網絡化防空反導體系的作戰過程建模與仿真*

朱 智，雷永林，朱一凡

(國防科技大學信息系統與管理學院，湖南長沙410073)

防空反導技術的發展是與空襲技術的更新密不可分的，面對空襲目標的多樣化、高速化、隱身化，空襲方式的超視距化，飽和攻擊和電子干擾的嚴峻挑戰，以及應對高自我生存和高毀傷能力的要求，將網絡中心戰引入防空反導體系的研究和形成新型環境下的防空作戰樣式是必然的選擇與發展趨勢［1］。網絡化使得防空作戰體系中的武器裝備和作戰單元達到信息共享和協同作戰的目的，與以往的平臺中心戰或樹狀體系結構相比，其能夠大幅度提高整個體系的反應速度和一體化作戰效能［2－3］。

由于網絡化防空反導體系自身的復雜性，當前國內外對其建模與仿真的研究尚處于探索階段，或者由于保密而沒有公開關鍵技術的新進展。美軍在戰區導彈防御(Theater Missile Defense，TMD)、末段高空區域防御(Terminal High-Altitude Area Defense，THAAD)、國家導彈防御(National Missile Defense，NMD)等大規模防空反導體系的開發中，建立和使用了大量的仿真系統進行分析與論證工作，如EADSIM(Extended Air Defense Simulation)，A-STATS(Aegis-Simulation，Test And Training System)，ESAMS(Enhanced Surface to Air Missile Simulation)，COSMOS(C4ISR，Space and Missile Operation Simulation)等［4－6］。

1 體系結構與作戰特點分析

唐蘇妍、朱一凡研究提出［7－8］，網絡化防空反導體系是由多個(種)探測制導設備、多個攔截干擾武器、多個可變中心的指控節點通過分布式網絡連接起來，對空襲目標進行電子對抗并實施攔截的戰役戰術級、一體化、靈活高效的作戰體系，體系結構如圖1所示［9］。

根據隸屬單元的臨時組合與功能劃分可形成探測提示、超視距攔截、遠程交戰、接力制導和協同交戰五種網絡化防空作戰樣式［10－12］。探測提示指遠程雷達發現威脅目標后，將該提示信息發送給本地火力單元，以使本地單元有充分的時間作發射防空導彈前的準備工作(包括自身狀態估計、目標提示信息的融合與解算、形成本地發射車和制導雷達的開機指令等);超視距攔截是在探測提示的基礎上，根據探測到的目標提示信息發射防空導彈，然后在威脅目標進入本地雷達探測范圍內時利用本地雷達進行制導控制，制導權(計算和提供制導指令)沒有移交，仍然是在本地單元;遠程交戰是在探測提示的基礎上，本地單元基于遠程信息發射防空導彈，而繼續由遠程火力單元為本地防空導彈提供制導，制導權在遠程火力單元，如圖2所示［13］。

圖2 探測提示、超視距攔截與遠程交戰Fig.2 Detect prompt，beyond visual range interception and distance engagement

接力制導是指制導權的交接，即是由其他節點提供所需的制導能力，目的在于隸屬節點因故障等原因無法提供制導時，其他節點可以為本地發射的防空導彈提供精度更高的中末端制導，并且在面對多個目標時，可以發射多枚防空導彈，分散和移交制導權;協同交戰與接力制導的區別在于戰場環境的不確定性，制導權不是確定性的轉移，而是多了制導節點間協同的概念，通過對整個跟蹤制導網的全局掌握，動態地為防空導彈提供最方便、最精確的制導，如圖3所示。

圖3 接力制導與協同交戰Fig.3 Relay Guidance and cooperative engagement

2 模型設計

網絡化防空反導體系屬于典型的復雜系統，建模難度高［14－15］，本節從目標分配管理、武器狀態管理和指控優選決策三方面基于統一建模語言(Unified Modeling Language，UML)進行建模。目標的分配管理主要是在探測器發現目標、丟失目標和自身毀傷后的目標狀態控制;武器狀態管理的建模主要是武器在網絡化體系作戰下火控制導權的轉讓;指控優選決策的優化基于指數法，可根據實際需要適當擴充因子或根據各因子的權重適當調整指數系數。

2.1 目標分配管理

體系作戰模式下，態勢信息通過體系內的態勢圖為體系內各成員所共享，各成員的態勢信息匯報經由數據鏈接口，目標的分配則由編隊在態勢變化時統一進行分配或調整分配。態勢變化的數據鏈觸發事件主要包括:探測器發現目標、探測器丟失目標和毀傷結果匯報。每個事件觸發時的目標分配調整分別如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 目標發現Fig.4 Target discovery

圖5 目標丟失Fig.5 Target loss

圖6 目標摧毀Fig.6 Target destruction

圖7 火控武器狀態Fig.7 State of fire-control weapon

2.2 武器狀態管理

武器狀態管理指武器與火控之間的關系及處理機制，網絡化防空反導體系作戰下主要涉及武器發射前后火控丟失目標后，判斷當前情形是否處于體系作戰模式下，決定是否觸發事件TargetLost，從而進行網絡化體系作戰下的目標分配管理及機制處理，如圖7所示。

2.3 指控優選決策

異地制導中執行火控優選時，不能僅僅只考慮目標與制導節點的距離，還需考慮制導節點本身性能以及其他諸如地理、氣候、兵力部署等關系。接力制導執行火控優選時要考慮到導彈飛行距離，因為在指令制導體制下，制導精度通常會隨導彈的飛行距離的增加而降低，且抗干擾能力較差。因此，對于中段采取指令制導體制的防空導彈，隨著導彈與火控防空陣地距離的增加，當制導精度降低到某一個閾值時，應執行火控優選，選擇更適合的制導節點。制導精度不僅與制導節點自身性能(包括探測范圍、最大俯仰角、方位視場角、距離分辨率、角度分辨率等)有關，而且與目標、防空導彈當前時刻的位置以及目標雷達反射截面積(Radar Cross-Section，RCS)有關，可用制導節點的制導質量(quality)來衡量。用指數法評估制導節點分值，其好處是只要其中一個要素分值為0，那么總得分就為0，例如在某個火控節點中，若要素中雷達剩余通道為0(NLeft=0)，不管其他因素的分值有多高，都不應該選擇此火控節點承擔制導任務。因代碼框架龐大，式(1)僅展示T時刻制導節點quality的計算模型。

式中，quality為火控的評分值，σ為雷達探測RCS(不同的目標與陣地方位相對于不同的雷達探測到的RCS)為目標最大RCS值(定值)，R為制導雷達最大作用距離，RTarget為平臺到目標距離，RWeapon為平臺到導彈距離，N為目標最大RCS值(定值)，NLeft為雷達剩余通道數，α為雷達最大方位角，β為雷達最大俯仰角，e1為距離分辨率，e2為角度分辨率。

3 仿真實驗與分析

基于武器效能仿真系統(Weapon Effectiveness Simulation System，WESS)平臺［16］，通過接力制導的仿真實驗體現網絡化防空反導體系的作戰特點。

3.1 接力制導

地空導彈在中段制導過程中，其制導雷達如果發生故障導致其不能正常工作，若此時還有其他雷達對目標進行跟蹤，那么在體系統一調配下，此時地空導彈應該由其他成員進行接力制導，消除武器對本地雷達的強隸屬性。

3.2 實驗想定

可設定火控雷達在武器的指令制導段關機，若武器進入中段時刻為t1，進入交班段時刻為t2，設置仿真時鐘t在t1與t2之間關閉火控雷達。紅方為機場，配屬一架A型戰斗機(裝配機載雷達1個，導彈告警器1個、反輻射導彈兩枚);藍方是由三個防空陣地單元(1、2、3)組成的防空陣地混編群，各陣地裝配愛國者雷達1架，地空導彈各8枚，如圖8所示。

圖8 實驗想定模型Fig.8 Scenario tree

3.3 型號數據準備

對抗雙方模型包括機場、固定翼飛機、空面導彈、機載火控雷達、導彈告警器、防空陣地、地基雷達和地空導彈，各模型型號準備如表1所示，表中包括各模型的坐標位置，及飛機航路點、高程和速度。

表1 紅藍雙方型號數據Tab.1 Prototype data of both sides

3.4 結果與分析

防空陣地1的火控雷達地基雷達A在t=412時刻建立“地基雷達A—地空導彈1—目標”的火控關系且由防空陣地1發射攔截武器地空導彈，如圖9所示;地空導彈在t=445時刻助推段結束，進入中段;在t=520時刻地基雷達A關機;在t=535時刻建立新“地基雷達C—地空導彈—目標”的火控關系，如圖10所示。圖11和圖12是仿真的二維表現圖，可看出制導權已從地基雷達A移交給地基雷達C。

圖9 防空陣地1模型消息Fig.9 Model message of air defense base 1

圖10 防空陣地3模型消息Fig.10 Model message of air defense base 3

圖11 防空陣地1火控關系的二維表現Fig.11 Dimensional display of fire control relationships for air defense base 1

4 結論

網絡化防空反導體系的作戰特點較之以前的非網絡化應用而言，是根據戰場態勢將分布在廣域戰場中的各種目標、指控中心、探測裝置、武器等資源的配置關系實時調整，以實現戰場信息的透明和作戰資源的靈活運用，增強戰場態勢感知能力，加快指揮決策速度，取得非對稱信息優勢，將信息優勢轉化為決策優勢，從而轉化為作戰優勢。文章對網絡化防空反導體系作戰的特點進行描述，主要以簡潔的圖示方式集中體現網絡化防空反導體系的武器資源制導權的轉讓、指控中心的協同、交戰方式等作戰優勢，其后主要從目標管理、武器狀態管理、指控中心決策三個方面對網絡化防空反導體系進行建模，最后通過設計接力制導的實驗案例展示網絡化防空反導體系作戰的過程，實現了初始概念到建模、建模再到實驗分析的研究方法，對網絡化防空反導體系的進一步研究具有一定的啟示意義。

圖12 防空陣地3火控關系的二維表現Fig.12 Dimensional display of fire control relationships for air defense base 3

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