多车协同对空射击火力分配方法
单东升1，邱晓波1，楚东来2
（1.陆军装甲兵学院兵器与控制系，北京 100072；2.陆军装甲兵学院士官学校，长春 130117）
摘 要： 针对步兵战车多车协同对空射击的实现问题，基于战术互联网以及分布式火控系统之间的协同射击理论，提出了实现指控系统与火控系统一体化的多车协同射击组织流程，并着重研究了基于遗传算法的多目标火力分配及基于最优射击地域的火力单元优选排序方法，给出了理论分析和具体实现步骤。仿真算例表明该方法对武装直升机、亚声速巡航导弹等机动性较低的目标进行火力分配是可行有效的。
关键词： 步兵战车，集火射击，未来空域窗射击，火力分配
0 引言
步兵战车车载的一门小口径机关炮是遂行地面支援作战任务的主要武器，同时还兼具一定的对空防御能力，是地面近程末端防空反导作战的必要补充。由于单车对空射击射速较低、毁歼率不高，通常需要多车多炮协同来对空中目标射击。传统的多车对空射击主要采用“跟踪、集火射击”方式，通过连续跟踪目标，在射击提前点，以期通过提高射弹密度来提高毁歼概率［1］。然而，当空中目标高速高机动时，集火射击毁歼概率大幅降低，射弹浪费严重。采用“未来空域窗射击”方式逐渐成为主流，该方式在预测提前点的附近，分散配置多炮的射弹散布中心，建立的未来弹丸空中区域——未来空域窗，尽可能覆盖目标的机动范围，以期在相近的射弹数量下提高对空中机动目标的毁歼概率［2］。
当前，多车协同对空射击的研究主要集中在针对目标机动特性，以毁歼概率为指标，建立最优未来空域窗模型［3］，对弹丸散布中心进行配置，包括网状分布［4］、圆形及椭圆形分布［2］、多圆分布［5］、菱形分布［6］、多空域窗［7］等；以及根据敌我态势进行快速射击体制决策［8-9］及参数配置计算［10-11］。
随着信息技术高速发展，基于“火炮分散、火力集中”的原则构造分布式防空火炮火控系统成为可能［12-13］。但是如何将步兵战车的辅助防空火力以多车协同的方式组织起来的研究还十分有限。
本文依托战术互联网实现指控与火控的一体化设计，在单车火控系统具备独立作战的基础上，通过指控系统目标分配和指示、射击体制快速决策及集中射击等措施，以充分发挥步兵战车的辅助防空能力。
1 多车协同对空射击组织
基于战术互联网分散配置的基本作战单元如图1 所示，它包括1 辆指挥车和3 辆自带火控系统并实现信息共享的火力单元（步兵战车）组成。
早在上世纪六七十年代，各种传统艺术形式被打破就已初见端倪，随着时代的变迁，艺术的范围开始慢慢扩展到生活中的方方面面，艺术和生活的界限正在消融。同一时期，苏珊·桑塔格发表了《反对阐释》一文，苏珊·桑塔格式的形式美学问世了。
在航道建设方面，干支衔接、区域成网的高等级航道网基本建成。“一轴一网四线”（西江干线，珠江三角洲航道网，南北盘江—红水河、柳江—黔江、左江—右江、北江）航道主骨架效益突显。目前，珠江水系三级及以上航道已达2016公里，占航道通航总里程的1/8，规划的高等级航道达标率为86%。
图1 基于战术互联网的基本作战单元
多车协同对空射击流程如图2 所示，战场侦察装备监视空域，不间断地获取空中目标的状态信息并通过战术互联网上报信息到指控系统，指控系统根据空情和敌我态势信息进行火力分配决策和射击体制决策，确定处于可射击区域的装甲车辆，并把目标瞄准点坐标通过网络发给被分配车辆实施打击。目标状态一直由侦察装备监视，如果目标被歼灭，则终止火力分配解算，如果目标存活，则更新目标信息重复以上过程。
图2 多车协同对空射击流程
在“东-北-天”大地直角坐标系下，当空中目标在战场水平面的投影从O1（xO1，yO1）运动到了O2（xO2，yO2），在目标运动过程中的不同时刻对其有效射击区域的集合就构成了在有效射击时间Tf 内，对该目标的多车协同射击有效地域，如图7 所示。
图3 单车火力单元协同射击流程
2 对空射击有效区域
确定对空射击的有效区域是进行火力分配，实现多车协同射击的基础，需要综合考虑目标机动特性、火力单元打击能力、有效打击地域及时间等多方面因素。
2.1 空中目标运动特性
由于步兵战车车载机关炮射速相对较低，其防空能力有限。作为防空反导作战的补充，其打击目标多为武装直升机、无人机、亚声速巡航导弹和伞降目标等。这一类目标，运动规律较为单一，机动性相对较弱［14-15］，在射击模型中可近似将其运动视为匀速直线运动。
“鲲龙”AG-600机长37米，机高12.1米，翼展38.8米，总体大小和波音737客机差不多。它采用了单船身、悬臂上单翼、“T”型尾翼以及前三点可收放式起落架布局。在动力方面，“鲲龙”AG-600选装了四台国产涡桨-6发动机。
2.2 步兵战车单车对空射击能力
由于受到射界的限制，步兵战车机关炮有效射击范围是以火炮为球心、以射程Da 为半径的半球面，与最大射角α 对应的弹道切线形成的圆锥面相截的空域［16］，如图4 所示。
图4 步兵战车对空射击有效范围
图5 最大有效射击时间目标航路
Step1：事先确定火力单元和目标的编码。我方火力单元数量为nW，即编码串长度设置为L=nW，编码串表示为
，其中Si表示步战车所打击的目标序号，Si=0 表示火力单元i 不对任何目标进行射击。
有效射击半径RH 随着目标高度H 的增大而减小，射击死界半径rH则随着目标高度增大而增大。
有效射击时间是指目标进入有效射击范围时刻到离开时刻的时间长度，即火炮对该目标有射击能力的时间长度。有效射击时间不仅与目标高度、速度有关，也与目标的航路、航速有关。假设目标做速度为v 的匀速直线运动，则最大有效射击时间为如图5 所示航路的时间：
2.3 多车协同对空射击有效地域
已知空中目标的坐标
，由火力单元的有效射程和最大仰角可以确定实施有效打击的有效地域如图6 所示。
该地域上的平面坐标
满足约束方程：
当收到来自其他节点发送的BCD消息,节点就检测自己的横坐标是否小于发送节点的横坐标。如果小于,则利用右手规则转发BCD消息,否则就丢失。通过这种方式,最终只有一条BCD消息沿着边界转发,并且被转发的BCD消息是由横坐标最大的边界节点产生的。将此节点称为BCD的初始节点(BCD-I)。
图6 对空中目标射击有效地域
考虑步兵战车机关炮的射击能力，位于半径为
的圆环线附近的区域为最佳射击环线区域。
各火力单元接收指挥车分发的目标现在点坐标、瞄准点修正量及射击控制指令等，利用车载火控系统控制火炮自动指向空中目标，完成目标分配及指示功能，炮长按修正后的瞄准点跟踪目标，解算射击诸元，并按射击指令完成射击。单车火力单元对空射击流程如图3 所示。
图7 对运动目标多车协同射击有效地域
该区域由4 部分组成，即
。
为明确投资量的影响，回归分析多个港口的固定资产投资和泊位能力的数据，得到根据固定资产计算泊位能力的公式。然后，基于泊位能力与其他设施指标(如装卸设备、存储能力等)间的关系，确定投资对港口竞争力的影响。设泊位长度与其他q个基础设施指标间的配比率为g，则单位固定资产投资与基础设施指标的关系为
1）由
四条直线约束的梯形区域
；
2）由
四条直线约束的梯形区域
；
3）由L1 与以（xO1，yO1）为圆心，r1、R1分别为半径组成的圆环所约束的半圆环区域
；
4）由L2 与以（xO2，yO2）为圆心，r2、R2分别为半径组成的圆环所约束的半圆环区域
。
式中，rj为目标战场价值，其主要取决于反映指挥员作战意图的打击决心，以及由目标类型、功能、作战任务等因素决定的目标威胁程度。
驱动形式 ....................................................中置后驱
Step3：随机生成一定数量的染色体为初始群体，计算每个群体的目标函数。
数据依赖是对程序的数据由于程序结构的关系引用已经被程序处理过的数据而产生的数据之间的关联关系的抽象。程序变量之间的数据依赖[12]关系可以用程序的数据依赖图（Data Dependence Graph，DDG）来体现。数据依赖图也是由节点和有向边描述的有向图。数据依赖关系有三种：
图8 多车协同射击有效地域坐标系变换
3 空中目标火力分配
3.1 基于有效地域确定协同射击火力单元
火力单元用集合W 表示，单车编号为Wi，Wi∈W，在有效地域内的集合用E 表示，最终确定参与协同射击火力单元集合用F 表示，有
。
卫青率军到达高阙后，再折向南，渡过黄河，楼烦王、白羊王完全没料到卫青会从北面袭来，仓皇逃窜。汉军斩敌数千人，夺取牛、马、羊等牲畜一百余万头，彻底控制了河套地区。
在计算得出集火射击有效区域后，根据我方各火力单元地理坐标信息，判断其是否在有效区域内，在有效区域内的战车
，并统计在有效射击区域内的火力单元总数N。
在有效射击时间Tf内，以目标飞过的航迹中心
确定最佳射击距离环线半径为：
德国哲学家海德格尔就是将“死亡”当作是人们生存的一个构成部分，是不可缺少的，因此死亡在生存体系中是非常重要的一份构成。“向死而生”或者“置之死地而后生”则是海德格尔死亡观的核心部分。我们都知道每个人的死亡事件是必然降临的，但是，人们却无法知晓会何时死亡，因此可以将死亡看作是随时都有可能会发生的事情，一如海德格尔所说，“死亡毋宁说是一种悬临”，“此在本身在其最本己的能在中悬临于自身之前”。
射击有效区内各火力单元到最佳射击环线距离可以表示为：
式中，
，按照DBi由小到大的顺序排序，距离最佳射击环线越近的火力单元优先被选取。
3.2 基于遗传算法的多目标火力分配
假设我方火力单元数量为nW，则武器集
。空中目标数量为nT，则目标集
。
选取目标战场价值指标向量
与目标打击效果指标f（pij）最大为目标，建立目标函数：
已知空中目标当前位置、飞行高度及速度、火炮有效射程及最大射角，即可确定上述4 个区域的范围。为方便计算，建立以O1为原点，O1O2（即目标运动方向）为x'轴的直角坐标系，其与大地直角坐标系关系如下页图8 所示，坐标变换关系见式（4）。
pij 是第i 个火力单元对第j 个空中目标的命中概率。为了削弱打击效果差的火力分配结果对目标函数的线性累加作用，同时也有利于减少火力资源的浪费，目标打击效果指标f（pij）采用S 形隶属函数S（x）建立打击效果模糊集，以描述打击效果的满意度。
其中，
为参数，函数曲线如图9 所示。设定多车协同射击满意的命中率为80 %，可设
，得到如图10 所示的目标打击效果的隶属函数曲线。
图9 S 形隶属函数曲线
图10 目标打击效果隶属函数曲线
目前，国际上关于旅游非正规就业的研究主要集中在旅游非正规就业产生的原因、作用及影响。国内对旅游就业的研究具有明显的阶段性。以2010年为界限，2010年之前的研究主要集中在正规部门的就业；2010年之后非正规就业的研究开始出现并且占据了主导地位。在2010年之前，旅游就业研究集中在总量方面，主要涉及旅游对就业的促进作用、就业效应弹性、以及旅游就业的统计等[4]。随着互联网技术的进步和产业融合，旅游非正规就业继续增长，非正规就业模式的转变已经成为未来就业的基本方向。一些旅游非正规就业者本身也开始把“非正规”的就业作为一种向上的职业通道而不是终端[5]。
约束条件（1）为目标函数的解集矩阵取值范围；
约束条件（2）为约束火力单元在一次火力分配中最多只能对一个空中目标射击；
约束条件（3）为约束参与火力分配的火力单元数不能超过总数。
实现多目标火力分配遗传算法的步骤为：
当目标飞行高度为H，目标所在水平面与有效射击空域相截的圆环面，就是在该高度下，战车的有效射击范围。该有效射击范围外环面的半径RH与内环的射击死界半径rH 与H 的关系满足下式：
Step2：读入目标战场价值数据rj，各火力单元对空中目标的命中概率pij，设定合理的种群规模（一般设置为武器数量最大值的两倍），初始化种群。
其中，
，vx和vy分别表示空中目标的飞行速度分量。
第一，《洪范五行传》以《洪范》“五行”“五事”“皇极”为基本结构，抛弃了战国以来五行学文献中常见的“四时—五行”体系，这使其基本脱离了传统五行学文献归本阴阳、依时刑德的思想框架，建立起更具儒学色彩的政治灾异论。
Step4：对群体进行选择、交叉、变异遗传操作，生成新一代群体。按最佳保存策略，将历代种群中目标函数最高的个体结构完整地保存起来。
Step5：判断是否达到终止条件，通常是设定的最大进化代数或以种群收敛程度作为判断，达到则输出目标函数最大的个体，否则返回Step4。
4 仿真算例
假定空中目标个数为3，目标战场价值指标向量为
，目标状态如表1 所示。我方火力单元数量为20，位置坐标见表2。
表1 空中目标当前位置坐标及速度
表2 我方火力单元位置坐标
设武器最大仰角α 为50°，射程Da 为4 000 m，对空中目标命中概率与距离关系如图11 所示。
我方步兵战车根据命中概率函数求得我方步兵战车对敌空中目标的打击效果矩阵为：
图11 机关炮对空中目标命中概率曲线
仿真计算采用主频2.40 GHz 的64 位win7 计算机，软件采用MATLAB R2014a（8.3.0.532）及其遗传算法工具箱GADS。
遗传算法经过10 代进化，结果收敛，得到解向量表达形式为：［1，1，1，2，1，2，1，1，2，1，2，0，1，0，0，0，1，1，2，1］。即多目标火力分配方案如表3 所示。
第一种方案适宜渠道为总干渠一闸至四闸之间渠段与位于河套灌区上、中游乌兰布和灌溉区域与解放闸灌溉区域干渠，上述渠道均为国管渠道、多有防渗措施、渠道水利用系数比较高，水量损失小，渠道断面尺寸较大，能够在停水期内储存滴灌用水，在渠道两岸农田可发展直接引黄滴灌。通过对河套灌区各级渠道调研及遥感分析，第二种方案基本是在乌兰布和灌溉区域内沈乌干渠与东风渠两侧，有部分闲置荒地，可满足建设调蓄水池条件。
表3 空中多目标火力分配方案
对目标1 再按有效地域选择优先射击火力单元，求得r3=390.5，R3=3 968.6，rb=1 789.1，计算得出结果如图12 所示。
对于本文所介绍的维修方法，需要用到的工具和软件包括：大众奥迪原厂专用检测电脑ODIS诊断系统(软件)、诊断接口VAS5054/VAS6154(硬件)以及ODIS-E工程师软件。
图12 对空中运动目标1 的火力分配决策结果
图中虚线圆环表示执行射击时刻的射击有效区域，用点线绘制的圆环表示射击结束时刻的射击有效区域，菱形代表我方火力单元所处位置，虚线圆圈所选中的菱形表示被选中参与协同射击的火力单元，按照优先选择排序的集火战车编号为：i=10、17、5、18、13。
5 结论
本文针对步兵战车辅助防空多车协同射击问题，主要研究了多车协同射击组织实施和火力分配决策方法，提出了基于遗传算法的多目标火力分配及基于最优射击地域的火力单元优选排序方法，仿真算例表明了该方法的有效性，为依托战术互联网实现指控与火控的一体化设计，实现多车协同射击提供了技术途径。
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Anti-air Fire Distribution Method for Multi-vehicles Cooperative Against Multiple Targets
SHAN Dong-sheng1，QIU Xiao-bo1，CHU Dong-lai2
（1.Department of Weapons and Control，Army Academy of Armored Forces，Beijing 100072，China；2.School of Noncommissioned Officers，Army Academy of Armored Forces，Changchun 130117，China）
Abstract： Aiming at the problem of implementation for multi-vehicles cooperative against multiple aerial targets, a coordinated shooting organization flow and an anti-air fire distribution method which used genetic algorithm and optimal shooting area is presented based on the tactical internet and coordinated shooting theory. Theoretical analysis and implementation steps of this method are put forward. Simulation results show that this method is feasible and effective while the maneuverability of target is lower.
Key words： infantry vehicle，concentrated fire，future airspace window fire，fire distribution
中图分类号： TJ811
文献标识码： A
DOI： 10.3969/j.issn.1002-0640.2019.09.019
引用格式 ：单东升，邱晓波，楚东来.多车协同对空射击火力分配方法［J］.火力与指挥控制，2019，44（9）：98-102.
文章编号： 1002-0640（2019）09-0098-05
收稿日期： 2018-09-05
修回日期： 2018-12-15
作者简介： 单东升（1964- ），男，河南正阳人，副教授。研究方向：火控系统原理与应用。
Citation format： SHAN D S，QIU X B，CHU D L.Anti-air fire distribution method for multi-vehicles cooperative against multiple targets［J］.Fire Control&Command Control，2019，44（9）：98-102.
标签：步兵战车论文; 集火射击论文; 未来空域窗射击论文; 火力分配论文; 陆军装甲兵学院兵器与控制系论文; 陆军装甲兵学院士官学校论文;