艦艇編隊(duì)防空反導(dǎo)仿真系統(tǒng)研究

趙金紅，張國忠

(中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100036)

現(xiàn)代海戰(zhàn)中，艦艇編隊(duì)面臨的最大威脅主要來自于空中，可能遭到敵飛機(jī)、反艦導(dǎo)彈的空中襲擊，防空反導(dǎo)是艦艇編隊(duì)主要作戰(zhàn)樣式之一，因此各國海軍均裝備有防空反導(dǎo)作戰(zhàn)系統(tǒng)，例如美軍宙斯盾武器系統(tǒng)、艦艇自防御系統(tǒng)(SSDS)等。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，構(gòu)建仿真系統(tǒng)是開展相應(yīng)裝備作戰(zhàn)問題研究的有效手段。本文旨在設(shè)計(jì)一個通用的艦艇編隊(duì)防空反導(dǎo)仿真系統(tǒng)，用于支持開展艦艇編隊(duì)防空反導(dǎo)領(lǐng)域武器裝備論證、裝備體系作戰(zhàn)效能評估、裝備作戰(zhàn)運(yùn)用研究等。

1 作戰(zhàn)過程分析

艦艇編隊(duì)防空反導(dǎo)作戰(zhàn)是一個復(fù)雜的動態(tài)過程，包括對飛機(jī)和巡航導(dǎo)彈、彈道導(dǎo)彈等反艦導(dǎo)彈的防御，一般采用由遠(yuǎn)及近、多層防御方式，外層防御以艦載機(jī)為主，中層防御以中遠(yuǎn)程防空導(dǎo)彈為主，內(nèi)層以近程防空導(dǎo)彈、艦炮武器系統(tǒng)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)為主。為明確研究界面，該仿真系統(tǒng)主要研究來襲目標(biāo)突破艦載機(jī)防御后艦艇編隊(duì)區(qū)域防空和末端防御的過程，基本作戰(zhàn)過程如下。

1)預(yù)警探測跟蹤

艦艇編隊(duì)內(nèi)各艦載對空搜索雷達(dá)和電子偵察設(shè)備組成對空預(yù)警探測系統(tǒng)，用于監(jiān)視編隊(duì)周圍有關(guān)情況，探測各種來襲目標(biāo)以及雷達(dá)輻射源等，跟蹤識別來襲目標(biāo)類型，針對導(dǎo)彈目標(biāo)，完成預(yù)測彈道計(jì)算。

2)多層級指控決策

編隊(duì)指揮艦組織協(xié)調(diào)擔(dān)負(fù)中遠(yuǎn)程攔截任務(wù)的水面艦艇對來襲目標(biāo)實(shí)施區(qū)域攔截。編隊(duì)指揮艦對雷達(dá)目標(biāo)信息和電子偵察信息進(jìn)行綜合處理、威脅等級判斷，給出敵方來襲目標(biāo)告警，并根據(jù)來襲空中目標(biāo)的距離、編隊(duì)各艦艇的位置進(jìn)行區(qū)域防空目標(biāo)分配，指揮協(xié)調(diào)編隊(duì)內(nèi)中遠(yuǎn)程防空導(dǎo)彈進(jìn)行區(qū)域防空。

區(qū)域攔截失敗后，各艦艇分別實(shí)施近程防空作戰(zhàn)。各艦艇平臺對本艦周圍進(jìn)行搜索監(jiān)視，同時接收并處理上級編隊(duì)下發(fā)的編隊(duì)綜合目標(biāo)信息和告警信息，形成本艦威脅目標(biāo)并進(jìn)行威脅評估。本艦指控系統(tǒng)進(jìn)行火力攔截解算和綜合干擾決策，適時分配近程艦空導(dǎo)彈、艦炮武器系統(tǒng)進(jìn)行火力攔截，適時分配電子戰(zhàn)系統(tǒng)實(shí)施電子干擾。

3)硬軟武器抗擊

各類硬軟武器在多層級指控系統(tǒng)的綜合指揮調(diào)度下，依據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行火控計(jì)算和干擾解算，并實(shí)施火力攔截和電子干擾。

4)效果評估

每次軟硬武器對抗過程實(shí)施完成后，均計(jì)算毀傷效果和干擾效果，為后續(xù)防御作戰(zhàn)的實(shí)施提供依據(jù)。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文面向艦艇編隊(duì)防空反導(dǎo)作戰(zhàn)業(yè)務(wù)領(lǐng)域裝備論證、體系作戰(zhàn)效能評估、作戰(zhàn)運(yùn)用研究等需求，采用可擴(kuò)展、多模式的總體設(shè)計(jì)思路，構(gòu)建以數(shù)字仿真模型為核心，集模型裝配、想定編輯、仿真運(yùn)行、推演控制、態(tài)勢展現(xiàn)、分析評估等功能于一體的仿真系統(tǒng)，采用分層架構(gòu)設(shè)計(jì)，自頂向下分為仿真應(yīng)用層、仿真工具層、運(yùn)行服務(wù)層和仿真資源層，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 防空反導(dǎo)仿真系統(tǒng)總體架構(gòu)

1)仿真應(yīng)用層：從應(yīng)用層次描述一次完整的艦艇編隊(duì)防空反導(dǎo)作戰(zhàn)仿真過程，依托該系統(tǒng)可開展裝備體系作戰(zhàn)效能評估、裝備作戰(zhàn)運(yùn)用研究、武器裝備論證等仿真應(yīng)用。

2)仿真工具層：提供開展艦艇編隊(duì)防空反導(dǎo)作戰(zhàn)仿真推演所需的集設(shè)計(jì)、開發(fā)、調(diào)試、運(yùn)行、控制、分析、綜合演示于一體的仿真工具集合，包括仿真想定制作工具、仿真實(shí)驗(yàn)規(guī)劃工具、仿真運(yùn)行管控工具、數(shù)據(jù)復(fù)盤回放工具、分析評估工具等。

3)運(yùn)行服務(wù)層：具備開放式仿真架構(gòu)，支持集中式和分布式兩種仿真架構(gòu)，提供通信中間件、時統(tǒng)服務(wù)、資源管理、仿真引擎等服務(wù)功能，支撐仿真應(yīng)用的開發(fā)、集成、運(yùn)行和管理。

4)仿真資源層：是該仿真系統(tǒng)的核心，提供仿真模型庫，能夠支持艦艇編隊(duì)防空反導(dǎo)戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)級兵力對抗仿真；能夠存儲和管理仿真想定、實(shí)驗(yàn)方案、仿真模型、仿真過程數(shù)據(jù)、分析評估等資源。

3 模型體系設(shè)計(jì)

模型體系是艦艇編隊(duì)防空反導(dǎo)仿真系統(tǒng)的核心，采用參數(shù)化組件建模方式，由艦艇平臺模型、傳感器模型、硬武器模型、軟武器模型、通信模型、指揮控制模型、來襲目標(biāo)武器模型、評估模型等8類模型組成。其中，艦艇平臺模型、傳感器模型、硬武器模型、軟武器模型、通信模型、指揮控制模型組成防御方，來襲目標(biāo)武器模型為進(jìn)攻方，基于該模型體系能完整地執(zhí)行對抗條件下艦艇編隊(duì)防空反導(dǎo)作戰(zhàn)全過程，模型體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 艦艇編隊(duì)防空反導(dǎo)仿真系統(tǒng)模型體系

3.1 艦艇平臺模型

艦艇平臺模型用于模擬艦艇平臺的基本屬性、搭載關(guān)系、指揮關(guān)系、艦艇運(yùn)動等，包括艦艇實(shí)體模型、艦艇機(jī)動模型。艦艇實(shí)體模型模擬艦艇平臺的長、寬、高、吃水深度、排水量等基本屬性，模擬上下級指控、編隊(duì)、承載關(guān)系等。艦艇機(jī)動模型用于模擬艦艇綜合導(dǎo)航系統(tǒng)，主要模擬艦艇的運(yùn)動能力，為艦載各武器系統(tǒng)提供搭載平臺位置、速度、姿態(tài)等信息；能夠接收指揮控制模型機(jī)動控制指令，模擬艦艇規(guī)避動作。

3.2 傳感器模型

傳感器模型用于模擬艦艇對空雷達(dá)的探測跟蹤過程和艦載電子戰(zhàn)系統(tǒng)的電子偵察過程，包括雷達(dá)模型和電子偵察模型。

雷達(dá)模型根據(jù)用途不同，由雷達(dá)探測、信息處理、彈道預(yù)報(bào)模型裝配組成。雷達(dá)探測模型基于雷達(dá)探測空域、工作模式等屬性，進(jìn)行雷達(dá)探測作用距離檢查，模擬雷達(dá)測距、測角信息；數(shù)據(jù)處理模型根據(jù)點(diǎn)跡信息對目標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、跟蹤濾波等形成目標(biāo)航跡；彈道預(yù)報(bào)模型根據(jù)不同類型反艦彈的運(yùn)動特點(diǎn)，分別建立慣性彈、巡飛彈、滑翔彈彈道預(yù)報(bào)模型。雷達(dá)功能仿真過程如圖3所示。

圖3 雷達(dá)功能仿真框圖

電子偵察模型用于模擬對反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)輻射信號的偵察判斷、偵察空域覆蓋計(jì)算、參數(shù)測量等，并產(chǎn)生輻射源目標(biāo)偵察信息。電子偵察功能仿真過程如圖4所示。

圖4 電子偵察功能仿真框圖

3.3 硬武器模型

硬武器模型用于模擬艦空導(dǎo)彈和艦炮武器火力攔截過程，包括艦空導(dǎo)彈模型、艦炮武器模型。

艦空導(dǎo)彈模型由武器控制解算模型、彈道模型、毀傷裁決模型組成。武器控制解算模型根據(jù)目標(biāo)類型、預(yù)報(bào)彈道等信息，進(jìn)行攔截弧段計(jì)算和可攔性判斷，完成發(fā)射諸元解算、發(fā)射決策和發(fā)射管理；彈道模型用于模擬艦空導(dǎo)彈攔截目標(biāo)過程中的飛行彈道，基于導(dǎo)彈六自由度建立導(dǎo)彈動力學(xué)與運(yùn)動學(xué)模型，完成導(dǎo)彈初制導(dǎo)、中制導(dǎo)、末制導(dǎo)各階段飛行彈道和姿態(tài)變化的模擬；毀傷裁決模型用于導(dǎo)彈彈目遭遇裁決以及脫靶量解算。艦空導(dǎo)彈功能仿真過程如圖5所示。

圖5 艦空彈功能仿真框圖

艦炮武器模型用于模擬艦載近防武器點(diǎn)防御效果，并進(jìn)行毀傷計(jì)算，由散布計(jì)算模型和毀傷計(jì)算模型組成。

3.4 軟武器模型[7]

軟武器模型用于模擬艦載電子戰(zhàn)系統(tǒng)實(shí)施有源無源干擾過程，包括艦載有源干擾模型、舷外有源誘餌模型、箔條干擾模型。

艦載有源干擾模型用于模擬艦載有源干擾條件判斷、干擾引導(dǎo)和干擾參數(shù)生成的過程，干擾樣式包括有源壓制式干擾、有源欺騙式干擾。艦載有源干擾功能仿真過程如圖6所示。

圖6 艦載有源干擾功能仿真框圖

舷外有源干擾模型用于模擬舷外有源誘餌干擾條件判斷，布放角、布放距離、發(fā)射功率、發(fā)射時機(jī)等誘餌布設(shè)參數(shù)解算，模擬舷外有源誘餌接收、放大和轉(zhuǎn)發(fā)雷達(dá)導(dǎo)引頭入射信號形成假目標(biāo)的過程，完成對來襲導(dǎo)彈的角度誘偏。舷外有源干擾功能仿真過程如圖7所示。

圖7 舷外有源干擾功能仿真框圖

箔條干擾模型用于模擬干擾樣式選擇、箔條彈發(fā)射時機(jī)、發(fā)射方向等參數(shù)解算，模擬箔條彈從發(fā)射到逐步展開、最終穩(wěn)定滯空的運(yùn)動過程，模擬箔條云團(tuán)散射特性，干擾樣式包括沖淡干擾和質(zhì)心干擾。箔條干擾功能仿真過程如圖8所示。

圖8 箔條干擾功能仿真框圖

3.5 指揮控制模型

指揮控制模型主要模擬艦艇編隊(duì)針對來襲的導(dǎo)彈目標(biāo)，組織編隊(duì)內(nèi)艦載軟硬武器實(shí)施區(qū)域攔截和末端防御的過程，包括編隊(duì)指控模擬和本艦指控模擬。

編隊(duì)指控模型用于模擬編隊(duì)多源目標(biāo)探測信息融合、目標(biāo)威脅等級判斷、目標(biāo)分配等功能。多源目標(biāo)融合模型實(shí)現(xiàn)對編隊(duì)內(nèi)各艦艇雷達(dá)探測信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)融合處理，形成編隊(duì)目標(biāo)信息；目標(biāo)威脅等級判斷模型根據(jù)目標(biāo)類型、距離、速度、高度等信息對來襲的空中目標(biāo)進(jìn)行威脅等級判斷；目標(biāo)分配模型根據(jù)編隊(duì)目標(biāo)威脅排序、中遠(yuǎn)程防空武器資源情況、各艦艇防空責(zé)任扇面等信息，將編隊(duì)區(qū)域防空目標(biāo)分配給各艦艇進(jìn)行攔截。編隊(duì)指控功能仿真過程如圖9所示。

圖9 編隊(duì)指控功能仿真框圖

本艦指控模型用于模擬艦艇信息處理、目標(biāo)威脅評估、目標(biāo)火力分配、綜合干擾決策等功能。艦艇信息處理模型實(shí)現(xiàn)本艦雷達(dá)探測信息與編隊(duì)指控下發(fā)的各類信息的綜合處理，形成本艦?zāi)繕?biāo)信息。目標(biāo)威脅評估模型根據(jù)目標(biāo)到達(dá)時間、目標(biāo)類型、航路捷徑、威脅等級等信息計(jì)算目標(biāo)威脅值，對目標(biāo)進(jìn)行威脅排序。目標(biāo)火力分配模型根據(jù)目標(biāo)航路捷徑、剩余彈量、剩余火力通道數(shù)、目標(biāo)可攔截性、目標(biāo)在發(fā)射區(qū)飛行時間等因素進(jìn)行攔截效能值計(jì)算，完成目標(biāo)火力分配。綜合干擾決策模型根據(jù)目標(biāo)威脅排序，基于干擾預(yù)案庫完成目標(biāo)干擾類型、干擾樣式選擇，并進(jìn)行多目標(biāo)資源分配。本艦指控功能仿真過程如圖10所示。

圖10 本艦指控功能仿真框圖

3.6 通信模型

通信模型主要模擬艦艇平臺間通信的過程，包括模擬通信系統(tǒng)的基本屬性、開關(guān)機(jī)控制、發(fā)送接收信息能力，模擬距離、丟包概率、延遲等對通信的影響。

3.7 來襲目標(biāo)武器模型

來襲目標(biāo)武器模型用于模擬來襲飛機(jī)和巡航導(dǎo)彈、彈道導(dǎo)彈等反艦導(dǎo)彈的工作過程，包括來襲飛機(jī)模型和反艦導(dǎo)彈模型。

來襲飛機(jī)模型用于模擬固定翼飛機(jī)的基本屬性、搭載關(guān)系、平臺機(jī)動等，包括飛機(jī)實(shí)體模型和飛機(jī)機(jī)動模型。飛機(jī)機(jī)動模型主要模擬固定翼飛機(jī)的機(jī)動、空氣動力學(xué)等基本屬性，模擬固定翼飛機(jī)的飛行功能。

反艦導(dǎo)彈模型包括反艦彈彈道模型和導(dǎo)引頭模型。反艦彈彈道模型用于模擬反艦導(dǎo)彈的不同運(yùn)用階段的運(yùn)用特性，能夠接收處理導(dǎo)引頭模型的目標(biāo)信息，計(jì)算飛行彈道。導(dǎo)引頭模型用于模擬反艦導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭的工作過程，包括視場判斷、雷達(dá)方程計(jì)算、檢測概率計(jì)算和目標(biāo)輸出以及抗干擾計(jì)算。

3.8 評估模型

評估模型用于每次軟硬武器對抗過程實(shí)施完成后，計(jì)算毀傷效果和干擾效果，為后續(xù)防御動作的實(shí)施提供依據(jù)，包括攔截效果評估模型和干擾效果評估模型。

4 仿真驗(yàn)證

本文基于設(shè)計(jì)開發(fā)的艦艇編隊(duì)防空反導(dǎo)仿真系統(tǒng)，開展了大量仿真實(shí)驗(yàn)，主要用于武器裝備論證、體系作戰(zhàn)效能評估、裝備作戰(zhàn)運(yùn)用研究等。以某大型艦艇編隊(duì)防空攔截能力邊界分析為例，其為防御方，兵力部署如圖11所示。以2艘大型艦艇為核心，在距核心艦艇40 km范圍內(nèi)環(huán)形部署8艘掩護(hù)艦艇，在威脅軸方向距核心艦艇200 km處部署2艘前哨艦艇；進(jìn)攻方為掠海亞聲速、高空亞聲速反艦彈。進(jìn)攻方從不同方向發(fā)射某種反艦彈若干枚對防御方核心艦艇_1實(shí)施打擊，防御方發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，由編隊(duì)指揮艦進(jìn)行目標(biāo)處理和威脅判斷，組織艦艇進(jìn)行梯次攔截。以進(jìn)攻方向、反艦彈類型、反艦彈數(shù)量為變量，利用仿真系統(tǒng)工具進(jìn)行模型裝配、想定編輯和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)后，開展大樣本仿真，并記錄每次仿真反艦彈突防成功所需的導(dǎo)彈數(shù)量。

圖11 防御方兵力部署

如圖12所示，給出部分仿真結(jié)果，在威脅軸方向(即0°)及偏置30°和60°方向進(jìn)攻，兩種類型反艦彈突防成功均需百枚左右彈量。這說明該艦艇編隊(duì)具有較強(qiáng)的亞聲速導(dǎo)彈攔截能力。通過仿真應(yīng)用案例可以看出，該仿真系統(tǒng)可以有效地支撐開展艦艇編隊(duì)防空反導(dǎo)裝備體系作戰(zhàn)效能評估。

圖12 部分仿真結(jié)果

5 結(jié)束語

本文研究并開發(fā)了一個通用的艦艇編隊(duì)防空反導(dǎo)仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用分層系統(tǒng)架構(gòu)、參數(shù)組件化建模，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)能力以及模型的可重用性、可擴(kuò)展性。通過仿真應(yīng)用，表明該系統(tǒng)能夠滿足面向艦艇編隊(duì)防空反導(dǎo)作戰(zhàn)領(lǐng)域多種類型的應(yīng)用需求，能夠?yàn)殚_展艦艇編隊(duì)防空反導(dǎo)裝備體系研究提供仿真工具和手段。