來源:專知防務 超視距空戰(BVR)作為現代空戰的核心形態,依賴先進雷達、導彈系統與決策支持技術。本文系統綜述仿真與機器學習(ML)工具在BVR空戰分析中的應用,涵蓋方法論、實踐場景與技術挑戰。研究聚焦機器學習如何賦能自適應戰術以提升行為識別與威脅評估能力,從而增強態勢感知效能。本文追溯BVR空戰的歷史演進,解析探測、導彈發射與戰后評估等關鍵交戰階段,重點探討仿真環境在構建實戰化空戰場景、支撐飛行員訓練及驗證AI驅動決策策略中的作用。通過對比前沿仿真工具的多智能體協同與實時適應性研究能力,分析其優勢與局限。本綜述的核心貢獻包括:闡述機器學習在BVR空戰中的具體應用、評估仿真工具效能、識別研究缺口并指明未來方向,為傳統仿真方法與人工智能在動態對抗環境中融合構建先進人機決策體系提供全景式解析。 ![]() 超視距空戰(BVR)作為現代空戰的核心要素,其典型特征為飛行員目視范圍外的遠程交戰。該作戰模式高度依賴先進雷達系統、遠程導彈與探測跟蹤技術,旨在實現目視接觸前摧毀敵方目標。隨著空戰形態演進,BVR交戰重要性日益凸顯,需創新性方案應對遠程對抗挑戰。BVR的戰略價值在于其能賦予兵力先發制人能力并維持戰術優勢,但其復雜性要求跨學科技術整合——包括傳感器融合、目標跟蹤、決策算法與導彈制導系統——以提升交戰效能、確保任務成功并增強飛行員態勢感知(SA)。 視距內空戰(WVR)發生于較短距離,常依賴機動性、速度與瞄準精度進行近距格斗。相比之下,BVR通過先進傳感器與遠程導彈壓制對手。盡管存在差異,BVR可能隨戰機逼近轉為WVR交戰,因此需兼備兩種域作戰能力。 本文全面綜述BVR空戰前沿方法與技術,聚焦最新進展與戰略路徑。首先追溯BVR歷史沿革,從早期空對空導彈(AAM)系統演進至現代多傳感器平臺,解析關鍵技術突破及其對戰法的影響。其次剖析BVR交戰核心階段(探測、導彈發射、支援與規避機動),闡釋本文所述方法如何提升作戰效能。隨后評述關鍵方法論,包括動態環境自適應決策的機器學習(ML)算法與人工智能(AI)在交戰及自主戰術中的作用,其應用涵蓋飛行員決策支持系統至無人機(UAV)作戰。最后強調仿真工具在戰術開發、飛行員訓練與算法驗證中的價值,討論通用與專用平臺在復雜作戰場景建模中的適用性。 據所知,此為首次針對BVR空戰中仿真與ML應用的專題綜述。現有空戰綜述多泛化論述或將BVR作為次要議題。多數遠程交戰ML研究僅見于論文相關章節,缺乏方法論與應用的系統整合。本文突破既往研究局限,跨多領域文獻提供ML與仿真增強決策與交戰策略的全景視角,分析現有仿真工具能力邊界及適用場景,識別未解挑戰與研究缺口,為未來研究指明方向。 本綜述核心貢獻包括:系統梳理BVR中ML方法體系及其在自主戰術決策中的作用;對比仿真工具在實戰化場景建模中的能力與局限;揭示ML與仿真技術融合提升戰術決策的瓶頸問題;展望研究趨勢,提出開放性問題并規劃領域發展路徑。 超視距空戰研究的多維應用
BVR空戰研究涵蓋自主決策、多智能體協同與飛行員訓練等多元領域。本節分類梳理近期進展,聚焦新興技術與方法如何提升戰術效能、適應性與任務成果。 A. 自主決策
自主決策涉及分析、選擇與執行可增強態勢控制與作戰效能的行動。研究提出多種方法支撐該能力,重點探索智能體如何建模戰術行為、執行目標推理(GR)并在復雜場景中輔助或替代人類飛行員。 文獻[61]提出基于粒計算的戰術特征降維方法;文獻[15][52]在計算機生成兵力(CGF)與GR框架下研究行為建模,使自主系統能在動態場景中作出適應性戰術決策。此類能力支持開發可分擔威脅應對或支援機動等任務的自主空戰智能體,與人類飛行員形成互補。文獻[48]開發了生成戰術對抗策略的飛行員輔助系統。 文獻[49]提出遺傳規劃(GP)框架以發掘空戰場景中的新型行為模式,賦能更具適應性與不可預測性的戰術;文獻[50][51]利用文法演化生成自適應CGF與人類行為模型(HBM),提升訓練仿真的真實性與適應性。 文獻[12]解析無人機空戰決策流程,將其劃分為態勢評估、攻擊規劃、目標分配與機動決策四階段;文獻[2]基于飛行員知識構建分層框架,將空戰拆解為多個子決策系統。 文獻[17]綜述深度強化學習(DRL)在BVR空戰中的應用;文獻[57]在高保真空戰仿真環境中探索新戰術的自主學習;文獻[53]開發基于DRL的智能體,通過自博弈模擬戰斗機戰術并生成新型空戰策略,使人類飛行員可與AI訓練體交互以提升決策與適應性;文獻[58]構建強化學習(RL)環境以實現空戰戰術自主學習與機動創新。 多篇研究將RL應用于一對一空戰場景。例如,文獻[54]提出自博弈訓練框架以解決長時域交戰中的動作控制問題;文獻[55]設計基于DRL的決策算法,通過定制化狀態-動作空間與自適應獎勵函數實現多場景魯棒性;文獻[59]通過改進Q網絡使智能體能從優勢位置接近對手以優化機動決策;文獻[56]提出基于真實武器仿真的DRL智能體構建方法;文獻[60]開發混合自博弈DRL智能體,可維持對不同對手的高勝率并提升適應性與性能。 B. 行為識別
行為識別對理解與預測敵方行動、支撐決策與戰略規劃至關重要。多項研究探索了復雜不確定作戰條件下識別與預測敵方行為的方法。 文獻[62]提出集成規劃與識別算法,證明主動觀測收集可加速行為分類;基于案例推理(CBR)框架,文獻[63][64][65]開發案例驅動行為識別(CBBR)系統,通過時空特征標注智能體行為,提升GR控制無人機的識別能力;文獻[66]結合對手建模與CBR識別敵方編隊行為。 針對數據不完整問題,文獻[70]提出基于多粒度粗糙集(MGRS)的意圖識別方法;文獻[68]將Dempster-Shafer理論與深度時序網絡融合以優化分類效能;文獻[71]采用決策樹與門控循環單元(GRU)實現一對一空戰狀態預測;文獻[1]提出基于級聯支持向量機(CSVM)與累積特征的分層方法進行多維度目標分類。 為識別戰術意圖,文獻[69]開發注意力增強型群體優化與雙向GRU模型(A-TSO-PBiGRU)檢測態勢變化;文獻[67]應用動態貝葉斯網絡(DBN)推斷飛行狀態與戰術動作的因果關系,提升編隊識別與態勢感知能力。 C. 制導與攔截
制導與攔截機制對提升導彈命中率(尤其針對高速機動目標)具有關鍵作用。 文獻[72]通過對比制導策略,識別可最小化攔截時間與機動負載的配置方案,優化不同作戰條件下的交戰選項;文獻[73]通過增強導彈特定攻角命中能力改進高超音速目標攔截效能,優化終段交戰條件;文獻[74]在無人作戰飛行器(UCAV)中采用自主制導技術提升瞄準精度,實現對機動空目標的有效打擊。 文獻[75]優化導彈飛行中的機動決策以支撐交戰規劃并提升模擬作戰成功率;文獻[76]通過動態攻擊區(DAZ)概率建模實現實時航跡修正,確保環境不確定性下的打擊精度;文獻[77]通過協同制導模型提升雷達與導彈協同效能,增強防空體系整體精度。 文獻[78]量化數據鏈質量對導彈效能的仿真影響,揭示更新延遲與誤差對導引頭激活及整體成功率的作用機制;文獻[79]改進雙脈沖發動機導彈點火控制與彈道修正技術,強化遠程目標攔截能力。 D. 機動規劃
機動規劃旨在計算運動基元序列以獲取戰術優勢。 該領域早期研究側重結構化評估與決策模型。文獻[80]提出包含態勢評估模型、機動決策模型與一對一對抗評估模型的框架;文獻[81]基于環境條件、威脅分布、武器性能與空戰規則開發戰術決策系統;文獻[82]整合戰術站位與武器能力的多維度要素,探索提升資源分配效能的目標分配(TA)策略。 近期研究聚焦學習驅動方法。文獻[83][84][85]應用深度強化學習(DRL)進行機動規劃,增強動態場景下的威脅規避與目標打擊能力,通過多初始交戰條件訓練提升智能體適應性;文獻[86]采用雙延遲深度確定性策略梯度(TD3)算法開發一對一對抗中的自主導彈規避策略;文獻[87]基于敵我相對方位與距離設計機動決策方法;文獻[88]結合DRL與蒙特卡洛樹搜索(MCTS),探索無需先驗飛行員知識或價值函數的機動規劃路徑。 E. 導彈交戰
導彈攻防需優化發射時機與機動策略以最大化攻擊效能與生存概率。 進攻方面:文獻[38]采用監督學習(SL)估算最優導彈發射時機以提升任務效能;文獻[89]提出雷達盲區機動控制方法實現隱蔽接敵;文獻[92]通過分析導彈捕獲區與最小規避距離,確定編隊空戰協同場景下的最佳發射距離與防御策略。 防御方面:文獻[90]為無人作戰飛行器(UCAV)設計基于分層多目標進化算法(EA)的自主規避機動策略以提升生存能力;文獻[91]將導彈規避問題建模為雙團隊零和微分博弈,其中一架戰機需在遠離來襲導彈的同時逼近非攻擊性目標。 協同作戰領域:文獻[93]提出基于武器有效區(WEZ)的協同占位方法;文獻[94]解決空對空導彈(AAM)發射后信息盲區難題。 F. 多智能體協同
多智能體協同作戰通過自主平臺間的協作決策、聯合戰術執行與響應優化,賦能協同攻擊策略、動態編隊重構及人機協同等應用場景。 文獻[95]將多無人機戰術策略應用于空對空對抗分解,將復雜交戰拆解為一對一單元案例以提升機動效率與作戰成功率;文獻[96]將協同站位分配與目標分配(TA)建模為零和博弈,采用混合雙Oracle算法與鄰域搜索在時限約束下優化解質量。 文獻[97]擴展戰術戰斗管理器功能,構建分布式系統檢測跨智能體任務數據差異以強化協同效能;文獻[98]通過面向角色的框架推進目標推理(GR)技術,增強通信受限自主智能體的協同能力;文獻[99]提出AlphaMosaic架構,將人類反饋整合至作戰管理系統(BMS),實現動態任務中基于信任的人機協作。 文獻[100]將群體智能適配固定翼無人作戰飛行器(UCAV),實現編隊飛行、自主重組與戰損后動態調整等行為;文獻[101]采用集中式AI規劃系統協調全態勢可觀測與可驗證的多智能體任務方案;文獻[102]通過兵棋推演驗證艦隊協同行為,優化戰術參數以提升均勢對抗任務成效。 文獻[42]利用仿真評估優化無人機戰術編隊應對不確定敵方行為;文獻[103]提出兩階段協同追擊策略,結合誘敵戰術與混合A*路徑規劃提升攔截成功率;文獻[104]設計多目標函數與GDT-SOS元啟發式驅動的自適應制導方法優化無人機占位效能。 文獻[3]通過分層強化學習架構使多智能體團隊通過自博弈與場景分解學習高低階戰術;文獻[105]將多智能體近端策略優化(PPO)應用于UCAV協同,將領域知識融入獎勵函數以提升性能;文獻[106]構建基于圖神經網絡的推理模型,結合專家知識建模復雜協作模式并簡化大規模交戰決策。 文獻[107]采用對抗自博弈與分層策略梯度算法學習超越專家基線的涌現策略;文獻[108]在集群機動中應用深度確定性策略梯度,聯合學習智能體協作與目標打擊;文獻[109]融合神經網絡與人工勢場技術,支持針對自適應對手的協同路徑規劃。 G. 作戰分析
作戰分析(OA)通過仿真、模型與評估指標衡量作戰效能、支撐戰術規劃并支持作戰決策。 文獻[11][40]應用隨機博弈模型分析不確定性下的多機對抗,解析超視距(BVR)場景中的協同策略與導彈分配;文獻[46][110][111]通過含人類操作員的仿真評估實戰條件下飛行員與團隊表現,聚焦作戰規程遵循度、認知負荷與共享態勢感知(SA)。 多項研究構建了面向訓練、戰術測試與作戰規劃的仿真平臺:文獻[8]開發戰術級空戰仿真系統以支持智能決策;文獻[112]設計用于評估巴西空軍軍事場景的ASA框架;其云端擴展版ASA-SimaaS實現可擴展自主仿真服務[113];AsaPy工具集通過統計與機器學習(ML)方法提供仿真后分析功能[114]。 文獻[115]采用體系(SoS)仿真評估飛機設計、平臺互操作性及生存性、武器使用等任務級效能指標;參數化研究探究雷達截面積、導彈射程、飛行高度與通信延遲等變量對殺傷概率與整體作戰效能等指標的影響[116][120][121];文獻[117]通過基于智能體的模型探索行為特征對仿真可信度的影響,增強對稱與非對稱BVR場景的驗證方法。 文獻[118]設計雙模通信協議以適配協同空戰網絡條件;文獻[119]強調仿真架構的可擴展性與靈活性,提出需構建能管理AI驅動實體與分布式決策流程的多智能體系統;文獻[122]開發高動態飛行條件驗證環境,評估大機動動作下光電系統性能。 文獻[123]建模網絡中心戰分析傳感器、指控系統與火控協同水平對作戰效能的影響;文獻[124][125][126]分別基于多準則決策(MCDM)、相關向量機與改進極限學習機(ELM)模型提出決策支持工具,為戰機性能與戰術配置提供量化評估。 H. 飛行員訓練
飛行員訓練通過先進仿真環境、績效評估與自適應學習技術提升戰備水平與作戰效能,旨在強化復雜空戰場景中的決策與態勢感知(SA)能力。 文獻[127]提出的回顧性績效評估方法為識別改進領域、指導針對性訓練調整提供洞見;文獻[130]探索行為建模技術以優化高壓條件下飛行員決策,增強訓練演習真實度。 文獻[131]探討的實況、虛擬與構造(LVC)環境集成方案,通過融合真實與仿真要素構建高擬真沉浸式訓練場景,使飛行員體驗多樣化作戰情境以提升環境適應性;文獻[129]提出績效加權系統優化訓練成效,確保飛行員高效達成能力基準。 文獻[18]綜述自適應訓練方法學,強調基于飛行員表現的AI驅動個性化內容生成技術進展;文獻[10][128]探討空戰行為快速適配與訓練仿真驗證方法,確保仿真系統精準映射真實作戰動態,通過提升響應速度與態勢理解能力提供直接影響訓練效能的實用工具。 I. 態勢感知
態勢感知(SA)是理解戰術環境(涵蓋敵我位置、行動與意圖)的核心能力,支撐交戰、占位與規避的明智決策,最終提升作戰效能與生存概率。 文獻[132]探索實時數據處理方法,賦能飛行員高效解析復雜信息;文獻[133]將SA擴展至團隊層級,驗證協同數據共享對任務連貫性與績效的增益。 威脅評估方面:文獻[137][152]解析敵方武器有效區(WEZ)判定方法,為飛行員提供戰略規避或對抗的空間感知;文獻[141]開發的實時威脅分析工具持續更新態勢數據,確保戰術動態調整;文獻[134][139][135]整合目標意圖預測至威脅評估體系,構建戰場態勢分析與威脅指數系統。 AI驅動SA方法:文獻[138][143]應用機器學習(ML)進行威脅檢測,加速飛行員威脅預判與響應;文獻[136]采用基于蒙特卡羅的概率評估方法優化不確定態勢下的風險管理;文獻[47]提出基于防御性制空(DCA)作戰指標的接戰決策支持工具;文獻[140]分析深度神經網絡(DNN)在WEZ最大射程估算中的應用。 文獻[142]利用機載傳感器數據與神經網絡實時評估擊落概率;文獻[6]提出對抗條件下機動靈活性估算方法,支撐編隊級決策。 J. 目標分配
目標分配(TA)涉及高效配置空對空導彈、防空導彈及戰機等資源以壓制敵方威脅,需在優化交戰效能的同時最小化資源消耗。 多篇研究聚焦提升作戰效能的分配方法:文獻[146][147][149]探討動態分配導彈與戰機至多目標的多目標分配(MTA)策略;文獻[148]提出多友機對多敵機的協同攻擊分配方法。 文獻[144][150]研究基于任務目標與約束的武器-威脅最優配對算法,以最大化殺傷概率并保存資源;文獻[145]引入融合目標優先級與交戰時序的改進分配模型;文獻[151]探索結合優化技術與實時戰術調整的混合方法以應對動態戰場。 仿真工具
仿真環境與工具對推進超視距(BVR)空戰研究至關重要,其能夠建模復雜場景、評估決策算法并優化作戰策略。此類工具涵蓋通用平臺至定制化系統,各具獨特功能以應對BVR空戰的不同維度。 多數平臺通過高層體系結構(HLA)與分布式交互仿真(DIS)等標準支持互操作性,促進跨仿真系統集成與實時同步。本節概述BVR空戰研究中常用工具,文末附表格總結核心工具特性、編程語言與互操作能力。 A. AFSIM:仿真、集成與建模高級框架
美國空軍研究實驗室開發的AFSIM[153]是BVR空戰研究中的主流平臺,支持靈活建模作戰環境、系統集成與任務規劃決策流程,常用于認知控制、行為識別與人工智能研究[15][62][63][64][65][66][97][99][101]。AFSIM支持與其他模型集成,實現戰略與戰術層級的實時交互仿真,賦能作戰管理與任務規劃研究。該平臺非開源,受美國政府法規管控。 B. ASA:空天仿真環境
巴西空軍開發的ASA(葡萄牙語Ambiente de Simula??o Aeroespacial縮寫)[112][113]是基于C++的面向對象仿真框架,專用于復雜空天行動建模,支撐態勢感知(SA)、任務規劃與作戰決策研究[38][42][47][53][114][117][140]。ASA支持機器學習技術與傳統仿真融合,優化戰術并預測敵方行為,其架構可精細建模任務參數、航空器系統與武器性能。該平臺非公開,受巴西政府法規管控。 C. 定制系統
定制系統采用Python、C++或MATLAB開發,專用于商用工具無法滿足的研究場景。由于電子戰模型、導彈制導與BVR技術多涉密,商用系統難以滿足開放性研究對復雜性、安全性與適應性的需求,故定制系統成為主流解決方案[8][11][40][55][56][59][61][67][68][70][72][73][74][76][77][79][81][82][83][84][88][89][92][93][94][95][96][98][103][104][105][108][110][111][116][118][122][123][124][125][126][135][137][139][142][145][147][148][149][151]。此類工具支持快速開發,適用于敏感領域研究。 D. DCS World:數字戰斗模擬器世界
DCS World[154]是商業化高保真戰斗飛行模擬器,以真實飛行動力學與精細模型著稱,廣泛應用于決策制定與強化學習(RL)作戰研究[54][86]。其開放式架構支持自定義模塊開發,賦能研究者模擬動態高烈度BVR空戰場景,成為真實作戰條件下測試AI驅動智能體的理想平臺。 E. FLAMES:靈活分析與建模效能系統
FLAMES[155]是模塊化商業仿真框架,支持開發與運行實況-虛擬-構造(LVC)仿真,具備實時可視化、場景管理與作戰分析(OA)功能,適用于任務規劃與作戰模擬[38]。盡管靈活性高,但其商業許可可能限制可訪問性,且復雜架構對快速原型開發或資源受限研究構成挑戰。 F. FLSC:瑞典空軍戰斗模擬中心
瑞典國防研究局開發的FLSC整合LVC仿真分析空戰場景,用于飛行員訓練、任務規劃、決策支持研究及人機協作評估[130][131]。其功能特性可增強聯合作戰中的態勢感知(SA)與決策能力。FLSC由瑞典國防研究院(FOI)運營,訪問受限,但國防項目研究者可通過合作渠道申請使用。 G. JSBSim
JSBSim[156]是開源飛行動力學模型,廣泛應用于需高精度航空器仿真的強化學習BVR研究,支持決策制定、機動優化與作戰接戰等任務[3][6][58][60][138][143]。常與Unity(IAGSim)及定制環境集成,構建計算高效的動態場景自主決策仿真。 H. MATLAB與Simulink
MATLAB[157]與Simulink[158]廣泛用于仿真、控制理論與優化研究。MATLAB數學能力支撐決策與作戰研究[1][50][51][69][75][78][80][90][91][102][109][120][121][141][146][150];Simulink通過圖形化動態系統建模工具擴展功能,適用于控制策略開發。 I. Python與R
Python是開發仿真環境與機器學習(ML)模型的核心工具,借助TensorFlow[159]、PyTorch[160]等庫支持任務規劃、強化學習實施與優化[71][85][100][136],其靈活性賦能快速原型開發及跨平臺集成研究。R語言偶爾用于空戰數據分析與仿真相關統計建模[140]。 J. 其他工具
以下工具亦支持超視距(BVR)空戰研究: ACE-2:定制化仿真器,用于測試空戰機動中的遺傳優化技術[49]。 K. 工具總覽
表2匯總了核心工具、主要應用場景、功能特性、編程語言及互操作能力。該表涵蓋本文分析的120項研究中的116項,其余4項為未使用具體工具的綜述類研究。各列信息如下: · 核心功能:與BVR空戰研究相關的主要特性 · 編程語言:開發或定制化使用的主要語言/平臺 · 互操作性:支持標準仿真協議(如HLA、DIS)、定制接口或無相關信息 · 引用文獻:使用該工具的研究編號 ![]() 開放挑戰與未來趨勢
盡管強化學習(RL)等先進技術在空戰決策領域取得顯著進展,仍存在諸多開放挑戰,為未來研究提供機遇。
· 增強互操作性:通過HLA與DIS標準實現有人機、無人機及導彈等異構系統仿真集成。 · AI/ML深度整合:嵌入自適應智能體實現實時任務規劃與決策[105]。 · 計算效能提升:優化仿真架構以應對復雜度增長,支撐實時動態適配。 突破上述挑戰將推動開發復雜、可擴展且自適應的BVR決策模型,為高動態對抗空戰環境中的自主系統奠定基礎。 |
|