导弹防御系统中的天基信息链[J]. 航天电子对抗, 2006, 22(6): 3-6.

[24] 毛赤龙, 沙基昌, 任义广, 等. 信息链误差对导弹捕捉时间敏感目标概率的影响[J]. 火力与指挥控制, 2008, 33(6): 30-33.

[25] 陈玉文. 海面机动目标散布规律及反舰导弹搜索区的划分[J]. 飞航导弹, 1999(7): 6-10.

[26] 沈如松, 张育林. 海洋监视卫星作战效能分析[J]. 系统仿真学报, 2006, 18(3): 531-534.

[27] 曾琪, 何俊. 北斗区域导航定位精度分析[J]. 测绘通报, 2015(11): 15-19.

[28] 董受全, 刘志强. 超视距目标指示与目标散布区域的研究[J]. 飞航导弹, 2000(10): 39-41.

[29] 薛锋, 滕克难, 欧阳中辉. 反舰导弹对水面舰艇编队舰空导弹突防能力的研究[J]. 飞航导弹, 2003(5): 35-37.

Research on Anti-sea Striking Operation with Reconnaissance Satellite Information Support

PENG Geng, ZHANG Xu-ming, LIU Lei

(Science and Technology on Complex Ship Systems Simulation Laboratory, Beijing 100161, China)

As important component of space-based information support force, reconnaissance satellite has been important source of information for maritime precision strike. By introducing OODA (Observe, Orient, Decide and Act) loop, an information-fire power fusion operational process model of reconnaissance satellite and maritime operational platform is established. Main influencing factors and their effect for operational process are analyzed from information chain. Corresponding conclusions are verified by MATLAB simulation examples.

reconnaissance satellite; anti-sea striking; OODA; operational process model; information chain

1673-3819(2017)06-0017-05

E92;V474.27

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.06.004

2017-07-31

2017-08-29

彭 耿(1980-),男，湖南平江人，博士，工程师，研究方向为体系仿真与评估、空间信息系统等。张绪明(1988-)，男，工程师。刘 磊(1978-)，男，高级工程师。