艦載光電對抗系統(tǒng)作戰(zhàn)仿真方法研究＊

史 匡

（華中光電技術(shù)研究所武漢光電國家實驗室 武漢 430074）

1 引言

裝備作戰(zhàn)仿真是將武器系統(tǒng)的仿真模型在虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中，在一定的作戰(zhàn)背景下，進(jìn)行武器系統(tǒng)、人員、戰(zhàn)場環(huán)境的作戰(zhàn)過程仿真。艦載光電對抗系統(tǒng)是一套具備激光壓制、激光壓制干擾、激光引偏干擾和無源光電干擾等多種干擾手段的對抗系統(tǒng)。在缺乏實彈試驗的條件下，開展作戰(zhàn)仿真就成為艦載光電對抗系統(tǒng)干擾效能的一條重要研究路徑［1］。文獻(xiàn)［1］中介紹了裝甲車輛作戰(zhàn)仿真平臺設(shè)計方案，在該平臺上可以進(jìn)行裝甲車輛作戰(zhàn)仿真、作戰(zhàn)效能評估，該平臺為裝甲車輛改型以及研制方案論證提供決策依據(jù)，也可以用于研究作戰(zhàn)理論［2］；文獻(xiàn)［2］中針對防空作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的特點(diǎn)，建立了基于HLA技術(shù)的公共仿真開發(fā)平臺［3］，文獻(xiàn)［3］在分析光電對抗裝備仿真技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，探討了光電對抗仿真評估系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和組成，對其中涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了初步研究。但開發(fā)過程中需HLA軟件平臺支持，起點(diǎn)較高，不易普及。

2 作戰(zhàn)仿真模型

在進(jìn)行艦載光電對抗系統(tǒng)仿真作戰(zhàn)過程中，需對作戰(zhàn)雙方及作戰(zhàn)過程進(jìn)行建模，所需的模型為虛擬戰(zhàn)場環(huán)境模型、艦船模型、干擾分系統(tǒng)模型、光電制導(dǎo)武器模型、干擾作戰(zhàn)決策模型等。在此基礎(chǔ)上可開展光電對抗作戰(zhàn)的戰(zhàn)術(shù)決策的效能研究、戰(zhàn)術(shù)研究、最佳配置方案等。

為提高仿真過程的可信度，仿真模型的計算過程中增加了隨機(jī)數(shù)，隨機(jī)數(shù)采用的偽隨機(jī)數(shù)生成算法為線性同余算法。其算法為

隨機(jī)數(shù)的種子是采用直接讀取CPU時鐘和計數(shù)器計數(shù)值實現(xiàn)的，其取值范圍為［0，1］。

2.1 虛擬戰(zhàn)場環(huán)境

在試驗中模擬的作戰(zhàn)環(huán)境為純海洋背景，設(shè)定了以下變量：洋流方向、洋流速度、風(fēng)速、風(fēng)向和能見度。其中洋流方向和洋流速度影響艦船的坐標(biāo)計算，而風(fēng)速和風(fēng)向影響到來襲導(dǎo)彈的坐標(biāo)計算，考慮到風(fēng)對艦船的作用遠(yuǎn)小于洋流對艦船的作用，因此在本試驗中，忽略不計。

考慮到光電對抗其作戰(zhàn)范圍小于視距距離，因此虛擬的戰(zhàn)場是一個無限大的平面，但其作戰(zhàn)范圍是以艦船為中心的視距范圍（≤25km）。虛擬戰(zhàn)場統(tǒng)一使用直角坐標(biāo)系，洋流和風(fēng)對物體的作用解析為兩個坐標(biāo)軸上作用力的合成。坐標(biāo)系原點(diǎn)設(shè)置為艦船的初始位置，航向角以正北方向為0°，順時針方向為正。

在實際環(huán)境中海面存在一定幅度的波浪，這會影響到艦船的姿態(tài)計算，因此忽略不計。

2.2 導(dǎo)彈運(yùn)動模型

文獻(xiàn)［4］為研究反艦導(dǎo)彈飛行仿真方法，依據(jù)導(dǎo)彈系統(tǒng)組成、各個部分相互作用關(guān)系和使用環(huán)境條件、使用方式，研究建立數(shù)學(xué)模型、仿真程序設(shè)計、計算方法，所采用的模型較為復(fù)雜，不適合本課題的需求。因此本課題的導(dǎo)彈模型僅采用了運(yùn)動學(xué)模型：

2.3 艦船運(yùn)動模型

虛擬戰(zhàn)場中的艦船是被假定為勻速運(yùn)動的，不考慮因為艦船動力變化引起的速度和航向的變化，亦不考慮因為海浪引起的艦船姿態(tài)的變化。

假設(shè)艦船當(dāng)前所在位置為（x0，y0），速度為vm／s，航向為θ弧度，經(jīng)過t時刻后新位置（x1，y1）的計算公式為

2.4 激光壓制干擾設(shè)備模型

在本試驗中激光壓制干擾設(shè)備的數(shù)學(xué)模型僅考慮其隨艦船運(yùn)動、在方位俯仰方向的旋轉(zhuǎn)和壓制激光的工作三個因素，其余細(xì)節(jié)均忽略不計。

2.5 激光引偏干擾設(shè)備模型

在本試驗中激光壓制干擾設(shè)備的數(shù)學(xué)模型僅考慮其隨艦船運(yùn)動、在方位俯仰方向的旋轉(zhuǎn)和引偏激光的工作三個因素，其余細(xì)節(jié)均忽略不計。

2.6 無源干擾設(shè)備模型

在本試驗中無源干擾設(shè)備的數(shù)學(xué)模型僅考慮其隨艦船運(yùn)動、在方位俯仰方向的旋轉(zhuǎn)和煙幕干擾彈布設(shè)三個因素，其余細(xì)節(jié)均忽略不計。在目前缺乏無法干擾設(shè)備布設(shè)模型的情況下，假設(shè)布設(shè)煙幕的目的是在導(dǎo)彈和艦船之間形成一道煙幕墻，使得導(dǎo)彈無法探測到艦船目標(biāo)。

2.7 激光在大氣中的能量衰減模型

激光在大氣中的能量衰減主要來源于兩個方面：激光束散角和大氣粒子對激光能量的散射，經(jīng)典的激光在大氣中的能量衰減公式為

其中：σ為大氣衰減系數(shù)，取2.7；V 為大氣能見度，取20km；R為目標(biāo)距離，單位km；θt為激光束散角，取1mrad；Ar為探測器的孔徑（面積），單位為m2；根據(jù)計算，相對大氣能見度而言，激光的束散角對激光能量的衰減作用更為明顯。

2.8 作戰(zhàn)決策模塊算法

作戰(zhàn)決策模塊是基于艦載光電對抗演示系統(tǒng)開發(fā)的，采用了相同的決策算法。算法根據(jù)目標(biāo)的威脅等級大小和與艦船距離遠(yuǎn)近依次采用不同干擾手段發(fā)送光電作戰(zhàn)指令，每隔1s決策一次。

3 作戰(zhàn)仿真試驗

圖1 仿真試驗硬件結(jié)構(gòu)

艦載光電對抗系統(tǒng)作戰(zhàn)試驗是建立在半實物仿真試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的數(shù)學(xué)仿真試驗，在作戰(zhàn)仿真計算機(jī)中虛擬出一個作戰(zhàn)環(huán)境，并在此環(huán)境中構(gòu)建來襲導(dǎo)彈、艦船和艦載光電對抗系統(tǒng)。通過步進(jìn)仿真的方式來對艦載光電對抗系統(tǒng)的作戰(zhàn)過程進(jìn)行仿真，而艦載光電對抗系統(tǒng)的作戰(zhàn)方案制定是由作戰(zhàn)決策計算機(jī)生成的，兩條計算機(jī)通過以太網(wǎng)方式連接，如圖1所示。

仿真試驗的過程為：接到啟動命令后，每隔一個仿真周期（默認(rèn)為40ms）作戰(zhàn)仿真計算機(jī)計算虛擬戰(zhàn)場中各物體的狀態(tài)、姿態(tài)和位置等信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，將來襲導(dǎo)彈信息和各干擾設(shè)備的狀態(tài)信息通過以太網(wǎng)傳遞給作戰(zhàn)決策計算機(jī)，作戰(zhàn)計算機(jī)接收到數(shù)據(jù)后按照作戰(zhàn)規(guī)則自動生成作戰(zhàn)方案，然后將作戰(zhàn)流程發(fā)回作戰(zhàn)仿真計算機(jī)，作戰(zhàn)仿真計算機(jī)將命令送到相應(yīng)的虛擬干擾設(shè)備中，等待下一個仿真周期開始，依次循環(huán)，直到符合仿真結(jié)束條件出現(xiàn)才停止仿真試驗。

仿真試驗結(jié)束的條件為：1）所有來襲導(dǎo)彈均已干擾成功；2）艦船被擊中；3）總的仿真耗時到達(dá)了限定時間。

圖2 作戰(zhàn)仿真計算機(jī)主界面

試驗將首先對光電制導(dǎo)導(dǎo)彈模型進(jìn)行無干擾條件下的仿真飛行試驗，評估其性能；再對導(dǎo)彈模型施加單一干擾樣式，評估光電對抗的干擾效能；最后由艦載光電對抗系統(tǒng)演示系統(tǒng)的作戰(zhàn)決策模塊指揮進(jìn)行光電對抗綜合作戰(zhàn)仿真試驗。

4 試驗結(jié)果

激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈在工作過程中需要目指激光進(jìn)行引導(dǎo)，假設(shè)艦船初始位置在（0，0）處，目指激光在（14000，14000，100）（單位：m）處，則激光目指與艦船距離約20000m；導(dǎo)彈的初始位置、艦船速度10m／s，航向正北；、風(fēng)向、風(fēng)速、洋流速度、洋流方向均為0，能見度為20000m；仿真周期為40ms；仿真試驗不考慮各種設(shè)備故障對試驗的影響。假設(shè)導(dǎo)彈進(jìn)入與艦船距離小于15000m時，采用激光壓制干擾設(shè)備；小于7000m時，使用無源干擾樣式；有激光目指時，采用激光引偏設(shè)備，布設(shè)點(diǎn)與艦船距離150m。

4.1 無干擾時光電制導(dǎo)導(dǎo)彈的仿真飛行試驗

每次仿真試驗的導(dǎo)彈出現(xiàn)位置固定，但艦船位置不固定，為上一次仿真試驗結(jié)束后的位置。表1記錄了激光半主動制導(dǎo)／導(dǎo)彈的彈著點(diǎn)與瞄準(zhǔn)點(diǎn)的距離。

表1 激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈仿真試驗結(jié)果

從上述試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，無干擾條件時導(dǎo)彈均可以擊中艦船，且與艦船的尺寸相比，彈著點(diǎn)的誤差可以忽略不計。

4.2 光電對抗綜合作戰(zhàn)仿真試驗

圖3 仿真光電制導(dǎo)導(dǎo)彈飛行軌跡曲線水平面投影

試驗過程與前一個試驗相同，不同點(diǎn)為三種干擾手段會綜合使用，電視制導(dǎo)、紅外制導(dǎo)和激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈各一枚從不同方向來襲，距艦船20km左右。仿真試驗的結(jié)果如圖3所示。

作戰(zhàn)模擬仿真程序可模擬真實的光電對抗作戰(zhàn)過程，從圖3中可以發(fā)現(xiàn)這三枚光電制導(dǎo)導(dǎo)彈是依次被干擾成功的；作戰(zhàn)決策模塊提交的對抗多目標(biāo)的作戰(zhàn)方案可行。

5 結(jié)語

在仿真試驗中，作戰(zhàn)決策模塊無航跡預(yù)測功能，因此判斷導(dǎo)彈被干擾成功的依據(jù)是導(dǎo)彈消失，收不到更新的數(shù)據(jù)。而光電制導(dǎo)導(dǎo)彈被干擾成功到導(dǎo)彈消失存在一段時間，因此建議艦載光電對抗系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用軟件的設(shè)計過程中具備航跡預(yù)測功能。無源干擾手段的干擾效能與其煙幕存在周期有關(guān)，因此在實際的艦載光電系統(tǒng)設(shè)計中，要充分考慮干擾彈發(fā)射時刻和戰(zhàn)場環(huán)境中的風(fēng)對煙幕存在周期的影響，戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用軟件可進(jìn)行煙幕布放及存續(xù)時間的預(yù)測功能。

［1］狄東寧，王正元，岑凱輝，等.裝甲車輛作戰(zhàn)仿真平臺設(shè)計［J］.計算機(jī)仿真，2003（3）：22-24.

［2］馬賢穎，李學(xué)軍.基于HLA的防空作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2005（19）：4-6.

［3］余寧，李俊山，王新增，等.光電對抗仿真評估系統(tǒng)研究［J］.四川兵工學(xué)報，2011（5）：5-7.

［4］符燕，付新勝.反艦導(dǎo)彈飛行仿真方法［J］.指揮控制與仿真，2010（10）：87-89.