新型紅外空空導彈抗干擾能力評估分析

王 泉，董維浩，劉新愛，何永鵬，程 洋

(中國人民解放軍95972部隊,甘肅 酒泉 735018)

0 引言

隨著紅外干擾技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，新型紅外空空導彈面臨著日益復雜的作戰(zhàn)環(huán)境，導彈的抗干擾能力成為其能否達成作戰(zhàn)意圖的關(guān)鍵性因素。紅外空空導彈抗干擾問題在20世紀90年代就開始引起各界廣泛關(guān)注，但由于國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚、實際空戰(zhàn)數(shù)據(jù)較少等原因，始終缺乏一套全面系統(tǒng)、深入實際的紅外空空導彈抗干擾能力評估方法。本文在分析紅外空空導彈對抗環(huán)境要素的基礎(chǔ)上，從紅外對抗環(huán)境、抗干擾能力評估試驗現(xiàn)狀、試驗條件設(shè)計與結(jié)果評估、今后發(fā)展的方向等方面進行了研究探討。

1 紅外對抗環(huán)境

當今信息化戰(zhàn)爭中，紅外空空導彈的作戰(zhàn)目標除了原有的飛行器外，還包括隱身飛機，復雜天空云層背景下弱小目標，超低空飛行(距地面高度在100 m以下)的巡航導彈、無人機等。這樣一來，其作戰(zhàn)樣式由傳統(tǒng)單一的空對空打擊轉(zhuǎn)為空空/空地雙重打擊，作戰(zhàn)環(huán)境也由較為簡單的天空背景轉(zhuǎn)為復雜的天空/地面背景。這就對空空導彈的紅外導引頭在復雜戰(zhàn)場環(huán)境下的自動目標識別能力提出了更高的要求。

與此同時，紅外對抗技術(shù)如紅外誘餌彈、紅外偽裝、隱身、紅外定向干擾、紅外成像誘餌等也在不斷地發(fā)展和應(yīng)用之中。以最常用的紅外誘餌彈為例，正在發(fā)展中的新技術(shù)包括：改變干擾釋放策略，以不同壓制比的多誘餌彈向多方向投放；采用伴飛誘餌或拖曳式誘餌，模擬飛機的運動軌跡；改變誘餌彈材料和燃燒方式，使其光譜特性更接近目標；面源紅外誘餌彈，形成干擾云團等等。可見，紅外誘餌彈發(fā)展的方向是使干擾與目標在更多的特征上具有相似性。此外，目前激光定向干擾已較為成熟，在航空裝備中得到普遍推廣。飛機在探測到來襲導彈的方向時通過機載激光定向干擾系統(tǒng)向來襲導彈發(fā)出高能量激光，使紅外成像導引頭致盲或致眩，從而破壞導彈對目標的穩(wěn)定跟蹤造成導彈脫靶。這些新型紅外對抗技術(shù)[1]的發(fā)展很大程度上降低了現(xiàn)有紅外空空導彈成功打擊目標的概率。

紅外對抗環(huán)境的構(gòu)建是開展紅外空空導彈抗干擾試驗的基礎(chǔ)，逼真地反映導彈武器系統(tǒng)面臨的真實戰(zhàn)場對抗環(huán)境，營造貼近實戰(zhàn)的作戰(zhàn)態(tài)勢，以檢驗武器裝備的適應(yīng)能力，是抗干擾能力評估的基本原則。試驗評估中對抗環(huán)境的構(gòu)建要以導彈抗干擾指標為依托，根據(jù)典型戰(zhàn)場環(huán)境，立足現(xiàn)有試驗資源，全面覆蓋各種因素。

2 抗干擾能力評估試驗現(xiàn)狀

目前紅外空空導彈抗干擾試驗主要有：仿真試驗(數(shù)字仿真、半實物仿真)、掛飛試驗和空中發(fā)射試驗[2]等。導彈抗干擾能力的評估往往是采取上述幾類試驗相結(jié)合的方式開展，根據(jù)幾類試驗的結(jié)果，綜合評定其抗干擾能力。

目前抗干擾試驗的特點及存在的問題有：

1)仿真試驗

仿真試驗是在內(nèi)場環(huán)境下，運用仿真軟件或目標/干擾模擬設(shè)備，對導彈目標跟蹤能力、目標/干擾識別能力進行驗證評估的試驗。主要包括數(shù)字仿真和半實物仿真，具有試驗成本相對較低、可重復性好等特點，可以實現(xiàn)大樣本量試驗。但目前仿真試驗的目標/干擾及環(huán)境特征與真實導彈自主飛行過程存在一定差異，評估結(jié)果的置信度還有待進一步提高。

2)掛飛試驗

掛飛試驗是在導彈掛機狀態(tài)下，對導彈目標跟蹤能力、目標/干擾識別能力進行驗證評估的試驗。該類試驗中，目標機能夠模擬真實的目標/干擾特性，但由于導彈處于掛機狀態(tài)，難以模擬彈目接近的真實過程，同時出于試驗安全考慮，載機和目標機必須保持規(guī)定的安全距離，因此難以對導彈末端抗干擾能力進行評估考核，而導彈的末端抗干擾能力才是決定其抗干擾成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3)空中發(fā)射試驗

空中發(fā)射試驗是在導彈自主飛行狀態(tài)下，對導彈目標截獲跟蹤、抗干擾能力、飛行控制能力、引戰(zhàn)配合等進行綜合評估的試驗。該類試驗?zāi)軌蛟谧顬榻咏鎸嵀h(huán)境的狀態(tài)下，模擬導彈攻擊目標的過程，且攻擊目標的目標/干擾特征最接近真實目標的狀態(tài)，可信度最高，能夠全面驗證導彈的抗干擾等各項能力。但由于空中發(fā)射試驗存在花費高、樣本少的特點，很難滿足對導彈抗干擾能力的考核需求。

由于上述試驗都存在各種限制因素，因此目前導彈抗干擾能力采用綜合評估的方式開展：利用空中發(fā)射試驗和掛飛試驗數(shù)據(jù)對仿真試驗的模型進行校驗；在仿真試驗?zāi)Ｐ蜐M足置信度需求后，進行全空域、多條件的仿真試驗；綜合三類試驗結(jié)果，給出抗干擾能力評估結(jié)論。

3 試驗條件設(shè)計與結(jié)果評估

3.1 試驗條件設(shè)計

針對目前紅外對抗環(huán)境[3]進行分析，其構(gòu)成要素主要有目標、干擾和態(tài)勢，進一步細化梳理如圖1所示。目標因素主要取決于目標類型和機動方式；干擾因素又可分為自然干擾和人工干擾，其中自然干擾主要包括天空背景干擾和地物背景干擾，人工干擾主要取決于干擾類型、干擾數(shù)量、投放時機和密集程度；態(tài)勢因素主要取決于發(fā)射時刻彈目距離和相對方向。

圖1 紅外對抗環(huán)境要素

由于抗環(huán)境要素的復雜多變性，紅外空空導彈抗干擾試驗中通常是多因子、多水平的問題。在這種情況下試驗設(shè)計非常復雜，需要實現(xiàn)變量與水平之間合理的隨機搭配，既要保證良好的試驗效果，又要盡可能地減少試驗次數(shù)，因此需要選取一部分有代表性的水平組合來實施試驗。

目前常用的試驗條件設(shè)計方法主要有正交設(shè)計法和均勻設(shè)計法[4]。正交設(shè)計法是利用正交性來挑選部分的水平組合，希望每個因素的水平之間分配均衡，任兩個因素的全部水平組合也分配均衡，而均勻設(shè)計法是利用均勻性來挑選部分的水平組合。

1)目標因素選擇。對紅外對抗環(huán)境要素進行分析，通過研究國外各種戰(zhàn)機及戰(zhàn)機被導彈攻擊后所采取的各種規(guī)避戰(zhàn)術(shù)，結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有機型和靶標的特點，從而凝練出典型的飛機特性、逃逸機動方式，主要考慮目標紅外輻射特性、機動方式、過載大小、機動時間等因素。

2)干擾因素選擇。通過研究國外各種戰(zhàn)機裝備的紅外干擾投放系統(tǒng)和紅外干擾彈，分析干擾系統(tǒng)的組成、功能、作戰(zhàn)使用方式，結(jié)合國內(nèi)試驗條件和現(xiàn)役裝備紅外干擾投放模式，凝練出典型的人工干擾模式，主要考慮干擾投放時間、投放方向、投放組數(shù)、組間隔、每組彈數(shù)、彈間隔等因素。通過梳理不同級別、不同類型的天空背景和地物背景特點，提煉自然干擾場景，主要考慮光線強度、光線角度、云量、地物類型等因素。

3)態(tài)勢因素選擇。結(jié)合試驗條件下紅外空空導彈發(fā)射條件概率統(tǒng)計分析，針對典型紅外空空導彈發(fā)射條件提煉關(guān)鍵影響因素，主要考慮目標高度、目標速度、載機高度、載機速度、進入角、離軸角、發(fā)射距離等因素。

針對仿真試驗，在導彈使用包線內(nèi)，可采用正交試驗設(shè)計、均勻試驗設(shè)計等方法進行條件設(shè)計；對于飛行試驗而言，由于試驗資源限制，一般在仿真試驗條件中挑選具有代表性的典型條件開展相關(guān)試驗。

3.2 試驗結(jié)果評估

目前抗干擾試驗方法主要有：仿真試驗、掛飛試驗和空中發(fā)射試驗等幾類。綜合考慮各類試驗的特點，從提高試驗結(jié)果的置信度出發(fā)，并考慮到試驗組織實施的可行性、經(jīng)濟性，紅外空空導彈抗干擾能力評估應(yīng)以仿真試驗為主，同時結(jié)合少量的掛飛試驗和空中發(fā)射試驗，通過對仿真和外場試驗結(jié)果的綜合比對分析，最終給出抗干擾能力的可靠評估。

在導彈抗干擾評估過程中，由于其過程牽涉的要素眾多，因此特別需要一種能夠全面綜合評估導彈抗干擾性能的方法，為導彈的抗干擾評估提供理論依據(jù)。目前，導彈的抗干擾性能評估的常用方法主要有概率統(tǒng)計法、加權(quán)評估法、Bayes方法和層次分析法。

1)概率統(tǒng)計法

概率統(tǒng)計法[5]即試驗中抗干擾彈道總數(shù)為N，其中有n(n≤N)條彈道抗干擾成功，則該導彈的抗干擾成功概率為：

p=n/N

(1)

概率統(tǒng)計法簡單易懂，是評估導彈的抗干擾性能時常用的方法之一。

2)加權(quán)平均法

加權(quán)平均法是根據(jù)試驗類型對試驗中的N個抗干擾彈道進行劃分，然后根據(jù)不同類型的重要性對其取不同的加權(quán)系數(shù)。如：試驗采用數(shù)字仿真、半實物仿真、掛飛試驗和空中發(fā)射試驗相結(jié)合的方式開展，將N個條件分成4種類型，在每種類型條件下的抗干擾成功概率分別為p1、p2、p3、p4，取其加權(quán)系數(shù)分別為n1、n2、n3、n4，則導彈的抗干擾成功概率為：

p=(n1p1+n2p2+n3p3+n4p4)/(n1+n2+n3+n4)

(2)

雖然加權(quán)平均法的計算量比概率統(tǒng)計法大一些，但是加權(quán)平均法體現(xiàn)了不同試驗類型的彈道在評估中的權(quán)重的不同。

3)Bayes方法

Bayes方法是在小樣本或無樣本信息的前提下能得到較好參數(shù)估計的一種方法，它是基于一個主觀概率的框架，常用概率對信任程度建模，處理復雜系統(tǒng)中普遍存在的不確定因素的情況，可以在保證決策風險盡可能小的情況下，綜合利用多種信息類型，既包括現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，又包括各個歷史階段的信息，既可以是統(tǒng)計數(shù)據(jù)，也可以是專家經(jīng)驗。Bayes方法起源于Bayes公式[6]：

i=1,2,…,n

(3)

式中，P(Ai)是試驗之前事件(Ai)成立的概率，稱為驗前信息；P(Ai/B)是試驗之后Ai成立的概率，稱為驗后信息。對于試驗結(jié)果評定中常用的假設(shè)檢驗，如：

H0:P=P0;H1:P=P1

(4)

A1可代表H0；而A2代表H1。Bayes方法的特點在于利用了驗前信息，從而可以做出更合理的統(tǒng)計推斷。

4)層次分析法

層次分析法[5]是一種定性和定量相結(jié)合的、系統(tǒng)化、層次化的分析方法，它把復雜的問題分解為各組成因素，將這些因素按分配關(guān)系分組以形成有序的遞階層次結(jié)構(gòu)，通過構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣的方式確定每層次中因素的相對重要性，然后在遞階層次內(nèi)進行合成，以得到?jīng)Q策因素相對于目標的權(quán)重系數(shù)。層次分析法的優(yōu)點在于通過兩兩比較，降低個別判斷失誤造成的影響，評估結(jié)果可靠性高。

導彈的抗干擾能力評估層次如圖2所示，其抗干擾概率一般來源于數(shù)字仿真、半實物仿真、掛飛試驗和空中發(fā)射試驗。

根據(jù)圖2中B層各個因素之間的相對重要性來構(gòu)造A-B判斷矩陣，判斷矩陣如表1所示。

圖2 導彈的抗干擾性能評估層次示意圖

表1 A-B判斷矩陣

其中，在判斷矩陣中主對角線元素為1，aij和aji互為倒數(shù)，即判斷矩陣為正反矩陣，然后按照式(5)計算權(quán)重系數(shù)。其中尺度aij的含義如表2所示。

(5)

表2 1～9尺度aij的含義

在獲取當前層次的權(quán)重系數(shù)后，必須對判斷矩陣進行一致性校驗，以排除里面的人為邏輯判斷錯誤。一致性校驗的步驟如下：

1)計算一致性指標CI

CI=λmax-n/(n-1)

(6)

式中，λmax為判斷矩陣最大特征值；n為判斷矩陣的階次。

2)查找相應(yīng)的平均一致性指標RI

3)計算一致性比例CR

CR=CI/RI

(7)

當CR<0.1時，認為判斷矩陣的一致性可以接受；當CR≥0.1時，要對判斷矩陣進行適當修改。按照上述方法，獲取下一級各因素項的權(quán)重因子w1，w2，…，wn再通過一致性校驗，最后可以求取評估的各因素的權(quán)重因子w，計算公式如下：

(8)

式中，k為當前層數(shù)。故對于性能指標A：

pA=w(k)Tp

(9)

式中，p為各因素下的性能指標。

根據(jù)構(gòu)造的抗干擾性能評估層次示意圖，得到二階的兩兩判斷矩陣，由上述計算方法可知導彈的抗干擾概率為：

p=w1p1+w2p2+w3p3+w4p4

(10)

4 今后發(fā)展的方向

4.1 貼近實戰(zhàn)，構(gòu)建典型紅外戰(zhàn)場環(huán)境

以紅外空空導彈未來的作戰(zhàn)使命任務(wù)為依托，根據(jù)未來空戰(zhàn)特點，構(gòu)建典型紅外戰(zhàn)場環(huán)境，想定武器系統(tǒng)作戰(zhàn)態(tài)勢，以戰(zhàn)場上可能出現(xiàn)的目標特性、干擾方式入手，分析提煉典型戰(zhàn)場環(huán)境的構(gòu)成要素。

4.2 分級量化，明確紅外對抗環(huán)境層級

從紅外空空導彈面對的復雜對抗環(huán)境的物理特征出發(fā)，在信息特征層面對復雜對抗環(huán)境進行科學表征。在信息特征測度的基礎(chǔ)上對復雜對抗環(huán)境進行分級量化，從評估的角度建立等級化的復雜對抗環(huán)境與導彈抗干擾能力之間的關(guān)系。

4.3 迭代修正，提升仿真系統(tǒng)的置信度

在不斷開展飛行試驗的同時，利用已經(jīng)獲取的試驗數(shù)據(jù)，不斷修正完善武器仿真系統(tǒng)，形成更為逼真的目標、干擾、自然環(huán)境等因素的仿真數(shù)據(jù)庫，提升仿真試驗置信度，保證天地一致性。

4.4 綜合評估，有效融合各類試驗數(shù)據(jù)

根據(jù)不同試驗階段、不同種類試驗的結(jié)果，按照其樣本量和置信度的不同，尋求一種科學有效的綜合評估方法，既能有效利用不同研制階段、不同試驗條件的試驗信息，又要避免大量仿真數(shù)據(jù)信息造成飛行試驗等小子樣試驗信息的數(shù)據(jù)湮沒。

5 結(jié)束語

目前新型紅外空空導彈抗干擾試驗?zāi)芰υu估主要是基于數(shù)字仿真試驗、半實物仿真試驗、掛飛試驗和空中發(fā)射試驗相結(jié)合的方式。針對評估試驗中存在的各種限制因素，預測了今后抗干擾能力評估的4個主要發(fā)展方向，即戰(zhàn)場環(huán)境貼近實戰(zhàn)、對抗層次量化分級、仿真系統(tǒng)迭代修正、試驗數(shù)據(jù)綜合評估，這將更為全面真實地對導彈抗干擾能力進行評估，以促進戰(zhàn)斗力的快速生成和不斷提升。