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基于马赛克战的国土防空作战体系构建研究

今日荐文的作者为南京电子技术研究所专家邓大松、孙俊、杨予昊。本篇节选自论文《基于马赛克战的国土防空作战体系构建研究》,发表于《中国电子科学研究院学报》第15卷第2期。

摘 要:美国提出的“马赛克战”概念正在成为引领美军在军事作战理念、作战体系架构、战斗力生成模式等创新转型的顶层指导。本文将“马赛克战”概念引入国土防空领域,提出马赛克式国土防空体系(MHADS),将战场作战资源根据OODA进行功能要素分解、灵活自由组合集成,构建按需服务、弹性灵活、规模可扩、通道最优的新型全域杀伤网,实现全域感知、全域指控、全域打击,从而赢得并维持非对称防空作战优势。

关键词:马赛克战;国土防空;作战体系

论文全文摘编如下,仅供学术交流与参考


引言

“马赛克战”(Mosaic Warfare)概念提出通过低成本、低复杂度系统的灵活组合、高度自主智能与协同作战,构建按需服务、弹性分布、积木重组的新型作战体系,从而快速、动态响应多种威胁场景的作战需求。将马赛克战概念引入国土防空作战,构建马赛克式国土防空体系(MHADS),将极大提高作战灵活性与动态响应性,但目前各界对该理论概念及体系构建没有统一、明晰的认识,因此进行体系构建问题研究显得非常有必要。

需求分析

国土防空作战体系是地理分散、功能互补的诸多探测系统、指挥系统、通信系统和武器系统等作战单元组成的复杂作战体系,守卫着国家领空安全。现代信息化条件下,国土防空作战面临的战场环境更加复杂,空袭威胁从单装威胁演变为体系威胁,空袭平台从常规威胁扩展到隐身、高速/超高速、无人、集群、战术弹道导弹等多类目标,空袭样式从抵近打击发展为防区外远程打击与精确制导打击,空袭电磁对抗从注重事中对抗演变为贯穿空袭全流程。

为实现高效防空作战,防空体系需从陆、海、空、天等多平台获取空情信息,实现尽远发现、尽早反应、尽快拦截。不过,传统国土防空体系存在诸多不足,制约整体效能提升:

(1)协同探测能力欠缺,信息流转管道固定,决策响应时间长

采用“烟囱式”体系结构,信息流基本按照军兵种、指挥关系、作战平台相对独立地纵向垂直流转共享,管道固定,难以实现跨军种、跨系统、跨平台的横向流转与互联互通互操作,导致突袭响应与打击决策时间过长,无法更快速抗击拦截,难以适应新时期国土防空作战需求。在防空系统内部,同样存在烟囱式数据共享制约,如防空系统拦截弹只能从本系统自配的指挥控制站接收雷达跟踪制导信息,无法跨火力单元、跨防空系统获取制导信息。

(2)防空通道重构性弱,节点过于集中,断链风险高

整个防空体系的情报级探测数据共享速度慢,无信号级跨平台共享,无基于异构平台的协同制导通道,没有实现真正意义上的网络化、一体化防空作战,防空通道整体重构性较低,导致作战灵活性较弱。此外,由于武器系统采取独立式系统设计,搜索雷达、制导雷达、火力单元、指挥控制中心高度硬耦合,防空作战链节点过于集中,任一节点受损,整个OODA环路即将陷入破网断链风险。

2015年《中国的军事战略》国防白皮书指出,“增强基于信息系统的体系作战能力,运用信息系统把各种作战力量、作战单元、作战要素融合集成为整体作战能力,逐步构建作战要素无缝链接、作战平台自主协同的一体化联合作战体系”。因此,需以新思维、新理念,以网络信息体系为抓手,对国土防空体系架构、体系要素、体系流程进行重构,将探测系统、指控系统、武器系统等各类作战资源高度互联,加快转变国土防空战斗力生成模式,解决“看不见、瞄不准、打不远”等瓶颈问题,遂行反隐、反临、反巡、战术反导、反无人等国土防空作战任务。

“马赛克战”概念

2017年,DARPA战略技术办公室(STO)正式提出“马赛克战”概念,其灵感源自建筑领域的马赛克设计,后者运用简单、快速可拼接的小砖块,制作出结构较复杂、设计可变更、规模可扩展的墙体结构。

“马赛克战”概念借鉴了马赛克设计的简单与组合,基于人工智能、多域有人-无人协同与高速网络技术,将多域传感器、指挥控制节点、武器以及大量低成本、低复杂度的有人-无人系统等战场作战资源,根据OODA进行功能要素分解、灵活自由组合集成,构建出按需服务、弹性灵活、规模可扩、通道最优的新型跨域杀伤网,实现全域感知、全域指控、全域打击,即“从任意传感器获取信息、从任意平台发射武器”,极大缩短“传感器到射手”时间,从而获取并维持对敌不对称优势。

“马赛克战”概念正在成为引领美军在作战理念、作战体系架构、战斗力生成模式等创新转型的顶层指导。在作战体系架构上,“马赛克战”突出基于机器学习、神经网络的人工智能驱动,整合传统C4ISR体系的各类要素,逐步过渡到“任务控制、传感器网络、人工智能、持续监测和目标瞄准”(MCSNAIPMT)架构,最终转型为“传感器、网络与人工智能”(SNAI)架构。

目前,DARPA正在开展的一些预研项目,有助于实现“马赛克战”概念。其中,“复杂适应性系统组合与设计环境”(CASCADE)项目可解决新系统与现有系统之间的按需组合;“体系集成技术与实验”(SoSITE)项目旨在构建不同系统之间的集成协同;“对抗环境下的弹性同步规划和评估”(RSPACE)项目和“分布式作战管理”(DBM)旨在解决多域指挥控制;“对抗环境下的通信”(C2E)及“任务优化动态适应网络”(DyNAMO)项目则侧重无中心化、自适应通信网络。

基于马赛克的国土防空体系构建

借鉴“马赛克战”概念和联合、跨域、快速响应的作战理念,可构建马赛克式国土防空作战体系(MHADS),采用“云-端”网络信息体系架构,按照“感知-决策-打击”的杀伤链功能分解,智能管控随遇接入的各类战场资源,构建“一切皆资源、一切皆服务”的菜单式按需服务能力,根据不同任务、不同阶段、不同目标的具体作战需求,灵活、动态、多样化、自适应组合杀伤链路,形成高度分散、富有弹性的分布式杀伤网和最优杀伤通道,达到预期防空效能,应对动态化、多元化威胁。

1、体系构成

根据实际作战需求,可将MHADS体系架构划分为装备层、供应商层、算法层、管理层、服务层、应用层等6层。

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图1 MHADS体系架构

  • 装备层为预警机、小型无人空中集群、浮空气球、防空战斗机、地面防空雷达、防空导弹、地面指挥站等具备防空能力的任何武器装备,按需组合遂行空地一体国土防空作战。

  • 供应商层是通过虚拟化技术,将异构异型、分散部署的各类防空要素进行抽象聚合,形成马赛克构件和要素供应商,包括探测供应商、网络供应商、射手供应商、武器供应商、数据供应商、计算供应商等,组合成一个“防空能力集市”。

  • 算法层是支撑功能实现的算法集,包括智能资源管控调度算法、实时任务规划算法、智能数据融合算法、协同控制算法等。

  • 管理层是指各类要素资源的管理,包括探测资源管理、射手资源管理、数据资源管理、存储资源管理等。

  • 服务层是基于供应商层提供的各类作战资源,进行实时、高速资源管控调度,形成防空作战链所需的服务,包括探测服务、跟踪服务、火控解算服务、制导服务等。

  • 应用层是按照作战任务类型,动态组合各类服务,形成不同应用模块,包括反隐作战应用、反临作战应用、反巡作战应用、战术反导应用、反无人作战应用等。

2、体系特点

MHADS与基于网络中心战、“系统之系统”复杂系统理论的传统国土防空体系一脉相承,但同时具备人工智能、云计算的典型特征,具有体系配置动态可调、高自由度战场资源管控、任务规划灵活按需、杀伤通道最优重构、兼容互操作更强等特点,可实现体系内不同系统的快速、按需、智能组合与拆解,形成“单点发现、全网共享、最优发射、弹性重构”的智能化、网络化、超视距、超低空国土防空作战能力,战场发现、识别、定位、跟踪和摧毁空中来袭目标的时间可从分钟级缩短到秒级,具有战术、战役甚至战略层面的作战灵活性。具体表现为:

(1)多域协同、自由重构的分布式杀伤网

从战斗力生成模式看,MHADS采用一种类似“供应商-客户”的菜单式按需服务作战模式。战场所有防空力量、防空单元、防空要素都不是以常规的物理形态存在,而是基于角色的马赛克构件,构成一个个潜在的服务供应商,组合成为一个“防空能力集市”,分布于陆、海、空、天、电、网全域杀伤网。每一个指挥控制节点则被视为客户,通过虚拟联络员与服务供应商交互,灵活组合作战通道网,按需选择最优杀伤通道。

(2)无中心化、动态自组织、随遇接入、即插即用的云-端体系配置

MHADS采用“云-端”网络信息体系架构,各类马赛克构件随遇接入,即插即用,呈现无中心化、动态自组织联网,形成智能通用、面向服务的网络信息体系,从集中式、管道式资源集中转变为任务驱动、智能自主的资源集约,实现实时、高速、自主战场资源管控,即使部分马赛克构件功能降级或受损,整个体系仍可根据需要快速重构再响应,获取预期作战效果。

(3)灵活、菜单式、低成本的任务-能力匹配

传统防空作战追求体系庞大、资源集中、单平台设计复杂,导致体系臃肿,资源浪费,费用庞大。MHADS对战场资源的追求转变为“不为我有,但为我用”,实现资源高度集约化和功能模块化;对战场资源的使用从“看米下锅”转变为“按需选材”,面向任务和目标,灵活实现最优、最低成本的任务-能力匹配。

3、体系运行机制

传统防空制胜机理追求基于线性积累制胜的能量优势,MHADS则追求人工智能驱动、软硬融合的知识优势和信火一体优势,基于多域快速获取、分布式高速处理、人-机协同的毫秒级甚至微秒级评估决策规划,极大压缩OODA环路时间,取得按需、快速、精准打击效果。

鉴于国土防空作战的战术应用特性,MHADS采用“云-端”架构,整个系统分为“供应商云端”(Supplier Cloud)、“功能客户端”(Function Client)两个部分。“供应商云端”分散部署于地面防空指挥所或空中预警机,负责对各类战场资源进行管控调度,完成防空作战指挥过程;“功能客户端”不再指某个独立存在的作战平台,而是指遂行防空作战任务的各种功能要素,各要素可能集中于某个单一平台,也可能广泛分散于地理空间,包括探测客户端、指挥客户端、射手客户端、武器客户端等,不断向“供应商云端”提供相应数据、资源和服务,并根据具体作战任务需求,向云端请求数据、资源和服务。

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图2 MHADS全域国土防空作战设想

典型作战流程为:当地面预警雷达、浮空器平台、空中预警机或突前无人机发现空中来袭目标并上报预警信息后,防空指挥官向“供应商云端”请求防空作战服务。接收请求后,“供应商云端”根据资源管理系统反馈的资源状态,选择可用的OODA资源,初步完成任务规划和拦截方案,向可用探测供应商分配探测空域,既可以由最佳的单一供应商完成全部探测跟踪任务,也可以由多个供应商同时或接力完成协同探测跟踪。

在实战过程中,为保证高价值节点的生存能力,通常在前方突前部署大量低成本预警型无人机或浮空气球,构建无人集群发-预警机/战斗机/地面雷达收、无人集群或子集群MIMO收发等多种探测链路组合,根据需求智能切换链路,以自由柔性、按需时变的探测体系复杂度赢得战场感知优势。各节点数据不断上传并计算融合,形成态势信息分发指挥官,指挥官根据威胁等级评估结果,选择攻击目标。

“供应商云端”根据射手供应商、武器供应商状态,计算最优拦截方案,完成射手/武器选择、目标分配、火控解算与射击诸元装订等,并由最佳射手发射防空导弹。导弹发射后,“供应商云端”根据制导资源状态,完成异构协同制导任务分配。攻击完成后,综合战场情况,进行拦截效能评估并反馈指挥官,进行二次打击决策。

与传统防空作战系统相比,MHADS系统的防空要素松耦合程度达到新高度,不再囿于各平台限制,而是对整个体系的作战功能要素进行动态优化组合,实现基于任意传感器的数据,从任意射手平台发射武器,形成自由重构、鲁棒赋能的分布式防空网。

4、体系效能评估模型

MHADS作战效能评估可从作战要素、作战特征和技术成熟度等三个维度进行考虑。其中,作战要素(U)包括探测供应商(U1)、网络供应商(U2)、武器供应商(U3)、控制供应商(U4)。作战特征(C)包括体系规模、体系弹性、打击精度、打击速度等四个特征要素,分别用C1、C2、C3、C4表示。四个作战要素、四个作战特征的成熟度等级分别表示为M1~M5等五个不同等级,与作战要素、作战特征分别组合,构建出MHADS体系效能评估模型。

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图3 MHADS体系效能评估模型

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表1 MHADS体系效能评估矩阵

体系作战能力

作战特性

(C)

作战要素

(U)

成熟度

(M)

作战特性(C)

1

5

3

作战要素(U)

1/5

1

1/2

成熟度(M)

1/3

2

1

CR

CR=0.007035<0.1

ω

0.62801

0.118196

0.253794

表2 MHADS综合作战能力指数

传统国土防空体系

MHADS

作战特性(C)

0.019430631

0.044513352

作战要素(U)

0.004290515

0.009662524

成熟度(M)

0.013192209

0.01449671

综合作战效能系数

0.036913355

0.068672586

综合作战能力指数

1

1.86037238

结语

随着机器学习、深度学习、知识推理、云计算等技术的不断发展,MHADS系统将不断实现知识赋能、智能赋能。基于智能和基于效果的持续反馈学习,实现态势感知、指挥控制、打击决策能力最大化,达到“功能自学习、能力自提升”,朝着“智能中心、能力演进”的高级形态国土防空体系方向不断演变发展。

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