基于數(shù)字孿生的艦載電子對(duì)抗效果評(píng)估方法研究

余海瑞，王璀璨，戴鈺杰，張孟超

(中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100094)

0 引 言

反艦導(dǎo)彈和艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)是矛與盾的關(guān)系。隨著反艦導(dǎo)彈的更新?lián)Q代，對(duì)艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。如何利用有限的干擾資源對(duì)抗盡可能多的反艦導(dǎo)彈是電子對(duì)抗系統(tǒng)必須面對(duì)的問(wèn)題[1-3]。其中最關(guān)鍵的難點(diǎn)是電子對(duì)抗效果評(píng)估，尤其是在線效果評(píng)估一直是困擾電子對(duì)抗系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的難題，目前尚未取得突破，一方面是因?yàn)殡娮訉?duì)抗的特殊性，干擾資源使用后，是否形成有效干擾，通常只能從被干擾方觀察；另一方面，隨著反艦導(dǎo)彈速度普遍向超音速甚至高超音速方向發(fā)展，留給電子對(duì)抗效果評(píng)估的時(shí)間越來(lái)越少，給評(píng)估帶來(lái)了更大壓力。雖然工程上實(shí)現(xiàn)在線評(píng)估很難，但是在線效果評(píng)估對(duì)電子對(duì)抗系統(tǒng)決策而言十分重要，其結(jié)果將直接影響指揮員決定是否要補(bǔ)充釋放干擾資源，必須積極探索在線評(píng)估方法[4-6]。

1 艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)作戰(zhàn)對(duì)象特點(diǎn)

艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)在未來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)，仍然以防御藍(lán)方反艦導(dǎo)彈的攻擊為主，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，反艦導(dǎo)彈也不斷更新，呈現(xiàn)出新的特點(diǎn)?，F(xiàn)代導(dǎo)彈特點(diǎn)：

(1)反艦導(dǎo)彈飛行速度快，有的可以達(dá)到2～3倍音速，飛行速度接近1 km/s。這就要求艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)反應(yīng)、指揮員決策和干擾箔條云形成的時(shí)間很短。

(2)具有超低空掠海飛行和蛇形機(jī)動(dòng)能力，使艦載防空導(dǎo)彈對(duì)來(lái)襲導(dǎo)彈的攔截具有巨大的挑戰(zhàn)性。

(3)具備多次開(kāi)機(jī)搜索能力以對(duì)抗欺騙，使艦艇指揮員實(shí)施沖淡干擾等的時(shí)機(jī)難以掌握。

(4)當(dāng)導(dǎo)彈二次開(kāi)機(jī)進(jìn)行末制導(dǎo)雷達(dá)跟蹤時(shí)，有的導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)只跟蹤反射面積較小的目標(biāo)，有的導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)只跟蹤反射面積較大的目標(biāo)，而不是跟蹤艦艇與假目標(biāo)的能量質(zhì)心。

(5)當(dāng)箔條云、艦艇和導(dǎo)彈形成夾角大于一定值時(shí)，導(dǎo)彈不再跟蹤艦艇和假目標(biāo)的能量質(zhì)心，而是跟蹤導(dǎo)彈第1次開(kāi)機(jī)時(shí)搜索到的目標(biāo)。

面對(duì)反艦導(dǎo)彈新的特點(diǎn)，艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)需要不斷完善，以適應(yīng)新的威脅，因?yàn)橐环矫?，很多過(guò)去認(rèn)為對(duì)的干擾原則已經(jīng)過(guò)時(shí)，不再適用；另一方面，干擾效果評(píng)估必須根據(jù)新的作戰(zhàn)對(duì)象的特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。

2 艦載電子對(duì)抗效果評(píng)估方法

艦載電子對(duì)抗干擾效果評(píng)估結(jié)果是決定艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)是否進(jìn)行再次干擾的重要依據(jù)。當(dāng)前干擾效果評(píng)估的主要思路是利用傳感器獲得反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)狀態(tài)、反艦導(dǎo)彈航跡變化或在演習(xí)時(shí)從第三方的角度觀察反艦導(dǎo)彈狀態(tài)作為評(píng)估依據(jù)，但在海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，這些方法無(wú)法有效地為指揮員提供效果評(píng)估結(jié)果，主要原因是：

(1)當(dāng)前導(dǎo)彈普遍采用多模復(fù)合制導(dǎo)方式，不再是單一的主動(dòng)雷達(dá)制導(dǎo)，僅利用電子對(duì)抗系統(tǒng)內(nèi)部傳感器獲取信息已經(jīng)不能滿足效果評(píng)估需要，且由于海上環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致電子對(duì)抗系統(tǒng)獲得的反艦導(dǎo)彈主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭信息可能是時(shí)斷時(shí)續(xù)的，導(dǎo)致無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)給出效果評(píng)估結(jié)果。

(2)實(shí)際海戰(zhàn)環(huán)境下，艦載雷達(dá)傳感器捕獲的反艦導(dǎo)彈航跡信息也可能不連續(xù)，所以?xún)H通過(guò)現(xiàn)實(shí)中的傳感器信息獲取的導(dǎo)彈位置信息來(lái)判斷導(dǎo)彈航跡變化，也不一定能完全滿足效果評(píng)估的需要。

(3)由于反艦導(dǎo)彈速度不斷提升，電子對(duì)抗系統(tǒng)從決策到實(shí)施干擾的時(shí)間很短，非在線的效果評(píng)估方法不能滿足指揮員作戰(zhàn)指揮的需要。

綜合上述問(wèn)題，本文提出了一種利用數(shù)字孿生進(jìn)行艦載電子對(duì)抗效果評(píng)估的方法，將仿真和實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)相結(jié)合，充分發(fā)揮仿真的優(yōu)勢(shì)，使用超實(shí)時(shí)的方式對(duì)對(duì)抗的過(guò)程進(jìn)行快速預(yù)測(cè)，并給出對(duì)抗效果，為對(duì)抗反艦導(dǎo)彈時(shí)更好地進(jìn)行電子對(duì)抗效果評(píng)估提供了一種新思路。

3 數(shù)字孿生技術(shù)的特點(diǎn)及在電子對(duì)抗效果評(píng)估過(guò)程中的應(yīng)用

數(shù)字孿生技術(shù)是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)裝備全生命周期的過(guò)程的技術(shù)。以數(shù)字孿生技術(shù)為核心的仿真系統(tǒng)可以被視為一個(gè)或多個(gè)重要的、彼此依賴(lài)的裝備系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)。

本文將對(duì)抗反艦導(dǎo)彈的過(guò)程數(shù)字化，利用仿真模型在虛擬空間中構(gòu)建反艦導(dǎo)彈、我艦、對(duì)抗資源等，根據(jù)傳感器信息通過(guò)仿真計(jì)算，對(duì)對(duì)抗反艦導(dǎo)彈全過(guò)程進(jìn)行在線評(píng)估，并及時(shí)給出評(píng)估結(jié)果，幫助指揮員決定否需要進(jìn)一步釋放干擾資源。

4 電子對(duì)抗系統(tǒng)在線效果評(píng)估分析

由于在線干擾效果評(píng)估受到諸多因素的限制，如不斷變化的環(huán)境因素、干擾資源使用時(shí)機(jī)、干擾資源特點(diǎn)等，到目前為止仍然是一個(gè)沒(méi)有被完美解答的難題。但在線干擾效果評(píng)估的目的是：一方面使處于戰(zhàn)場(chǎng)的指揮官能夠明確地知道干擾的效果，使對(duì)抗反艦導(dǎo)彈過(guò)程不再盲目；另一方面，在線干擾效果評(píng)估是干擾資源調(diào)度決策的基礎(chǔ)，所以研究在線干擾效果評(píng)估有其十分重要的意義。

因?yàn)閷?duì)抗反艦導(dǎo)彈的過(guò)程中使用的干擾資源根據(jù)不同的階段而不同，考慮的情況多且復(fù)雜，但使用干擾資源的目的就是使反艦導(dǎo)彈無(wú)法命中紅方艦艇，所以在實(shí)戰(zhàn)中衡量干擾效果好壞并不是看干擾資源能否降低反艦導(dǎo)彈捕獲概率大小，而是看能否成功使反艦導(dǎo)彈丟失目標(biāo)，是否使紅方艦艇成功躲避藍(lán)方反艦導(dǎo)彈的攻擊。由于篇幅限制，本文的在線干擾效果評(píng)估，只以箔條沖淡干擾為例進(jìn)行分析，其他干擾資源的干擾效果或者其他階段的干擾效果可以采用同樣的方式進(jìn)行評(píng)估。

4.1 箔條沖淡干擾原理及數(shù)學(xué)模型

箔條沖淡干擾方式在工程上應(yīng)用廣泛，也是艦載電子對(duì)抗系統(tǒng)完成對(duì)抗反艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)的主要干擾方式之一。箔條沖淡干擾的目的是在藍(lán)方反艦導(dǎo)彈一次開(kāi)機(jī)之前，在紅方艦艇周?chē)挤臢個(gè)箔條云，從理論上講，箔條云產(chǎn)生的雷達(dá)截面積(RCS)應(yīng)當(dāng)與小型船只的RCS相當(dāng)。理論上講，當(dāng)反艦導(dǎo)彈一次開(kāi)機(jī)搜索時(shí)，各個(gè)箔條云應(yīng)當(dāng)已經(jīng)達(dá)到最佳RCS，使反艦導(dǎo)彈的末制導(dǎo)雷達(dá)無(wú)法分辨紅方艦艇和假目標(biāo)，那么紅方艦艇被鎖定的概率就由100%降低到1/(N+1)。

箔條云布放點(diǎn)受風(fēng)、艦艇運(yùn)動(dòng)、投放系統(tǒng)精度等多種因素的影響，其散布方程可近似認(rèn)為在縱向、橫向、高度上分別服從正態(tài)分布。箔條云的水平運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度主要由風(fēng)速、風(fēng)向決定，垂直方向的運(yùn)動(dòng)速度由箔條材料決定,一般鍍鉛玻璃絲的下降速度為0.3 m/s，則：

Vc=Vw

(1)

式中：Vc為云的運(yùn)動(dòng)速度；Vw為風(fēng)的運(yùn)動(dòng)速度。

4.2 導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)模型

導(dǎo)彈與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程如下：

(2)

式中：r為導(dǎo)彈相對(duì)目標(biāo)的距離，導(dǎo)彈命中目標(biāo)時(shí)r=0；q為目標(biāo)線與基準(zhǔn)線之間的夾角，稱(chēng)目標(biāo)線方位角(簡(jiǎn)稱(chēng)目標(biāo)線角)，若從基準(zhǔn)線逆時(shí)針轉(zhuǎn)到目標(biāo)線上時(shí)，則q為正；Am和At分別為導(dǎo)彈、目標(biāo)速度矢量與基準(zhǔn)線之間的夾角，稱(chēng)之為導(dǎo)彈彈道角和目標(biāo)航向角；Bm、Bt分別為導(dǎo)彈、目標(biāo)速度矢量與目標(biāo)線之間的夾角。

上述夾角均以從基準(zhǔn)線起逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎D1為導(dǎo)彈與目標(biāo)的相對(duì)位置圖。

圖1 導(dǎo)彈與目標(biāo)的相對(duì)位置圖

4.3 沖淡干擾在線效果評(píng)估過(guò)程

4.3.1 沖淡干擾仿真過(guò)程

當(dāng)電子對(duì)抗系統(tǒng)從其它傳感器中獲取反艦導(dǎo)彈的距離、航向等參數(shù)后，根據(jù)艦艇的運(yùn)動(dòng)模型、導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)模型等，仿真出導(dǎo)彈攻擊紅方艦艇、箔條云的軌跡。

在實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)中，導(dǎo)彈的速度、真風(fēng)速、相對(duì)風(fēng)向、反艦導(dǎo)彈與目標(biāo)的距離、反艦導(dǎo)彈的位置等都可以通過(guò)紅方傳感器獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

例如：設(shè)紅方艦艇速度12 m/s，導(dǎo)彈的速度為300 m/s，真風(fēng)速為5 m/s，初始時(shí)刻反艦導(dǎo)彈與紅方艦艇的距離為10 000 m，初始時(shí)刻箔條云、艦艇、反艦導(dǎo)彈位置如圖2所示，以反艦導(dǎo)彈位置為原點(diǎn)，目標(biāo)速度方向?yàn)閄軸方向，水平面為坐標(biāo)平面。

圖2 箔條沖淡干擾時(shí)反艦導(dǎo)彈與艦艇位置圖

根據(jù)圖2顯示的位置，計(jì)算出仿真需要的參數(shù)，可以獲得反艦導(dǎo)彈攻擊紅方艦艇和箔條云的軌跡，見(jiàn)圖3。

圖3 仿真計(jì)算出的導(dǎo)彈攻擊不同目標(biāo)的軌跡

圖3中，仿真步長(zhǎng)為1 m，在實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)中，由于外界環(huán)境不斷變化，所以軌跡仿真會(huì)在構(gòu)建的數(shù)字孿生虛擬環(huán)境下，實(shí)時(shí)根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向等外界環(huán)境的變化和傳感器獲得的導(dǎo)彈位置信息，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修訂，同時(shí)繪制反艦導(dǎo)彈的攻擊軌跡。

4.3.2 電子對(duì)抗效果評(píng)估過(guò)程

在體系作戰(zhàn)情況下，可以獲取反艦導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)的準(zhǔn)確航跡，因此可以將實(shí)際的反艦導(dǎo)彈軌跡與仿真結(jié)果進(jìn)行融合度評(píng)估，以保證仿真的真實(shí)有效。隸屬度函數(shù)可以較好地表征評(píng)估模擬點(diǎn)與樣本點(diǎn)的緊密程度，本文采用高斯核隸屬度函數(shù)來(lái)表征。假設(shè)導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)的實(shí)際軌跡點(diǎn)為I(Xi，Yi)，對(duì)應(yīng)的仿真軌跡點(diǎn)坐標(biāo)為K(Mk,Nk)，則有如下隸屬度函數(shù)：

(3)

(4)

式中：Mk、Nk分別代表仿真軌跡中的每一個(gè)仿真點(diǎn)的X坐標(biāo)與Y坐標(biāo)；Xi、Yi為反艦導(dǎo)彈實(shí)際軌跡在對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的X坐標(biāo)與Y坐標(biāo)；σ為樣本點(diǎn)到所在類(lèi)中心的距離，在高斯隸屬度函數(shù)中用高斯分布表征。

根據(jù)軌跡融合結(jié)果，電子對(duì)抗效果判斷規(guī)則為：

(1)如果融合后的軌跡為反艦導(dǎo)彈攻擊艦艇的軌跡，則說(shuō)明干擾失?。?/p>

(2)如果融合后的軌跡為反艦導(dǎo)彈攻擊箔條云的軌跡，則說(shuō)明干擾成功；

(3)如果沒(méi)有曲線可以與反艦導(dǎo)彈的實(shí)際曲線相融合，但其它傳感器獲取的軌跡，在‘□’曲線與‘+’曲線之間，仍然存在攻擊我艦艇的可能，則說(shuō)明反艦導(dǎo)彈采用的是跟蹤能量中心的方式或蛇形機(jī)動(dòng)等方式；

(4)如果反艦導(dǎo)彈實(shí)際軌跡在攻擊目標(biāo)的過(guò)程中突然消失，電子對(duì)抗系統(tǒng)在反艦導(dǎo)彈理論上二次開(kāi)機(jī)范圍內(nèi)，也沒(méi)有截獲反艦導(dǎo)彈的末制導(dǎo)信號(hào)，此情況可能是紅方艦艇硬武器對(duì)抗反艦導(dǎo)彈成功，那么電子對(duì)抗系統(tǒng)不需要對(duì)該批目標(biāo)進(jìn)一步干擾，此時(shí)也將判斷干擾成功。

根據(jù)虛擬環(huán)境中的導(dǎo)彈軌跡與仿真攻擊軌跡的時(shí)空對(duì)準(zhǔn)比對(duì)結(jié)果和對(duì)抗效果評(píng)估規(guī)則，可以為指揮員提供判斷電子對(duì)抗效果的依據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的利用數(shù)字孿生進(jìn)行艦載電子對(duì)抗效果評(píng)估的方法，期望充分發(fā)揮仿真計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，為實(shí)際裝備設(shè)計(jì)提供一種新的思路，但該方法并不完善，在評(píng)估判斷規(guī)則、仿真模型等方面還有較大的改進(jìn)優(yōu)化的空間，后續(xù)將進(jìn)一步在上述方面進(jìn)行優(yōu)化提升。