王 泉，董維浩，劉新愛，何永鵬，程 洋

(中國人民解放軍95972部隊(duì),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(dǎo)彈面臨著日益復(fù)雜的作戰(zhàn)環(huán)境，導(dǎo)彈的抗干擾能力成為其能否達(dá)成作戰(zhàn)意圖的關(guān)鍵性因素。紅外空空導(dǎo)彈抗干擾問題在20世紀(jì)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(shí)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(shí)際的紅外空空導(dǎo)彈抗干擾能力評估方法。本文在分析紅外空空導(dǎo)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(yàn)現(xiàn)狀、試驗(yàn)條件設(shè)計(jì)與結(jié)果評估、今后發(fā)展的方向等方面進(jìn)行了研究探討。

1 紅外對抗環(huán)境

當(dāng)今信息化戰(zhàn)爭中，紅外空空導(dǎo)彈的作戰(zhàn)目標(biāo)除了原有的飛行器外，還包括隱身飛機(jī)，復(fù)雜天空云層背景下弱小目標(biāo)，超低空飛行(距地面高度在100 m以下)的巡航導(dǎo)彈、無人機(jī)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(fù)雜的天空/地面背景。這就對空空導(dǎo)彈的紅外導(dǎo)引頭在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下的自動(dòng)目標(biāo)識別能力提出了更高的要求。

與此同時(shí)，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(jī)的運(yùn)動(dòng)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(biāo)；面源紅外誘餌彈，形成干擾云團(tuán)等等。可見，紅外誘餌彈發(fā)展的方向是使干擾與目標(biāo)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(jī)在探測到來襲導(dǎo)彈的方向時(shí)通過機(jī)載激光定向干擾系統(tǒng)向來襲導(dǎo)彈發(fā)出高能量激光，使紅外成像導(dǎo)引頭致盲或致眩，從而破壞導(dǎo)彈對目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤造成導(dǎo)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(dǎo)彈成功打擊目標(biāo)的概率。

紅外對抗環(huán)境的構(gòu)建是開展紅外空空導(dǎo)彈抗干擾試驗(yàn)的基礎(chǔ)，逼真地反映導(dǎo)彈武器系統(tǒng)面臨的真實(shí)戰(zhàn)場對抗環(huán)境，營造貼近實(shí)戰(zhàn)的作戰(zhàn)態(tài)勢，以檢驗(yàn)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(yàn)評估中對抗環(huán)境的構(gòu)建要以導(dǎo)彈抗干擾指標(biāo)為依托，根據(jù)典型戰(zhàn)場環(huán)境，立足現(xiàn)有試驗(yàn)資源，全面覆蓋各種因素。

2 抗干擾能力評估試驗(yàn)現(xiàn)狀

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

目前抗干擾試驗(yàn)的特點(diǎn)及存在的問題有：

1)仿真試驗(yàn)

仿真試驗(yàn)是在內(nèi)場環(huán)境下，運(yùn)用仿真軟件或目標(biāo)/干擾模擬設(shè)備，對導(dǎo)彈目標(biāo)跟蹤能力、目標(biāo)/干擾識別能力進(jìn)行驗(yàn)證評估的試驗(yàn)。主要包括數(shù)字仿真和半實(shí)物仿真，具有試驗(yàn)成本相對較低、可重復(fù)性好等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)大樣本量試驗(yàn)。但目前仿真試驗(yàn)的目標(biāo)/干擾及環(huán)境特征與真實(shí)導(dǎo)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(jìn)一步提高。

2)掛飛試驗(yàn)

掛飛試驗(yàn)是在導(dǎo)彈掛機(jī)狀態(tài)下，對導(dǎo)彈目標(biāo)跟蹤能力、目標(biāo)/干擾識別能力進(jìn)行驗(yàn)證評估的試驗(yàn)。該類試驗(yàn)中，目標(biāo)機(jī)能夠模擬真實(shí)的目標(biāo)/干擾特性，但由于導(dǎo)彈處于掛機(jī)狀態(tài)，難以模擬彈目接近的真實(shí)過程，同時(shí)出于試驗(yàn)安全考慮，載機(jī)和目標(biāo)機(jī)必須保持規(guī)定的安全距離，因此難以對導(dǎo)彈末端抗干擾能力進(jìn)行評估考核，而導(dǎo)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(yàn)

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

由于上述試驗(yàn)都存在各種限制因素，因此目前導(dǎo)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(yàn)和掛飛試驗(yàn)數(shù)據(jù)對仿真試驗(yàn)的模型進(jìn)行校驗(yàn)；在仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜐M足置信度需求后，進(jìn)行全空域、多條件的仿真試驗(yàn)；綜合三類試驗(yàn)結(jié)果，給出抗干擾能力評估結(jié)論。

3 試驗(yàn)條件設(shè)計(jì)與結(jié)果評估

3.1 試驗(yàn)條件設(shè)計(jì)

針對目前紅外對抗環(huán)境[3]進(jìn)行分析，其構(gòu)成要素主要有目標(biāo)、干擾和態(tài)勢，進(jìn)一步細(xì)化梳理如圖1所示。目標(biāo)因素主要取決于目標(biāo)類型和機(jī)動(dòng)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(shí)機(jī)和密集程度；態(tài)勢因素主要取決于發(fā)射時(shí)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(fù)雜多變性，紅外空空導(dǎo)彈抗干擾試驗(yàn)中通常是多因子、多水平的問題。在這種情況下試驗(yàn)設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，需要實(shí)現(xiàn)變量與水平之間合理的隨機(jī)搭配，既要保證良好的試驗(yàn)效果，又要盡可能地減少試驗(yàn)次數(shù)，因此需要選取一部分有代表性的水平組合來實(shí)施試驗(yàn)。

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

1)目標(biāo)因素選擇。對紅外對抗環(huán)境要素進(jìn)行分析，通過研究國外各種戰(zhàn)機(jī)及戰(zhàn)機(jī)被導(dǎo)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(jī)型和靶標(biāo)的特點(diǎn)，從而凝練出典型的飛機(jī)特性、逃逸機(jī)動(dòng)方式，主要考慮目標(biāo)紅外輻射特性、機(jī)動(dòng)方式、過載大小、機(jī)動(dòng)時(shí)間等因素。

2)干擾因素選擇。通過研究國外各種戰(zhàn)機(jī)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(yàn)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(shí)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(diǎn)，提煉自然干擾場景，主要考慮光線強(qiáng)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(yàn)條件下紅外空空導(dǎo)彈發(fā)射條件概率統(tǒng)計(jì)分析，針對典型紅外空空導(dǎo)彈發(fā)射條件提煉關(guān)鍵影響因素，主要考慮目標(biāo)高度、目標(biāo)速度、載機(jī)高度、載機(jī)速度、進(jìn)入角、離軸角、發(fā)射距離等因素。

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

3.2 試驗(yàn)結(jié)果評估

目前抗干擾試驗(yàn)方法主要有：仿真試驗(yàn)、掛飛試驗(yàn)和空中發(fā)射試驗(yàn)等幾類。綜合考慮各類試驗(yàn)的特點(diǎn)，從提高試驗(yàn)結(jié)果的置信度出發(fā)，并考慮到試驗(yàn)組織實(shí)施的可行性、經(jīng)濟(jì)性，紅外空空導(dǎo)彈抗干擾能力評估應(yīng)以仿真試驗(yàn)為主，同時(shí)結(jié)合少量的掛飛試驗(yàn)和空中發(fā)射試驗(yàn)，通過對仿真和外場試驗(yàn)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(dǎo)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(dǎo)彈抗干擾性能的方法，為導(dǎo)彈的抗干擾評估提供理論依據(jù)。目前，導(dǎo)彈的抗干擾性能評估的常用方法主要有概率統(tǒng)計(jì)法、加權(quán)評估法、Bayes方法和層次分析法。

1)概率統(tǒng)計(jì)法

概率統(tǒng)計(jì)法[5]即試驗(yàn)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(dǎo)彈的抗干擾成功概率為：

p=n/N

(1)

概率統(tǒng)計(jì)法簡單易懂，是評估導(dǎo)彈的抗干擾性能時(shí)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(yàn)類型對試驗(yàn)中的N個(gè)抗干擾彈道進(jìn)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(yàn)采用數(shù)字仿真、半實(shí)物仿真、掛飛試驗(yàn)和空中發(fā)射試驗(yàn)相結(jié)合的方式開展，將N個(gè)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(dǎo)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(jì)算量比概率統(tǒng)計(jì)法大一些，但是加權(quán)平均法體現(xiàn)了不同試驗(yàn)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(jì)的一種方法，它是基于一個(gè)主觀概率的框架，常用概率對信任程度建模，處理復(fù)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(fēng)險(xiǎn)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(yàn)數(shù)據(jù)，又包括各個(gè)歷史階段的信息，既可以是統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，也可以是專家經(jīng)驗(yàn)。Bayes方法起源于Bayes公式[6]：

i=1,2,…,n

(3)

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

H0:P=P0;H1:P=P1

(4)

A1可代表H0；而A2代表H1。Bayes方法的特點(diǎn)在于利用了驗(yàn)前信息，從而可以做出更合理的統(tǒng)計(jì)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(fù)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(jìn)行合成，以得到?jīng)Q策因素相對于目標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。層次分析法的優(yōu)點(diǎn)在于通過兩兩比較，降低個(gè)別判斷失誤造成的影響，評估結(jié)果可靠性高。

導(dǎo)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(shí)物仿真、掛飛試驗(yàn)和空中發(fā)射試驗(yàn)。

根據(jù)圖2中B層各個(gè)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(dǎo)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(jì)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(dāng)前層次的權(quán)重系數(shù)后，必須對判斷矩陣進(jìn)行一致性校驗(yàn)，以排除里面的人為邏輯判斷錯(cuò)誤。一致性校驗(yàn)的步驟如下：

1)計(jì)算一致性指標(biāo)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(biāo)RI

3)計(jì)算一致性比例CR

CR=CI/RI

(7)

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

(8)

式中，k為當(dāng)前層數(shù)。故對于性能指標(biāo)A：

pA=w(k)Tp

(9)

式中，p為各因素下的性能指標(biāo)。

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(jì)算方法可知導(dǎo)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(shí)戰(zhàn)，構(gòu)建典型紅外戰(zhàn)場環(huán)境

以紅外空空導(dǎo)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(diǎn)，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(biāo)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(dǎo)彈面對的復(fù)雜對抗環(huán)境的物理特征出發(fā)，在信息特征層面對復(fù)雜對抗環(huán)境進(jìn)行科學(xué)表征。在信息特征測度的基礎(chǔ)上對復(fù)雜對抗環(huán)境進(jìn)行分級量化，從評估的角度建立等級化的復(fù)雜對抗環(huán)境與導(dǎo)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(yàn)的同時(shí)，利用已經(jīng)獲取的試驗(yàn)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(biāo)、干擾、自然環(huán)境等因素的仿真數(shù)據(jù)庫，提升仿真試驗(yàn)置信度，保證天地一致性。

4.4 綜合評估，有效融合各類試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)不同試驗(yàn)階段、不同種類試驗(yàn)的結(jié)果，按照其樣本量和置信度的不同，尋求一種科學(xué)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(yàn)條件的試驗(yàn)信息，又要避免大量仿真數(shù)據(jù)信息造成飛行試驗(yàn)等小子樣試驗(yàn)信息的數(shù)據(jù)湮沒。

5 結(jié)束語

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