基于仿真試驗的彈道導彈突防效能評估*

鄭曉龍,張大巧,李邦杰

(火箭軍工程大學, 西安 710025)

0 引言

作戰(zhàn)效能與武器系統(tǒng)固有的能力水平不同,它與使用計劃以及預(yù)期作戰(zhàn)環(huán)境等因素密切相關(guān),在不同環(huán)境與條件下武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能將呈現(xiàn)不同的水平[1]。信息化戰(zhàn)爭條件下,戰(zhàn)場態(tài)勢瞬息萬變,根據(jù)戰(zhàn)場實際情況對作戰(zhàn)計劃作出迅速及時的調(diào)整與改變,是提高武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的必要途徑之一。隨著作戰(zhàn)計劃與預(yù)期環(huán)境不確定性的增加,武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能快速評估的需求也日益迫切起來。傳統(tǒng)的效能評估方法與手段在處理作戰(zhàn)效能評估問題時,往往存在著周期長、評估目標單一、開支大等方面的不足,難以滿足信息化戰(zhàn)爭條件下武器系統(tǒng)快速有針對性的效能評估需求[2]。因此,建立有效適應(yīng)戰(zhàn)場環(huán)境、作戰(zhàn)計劃以及武器特點的作戰(zhàn)效能快速評估方法,是適應(yīng)未來信息化作戰(zhàn)需求、有效提高部隊的戰(zhàn)場適應(yīng)能力的必要手段。

彈道導彈作為現(xiàn)代戰(zhàn)爭的殺手锏武器,是武器裝備體系中的重要一環(huán)。突防作戰(zhàn)效能是彈道導彈武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的核心組成部分之一,其評估工作較為復(fù)雜[3]。由于導彈突防能力與作戰(zhàn)計劃、戰(zhàn)場環(huán)境等因素聯(lián)系緊密,對其進行有針對性的快速評估研究,在解決相關(guān)問題中具有一定的代表性。文中提出了在具體想定條件下的突防作戰(zhàn)效能評估思路,為快速、有針對性的實現(xiàn)突防作戰(zhàn)效能的評估提供了方法,也為相關(guān)類似問題提供了解決思路。

1 效能評估方法分析

總體上國內(nèi)外涉及武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能研究的各種方法及模型,主要包括專家評定法、試驗統(tǒng)計法、作戰(zhàn)仿真評估法、指數(shù)法和解析法等幾大類[4-5]。以上各類作戰(zhàn)效能評估方法各有優(yōu)缺點,且各有一定的適用條件,同時它們都有主要的應(yīng)用對象。而對時效性、針對性需求較強的作戰(zhàn)問題而言,快速有效的效能評估仍然是一個研究的熱點。彈道導彈突防作戰(zhàn)效能評估技術(shù)是一個對時效性與針對性要求較高的體系級效能評估問題,要提高評估結(jié)果的可信度,減少評估風險,需要借鑒并吸收各種方法的優(yōu)點,構(gòu)建科學有效的評估方法[6]。

文中提出以仿真試驗為技術(shù)手段,采用以仿真為主、多種評估方法綜合互補的效能評估模式。通過構(gòu)建“通用導彈飛行仿真框架”,為彈道導彈突防作戰(zhàn)評估提供仿真平臺；以導彈突破防御能力、反導系統(tǒng)防御能力、導彈突防度等要素為分類指標,在考慮多種評估方法的基礎(chǔ)上,構(gòu)建多維性能評估指標體系；采用模塊化仿真體系結(jié)構(gòu),以使仿真框架能夠?qū)崿F(xiàn)包含全數(shù)字仿真、半實物仿真和依托飛行試驗數(shù)據(jù)仿真的異類混合仿真試驗,從而為仿真鑒定評估提供可靠可信的技術(shù)支撐；應(yīng)用對仿真評估數(shù)據(jù)、飛行試驗評估數(shù)據(jù)、專家打分評估數(shù)據(jù)等多源異質(zhì)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一標準的技術(shù),實現(xiàn)對彈道導彈突防作戰(zhàn)效能準確可靠的鑒定與評估；將研究成果進行整理與集成化,形成可針對多種導彈類型的仿真試驗評估工具,從而為彈道導彈突防作戰(zhàn)效能評估提供技術(shù)支撐。

2 導彈攻防通用仿真框架構(gòu)建

評估的核心環(huán)節(jié)是構(gòu)建科學合理、與評估目標契合的仿真系統(tǒng)。突防作戰(zhàn)對應(yīng)的武器系統(tǒng)、作戰(zhàn)環(huán)境、作戰(zhàn)需求各不相同,難以用一套固定的系統(tǒng)與模型實現(xiàn)對各類作戰(zhàn)條件的適應(yīng)。文中提出構(gòu)建通用性突防仿真框架的思路,用于提高仿真系統(tǒng)在效能評估中的靈活性與適應(yīng)性。

實現(xiàn)仿真系統(tǒng)的通用性必須首先建立一個通用性的框架,在此基礎(chǔ)上通過模塊化設(shè)計實現(xiàn)方案與想定、通用與專用之間的角色轉(zhuǎn)換。研究過程可分為3個層次：利用通用框架實現(xiàn)導彈突防仿真流程、模塊、數(shù)據(jù)之間的有機聯(lián)系；在此基礎(chǔ)上建立通用模塊接口與規(guī)范；設(shè)計通用模塊代碼滿足通用性要求,滿足根據(jù)具體想定利用相應(yīng)模型替換通用模型完成作戰(zhàn)效能評估的要求。具體仿真框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 彈道導彈突防作戰(zhàn)通用仿真框架

通用彈道導彈突防仿真系統(tǒng)是以腳本運行化的飛行仿真流程為目標、以標準化模塊結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的,可以根據(jù)不同的想定,靈活地對相應(yīng)模塊進行替換,有效地組成與想定相對應(yīng)的仿真系統(tǒng),實現(xiàn)想定所需要的作戰(zhàn)條件與環(huán)境。在此基礎(chǔ)上,仿真框架能夠在提高仿真系統(tǒng)可信度的同時,有效提升作戰(zhàn)效能評估水平。

3 基于仿真試驗的效能評估

導彈攻防仿真系統(tǒng)給出的仿真結(jié)果并非效能評估結(jié)果,仿真僅僅是以盡可能貼近實際情況的模型,對給定條件下的作戰(zhàn)過程進行復(fù)現(xiàn)與預(yù)測,而效能評估則是對作戰(zhàn)系統(tǒng)完成任務(wù)水平的計算。因此在依托導彈突防仿真框架進行仿真評估時,需要將仿真想定與作戰(zhàn)條件、戰(zhàn)場環(huán)境等要素有效地進行契合,從而保證與評估相關(guān)的要素在仿真中得到有效體現(xiàn)。

基于仿真試驗效能評估的基本思路為：構(gòu)建基于多維指標體系的導彈體系突防效能評估系統(tǒng),針對給定的作戰(zhàn)想定,仿真系統(tǒng)對導彈攻防過程進行有效仿真,通過在仿真過程中對評估相關(guān)的數(shù)據(jù)進行采集與計算,綜合運用多種效能評估方法,給出相應(yīng)的彈道導彈突防效能指標值,進而判斷導彈武器系統(tǒng)體系突防效能的高低。具體思路如圖2所示。

圖2 彈道導彈突防效能評估總體方案

文中主要基于仿真試驗的導彈突防效能評估中的指標構(gòu)建、評估數(shù)據(jù)采集以及多源數(shù)據(jù)融合等關(guān)鍵技術(shù)進行了分析與研究。

3.1 效能評估指標構(gòu)建

指標體系可以認為是效能評估的支撐框架與細節(jié)體現(xiàn)。需要指出的是,針對不同的作戰(zhàn)計劃與任務(wù),作戰(zhàn)效能的體現(xiàn)也不相同。因此構(gòu)建的指標體系應(yīng)當是有一定適應(yīng)性的多維指標體系,能夠根據(jù)評估需求靈活地給出有針對性的評估指標。

導彈突防效能評估的指標體系,基本是從被發(fā)現(xiàn)和被打擊的兩個大指標進行指標體系的構(gòu)建,部分也考慮導彈武器本身的能力等指標。多維指標體系構(gòu)建可以從不同的角度反映具體的作戰(zhàn)需求。例如,彈道導彈突防效能評估可以從導彈突防概率、反導攔截概率以及二者的比值突防度等不同維度構(gòu)建指標體系,不同的指標值之間既反映不同的作戰(zhàn)任務(wù)需求,又有著密切的聯(lián)系[7]?？梢哉f合理的多維度效能評估指標是評估工作的基礎(chǔ),也是得出正確評估結(jié)論的前提。

構(gòu)建彈道導彈突防效能評估工作的多維指標過程中,具體的指標形式需要結(jié)合作戰(zhàn)計劃、作戰(zhàn)任務(wù)以及仿真系統(tǒng)實際情況綜合確定,其中重點是給出指標建立規(guī)則和指導選擇標準,在此基礎(chǔ)上科學合理設(shè)計與評估目標契合的多維指標體系與相應(yīng)的指標值計算方法,從而建立結(jié)構(gòu)合理、層次完善的多維指標體系。具體構(gòu)建過程如圖3所示。

3.2 評估數(shù)據(jù)采集

采集有效的用于評估的仿真數(shù)據(jù),是效能評估仿真試驗法中一個核心工作。仿真數(shù)據(jù)源的采集首先需將評估需求細化為對指標數(shù)據(jù)的需求,然后結(jié)合仿真模型將指標需求體現(xiàn)出來,接著根據(jù)具體的試驗方案,在仿真過程中對所需的數(shù)據(jù)進行采集,并將采集所得數(shù)據(jù)運用于效能評估工作?？梢钥闯?仿真數(shù)據(jù)的采集需要在評估系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)之間進行協(xié)調(diào)實施。評估系統(tǒng)需要仿真系統(tǒng)通過具體指標的形式進行有效的反映,而仿真系統(tǒng)的實際狀態(tài)也是評估系統(tǒng)進行需求確定時需要考慮的內(nèi)容。根據(jù)這一情況可將仿真試驗評估系統(tǒng)視為由評估系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3個子系統(tǒng)組成,三者關(guān)系如圖4所示。

圖3 指標構(gòu)建過程

圖4 仿真數(shù)據(jù)采集關(guān)系結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將評估與仿真有效聯(lián)系起來的中介。體現(xiàn)為：評估系統(tǒng)中的評估需求,需要通過指標化的方式轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集清單,并為仿真系統(tǒng)需求提出要求。仿真系統(tǒng)則分析提出的數(shù)據(jù)采集清單包含的內(nèi)容是否能夠在仿真系統(tǒng)中得到體現(xiàn),并進行采集；如果仿真系統(tǒng)不能直接提供所需數(shù)據(jù),則一方面通過調(diào)整仿真模型進行適應(yīng),另一方面可與評估系統(tǒng)協(xié)調(diào),重新調(diào)整數(shù)據(jù)采集清單。通過聯(lián)接與協(xié)調(diào),得出評估系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)能夠共同認可的數(shù)據(jù)采集清單,在仿真過程中采集評估所需數(shù)據(jù),并進行效能評估。

3.3 多源評估數(shù)據(jù)的融合評估方法

彈道導彈突防效能評估過程中面臨著許多不確定因素,彌補由這些不確定因素造成的影響,需要尋求盡可能多、可利用的數(shù)據(jù)源作為評估的依據(jù)。為實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)源之間的有效評估融合,需要考慮的問題包括：各類評估信息的統(tǒng)一表達,如仿真采集信息與專家經(jīng)驗評估信息的統(tǒng)一表達問題；評估融合算法模型的構(gòu)建,如不同數(shù)據(jù)源之間的加權(quán)算法等。

縮減評估的風險性,提高評估的可靠性,需要利用多種載有不同的合理成分的評估數(shù)據(jù)源的支持。進行彈道導彈突防效能評估時,專家的經(jīng)驗信息不僅是寶貴的數(shù)據(jù)源,也是仿真采集數(shù)據(jù)不可或缺的補充[8]。評估過程中,需通過信息統(tǒng)一與加權(quán)融合的方法,對以定量表達為主的仿真數(shù)據(jù)和以定性表達為主的專家數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)進行綜合,進而得到穩(wěn)定可靠的評估結(jié)論。數(shù)據(jù)融合評估框架如圖5所示。

圖5 評估數(shù)據(jù)融合流程圖

4 算例

以彈道通用仿真框架設(shè)計的單級近程導彈與反設(shè)計得到的PAC-2、 PAC-3反導防御系統(tǒng)進行對抗突防仿真為例,應(yīng)用以上方法對突防效能進行了評估并對結(jié)果進行了分析。

作戰(zhàn)仿真想定為單彈進攻,導彈發(fā)射點為(XX° XX′ XX″ N,XX° XX′ XX″ E),目標點為(XX° XX′ XX″ N,XX° XX′ XX″ E),PAC-3部署位置為(XX° XX′ XX″ N,XX° XX′ XX″ E),攔截方案為二攔一；突防效能總指標為突防概率,在分解指標的同時,結(jié)合仿真系統(tǒng)模型,給出了與末級指標相對應(yīng)的包含162項內(nèi)容的數(shù)據(jù)采集單。部分采集清單與采集數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 部分采集及計算指標清單

除以上由仿真獲取的評估數(shù)據(jù)外,導彈發(fā)射可靠性、導彈飛行可靠性等指標由專家經(jīng)驗給出。將評估數(shù)據(jù)進行標準化與融合計算,可分別得出針對PAC-2、 PAC-3二攔一方案的突防概率為84.12%與53.63%。

按照以上方式,在分別改變仿真想定中的攔截次數(shù)、防御系統(tǒng)部署位置以及彈道形狀(發(fā)射點位置)等條件的前提下,繼續(xù)計算導彈突防效能值,通過對評估結(jié)果的分析可以得出以下幾點結(jié)論：增加攔截次數(shù)可以提高攔截概率降低導彈突防概率；反導防御系統(tǒng)部署距目標點越遠,攔截概率越低突防概率越高；彈道越高,攔截概率越低突防概率越高。

5 小結(jié)

以仿真為主,多種評估為輔的導彈突防效能綜合評估方法,具有靈活性高、適應(yīng)性強以及經(jīng)濟節(jié)約等方面的優(yōu)點。這一方法與體系的建立可為導彈體系突防作戰(zhàn)提供可靠的突防效能評估方法,進而可為導彈作戰(zhàn)提供可靠的體系突防方案；同時,還能為新型導彈武器系統(tǒng)突防能力的需求論證、創(chuàng)新作戰(zhàn)理論研究、作戰(zhàn)方案評估、關(guān)鍵技術(shù)驗證等提供有效支撐。

需要指出的是,在突防效能仿真評估過程中,目前所做的工作僅僅考慮了末段防御系統(tǒng)反導防御系統(tǒng)。目前國外先進反導攔截技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為全方位、網(wǎng)狀反導防御系統(tǒng),因此效能指標、評估算法的研究還需進一步與先進突防和反導技術(shù)相對應(yīng),提高技術(shù)的針對性。這也是下一步需要研究的重點方向。