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        反艦導(dǎo)彈突防及毀傷能力仿真研究*

        2017-05-13 02:16:44宋海凌馬溢清鮑永亮
        現(xiàn)代防御技術(shù) 2017年2期
        關(guān)鍵詞:反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭艦船

        宋海凌,馬溢清,鮑永亮

        (海軍裝備研究院, 北京 100161)

        反艦導(dǎo)彈突防及毀傷能力仿真研究*

        宋海凌,馬溢清,鮑永亮

        (海軍裝備研究院, 北京 100161)

        反艦導(dǎo)彈突防及毀傷能力研究是作戰(zhàn)方案制定、方案優(yōu)選、武器系統(tǒng)論證的重要基礎(chǔ)。本研究基于多層次仿真、實驗與評估技術(shù),實現(xiàn)了反艦導(dǎo)彈突防及毀傷能力的定量評估,并在多項重大課題研究和活動中得以應(yīng)用。

        反艦導(dǎo)彈;突防;毀傷;效能;攻防對抗;仿真

        0 引言

        戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能評估是武器系統(tǒng)論證、作戰(zhàn)使用研究、作戰(zhàn)方案評估和優(yōu)化、演習(xí)訓(xùn)練等研究的重要環(huán)節(jié)[1-2]。

        反艦導(dǎo)彈,作為對海攻擊的主戰(zhàn)武器,是實現(xiàn)聯(lián)合火力打擊的主要火力之一。研究反艦導(dǎo)彈武器的突防及毀傷能力,為部隊提供先進、實用的反艦導(dǎo)彈突防及毀傷能力計算方法非常急需。

        本研究根據(jù)部隊實際作戰(zhàn)需求,采取攻防對抗仿真與推演的方法,研究在復(fù)雜電磁對抗環(huán)境下反艦導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能,建立一套規(guī)范的反艦導(dǎo)彈突防及毀傷能力定量計算方法,構(gòu)建軟硬結(jié)合的反艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)使用輔助決策支持系統(tǒng),為未來高技術(shù)條件下局部戰(zhàn)爭的戰(zhàn)役籌劃、作戰(zhàn)方案制定和裝備準備提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐,解決復(fù)雜電磁環(huán)境下“作戰(zhàn)方案制定不科學(xué)、作戰(zhàn)訓(xùn)練缺乏針對性、導(dǎo)彈需求測算不準確”的瓶頸問題。

        1 主要研究內(nèi)容

        1.1 反艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)使用及效能評估研究頂層設(shè)計

        依據(jù)復(fù)雜電磁環(huán)境下反艦導(dǎo)彈突防及毀傷能力計算的需求,在已有研究基礎(chǔ)上,界定課題研究的內(nèi)涵和外延,對課題進行頂層設(shè)計,確定總體思路、各分課題研究內(nèi)容、進度要求等。

        1.2 復(fù)雜電磁環(huán)境下作戰(zhàn)使用需求研究

        主要研究復(fù)雜電磁環(huán)境下敵我雙方的作戰(zhàn)想定,包括敵我雙方的典型作戰(zhàn)樣式、參戰(zhàn)兵力規(guī)模和組成、編隊隊形、作戰(zhàn)區(qū)域等內(nèi)容,為攻防對抗仿真提供合理的戰(zhàn)場態(tài)勢輸入。

        1.3 復(fù)雜電磁環(huán)境下主要作戰(zhàn)對象研究

        主要研究復(fù)雜電磁環(huán)境下典型作戰(zhàn)對象預(yù)警和探測、電子戰(zhàn)、防空反導(dǎo)兵力、裝備的戰(zhàn)術(shù)運用和作戰(zhàn)能力,研究主要作戰(zhàn)對象的指揮控制原則、作戰(zhàn)過程的信息流程,分析作戰(zhàn)對象的目標特性,建立其決策指揮、防空導(dǎo)彈、電子戰(zhàn)、末端反導(dǎo)以及反艦導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部命中艦船造成的毀傷程度等仿真模型[3]。

        1.4 反艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)使用研究

        根據(jù)海上作戰(zhàn)的特點,分析反艦導(dǎo)彈的作戰(zhàn)使用原則、作戰(zhàn)樣式、攻擊方法和作戰(zhàn)流程,包括:目標指示、導(dǎo)彈攻擊決策、航路規(guī)劃、武控解算等。

        1.5 反艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)能力模型研究

        主要研究反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭抗干擾能力、彈道控制能力、系統(tǒng)精度和毀傷能力,建立單艦和編隊條件下反艦導(dǎo)彈突防及毀傷能力計算模型。包括復(fù)雜電磁環(huán)境下目標指示系統(tǒng)模型、導(dǎo)彈航路規(guī)劃模型、武控結(jié)算模型、導(dǎo)彈彈道模型、自控終點散布計算模型、導(dǎo)引頭抗干擾模型、干擾下的目標選擇和識別模型、導(dǎo)彈命中目標計算模型等[4-6]。

        1.6 典型目標電磁特性研究

        主要研究作戰(zhàn)對象艦船目標的電磁特性,電磁特性直接影響導(dǎo)引頭目標選擇、識別和對目標命中點的計算。電磁特性包括目標的電磁散射特性、角閃爍誤差特性。

        1.7 仿真支撐環(huán)境及輔助工具研究[1]

        根據(jù)仿真應(yīng)用系統(tǒng)需求,研究仿真支撐系統(tǒng)的總體方案,確定仿真支撐系統(tǒng)的構(gòu)成、各分系統(tǒng)的功能以及仿真工具的開發(fā)要求等。仿真支撐系統(tǒng)應(yīng)具有開放性、標準化、可重用、便于系統(tǒng)互聯(lián)等特點,還可提供想定制定、組件化建模、數(shù)據(jù)記錄與分析、仿真推演、人在回路等功能,為仿真應(yīng)用系統(tǒng)提供了一個實驗設(shè)計、模型開發(fā)、仿真運行與監(jiān)控的綜合支撐環(huán)境。

        1.8 反艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)能力計算系統(tǒng)研制[7-8]

        根據(jù)建立的模型,開發(fā)仿真應(yīng)用系統(tǒng),進行模型編制、仿真系統(tǒng)集成等,采用多種方法進行模型、數(shù)據(jù)及軟件開展驗證;設(shè)定不同的極限條件和邊界情況,對仿真運行結(jié)果進行校核,對仿真軟件的正確性進行確認等;計算不同條件下的反艦導(dǎo)彈的作戰(zhàn)能力,進行數(shù)據(jù)分析,最終形成反艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)能力計算系統(tǒng),實現(xiàn)對反艦導(dǎo)彈的作戰(zhàn)效能的評估。

        反艦導(dǎo)彈攻防對抗模型體系結(jié)構(gòu)見圖1所示。

        2 系統(tǒng)開發(fā)過程及關(guān)鍵技術(shù)

        2.1 系統(tǒng)開發(fā)過程

        (1) 總體技術(shù)研究:對課題研究進行頂層策劃,確定課題體系研究內(nèi)容、計劃和任務(wù)分工。研究反艦導(dǎo)彈對海攻擊作戰(zhàn)使用需求,分析影響我反艦導(dǎo)彈突防概率的主要因素,研究反艦導(dǎo)彈攻擊戰(zhàn)術(shù)和對抗態(tài)勢。根據(jù)作戰(zhàn)需求,研究攻防作戰(zhàn)過程概念模型,對系統(tǒng)進行分解,確定接口和模型設(shè)計要求。確定全過程系統(tǒng)開發(fā)的驗證要求。確定突防及毀傷能力計算平臺的設(shè)計要求。

        (2) 詳細研究對抗雙方反艦導(dǎo)彈、艦載防空反導(dǎo)軟硬武器的主要性能、作戰(zhàn)使用策略、流程;研究我反艦導(dǎo)彈抗干擾機理及敵方干擾樣式;在上述研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭抗干擾外場試驗和有關(guān)半實物仿真結(jié)果,建立敵我雙方的仿真模型[9]。

        (3) 根據(jù)作戰(zhàn)需求研究并提出仿真想定,在適當?shù)姆抡嫫脚_上,綜合集成雙方對抗態(tài)勢,采取計算分析的方法,對不同情況下的反艦導(dǎo)彈突防概率進行仿真計算;之后,對仿真結(jié)果進行統(tǒng)計分析,確定各主要影響因素對反艦導(dǎo)彈突防概率的影響及各因素之間的相互關(guān)系,同時開展不同反艦導(dǎo)彈對目標毀傷的評估研究[10-11]。

        (4) 系統(tǒng)開發(fā)過程中,同步開展驗證工作??傮w設(shè)計階段開展驗證方法研究,并在不同的階段對模型、數(shù)據(jù)、部分成果進行實驗室驗證,同時,結(jié)合實彈演習(xí),對相關(guān)計算結(jié)果進行驗證[12]。

        研究開發(fā)步驟如圖2所示。

        2.2 關(guān)鍵技術(shù)

        (1) 模型可信度研究[12-13]

        仿真結(jié)果是否與真實世界相符,模型效核與驗證起到非常重要的作用。本研究主要從以下幾個方面把握模型可信度。

        圖2 系統(tǒng)開發(fā)步驟Fig.2 System development steps for simulation system

        一是在頂層設(shè)計階段對課題研究中的相關(guān)驗證問題進行整體籌劃。 在需求研究階段,確定作戰(zhàn)背景,邊界條件,提出對外場驗證和實驗室驗證要求,成立由專家組,對各階段性的研究成果,例如,開題、模型評審、數(shù)據(jù)分析、課題驗收等進行把關(guān)。

        二是開展概念模型研究項目相關(guān)模型的研究范圍、功能和接口信息要求,確定仿真中模型的假設(shè)和限制、實體和過程、算法和數(shù)據(jù)等。

        三是聯(lián)合相關(guān)領(lǐng)域?qū)<议_展建模仿真研究工作。

        四是采取多層次建模、內(nèi)外場試驗結(jié)合、多種手段仿真、情報信息分選等開展模型校核與驗證,提高模型可信度。對關(guān)鍵模型或組件,建立了兩級仿真模型,工程級仿真模型和交戰(zhàn)級對抗仿真模型。

        五是采取多種模型驗證方法,對仿真模型、數(shù)據(jù)進行驗證。每個子模塊的驗證。對邏輯關(guān)系的分析,定性和定量分析等方法

        六是充分使用和借鑒各種實彈射擊數(shù)據(jù),對模型、作戰(zhàn)過程、數(shù)據(jù)等進行驗證。

        (2) 反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭抗干擾研究建模

        反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭仿真模型構(gòu)建是本研究的重點。該模型的構(gòu)建主要存在以下難點:一是導(dǎo)引頭仿真建模本身的難度很大,要想真實反映導(dǎo)引頭在不同干擾環(huán)境下的作戰(zhàn)過程和信號輸出,一般需開展半實物和外場試驗,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建仿真模型;二是導(dǎo)引頭類型多,各導(dǎo)引頭工作及抗干擾算法均不一樣,建模范圍和內(nèi)容繁多; 三是導(dǎo)引頭抗干擾能力與作戰(zhàn)對象偵查能力、干擾戰(zhàn)術(shù)、干擾時機等密切相關(guān)[12],也與當時作戰(zhàn)背景和環(huán)境相關(guān),因此,導(dǎo)引頭建模與干擾模型互相約束;四是導(dǎo)引頭抗干擾處理時需要多種干擾輸出信息。例如,箔條干擾云團不僅需要RCS,還需要其極化特征參數(shù)、幅度參數(shù)等,對干擾建模要求高[6,13]。

        為解決上述問題,項目采取以下措施。

        一是多層次建模/仿真/數(shù)據(jù)分析。開展了多個層次的仿真與建模,半實物仿真、導(dǎo)引頭數(shù)字仿真和系統(tǒng)對抗仿真。不同層次的仿真解決不同問題,且互為驗證,如圖3所示。

        二是開展多型導(dǎo)引頭的數(shù)據(jù)分析、建模和驗?zāi)9ぷ鳌闃?gòu)建導(dǎo)引頭抗干擾模型,對多年來反艦導(dǎo)彈多次演習(xí)或試驗的導(dǎo)引頭抗干擾數(shù)據(jù)等進行分析,結(jié)合半實物仿真、信號級仿真等,建立反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭多實例對抗仿真模型[14-15]。

        三是通過情報數(shù)據(jù)的分析,對作戰(zhàn)對手可能實施的干擾樣式進行研究,聯(lián)合干擾與被干擾方,提出導(dǎo)引頭建模要求,使模型構(gòu)建切合仿真需求。

        四是根據(jù)型號試驗和信號級仿真數(shù)據(jù)不斷地對導(dǎo)引頭模型進行更新、完善。

        (3) 反艦導(dǎo)彈命中點及艦船毀傷模型

        對雷達導(dǎo)引頭而言,反艦導(dǎo)彈對艦船目標的命中點計算一是艦船目標近場的雷達電磁反射特性及角閃爍誤差等特性對導(dǎo)引頭跟蹤的影響,二是導(dǎo)引頭與艦船目標的交會點計算。

        反艦導(dǎo)彈對艦船目標的毀傷需要確定的,一是如何根據(jù)反艦導(dǎo)彈命中點計算戰(zhàn)斗部爆炸點,二是戰(zhàn)斗部爆炸對艦船毀傷的建模。

        圖3 導(dǎo)引頭多層次仿真示意圖Fig.3 Schematic diagram of multi level simulation of seeker

        為解決反艦導(dǎo)彈對目標的命中點,本研究建立了典型艦艇的三維模型,采用相位梯度法計算目標不同方位、不同俯仰角下的角閃爍誤差和近場雷達散射面積,二是把目標特性計算結(jié)果送導(dǎo)引頭處理回路,依據(jù)導(dǎo)引頭和導(dǎo)彈濾波算法、信息處理流程,計算得出反艦導(dǎo)彈對目標的瞄準點,最終給出反艦導(dǎo)彈對艦船目標的命中點。

        艦船毀傷模型的構(gòu)建也采取了兩級建模的方法。

        在工程級仿真系統(tǒng)中,首先,構(gòu)建了艦船結(jié)果模型,包括艙室布置、材料、厚度等,然后,采用數(shù)值模擬仿真方法,計算戰(zhàn)斗部在艙室內(nèi)部爆炸過程,包括戰(zhàn)斗部爆炸效應(yīng)參數(shù)、毀傷半徑。根據(jù)艙室結(jié)構(gòu)、艦載設(shè)施、資源毀傷判據(jù),確定毀傷的艙室和毀傷的艦載設(shè)施、資源等。在該仿真計算系統(tǒng)中,對每一艘典型艦艇,設(shè)置了幾十個典型爆炸點。

        在對抗仿真系統(tǒng)中,首先根據(jù)導(dǎo)引頭給出的目標跟蹤參數(shù),計算得出反艦導(dǎo)彈不同彈道下的命中點,計算導(dǎo)彈穿甲后的剩余速度和引信延遲時間,得到戰(zhàn)斗部爆炸的炸點位置,計算艦船關(guān)鍵部件受到的沖擊波超壓,然后,采用查表映射方法獲取最近仿真炸點的爆炸毀傷效果,經(jīng)插值后,得到爆炸點沖擊波和威力半徑等數(shù)據(jù),再計算得到相關(guān)艦載設(shè)備、儀器、結(jié)構(gòu)的毀傷情況,計算相關(guān)分系統(tǒng)以及艦船的毀傷程度,給出艦艇的剩余戰(zhàn)斗力。

        此外,藍方指揮控制模型、電子戰(zhàn)模型、快速統(tǒng)計計算等也是課題研究的難點,通過類比法、參數(shù)化模型設(shè)計、情報數(shù)據(jù)分析、并行計算等方法,解決相關(guān)問題。

        3 系統(tǒng)體系框架和運行模式

        3.1 仿真體系框架

        反艦導(dǎo)彈突防及毀傷能力仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。仿真支撐系統(tǒng)包括底層的仿真引擎、各類相關(guān)工具。仿真的基礎(chǔ)資源是用戶按照仿真環(huán)境要求開發(fā)的各類模型和數(shù)據(jù),存放于組件庫和參數(shù)數(shù)據(jù)庫中,最上層是仿真應(yīng)用系統(tǒng)。

        圖4 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of simulation system

        3.2 仿真系統(tǒng)運行方式

        仿真運行環(huán)境可實現(xiàn)集中/并行/分布式等多種方式。在集中運算方式下,所有組件在單機運行,組件之間的狀態(tài)和事件端口通過本機底層串行仿真支撐引擎完成;在并行運行方式下,將多個組件的實例分組并配置到不同的進程中,同時,配置相應(yīng)的并行引擎管理模塊形成邏輯進程,多個邏輯進程配置在不同的處理器上并通過MPI(message passing interface)并行程序設(shè)計實現(xiàn)并行通信;在分布式仿真模式下,將不同的組件通過HLA(high level architecture)進行封裝,配置在不同的計算機上,通過RTI實現(xiàn)分布式運行。第1種和第2種運行方式是反艦導(dǎo)彈突防及毀傷能力計算的主要運行模式,進行不同試驗方案的作戰(zhàn)能力分析與評估,第3種運行模式用于作戰(zhàn)方案的模擬推演,可加入可視化相關(guān)內(nèi)容。

        4 結(jié)束語

        反艦導(dǎo)彈突防水面艦艇仿真系統(tǒng)的研制是在大量的建模、驗?zāi)?、仿真、計算與分析的基礎(chǔ)上開展的。該系統(tǒng)實現(xiàn)了不同戰(zhàn)術(shù)想定下反艦導(dǎo)彈對水面艦艇的突防及毀傷能力的定量評估,方法合理,結(jié)果可信,已在多項研究和任務(wù)中得以應(yīng)用,取得了重大的軍事和經(jīng)濟效益,得到了各級指揮機關(guān)和任務(wù)部隊的一致好評。

        戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈作戰(zhàn)能力評估是一項復(fù)雜工程,研究內(nèi)容多、難點多,需要長時間、持續(xù)不斷的努力工作。后續(xù),項目組將繼續(xù)堅持貼近實戰(zhàn)仿真的要求,進一步加強對抗仿真評估方法研究,長期、深入的開展模型研究、仿真試驗、數(shù)據(jù)分析及模型完善等工作,力求逼真模擬復(fù)雜電磁環(huán)境下戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈攻防對抗作戰(zhàn)過程。

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        [15] 張殿宗,陳行勇.反艦導(dǎo)彈突防中針對ESM的反偵察技術(shù)研究[J].航天電子對抗,2010,26(6): 9-10. ZHANG Dian-zong, CHEN Hang-yong. Research on Anti-Reconnaissance Technology for ESM in Penetration of Antiship Missile[J]. Journal of Aerospace Electronic Warfare,2010,26(6):9-10.

        Simulation of Antiship Missile Penetration and Damage Capability

        SONG Hai-ling, MA Yi-qing, BAO Yong-liang

        (Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China)

        The research of antiship missile penetration and damage ability is an important basis for operational planning, scheme optimization and weapon system demonstration. Based on the multi-level simulation, experiment and evaluation technology, the quantitative evaluation of the penetration and damage capability are realized of antiship missile, and the result has been used in various research projects and combat training programs.

        antiship missile; penetration; damage; combat ability; attack and defense; simulation

        2016-02-16;

        2016-07-25 作者簡介:宋海凌(1964-),女,河南開封人。高工,碩士,主要從事系統(tǒng)論證和效能評估研究。

        10.3969/j.issn.1009-086x.2017.02.030

        TJ761.1+4;TP391.9

        A

        1009-086X(2017)-02-0189-07

        通信地址:100161 北京市蓮花池西路九號興海大廈1221號 E-mail:songhailing@sina.com

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