白金鵬， 李天

沈陽飛機設(shè)計研究所， 沈陽　110035

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面向指標(biāo)論證的戰(zhàn)斗機突防效能評估

白金鵬*， 李天

沈陽飛機設(shè)計研究所， 沈陽110035

摘要:隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭的體系化，戰(zhàn)斗機性能的設(shè)計與優(yōu)化開始結(jié)合具體作戰(zhàn)任務(wù)，從作戰(zhàn)效能的角度來分析.尤其是在概念設(shè)計階段，基于作戰(zhàn)仿真論證戰(zhàn)斗機指標(biāo)對整個設(shè)計過程和全壽命成本都有重要作用。本文提出了應(yīng)用構(gòu)造型仿真進行戰(zhàn)技指標(biāo)論證工作的方法論，并以AnyLogic軟件為平臺搭建了戰(zhàn)斗機突防任務(wù)仿真框架，構(gòu)建了突防戰(zhàn)斗機與防空系統(tǒng)的Agent(智能體)行為模型，并對試驗結(jié)果進行了敏度分析。最后，提出了后續(xù)進一步研究的方向。

關(guān)鍵詞:體系； 仿真； 指標(biāo)論證； 效能； 智能體

戰(zhàn)斗機的指標(biāo)需求論證對與戰(zhàn)斗機研制具有十分重要的意義，隨著未來戰(zhàn)爭體系化、戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜化的發(fā)展，戰(zhàn)斗機戰(zhàn)技指標(biāo)的確定以及指標(biāo)方案的效能評估需要考慮的因素越來越多，不能再以單機能力的對比作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，而是要綜合考慮作戰(zhàn)任務(wù)的效能[1-2]。因此早期參考國外相似機型以及性能對比等指標(biāo)論證與評估方法已經(jīng)不適用于中國現(xiàn)階段先進戰(zhàn)斗機的研制，通過體系作戰(zhàn)仿真實驗?zāi)M未來戰(zhàn)爭中典型作戰(zhàn)任務(wù)，開展作戰(zhàn)效能仿真評估，進行戰(zhàn)技指標(biāo)的分析與權(quán)衡是目前較為有效的手段。

美國在體系仿真方面已經(jīng)開展了幾十年的研究，具備了完善的仿真手段，包括構(gòu)造仿真(Constructive Simulation)工具與人在環(huán)虛擬仿真系統(tǒng)等，并廣泛地應(yīng)用到預(yù)研和型號設(shè)計中。例如，美國在JSF與F-35的研制中進行了大量的體系作戰(zhàn)仿真實驗，保證了JSF與F-35的設(shè)計在殺傷力、生存力、保障性和可承受性之間的平衡[3-4]。其中，構(gòu)造仿真由于其模型簡單、計算速度快，被廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)技指標(biāo)、作戰(zhàn)能力等的定量分析與評估中，進行指標(biāo)方案的設(shè)計與優(yōu)化[5-7]。

未來作戰(zhàn)規(guī)模龐大，體系復(fù)雜，要建立詳細的裝備模型，實現(xiàn)空天地海一體化的真實體系作戰(zhàn)仿真，以目前的技術(shù)手段難以實現(xiàn)。因此，本文考慮針對典型作戰(zhàn)任務(wù)進行仿真，用一個戰(zhàn)斗機突防任務(wù)的案例為引，以點帶面來開展研究，說明戰(zhàn)技指標(biāo)需求論證的仿真研究方法，構(gòu)造仿真在飛機研制中的作用、建模方法、評估流程，以及實驗分析方法[8-9]。

1構(gòu)造仿真在體系仿真中的定位與作用

1.1體系仿真在飛機研制階段中的作用

圖1戰(zhàn)斗機研制周期評估[7]
Fig. 1Evaluation continuum over fighter develop project life cycle[7]

戰(zhàn)斗機的研制與未來戰(zhàn)爭的設(shè)計息息相關(guān)，體系仿真通過對未來戰(zhàn)爭各組成元素的建模與仿真，構(gòu)筑虛擬的戰(zhàn)場環(huán)境，為戰(zhàn)斗機研制的全流程提供支撐[10]。例如在美國的戰(zhàn)斗機研制流程中，從型號的需求分析到設(shè)計開發(fā)，再到試驗與使用過程中，均建立了不同顆粒度與精確度的仿真系統(tǒng)，將重要的建模、仿真和實戰(zhàn)演習(xí)綜合在一起，用于聯(lián)合的飛機設(shè)計、研發(fā)、綜合、測試及開發(fā)，在飛機設(shè)計全流程中對設(shè)計/評估起到了重要的作用[3]。美國的戰(zhàn)斗機研制流程如圖1所示[7]，其仿真體系貫穿整個裝備研制流程，涵蓋三大研究內(nèi)容：需求論證、能力校驗和使用指導(dǎo)，其研究手段由構(gòu)造仿真、人在環(huán)虛擬仿真和實戰(zhàn)演習(xí)3種方式組合而成，隨著研制階段的推進，這3種研究手段的比重也隨之變化。需求論證是基于復(fù)雜作戰(zhàn)的一體化聯(lián)合能力生成過程，一般由美國軍方與工業(yè)部門合作，采用從定性分析到定量分析的流程，主要運用構(gòu)造仿真分析手段完成體系與裝備的能力確認(rèn)與評估。

能力校驗是指對戰(zhàn)斗機作戰(zhàn)能力的校驗，針對各階段的設(shè)計方案與試制產(chǎn)品，綜合考慮復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境、作戰(zhàn)體系、協(xié)同戰(zhàn)術(shù)、后勤保障與經(jīng)濟性，主要運用構(gòu)造仿真或人在環(huán)虛擬仿真手段，開展任務(wù)效能評估、武器系統(tǒng)驗證、經(jīng)濟性評估、保障能力評估等研究。

使用指導(dǎo)運用戰(zhàn)術(shù)仿真與實戰(zhàn)演習(xí)相結(jié)合的方式，采用精細度較高的仿真模型，進行人在環(huán)的虛擬仿真以及實戰(zhàn)演習(xí)，開展作戰(zhàn)使用建議、戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練、戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法、使用問題分析等方面的研究。

1.2構(gòu)造仿真的定位與作用

構(gòu)造仿真是一種利用計算機模擬人類行為和邏輯的仿真方法。相比于傳統(tǒng)計算機虛擬仿真和交互式仿真手段，構(gòu)造仿真的最大特點是在仿真環(huán)境中完全利用計算機模擬人類行為和邏輯，使得仿真可以不受外界影響地進行，可以在短時間內(nèi)重復(fù)進行大量實驗[6-7]。

在戰(zhàn)斗機需求論證過程中，需要根據(jù)預(yù)期的作戰(zhàn)能力需求來確定戰(zhàn)技指標(biāo)的要求，但這種由能力到指標(biāo)的“反推”，隨著作戰(zhàn)體系與作戰(zhàn)任務(wù)的復(fù)雜性，越來越難以實現(xiàn)，無法以解析解的方式給出，而構(gòu)造仿真技術(shù)的出現(xiàn)為體系作戰(zhàn)下的戰(zhàn)技指標(biāo)分析提供了有效的手段，通過建立作戰(zhàn)體系的模型，進行大批量的正向?qū)嶒?，找出逼近作?zhàn)需求的戰(zhàn)技指標(biāo)方案。因此構(gòu)造仿真更多地應(yīng)用于飛機研制初期，在沒有大量詳細分析與實驗數(shù)據(jù)時進行論證與分析，而隨著研制階段的推進，更多更詳細的實驗與測試數(shù)據(jù)產(chǎn)生，更適合采用更高精度的人在環(huán)虛擬仿真開展詳細的分析與驗證工作。

2構(gòu)造仿真的流程與建模方法

2.1構(gòu)造仿真實驗流程

結(jié)合構(gòu)造仿真技術(shù)的特點，根據(jù)戰(zhàn)斗機指標(biāo)論證的需求，構(gòu)造仿真實驗的主要流程如圖2所示，包含實體建模、行為建模、變量分析、評價標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置、實驗設(shè)計與運行、數(shù)據(jù)分析、綜合設(shè)計權(quán)衡7個部分。

圖2構(gòu)造仿真評估流程
Fig. 2Evaluation process of constructive simulation

1) 實體建模：對作戰(zhàn)場景進行簡化與抽象，將戰(zhàn)場環(huán)境、信息通信、作戰(zhàn)實體模型化與參數(shù)化。

2) 行為建模：進行作戰(zhàn)過程與作戰(zhàn)實體行為邏輯的建模，表現(xiàn)為指揮模型與戰(zhàn)術(shù)規(guī)則模型。

3) 變量分析：根據(jù)研究的目標(biāo)選擇在構(gòu)造仿真實驗中關(guān)注的變量。

4) 評價標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置：設(shè)定仿真實驗在每次運行后評估結(jié)果的計算標(biāo)準(zhǔn)。

5) 實驗設(shè)計與運行：根據(jù)數(shù)據(jù)分析需求選擇實驗類型，包括蒙特卡羅實驗、參數(shù)攝動實驗、敏度分析實驗等。根據(jù)實驗?zāi)康倪M行實驗參數(shù)的設(shè)計，包括分式析因設(shè)計、正交設(shè)計、均勻設(shè)計等。生成批量實驗設(shè)定，進行仿真實驗的運行。

6) 數(shù)據(jù)分析：進行批量實驗數(shù)據(jù)的分析，依據(jù)關(guān)注變量與評價標(biāo)準(zhǔn)的不同，數(shù)據(jù)分析的目標(biāo)也不同。

7) 綜合設(shè)計權(quán)衡：對各個數(shù)據(jù)分析的結(jié)果進行權(quán)衡分析，最終得出優(yōu)選方案。

由于作戰(zhàn)實體與過程均進行了模型化與參數(shù)化，構(gòu)造仿真為戰(zhàn)斗機設(shè)計權(quán)衡提供了更廣泛的分析視角，使用同一套模型，通過變化體系仿真中不同變量，就可以實現(xiàn)不同的設(shè)計分析與評估目的，能夠開展以下分析：

1) 變化飛機戰(zhàn)技指標(biāo)，能夠進行戰(zhàn)技指標(biāo)的敏感度分析以及指標(biāo)方案的效能評估。

2) 變化體系中其他成員的能力參數(shù)，能夠?qū)?zhàn)技指標(biāo)方案進行技術(shù)適應(yīng)性的評估。

3) 變化體系作戰(zhàn)中面臨的威脅與使用的戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法，能夠?qū)?zhàn)技指標(biāo)方案進行任務(wù)適應(yīng)性的評估以及開展戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法方案的研究。

4) 最終綜合考慮上述設(shè)計評估內(nèi)容，完成戰(zhàn)斗機戰(zhàn)技指標(biāo)的設(shè)計權(quán)衡。

2.2戰(zhàn)斗機突防的構(gòu)造仿真建模

構(gòu)造仿真的核心就是用以描述作戰(zhàn)實體與作戰(zhàn)過程的各類模型，這些模型不僅要能夠模擬裝備的運動、火力、通信等固有屬性，還要能夠反映裝備的戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法，具備自主決策能力與自主適應(yīng)性，以替代人的指揮控制，反映作戰(zhàn)體系的涌現(xiàn)性，應(yīng)用Agent(智能體)建模方法是一種比較有效的解決辦法。Agent的概念最初來自于分布式人工智能(Distributed Artificial Intelligent，DAI)領(lǐng)域，被廣泛應(yīng)用于體系建模仿真中，Agent是能夠持續(xù)存在且自主發(fā)揮作用，具有自主性、交互性、反應(yīng)性、主動性等特征的實體[11-12]。Agent擁有以下主要特點：

1) 自治性(Autonomy)。智能體是一個獨立的計算實體，它對自身的行為和狀態(tài)擁有一定程度的控制能力。每一個智能體有它自己的任務(wù)邏輯，能夠在非事先規(guī)劃的動態(tài)環(huán)境中解決實際問題，在沒有用戶參與的情況下獨立尋找和獲取資源、服務(wù)等。

2) 社會性(Sociality)。智能體有一定的社會性，它們能夠以自己的方式與其他智能體或環(huán)境發(fā)生交互，這種交互能力體現(xiàn)為相互的依賴和制約。

3) 反應(yīng)性(Reactivity)。智能體能夠?qū)ζ渌幍沫h(huán)境態(tài)勢進行感知，可以對環(huán)境中的相關(guān)事件作出反應(yīng)。

4) 預(yù)動性(Go-aheadism)。智能體的行為目的是為了實現(xiàn)其自身的目標(biāo)，它能按照自己的邏輯采取主動的、面向目標(biāo)的行為。

5) 可通信性(Communicationability)。智能體之間可以進行信息的傳遞、交流。從某種程度上來講，就是智能體之間的對話。它們之間的任務(wù)承接、協(xié)作、協(xié)商都可以通過通信來實現(xiàn)[12]。

總而言之，Agent一般可以被認(rèn)為是為了實現(xiàn)一定的任務(wù)目標(biāo)，能適應(yīng)一定環(huán)境，并可以在此環(huán)境下主動執(zhí)行任務(wù)的行為主體。智能體之間會進行交互和協(xié)作，同時也能與環(huán)境進行互動的行為。它們之間具有通信機制和協(xié)調(diào)機制，能夠根據(jù)事先設(shè)置的規(guī)則邏輯對實際問題中的資源沖突、目標(biāo)沖突等進行協(xié)商和協(xié)調(diào)，從而維護系統(tǒng)整體利益?？梢哉f多智能體系統(tǒng)更加真實地反映了體系的一系列特征，這也是多智能體系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于體系建模和仿真的重要原因[12]。

2.2.1作戰(zhàn)任務(wù)模型

作戰(zhàn)想定是軍事作戰(zhàn)中的一項假設(shè)性的行動方案，是作戰(zhàn)仿真中軍事任務(wù)與仿真技術(shù)溝通的橋梁。本文作戰(zhàn)任務(wù)想定為戰(zhàn)斗機突防攻擊任務(wù)，戰(zhàn)斗機從海上出發(fā)，從不同方向突破敵方由陸基雷達和防空導(dǎo)彈組成的防空網(wǎng)，通過攜帶的航空炸彈攻擊敵方的重要戰(zhàn)略目標(biāo)。

基于Agent理論進行作戰(zhàn)任務(wù)模型構(gòu)建，對作戰(zhàn)流程與敵我雙方武器裝備體系進行分類和抽象，進一步形成體系模型框架[13]。根據(jù)雙方裝備體系分析作戰(zhàn)裝備之間的交互關(guān)系和作戰(zhàn)任務(wù)邏輯建立作戰(zhàn)任務(wù)模型[13]。圖3是地面防空系統(tǒng)突防作戰(zhàn)的任務(wù)框架劃分，對抗雙方分別是進攻方和防御方，進攻方資源包括戰(zhàn)斗機和航空炸彈，防御方資源包括陸基雷達、防空導(dǎo)彈和重要目標(biāo)。

圖3突防任務(wù)模型
Fig. 3Model of penetration mission

進攻方戰(zhàn)機從海上出發(fā)，沿某預(yù)設(shè)的航線飛向目標(biāo)，當(dāng)滿足炸彈的攻擊條件時投放炸彈。防御方的陸基雷達會對空域進行掃描，當(dāng)戰(zhàn)斗機進入其火控雷達探測范圍時鎖定目標(biāo)，發(fā)射并引導(dǎo)防空導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)。

本文的目的是為了驗證方法的可行性，由于建立完備的模型需要大量實際數(shù)據(jù)與較多的裝備性能細節(jié)，為簡化模型，進行如下假設(shè)：

1) 除規(guī)避導(dǎo)彈所做的機動動作外，飛機按自身位置到攻擊目標(biāo)的直線航路進行突防。

2) 僅考慮敵方防空系統(tǒng)的地空導(dǎo)彈攔截，不考慮敵方戰(zhàn)機攔截。

3) 進攻方僅進行隱身突防，不考慮對敵防空系統(tǒng)進行攻擊，穿透防空系統(tǒng)后對地面目標(biāo)完成攻擊，視為突防成功。

4) 防空雷達模型僅考慮雷達散射截面(RCS)與距離的影響，且不考慮電子戰(zhàn)干擾。

5) RCS暫時不考慮全向，認(rèn)為各方位角RCS相同。

6) 由于導(dǎo)彈進入末制導(dǎo)后飛機較難擺脫，不考慮飛機做急劇機動躲避導(dǎo)彈，并且簡化導(dǎo)引頭模型，認(rèn)為導(dǎo)彈進入末制導(dǎo)后能夠持續(xù)鎖定，不發(fā)生脫鎖事件。

2.2.2進攻方模型

根據(jù)上述想定，進攻方建模主要包含戰(zhàn)斗機的感知、戰(zhàn)術(shù)行為、平臺運動模型，以及航空炸彈的投放、軌跡與目標(biāo)毀傷模型。具體如圖4所示，戰(zhàn)斗機對已知的目標(biāo)進行隨機選擇，按照突防策略進行機動動作的選擇，可選的機動動作包括直線突防與用以規(guī)避導(dǎo)彈的盤旋轉(zhuǎn)彎，接近目標(biāo)后進行攻擊條件判斷，投放航空炸彈以毀傷目標(biāo)。

其中突防策略包含兩種，直線突防與導(dǎo)彈規(guī)避。直線突防是指不考慮地空導(dǎo)彈的攔截，按照戰(zhàn)斗機初始位置與目標(biāo)點位置，以直線路徑高速、隱身突破敵方防空系統(tǒng)，直至突防成功或被擊落；導(dǎo)彈規(guī)避是指戰(zhàn)斗機接收到導(dǎo)彈逼近告警后，迅速盤旋轉(zhuǎn)向至導(dǎo)彈速度方向，依靠動能擺脫導(dǎo)彈追擊，擺脫后再向目標(biāo)點直線飛行，再次受到導(dǎo)彈攻擊仍采取該策略，直至突防成功或被地空導(dǎo)彈擊落。

圖4進攻方模型
Fig. 4Attacker models

2.2.3防御方模型

防御方建模主要包含陸基雷達的目標(biāo)掃描、跟蹤與導(dǎo)彈引導(dǎo)模型，以及防空導(dǎo)彈的行為與運動模型[14-15]。具體如圖5所示，陸基雷達首先對空域進行掃描，根據(jù)目標(biāo)RCS、雷達到目標(biāo)的距離、以及雷達的探測性能計算是否探測到目標(biāo)，掃描到目標(biāo)后轉(zhuǎn)入鎖定跟蹤狀態(tài)，具備發(fā)射條件后引導(dǎo)導(dǎo)彈發(fā)射，并為導(dǎo)彈提供中制導(dǎo)信號[16]。防空導(dǎo)彈發(fā)射后按照主動段、中制導(dǎo)段與末制導(dǎo)段3個階段進行仿真。各階段的制導(dǎo)模式不同，主動段為動能加速段，不改變飛行方向，通過火箭發(fā)動機加速到一定速度；中制導(dǎo)段依靠陸基雷達的引導(dǎo)信號，按照導(dǎo)引率向目標(biāo)飛行；末制導(dǎo)段依靠導(dǎo)引頭對目標(biāo)的鎖定信息進行制導(dǎo)。導(dǎo)彈接近目標(biāo)一定范圍內(nèi)視為命中目標(biāo)，進入末制導(dǎo)段前引導(dǎo)信號中斷、導(dǎo)彈動能不足以追擊目標(biāo)、以及飛行過載超過導(dǎo)彈過載限制時視為導(dǎo)彈脫靶[17]。

圖5防御方模型
Fig. 5Defender models

其中導(dǎo)彈的動力學(xué)方程選取三自由度的質(zhì)點方程，以航跡法向過載控制導(dǎo)彈軌跡，切向過載控制導(dǎo)彈動能，其動力學(xué)方程為

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：V為導(dǎo)彈質(zhì)心對地速度；x、y和z為地軸坐標(biāo)系坐標(biāo)；θ為軌跡傾斜角；Ψ為軌跡偏轉(zhuǎn)(航向)角；nx為切向過載；ny和nz為法向過載；g為重力加速度[18-19]。

ny和nz的計算按照比例導(dǎo)引法計算，比例導(dǎo)引法是在自尋的導(dǎo)彈上采用較多的一種導(dǎo)引規(guī)律，它是指在導(dǎo)彈飛向目標(biāo)的過程中，導(dǎo)彈速度方向的變化率與目標(biāo)視線的變化率成比例。

如圖6所示[18],設(shè)某一時刻目標(biāo)位于M點，導(dǎo)彈位于O點，則根據(jù)比例導(dǎo)引率的計算，有

(7)

(8)

(9)

式中：vm為目標(biāo)速度；v為導(dǎo)彈速度；R為導(dǎo)彈和目標(biāo)的相對距離；θm和θ為目標(biāo)和導(dǎo)彈的速度矢量與參考線的夾角；q為目標(biāo)視線角；ηm和η為目標(biāo)和導(dǎo)彈速度矢量與視線的夾角；k為比例導(dǎo)引系數(shù)。

ny的計算方法與nz相同。

圖6比例導(dǎo)引法[18]
Fig. 6Proportional navigation method[18]

3基于AnyLogic的仿真驗證系統(tǒng)實現(xiàn)

基于智能體的建模與仿真工具，目前已有多款軟件和仿真平臺。如AnyLogic、EINSTein、Swarm、Repast、StarLogo、NetLogo等，這些軟件都有其各自的特點。本文使用的仿真軟件是AnyLogic。AnyLogic軟件是一款建立在JAVA語言環(huán)境上開發(fā)的多方法仿真軟件。它利用可視化的語言大大降低了基于智能體模型程序的編寫難度，使用戶可以將主要精力放在模型邏輯的建立上，而不是編程語言的功能實現(xiàn)上。為方便理解，下面對本文中所用到的AnyLogic軟件中的一些概念進行介紹。

AnyLogic環(huán)境中智能體的理念是建立在JAVA類上的，有同JAVA語言中類似的組成部分，如構(gòu)造函數(shù)、成員變量、成員方法。并在此基礎(chǔ)上增加智能體之間、智能體和環(huán)境之間的協(xié)作與約束。在每個智能體中，可以設(shè)置其參數(shù)、變量、函數(shù)、事件等，為用戶實現(xiàn)智能體的邏輯提供了強大的支持。AnyLogic針對智能體的決策流程提供了狀態(tài)圖建模的方法，通過可視化建模方便了對智能體基于時間或事件的行為描述[20]。如圖7所示，主要有以下概念。

1) 狀態(tài)圖進入點(Statechart Entry Point)。用來引向狀態(tài)圖的初始狀態(tài)，對于每張圖，只能有一個進入點(Entry Point)。

2) 狀態(tài)(State)。狀態(tài)是智能體針對一系列具體情況或事件的響應(yīng)。

3) 遷移(Transition)。遷移表示的是智能體從某一狀態(tài)到另一狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程。遷移的發(fā)生有如下條件：

① 超時(Timeout);

② 概率(Rate);

圖7AnyLogic軟件狀態(tài)圖
Fig. 7Statechart of AnyLogic

③ 接收到消息(Message);

④ 布爾條件(Boolean Condition);

⑤ 智能體到達(Agent Arrival)。

4) 結(jié)束狀態(tài)(Final State)。狀態(tài)圖終點。它的出現(xiàn)代表著狀態(tài)圖的結(jié)束。

5) 選擇分支(Branch)。選擇分支表示的是遷移過程的結(jié)點，它可以根據(jù)不同的條件將上一個狀態(tài)引向多個不同的狀態(tài)[20]。

3.1仿真框架搭建

本文在AnyLogic軟件的Air Defence System案例基礎(chǔ)上，通過重用案例中的建?？蚣芘c可視化模型，以及重建各智能體模型，搭建了戰(zhàn)斗機突防任務(wù)仿真的軟件框架，包含戰(zhàn)斗機、航空炸彈、陸基雷達、防空導(dǎo)彈和重要目標(biāo)，仿真模型框架如圖8所示，戰(zhàn)場環(huán)境可視化模型如圖9所示。

圖8突防任務(wù)仿真框架
Fig. 8Simulation frame of penetration mission

圖9戰(zhàn)場環(huán)境模型
Fig. 9Environment model of battle field

3.2進攻方建模

按照2.2.2節(jié)進攻方模型構(gòu)成，在AnyLogic軟件中構(gòu)建戰(zhàn)斗機模型與航空炸彈模型。戰(zhàn)斗機行為模型如圖10所示，包含飛行(Flying)、炸彈投放(Fire)、被擊中(Hit)等行為，在飛行過程中利用感知模型進行目標(biāo)探測與導(dǎo)彈預(yù)警(Sense)，進行直線突防進攻(Attack)與盤旋轉(zhuǎn)彎規(guī)避導(dǎo)彈(Escape)的行為決策。

圖10戰(zhàn)斗機智能體狀態(tài)圖
Fig. 10Statechart of fighter agent

戰(zhàn)斗機運動建模采用AnyLogic中系統(tǒng)動力學(xué)的建模方法，如圖11所示，直線突防時按照自身位置與目標(biāo)位置，以vx和vy的速度向目標(biāo)直線飛行，vx和vy由Attack狀態(tài)計算；盤旋轉(zhuǎn)彎時則根據(jù)Escape狀態(tài)，在Move函數(shù)中實時計算盤旋過載與旋轉(zhuǎn)角速度ω，進而計算偏航角Ψ以及vx和vy，使戰(zhàn)斗機轉(zhuǎn)彎規(guī)避導(dǎo)彈；同時，還進行目標(biāo)距離(Dist)的計算與最佳投彈點(Bombing Distance)的計算。航空炸彈模型為簡單的平拋運動模型，其建模方法與戰(zhàn)斗機建模類似，因篇幅關(guān)系不再贅述。

圖11戰(zhàn)斗機運動模型
Fig. 11Movement model of fighter

3.3防御方建模

按照2.2.3節(jié)防御方模型構(gòu)成，建立了陸基雷達模型與防空導(dǎo)彈模型。陸基雷達模型主要包含目標(biāo)掃描、目標(biāo)跟蹤計算函數(shù)，導(dǎo)彈引導(dǎo)的消息發(fā)送函數(shù)，以及跟蹤信息的存儲鏈表與雷達性能參數(shù)等變量，較為簡單，不在此贅述。防空導(dǎo)彈的行為模型如圖12所示，包含導(dǎo)彈的發(fā)射準(zhǔn)備(Ready)、主動段(Program Step)/中制導(dǎo)段(Middle Step)/末制導(dǎo)段(End Step)3種制導(dǎo)狀態(tài)以及毀傷(Exploded)和脫靶(Missed)的判斷。

防空導(dǎo)彈的運動利用系統(tǒng)動力學(xué)方法建立了質(zhì)點運動方程，如圖13所示。圖中：Target為導(dǎo)彈的攻擊目標(biāo)；xinit、yinit和zinit為導(dǎo)彈位置的初始值；v為導(dǎo)彈飛行速度；θ為俯仰角；dx、dy和dz為導(dǎo)彈到目標(biāo)3個坐標(biāo)的差；TargetDist為導(dǎo)彈到目標(biāo)的距離；RadarDist為地面雷達到目標(biāo)的距離；vCalculate為導(dǎo)彈速度的計算函數(shù)；ThetaCalculate為俯仰角計算函數(shù)；PsiCalculate為方位角計算函數(shù)。

圖12防空導(dǎo)彈智能體狀態(tài)圖
Fig. 12Statechart of missile agent

圖13防空導(dǎo)彈智能體質(zhì)點運動方程
Fig. 13Equation of particle motion of missile agent

4仿真案例與分析

通過上述模型的聯(lián)合運行，開展仿真實驗，研究主要戰(zhàn)技指標(biāo)對突防效能的影響。根據(jù)任務(wù)想定與簡化模型的假設(shè)，突防戰(zhàn)斗機的主要戰(zhàn)技指標(biāo)有突防高度、速度與隱身指標(biāo)，效能指標(biāo)主要為突防的成功率。突防高度與速度具有較為復(fù)雜的耦合關(guān)系，為簡化研究，實驗的突防高度選取了常用的某固定值，選取了突防速度和隱身指標(biāo)作為可變參數(shù)，以平均分布進行實驗設(shè)計，速度指標(biāo)由300 m/s變化到560 m/s，參數(shù)變化步長為10 m/s，共27個水平；隱身指標(biāo)從0.50 m2變化到0.05 m2，共10個水平；設(shè)置兩種突防策略，直線突防與導(dǎo)彈規(guī)避路線。進行覆蓋性的實驗，共計540次實驗，如表1所示。每次實驗進行100架次突防，突防起始點與攻擊目標(biāo)隨機生成，實驗后統(tǒng)計突防的成功率，針對實驗結(jié)果開展指標(biāo)敏感度的分析。

圖14為直線突防時在各隱身指標(biāo)下突防成功率隨速度指標(biāo)變化的曲線，飛行速度與隱身指標(biāo)的變化均對突防成功率有較大的影響。隨著飛行速度的增加，隱身指標(biāo)變化對突防成功率的影響越來越小。該實驗結(jié)果與實際情況相符，在直線突防時，能否突防成功主要取決于防空系統(tǒng)的預(yù)警時間是否小于導(dǎo)彈發(fā)射的反應(yīng)時間。在突防速度為定值時，防空系統(tǒng)預(yù)警時間的變化主要是由于RCS不同導(dǎo)致的預(yù)警距離不同，隨著速度的增大，預(yù)警距離的差距帶來的預(yù)警時間影響越來越小，因此在速度較高時，隱身指標(biāo)變化帶來的影響較小。

表1　實驗設(shè)計

圖14直線突防成功率敏度分析
Fig. 14Sensitive analysis of straight line penetration
success rate

如果取成功率90%為約束條件，可選取的設(shè)計點如表2所示，假設(shè)隱身指標(biāo)從0.50 m2變化至0.05 m2的技術(shù)難度與費用的綜合代價指數(shù)為0～1，速度指標(biāo)從300 m/s到560 m/s的技術(shù)難度與費用的綜合代價指數(shù)也為0～1，綜合代價計算各取權(quán)值為1，相加各指標(biāo)的代價指數(shù)，可得到如表2所示的綜合代價計算結(jié)果。

在速度大于445 m/s以后，相對于平均分布的隱身指標(biāo)增長，速度指標(biāo)的增長幅度較小，因此大速度、低隱身指標(biāo)的方案代價更小，方案更優(yōu)。

改變突防策略為導(dǎo)彈規(guī)避方式后，實驗數(shù)據(jù)曲線如圖15所示，與直線突防的實驗結(jié)果對比可以看出，在同樣的突防成功率下，所需的隱身指標(biāo)與速度指標(biāo)更低，戰(zhàn)術(shù)的變化對任務(wù)效能的影響較為明顯。另外，在高速的曲線段隱身指標(biāo)的影響較直線突防更小，速度指標(biāo)的變化占主導(dǎo)位置?？梢娛褂脴?gòu)造仿真方法通過指標(biāo)、戰(zhàn)術(shù)方案等因素的變化，進行需求論證與方案的優(yōu)選具有良好的效果。

表2　任務(wù)成功率為90%的數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖15規(guī)避導(dǎo)彈方式任務(wù)成功率敏度分析
Fig. 15Sensitive analysis of success rate in mission of
evading missile

5結(jié)束語

所提出的構(gòu)造仿真實驗流程以及作戰(zhàn)實體的Agent建模方法能夠體現(xiàn)戰(zhàn)技指標(biāo)、戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法的變化對作戰(zhàn)結(jié)果的影響，通過對任務(wù)效能的評估，能夠為戰(zhàn)技指標(biāo)的權(quán)衡與優(yōu)化提供有效手段。通過戰(zhàn)斗機突防案例的實驗與分析，證明了構(gòu)造仿真方法在戰(zhàn)斗機指標(biāo)需求論證中可以起到明顯的作用。

后續(xù)將健全戰(zhàn)技指標(biāo)體系與效能指標(biāo)體系，系統(tǒng)化地開展基于典型作戰(zhàn)場景的作戰(zhàn)任務(wù)研究，并進一步考慮技術(shù)與任務(wù)的不確定性對效能的影響，以及開展更為合理的實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析方法研究。

參考文獻

[1]黃炎焱. 武器裝備作戰(zhàn)效能穩(wěn)健評估方法及其支撐技術(shù)研究[D]. 長沙: 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2006: 1-2.

HUANG Y Y. Research on the robust evaluation method of operational effectiveness of weapon equipments and its supporting techniques[D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2006: 1-2 (in Chinese).

[2]姚宗信. 基于多智能體的無人作戰(zhàn)平臺多機協(xié)同對抗多目標(biāo)任務(wù)決策方法[J]. 航空科學(xué)技術(shù), 2008(3): 20-24.

YAO Z X. Mission decision method of multi-aircraft cooperative attack muti-object in UCAV based on muti-agent[J]. Aeronautical Science and Technology, 2008(3): 20-24 (in Chinese).

[3]張寶珍. 仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)在JFS研制中的應(yīng)用[C]//圖像 仿真 信息技術(shù)——第二屆聯(lián)合學(xué)術(shù)會議論文集. 北京: 中國體視學(xué)學(xué)會, 2002: 113-117.

ZHANG B Z. The simulation and virtual reality technology in the application of JFS developed[C]//Image Simulation Information Technology—The Second Joint Conference Proceedings. Beijing: Chinese Stereology Society, 2002: 113-117 (in Chinese).

[4]段紅, 黃柯棣. 基于仿真的采辦體系結(jié)構(gòu)[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報, 2001, 13(2): 247-250.

DUAN H, HUANG K D. Simulation-based acquisition architecture[J]. Journal of System Simulation, 2001, 13(2): 247-250 (in Chinese).

[5]胡艮勝, 劉建平, 胡睿. 面向智能化推演仿真的敵軍兵力分群研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報, 2013, 25(S1): 125-128.

HU G S, LIU J P, HU R. Research on enemy troops clustering objected to intelligent constructive simulation[J]. Journal of System Simulation, 2013, 25(S1): 125-128 (in Chinese).

[6]REILLY S N, NIEHAUS J, WEYHRAUCH P. Modeling ground soldier situational awareness for constructive simulation with rules[C]//Simulation Conference (WSC), Proceedings of the 2010 Winter. Piscataway, NJ: IEEE Press, 2010: 1431-1443.

[7]BILTGEN P T. A methodology for capability-based technology evaluation for systems-of-systems[D]. Savannah, GA: Georgia Institute of Technology, 2007: 19-20, 35-37, 335-336.

[8]劉金星, 佟明安. 空空協(xié)同作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)[J]. 火力與指揮控制, 2001(4): 43-46.

LIU J X, TONG M A. Cooperative command system in air combat[J]. Fire Control & Command Control, 2001(4): 43-46 (in Chinese).

[9]張克, 劉永才, 關(guān)世義. 體系作戰(zhàn)條件下飛航導(dǎo)彈突防與協(xié)同攻擊問題研究[J]. 戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù), 2005(2): 1-7.

ZHANG K, LIU Y C, GUAN S Y. An investigation into the issues of penetration and cooperative engagement for aerodynamic missile under the condition of systems countermeasures[J]. Tactical Missile Technology, 2005(2): 1-7 (in Chinese).

[10]梁炳成, 王恒霖, 鄭燕紅. 軍用仿真技術(shù)的發(fā)展動向和展望[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報, 2001, 13(1): 18-21.

LIANG B C, WANG H L, ZHENG Y H. Military simulation technology development trend and prospects[J]. Journal of System Simulation, 2001, 13(1): 18-21 (in Chinese).

[11]李群, 趙彥博, 黃建新, 等. 基于ABMS的CEC體系效能仿真分析[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報, 2013, 25(7): 1429-1434.

LI Q, ZHAO Y B, HUANG J X, et al. CEC SoS effectiveness simulation analysis based on ABMS[J]. Journal of System Simulation, 2013, 25(7): 1429-1434 (in Chinese).

[12]李雄. 基于Agent的作戰(zhàn)建模[M]. 北京： 國防工業(yè)出版社, 2013: 14-15.

LI X. Combat modeling based on agent theory[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 2013: 14-15 (in Chinese).

[13]姚宗信, 李明, 陳宗基. 多機協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)決策方法多智能體結(jié)構(gòu)框架[J]. 電光與控制, 2008(3): 1-4.

YAO Z X, LI M, CHEN Z J. Multi-agent framework of mission decision-making method for multi-aircraft cooperative combat[J]. Electronics Optics & Control, 2008(3): 1-4 (in Chinese).

[14]楊紅梅, 張建強, 耿伯英, 等. 基于Agent的海上編隊防空作戰(zhàn)系統(tǒng)建模方法研究[J]. 艦船電子工程, 2011, 31(2): 1-3.

YANG H M, ZHANG J Q, GENG B Y, et al. An agent-based the marine formation antiair operation system modeling method[J]. Ship Electronic Engineering, 2011, 31(2): 1-3 (in Chinese).

[15]季偉偉. 自行防空系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)建模與仿真方法研究[D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2012: 15-19.

JI W W. Self-propelled air defense systems to operate with the modeling and simulation method research[D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology, 2012: 15-19 (in Chinese).

[16]王磊. 雷達系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化建模與仿真關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 成都: 電子科技大學(xué), 2013: 58-61.

WANG L. The research on radar system standardization modeling and simulation technology[D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China, 2013: 58-61 (in Chinese).

[17]李英杰, 賈燕軍, 李相民. 近程防空導(dǎo)彈攔截巡航導(dǎo)彈的建模與仿真[J]. 兵工自動化, 2010, 12(12): 38-41.

LI Y L, JIA Y J, LI X M. Research on modeling and simulation of short range anti-aircraft missile interception for cruise missile[J]. Ordnance Industry Automation, 2010, 12(12): 38-41 (in Chinese).

[18]張中南, 童幼堂, 張衛(wèi)峰. 比例導(dǎo)引法導(dǎo)引彈道仿真研究[J]. 戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù), 2005(2): 56-59.

ZHANG Z N, TONG Y T, ZHANG W F. Research on the proportional guidance trajectory simulation[J]. Tactical Missile Technology, 2005(2): 56-59 (in Chinese).

[19]馬其東, 王磊, 金釗. 比例導(dǎo)引法三維彈道仿真分析[J]. 戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù), 2008(3): 93-96.

MA Q D, WANG L, JIN Z. Simulation and analysis of three-dimensional trajectory on proportional guidance method[J]. Tactical Missile Technology, 2008(3): 93-96 (in Chinese).

[20]BORSHCHEV A. The big book of simulation modeling[M]. La Vergne, TV: Lightning Source Inc., 2014: 287-306.

白金鵬男， 博士， 工程師。主要研究方向： 體系仿真、效能評估。

Tel: 024-26784133

E-mail: 16996634@163.com

李天男， 中國科學(xué)院院士， 博士生導(dǎo)師。主要研究方向： 飛機氣動設(shè)計和隱身技術(shù)。

Received： 2015-11-04; Revised: 2015-11-16; Accepted: 2015-11-26; Published online: 2015-12-04 14:04

URL： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151204.1404.020.html

Evaluation of penetration mission effectiveness oriented to fighterperformance parameter analysis

BAI Jinpeng*, LI Tian

Shenyang Aircraft Design & Research Institute, Shenyang110035, China

Abstract:With the application of system of systems concept in complex modern warfare, fighter performance should be designed and optimized from the perspective of combat effectiveness based on specific operations. Especially in the conceptual design phase, the performance parameter exploration based on combat simulation has a significant effect on design process and life-cycle cost. A methodology to explore the performance parameters based on constructive simulations is proposed in this study. Meanwhile, the architecture of a fighter penetration mission case is built based on AnyLogic software. The agent behavior models of fighters and air defense systems are established and the sensitive analyses of experimental results are carried out. Finally, the direction of further research is put forward in this paper.

Key words:system of systems; simulation; performance parameter analysis; effectiveness; agents

*Corresponding author. Tel.： 024-26784133E-mail: 16996634@163.com

作者簡介：

中圖分類號：V221.91

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-6893(2016)01-0122-11

DOI：10.7527/S1000-6893.2015.0323

*通訊作者.Tel.： 024-26784133E-mail: 16996634@163.com

收稿日期：2015-11-04; 退修日期: 2015-11-16; 錄用日期: 2015-11-26; 網(wǎng)絡(luò)出版時間: 2015-12-04 14:04

網(wǎng)絡(luò)出版地址： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151204.1404.020.html

引用格式： 白金鵬， 李天． 面向指標(biāo)論證的戰(zhàn)斗機突防效能評估[J]． 航空學(xué)報, 2016, 37(1): 122-132. BAI J P, LI T. Evaluation of penetration mission effectiveness oriented to fighter performance parameter analysis[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(1): 122-132.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn