基于仿真的空戰效能評估分析研究

金鐳, 張曙光, 孫金標

(1.中國航空綜合技術研究所 適航性與安全性技術研究室, 北京 100028;2.北京航空航天大學 交通科學與工程學院, 北京 100191;3.空軍指揮學院 戰役戰術系, 北京 100097)

基于仿真的空戰效能評估分析研究

金鐳1, 張曙光2, 孫金標3

(1.中國航空綜合技術研究所 適航性與安全性技術研究室, 北京 100028;2.北京航空航天大學 交通科學與工程學院, 北京 100191;3.空軍指揮學院 戰役戰術系, 北京 100097)

分析了作戰飛機在執行空戰任務過程中的使用特點,結合現代空戰的特點、考慮四代機的特征及作戰飛機各系統間的耦合情況,應用概率理論建立了作戰飛機空戰效能的計算評估體系,同時給出了發現目標概率、占位開火成功概率、導彈殺傷目標概率3個用于評估空戰效能的階段性指標。根據空戰各階段的特點,應用效能計算評估體系輔以模擬仿真的方法完成了空戰效能的評估。結果表明,空戰效能評估結果與空戰能力評估結果吻合情況很好。

空戰效能; 計算體系; 仿真; 空戰能力

引言

空戰能力用于描述作戰飛機的“本領”或潛力,是飛機的固有屬性;空戰效能是作戰飛機在特定條件下,執行預定作戰任務時,其能力發揮的效果[1]。空戰能力是空戰效能發揮的基礎,空戰效能不僅與空戰能力有關,還與作戰飛機在作戰過程中使用、戰術運用、決策選擇等方面有很大關系。

空戰能力評估呈現概略性、相對性、時效性和局限性的特點[2],常用的評估方法有WSEIAC作戰模型、模糊綜合評估法、多屬性功效函數法、層次分析法[3]等,這些方法都能體現評估的概略性、相對性、局限性,但體系的時效性均有缺陷。另外,國內有學者在考慮現代空戰特點的同時,應用層次分析法,結合模糊隸屬度函數,建立了飛機空戰能力評估的體系模型[4],使評估體系的時延大幅降低。由于飛機數據參數詳盡,國外空戰效能評估主要采用模擬仿真法,如美國“紅旗”戰術靶場空戰模擬。我國空戰效能評估現階段以建模分析為主,方法主要有概率評估法[2]、Markov過程法[5]等,主要研究模型的建立和優化,但有些情況如雙方效能接近時導彈互射階段、對抗時戰術決策的使用,理論模型無法進行有效評估。

本文在分析現代空戰特點及四代機特征的基礎上,將空戰過程分為搜索目標、占位開火、導彈攻擊三個階段,應用概率理論研究建立空戰效能計算評估體系,輔以模擬仿真,完成空戰效能的評估工作。將空戰效能評估結果與空戰能力評估結果進行多輪次對比分析,以驗證效能計算評估體系和模擬仿真的正確性。

1 空戰效能評估指標特點

空戰效能評估的目的是研究飛機完成空戰任務的程度。空戰過程具有任務多樣性、同一任務在同樣條件下過程的多樣性和同一飛機多次執行同一任務結果的多樣性三個特點[6]。根據效能評估的特點,將評估指標分為綜合指標和局部指標。綜合指標是從總體給出衡量空戰效能的指標;局部指標是飛機在完成階段性任務時,針對該段任務而提出的指標。局部指標應與綜合指標相吻合,指標的選擇應符合系統分析原理,指標還應與飛機所執行的任務相一致;由飛機及其組成部分的技、戰術性能決定。

2 空戰效能評估計算

選擇作戰飛機完成攔截任務的成功率Pin作為評判飛機空戰效能的指標,即:

Pin=PdePemPle

(1)

式中,Pde為發現目標概率,反映機載探測能力和外部信息支援能力;Pem為占位開火概率,反映機動性、敏捷性及機載設備的綜合效能;Ple為殺傷目標概率,反映機載武器彈藥的整體效能。

2.1 發現目標概率

空戰過程中探測目標的設備主要為機載雷達、紅外跟蹤探測設備及飛行員的目視能力:

(2)

2．1．1雷達發現目標概率

(3)

式中,Cs為雷達系統特征常數,與機載雷達體制有關;σ為目標迎頭方向的RCS,與目標尺寸設計及材料有關;Lα為大氣損耗因子,與雷達傳播路徑有關;R為被探測目標的距離;F為方向傳播因子。

2．1．2紅外探測設備發現目標概率

(4)

式中,R0為標準發現距離。目標其他方位被紅外設備探測的概率,只需對R0進行修正即可。

2．1．3飛行員目視發現目標概率

表1 典型飛機尺寸系數與目視平均距離的關系

2.2 占位開火成功概率

由于各空戰階段使用的武器不同,下面對影響超視距、視距內空戰階段Pem的因素進行分析。

(5)

式中,d為導彈攻擊區范圍;R為載機與目標的距離。

(6)

(7)

超視距空戰時,理論上哪一方火控系統更先進,哪一方雷達鎖定目標到發射導彈時間將越短,即在占位階段中取得優勢。綜上,將式(7)修正如下:

(8)

式中,t為飛機占位開火階段所經歷的時間;t0.85為搜索階段開始至發現目標概率到0.85所用的時間;τ為時間常數,與參數t0及tf有關:

τ=max{t0,tf}

(9)

式中,t0為雷達鎖定目標后到導彈發射成功,火控系統所需的時間,與發射裝置、機載設備等因素有關;tf為載機完成對目標照射鎖定后,導彈所需的飛行時間。飛機完成第一枚導彈發射,占位開火階段結束,進入導彈攻擊階段。

2.3 殺傷目標概率

飛機配備不同的導彈,殺傷目標概率分別為Pk1,Pk2,數量分別為n1,n2,則:

Ple=1-(1-Pk1)n1(1-Pk2)n2

(10)

常規中距彈為半主動和主動尋的導彈,能否命中目標與導彈命中目標或飛到有效殺傷范圍時載機是否生存有關。考慮載機生存力,則:

(11)

式中,事件A1為載機1生存;事件B1為殺傷2;事件A2為載機2生存;事件B2為殺傷1。

2．3．2近距彈殺傷目標概率

此階段導彈攻擊目標的成功與否取決于占位過程所搶占的位置。本節是在完成占位的情況下計算近距彈對目標的殺傷概率,即近距彈殺傷目標的概率可由式(10)直接計算。

3 算例研究

3.1 作戰飛機的選取及其初始條件的設定

以四代機A、三代機B和C為例,采用本文效能計算評估體系對B與A,C的空戰效能進行評估。初始條件如表2所示。初始航向及初始位置的規定如圖1所示。

表2 參與效能評估戰斗機的初始條件

圖1 飛機初始位置、初始航向的規定

3.2 空戰能力的計算

根據空戰能力評估模型[4]可得算例中飛機空戰能力的評估結果,如表3所示。

表3 戰斗機空戰能力評估結果

由表3可以看出,A除視距內武器彈藥效能低于B外,其它方面均高于B。這是由于A為提高隱身性能和超聲速巡航能力,采用內置彈艙,使迎頭RCS更小,超聲速阻力更小。A共3個內置彈艙,空戰時兩個側武器艙各掛一枚近距彈,主武器艙攜帶6枚中距彈;B有10個武器掛點,空戰掛半主動雷達制導的中距彈4枚,紅外制導的中距彈2枚及近距紅外彈4枚。掛點數和載彈性能的差別由空戰能力評估結果給出定量的反映。

3.3 空戰效能計算

3．3．1搜索接敵階段

根據三種機載雷達的性能參數及三種飛機的RCS,通過式(2)的計算,得到B與A,C發現對方的概率隨時間的變化曲線,如圖2所示。

圖2 B與A,C發現對方的概率隨時間的變化曲線

C與B的機載雷達性能相仿,由于輕型戰機C的迎頭RCS比重型戰機B要小得多,所以C鎖定B要比B鎖定C遠40 km,做到了“先視”。

由于雷達性能、隱身能力的不足,裝備脈沖多普勒雷達的B在搜索階段是在裝備有源相控陣雷達A的監視下完成的,信息上處于劣勢,在無外部信息力量的支援下,要想改變這種劣勢很難。

超聲速巡航能力在超視距空戰階段的重要性在于快打快跑,大幅提高飛機生存力。參與評估的三種飛機只有A具有超聲速巡航能力,使A與B在對抗過程中占據有利的態勢。圖2表明,B鎖定A的時間早于其鎖定C的時間,這是由于A的接敵速度要比C快得多。

從仿真結果可看出,超聲速接敵在增大導彈攻擊包線的同時也使載機更快地落入敵機的攻擊范圍,超聲速巡航為載機的生存力帶來保障的同時也帶來了安全隱患。

3．3．2占位開火階段

根據表2中的數據,通過式(5)、式(6)及式(8)的計算,可得到B與A,C之間占位開火成功概率隨時間的變化曲線,如圖3和圖4所示。

圖3中由于導彈射程限制使A在占位階段消耗220 s時間,占位時間tf占據了空戰時間的80%;由于B機載雷達性能差及A優異的隱身性能,導致B對A的占位過程發生在A導彈的殺傷范圍內,且占位時間是火控系統必需的t0。

圖4中C對B的占位由277～377 s共100 s;B對C的占位由365～377 s共12 s,C的占位準備時間多于B,但兩者在對目標攻擊的時間一致,區別是在377 s完成占位進入導彈攻擊階段時C鎖定B的概率為1,而B鎖定對方的概率為0.94,交戰雙方同時進入導彈攻擊階段。B與C導彈互射階段需要通過模擬仿真進行計算評估。

圖3 B與A之間占位開火成功概率隨時間的變化曲線

圖4 B與C之間占位開火成功概率隨時間的變化曲線

3．3．3導彈攻擊階段

未進入攻擊階段無法對目標進行攻擊,計算飛機攔截任務的前提是占位成功并且發射導彈。

3.4 效能評估結果分析

3．4．1A與B的評估結果及分析

表4為A與B各階段的效能評估結果。

表4 A與B各階段效能評估結果

表4中A對B進行搜索、占位用時280 s,發射一對導彈用時5 s,共發射4枚中距彈,A攔截B的成功率達到0.99,約290 s,此時B處于對A的搜索階段,發現A的概率僅為0.05。對抗過程中,出現這種情況主要有三個原因:一是A機載雷達AN/APG-77A對RCS為5 m2的目標最大發現距離為200 km,B機載雷達NⅡP001對RCS為3 m2的目標最大發現距離為100 km,雷達性能差異導致搜索階段B的劣勢;二是A采用隱身設計,迎頭RCS僅為0.1 m2;而B迎頭RCS達到了12.5 m2,設計差異加劇了搜索階段B的劣勢;三是A的超聲速巡航能力接敵時間大幅縮減,使對手完成搜索、占位成功率更低、反應時間更短,從而在對抗中取得有利態勢。

3．4．2C與B的評估結果及分析

表5為C與B各階段的效能評估結果。表5中的效能評估結果是假設兩機均成功發射4枚導彈后完成空戰任務成功率。圖4表明,交戰雙方同時完成占位,進入導彈攻擊階段。為準確進行導彈互射效能評估,采用模擬仿真的方法模擬雙方導彈攻擊階段。初始條件設置如表6所示。

表5 C與B各階段效能評估結果

表6 C與B導彈攻擊階段仿真初始條件設置

飛機C裝備4枚AIM-120C中距彈、2枚AIM-9L近距彈;B裝備4枚R-27ER中距彈、2枚R-73A近距彈。在保證空戰連續完整的情況下,將兩機初始位置設定在超視距空戰中占位階段的后半段,模擬交戰雙方對抗的全過程,航跡圖如圖5所示。

分析整個單機空戰模擬仿真對抗過程:交戰的雙方并沒有進入到傳統空戰中纏斗的視距內空戰階段,僅在超視距空戰階段,裝備4枚中距彈、2枚近距彈的C將同樣裝備有4枚中距彈、2枚近距彈的B擊落。

圖5 典型飛機C與B空戰過程航跡圖

交戰過程分析如下:

(1)搜索接敵階段:C的機載雷達APG-68從照射到鎖定目標歷時約13 s,鎖定目標后于15.5 s時發射導彈;B機載雷達從照射到鎖定目標歷時約10 s,完成鎖定目標后于20.5 s發射導彈,B的占位開火所需時間比C多了近5 s;

(2)導彈攻擊階段:B同樣完成了向C發射兩枚半主動中距彈,發射時間比C發射中距彈的時間晚5 s,即在兩機均不躲避的情況下C發射的導彈將先擊中B,為了保證載機的安全,B采取規避機動動作,導致已發射的半主動彈將因無法得到載機的持續照射而失效,因此B完全喪失主動，一直處于被動態勢,最終結果是B被C發射的第三、第四枚中距彈所擊落。

說明:模擬仿真過程加入了常規的戰術動作,如急拉搶位、導彈來襲時俯沖規避等戰術。但算例中B在C先發射中距彈的情況下繼續迎頭飛行了近5 s,待中距彈發射后反而立刻擺脫,使得剛剛發射的中距彈失去照射而失效,這說明B選擇的戰術動作在此處不合適。

4 結論

(1)本文在對空戰效能概率評估法細化的基礎上,結合現代空戰特點及四代機的特征,研究建立了空戰效能計算評估體系,配合模擬仿真方法完成了導彈互射階段的仿真計算。由效能評估結果與空戰能力評估結果的比較可知,吻合情況很好。

(2)由空戰過程分析研究得出,在交戰雙方同時進入空戰第三階段即導彈攻擊階段時,空戰將變得異常復雜,單純依靠計算的方法得到準確的導彈殺傷目標的概率是非常困難的,只有根據模擬器統計多次模擬仿真得出的結果,才能近似給出考慮導彈互射時殺傷目標的概率。

(3)模擬仿真過程應考慮戰術和裝備匹配問題。若戰術和裝備匹配較好,則可直接進行模擬仿真;否則,應在效能評估過程中剔除與裝備不匹配的戰術,避免戰術決策等因素影響飛機空戰效能的最終評估結果。

(4)本文只給出了效能評估的方向思路,在研究中假定了很多前提條件。要想準確地完成空戰效能評估,還是應當采用計算機模擬仿真。關于模擬仿真對抗過程中的各子系統仿真的逼真度、計算機控制飛機對抗時的決策系統都是需要進一步解決的問題。

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[7] 丁鷺飛,耿富錄.雷達原理[M].西安:西安電子科技大學出版社,2003.

Analysisandevaluationofair-combateffectivenessbasedonsimulation

JIN Lei1, ZHANG Shu-guang2, SUN Jin-biao3

(1.Airworthiness and Safety Technique Department, China Aviation Polytechnology Establishment, Beijing 100081,China;2.School of Transportation Science and Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China;3.Department of Operations and Tactics, Air Force Command College, Beijing 100097, China)

The characteristics of fighting aircraft in modern air-combat missions are analyzed, considering the characteristics of the 4thgeneration fighter and the coupling conditions of each system in fighting aircraft, a calculating system to evaluate the air-combat effectiveness of fighting aircraft is built at probability methodology. Meanwhile, the detecting object rate, success rate of lock-in and firing and missile target destruction rate are used as phase indexes in evaluating air-combat effectiveness of fighting aircraft. According to earmarks of each air-combat phase, the calculating system of effective evaluation assisting simulation results is implemented to accomplish the effectiveness evaluation of fighting aircraft. The evaluation results of air-combat effectiveness and air-combat ability coincide well.

air-combat effectiveness; calculating system; simulation; air-combat ability

2011-03-28;

2011-11-01

金鐳(1981-)，男，黑龍江牡丹江人，工程師，碩士研究生，研究方向為適航性技術/作戰效能評估。

E926.3

A

1002-0853(2012)01-0087-05

(編輯：姚妙慧)