黃 勇，李元鋒，張 棗，劉彥龍

（解放軍31002 部隊(duì)，北京 100089）

0 引言

隨著信息化、智能化、無人化軍事技術(shù)的迅猛發(fā)展和支撐，世界各國在陸、海、空、天等各領(lǐng)域大力加強(qiáng)無人化作戰(zhàn)能力建設(shè)，新型無人作戰(zhàn)平臺和無人作戰(zhàn)樣式不斷涌現(xiàn)，無人作戰(zhàn)力量體系逐步形成。特別是近年來，美軍提出的蜂群戰(zhàn)法引起世界廣泛關(guān)注，并以5 架～10 架無人機(jī)從不同方向?qū)?艘“宙斯盾”導(dǎo)彈驅(qū)逐艦攻擊為例，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該戰(zhàn)法的優(yōu)勢［1］。目前，美軍正大力研究和發(fā)展適用于該戰(zhàn)法的小型無人機(jī)，如“小精靈”、“山鶉”、“叢林狼”等，以期加快推動該戰(zhàn)法的實(shí)戰(zhàn)化運(yùn)用［2］。

蜂群戰(zhàn)法的首要目標(biāo)為大型水面艦船，一是因?yàn)樵擃惸繕?biāo)體積大、價值高、機(jī)動性差，是合適的“靶目標(biāo)”；二是因?yàn)榕炤d防空系統(tǒng)主要是針對各類反艦導(dǎo)彈和飛機(jī)，難以應(yīng)對“低慢小”的無人機(jī)。美軍實(shí)驗(yàn)表明，大型水面艦艇艦上具備無人機(jī)蜂群攔截能力的僅有“密集陣”系統(tǒng)、重機(jī)槍等近防武器，各類防空導(dǎo)彈、干擾彈和艦炮則無法攔截。因此，本文在建立攔截?zé)o人機(jī)蜂群作戰(zhàn)流程和關(guān)鍵模型的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析艦載近防武器對無人機(jī)蜂群的攔截能力和效果，以便探索出更為行之有效的攔截手段。

1 蜂群戰(zhàn)法基本情況

蜂群戰(zhàn)法是指具備一定自主能力的小型無人機(jī)，依據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)自行編組，形成作戰(zhàn)集群，協(xié)同對敵發(fā)動攻擊的一種作戰(zhàn)方法。該戰(zhàn)法是一種看似隨機(jī)，實(shí)則有序的協(xié)同作戰(zhàn)方法，其核心是以小取勝、以量取勝、快速協(xié)同取勝。基于蜂群戰(zhàn)法可能的無人機(jī)作戰(zhàn)樣式包括［3］：通過搭載不同類型傳感器，強(qiáng)化戰(zhàn)場態(tài)勢感知，實(shí)現(xiàn)大范圍的區(qū)域探測跟蹤和偵察監(jiān)視；通過搭載電子干擾設(shè)備，壓制敵地面防空系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對敵雷達(dá)或指控通信設(shè)備的分布式干擾；通過釋放大量假目標(biāo)，迷惑敵預(yù)警偵察體系，誘騙敵雷達(dá)或偵察設(shè)備開機(jī)，實(shí)現(xiàn)對敵關(guān)鍵目標(biāo)的定位及摧毀；通過飽和集群式出動，掩護(hù)我核心作戰(zhàn)單元，消耗敵高價值防空資源，為我作戰(zhàn)單元的后續(xù)介入開辟走廊。

2 艦載作戰(zhàn)體系及近防武器系統(tǒng)

艦載作戰(zhàn)體系一般包括偵察預(yù)警系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)和武器發(fā)射系統(tǒng)3 部分。本文以“宙斯盾”導(dǎo)彈驅(qū)逐艦為研究對象，考慮后續(xù)加裝激光武器系統(tǒng)作為改進(jìn)，其作戰(zhàn)體系如圖1 所示［4］。鑒于實(shí)施蜂群作戰(zhàn)的小型無人機(jī)雷達(dá)反射截面積小、飛行高度低，結(jié)合艦載各武器系統(tǒng)使用限制，預(yù)警系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時已無法使用各型防空導(dǎo)彈和艦炮實(shí)施攔截，僅可使用“密集陣”武器系統(tǒng)、激光武器系統(tǒng)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)對目標(biāo)進(jìn)行軟硬殺傷?！懊芗嚒蔽淦飨到y(tǒng)由搜索跟蹤雷達(dá)、火控系統(tǒng)和轉(zhuǎn)管炮組成，射速4 500 發(fā)/min，有效攻擊距離0.1 km～1.7 km，最佳攻擊距離1.5 km，轉(zhuǎn)入攻擊下一目標(biāo)反應(yīng)時間30 s。激光武器系統(tǒng)沿用“密集陣”武器系統(tǒng)的搜索跟蹤雷達(dá)、火控系統(tǒng)，轉(zhuǎn)管炮由固體激光器取代，功率100 kW，有效攻擊距離0.1 km～10 km，轉(zhuǎn)入攻擊下一目標(biāo)反應(yīng)時間2 s。電子戰(zhàn)系統(tǒng)可對1.8 km～9 km 范圍內(nèi)的目標(biāo)，通過干擾機(jī)載GPS 接收機(jī)的方式誘偏目標(biāo)。

3 攔截?zé)o人機(jī)蜂群作戰(zhàn)流程

圖1 改進(jìn)型“宙斯盾”導(dǎo)彈驅(qū)逐艦作戰(zhàn)體系

圖2 “宙斯盾”導(dǎo)彈驅(qū)逐艦防空作戰(zhàn)流程

“宙斯盾”導(dǎo)彈驅(qū)逐艦防空作戰(zhàn)流程如圖2 所示，該圖描述了各系統(tǒng)與作戰(zhàn)活動的關(guān)系及系統(tǒng)間的信息流向。對空探測系統(tǒng)負(fù)責(zé)空中目標(biāo)搜索、跟蹤、類型識別和敵我識別，并將目標(biāo)識別信息傳遞給指揮決策系統(tǒng)和拒止系統(tǒng)，將目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)傳遞給指揮決策系統(tǒng)和武器控制系統(tǒng)。指揮決策系統(tǒng)負(fù)責(zé)確定敵目標(biāo)數(shù)量、優(yōu)先級，定下交戰(zhàn)決心，創(chuàng)建驅(qū)逐艦周圍環(huán)境作戰(zhàn)態(tài)勢，并將作戰(zhàn)態(tài)勢傳遞給顯示系統(tǒng)。作戰(zhàn)人員與顯示系統(tǒng)進(jìn)行交互，并將指令通過顯示系統(tǒng)傳遞給指揮決策系統(tǒng)，若指揮決策系統(tǒng)收到的指令中包含交戰(zhàn)命令，則將交戰(zhàn)命令、目標(biāo)優(yōu)先級傳遞給武器控制系統(tǒng)。武器控制系統(tǒng)根據(jù)收到的交戰(zhàn)命令、目標(biāo)優(yōu)先級進(jìn)行計劃交戰(zhàn)和評估交戰(zhàn)，并將計劃交戰(zhàn)形成的目標(biāo)分配和瞬時交戰(zhàn)時機(jī)兩類信息連同跟蹤數(shù)據(jù)傳遞給交戰(zhàn)系統(tǒng)，交戰(zhàn)系統(tǒng)傳回交戰(zhàn)意圖后負(fù)責(zé)對目標(biāo)進(jìn)行打擊。拒止系統(tǒng)負(fù)責(zé)將目標(biāo)擊中驅(qū)逐艦或在驅(qū)逐艦周圍爆炸的概率降至最低。

4 關(guān)鍵仿真模型

4.1 密集陣武器系統(tǒng)模型

4.1.1 雷達(dá)搜索模型

建立如下密集陣武器系統(tǒng)雷達(dá)搜索模型［5］：

式中：Am為搜索雷達(dá)給出的目標(biāo)位置；Ar為目標(biāo)真實(shí)位置；Dam為目標(biāo)與搜索雷達(dá)的距離；ε 為雷達(dá)搜索精度；η 為［-1，1］之間服從正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)。

4.1.2 雷達(dá)跟蹤模型

4.1.3 命中概率模型

“密集陣”武器系統(tǒng)采用射擊過程中不斷修正的閉環(huán)火力控制模式，其彈丸在二維空間遵循正態(tài)分布，彈丸分布中心距目標(biāo)中心的偏移δ 為［6］：

式中，ε、ζ、γ 分別為“密集陣”武器系統(tǒng)的跟蹤精度、火力系統(tǒng)精度、火控系統(tǒng)精度，各參數(shù)取值參見文獻(xiàn)［6］。則“密集陣”武器系統(tǒng)在火力遠(yuǎn)界LY處的線量系統(tǒng)誤差RY、在火力近界LJ處的線量系統(tǒng)誤差RJ和平均線量系統(tǒng)誤差R 分別為：

如圖3 所示，將小型無人機(jī)外形近似等效于兩個相交的長方體，長為L，寬和高均為2d。采用“矩形目標(biāo)、圓形散布”的模式進(jìn)行命中概率解算，如圖4 所示，目標(biāo)中心位于坐標(biāo)原點(diǎn)，系統(tǒng)誤差在x 軸、y軸上的分量為Rx、Ry，r 為密集陣武器系統(tǒng)彈丸散布半徑，其值為：

式中，D 為密集陣武器系統(tǒng)與目標(biāo)的距離；η 為“密集陣”武器系統(tǒng)的散布精度，取值1 mil。

圖3 小型無人機(jī)外形等效圖

圖4 命中概率解算模式圖

對小型無人機(jī)目標(biāo)射擊的單發(fā)命中概率P（x，y）為：

式中，φ（x，y）為彈著散布誤差分布密度；φ（x）、φ（y）為x 軸、y 軸上的彈著散布誤差分布密度；為拉普拉斯函數(shù)，其值可通過查閱文獻(xiàn)［7］中的附錄A得到。

4.2 激光武器系統(tǒng)模型

激光武器系統(tǒng)模型涉及探測跟蹤模型、大氣傳輸模型、目標(biāo)毀傷模型等，這里主要介紹激光對目標(biāo)的毀傷模型。

若艦載激光武器發(fā)射處與目標(biāo)相距S，衍射導(dǎo)致的與光束傳輸面垂直的激光光束擴(kuò)散半徑為［8］：

設(shè)光束傳輸面與目標(biāo)表面的夾角為α，其值隨輻照時間t 變化，可將光束與目標(biāo)表面的輻照交匯面近似為一個短半軸為a、長半軸為b 的橢圓，且有：

從而可得光束輻照目標(biāo)表面的交匯面積為：

考慮激光在大氣傳輸過程中能量的衰減，光束透過大氣輻照到目標(biāo)表面的功率P 為：

式中，P0為激光發(fā)射功率；為大氣透過率；γ 為大氣衰減系數(shù)，取值范圍為0.196 km-1～0.078 km-1。

則激光輻照到目標(biāo)表面單位面積的能量密度E 為：

能量密度E 超過目標(biāo)的破壞閾值Em，則目標(biāo)被毀傷。

4.3 電子戰(zhàn)系統(tǒng)模型

本文考慮艦載電子戰(zhàn)系統(tǒng)對無人機(jī)GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾，其基本思路如圖5 所示。O點(diǎn)為艦載GPS 干擾機(jī)位置，M 點(diǎn)為無人機(jī)預(yù)定軌跡點(diǎn)，GPS 干擾機(jī)通過延時轉(zhuǎn)發(fā)接收到的衛(wèi)星信號，使位于干擾功率范圍內(nèi)的無人機(jī)接收到錯誤的定位和授時信息，進(jìn)而將其誘偏至N 點(diǎn)。

圖5 轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾示意圖

設(shè)O 點(diǎn)坐標(biāo)為（xO，yO，zO），轉(zhuǎn)發(fā)4 顆衛(wèi)星對應(yīng)的偽距為（r1，r2，r3，r4），授時誤差為O；N 點(diǎn)坐標(biāo)為（xN，yN，zN），對應(yīng)的偽距為（v1，v2，v3，v4），授時誤差為N，則O 點(diǎn)和N 點(diǎn)定位方程分別為：

式中，c 為電波傳播速度。由此可得轉(zhuǎn)發(fā)信號延遲為：

根據(jù)信號延遲即可得到預(yù)定的欺騙位置。

5 仿真實(shí)驗(yàn)分析

圖6 實(shí)驗(yàn)想定實(shí)體框架

假設(shè)30 架無人機(jī)從不同方向按設(shè)定的航路點(diǎn)（坐標(biāo)-高程-速度）向“宙斯盾”艦發(fā)起自殺式攻擊，“宙斯盾”艦利用近防武器系統(tǒng)對其進(jìn)行攔截，想定實(shí)體框架如圖6 所示。不考慮無人機(jī)的發(fā)射與回收，即仿真初始階段無人機(jī)便在空中飛行。將所建立的仿真模型集成于某聯(lián)合防空仿真系統(tǒng)平臺，采用蒙特卡洛方法仿真500 次。下頁圖7 所示為某一時刻仿真運(yùn)行態(tài)勢，虛線大圓和小圓分別為激光武器和密集陣?yán)碚撟畲蠊艟嚯x，虛線扇形為GPS干擾機(jī)某時刻干擾陣面。圖8 所示為500 次仿真中對應(yīng)不同無人機(jī)被攔截數(shù)出現(xiàn)的結(jié)果次數(shù)，可見500 次仿真中有45 次仿真結(jié)果出現(xiàn)無人機(jī)被攔截17 架，出現(xiàn)概率最高。圖9 所示為500 次仿真中“宙斯盾”艦攔截?zé)o人機(jī)的平均數(shù)及各近防武器系統(tǒng)攔截的平均數(shù)，可見GPS 干擾機(jī)攔截（實(shí)際為誘偏）數(shù)最高。

圖7 仿真運(yùn)行態(tài)勢

圖8 不同無人機(jī)攔截數(shù)對應(yīng)的仿真結(jié)果次數(shù)

圖9 平均攔截?zé)o人機(jī)數(shù)

圖10 平均攔截數(shù)與無人機(jī)蜂群平均飛行速度的關(guān)系

在無人機(jī)蜂群飛行高度一定的條件下，對“宙斯盾”艦平均攔截數(shù)與無人機(jī)蜂群平均飛行速度的關(guān)系進(jìn)行仿真，圖10 反映了無人機(jī)蜂群平均飛行速度對攔截數(shù)的影響?？梢姛o人機(jī)蜂群飛行高度一定的條件下，“宙斯盾”艦平均攔截數(shù)隨無人機(jī)蜂群平均飛行速度的增加而減小，且平均速度越大，平均攔截數(shù)降低的越快［9-11］。

6 結(jié)論

本文分析了“宙斯盾”艦載近防武器對無人機(jī)蜂群的攔截能力。根據(jù)艦載近防武器系統(tǒng)組成和攔截作戰(zhàn)流程，分別建立了密集陣武器系統(tǒng)、激光武器系統(tǒng)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)仿真模型，并通過仿真實(shí)驗(yàn)對比分析了不同近防武器系統(tǒng)對無人機(jī)蜂群的攔截能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：1）利用艦載電子戰(zhàn)系統(tǒng)對無人機(jī)蜂群實(shí)施軟殺傷效果優(yōu)于對其實(shí)施硬殺傷；2）激光武器可作為攔截?zé)o人機(jī)蜂群的一種有效手段，效果優(yōu)于傳統(tǒng)的“密集陣”系統(tǒng)；3）艦載近防武器系統(tǒng)攔截能力隨無人機(jī)蜂群平均速度的增大而降低，且無人機(jī)蜂群平均速度越大，艦載近防武器系統(tǒng)攔截能力降低越明顯。