仿真試驗在美國海軍艦艇自防御系統論證中的應用

石劍琛，趙海江

(海軍裝備部，北京100071)

0 引 言

傳統的艦艇自防御系統試驗與評估包括實驗室試驗、陸基試驗、自防御試驗艦試驗、實船試驗等多個階段，要動用實船和大量的武器彈藥和靶標等，并需要開展多種武器、不同組合方式、各種邊界條件的自防御武器射擊試驗，試驗周期長、資源耗費大、效費比低，并且不能開展復雜戰場環境下的自防御試驗與評估。為此，美國海軍利用在研制艦艇自防御系統的過程中，搭建高仿真度的模擬環境，開展一系列自防御系統試驗與驗證。這種基于仿真的艦艇自防御測試，很好地解決了利用傳統的陸上和海上實船試驗復雜度高、難度大和成本高等問題。本文將對美國海軍艦艇自防御系統論證階段試驗評估過程及評估內容進行詳細介紹。

1 基于仿真試驗的艦艇自防御系統效能評估方法

在艦艇自防御系統論證選型階段，美國海軍對艦艇自防御系統的作戰性能進行分析評估，以提供作戰使用需求。

艦艇自防御系統效能評估分析主要分為6 個步驟:定義待分析系統、預期威脅和作戰環境;設計并開發綜合決策模型;確定所使用的效能評估;設計并開發傳感器和武器模型;開展仿真試驗，獲取試驗數據;分析給出評估結果。

1.1 定義基本輸入

需要定義的基本輸入包括待分析系統、預期威脅和作戰環境。

待分析系統由海軍和工作組人員共同確定。系統可能是目前正在開發的系統、未來計劃開發的系統或經過升級的老裝備?；谶@些系統，分析多種武器、傳感器和控制系統配置。

預期威脅由美國海軍情報局負責定義，包括近期和遠期可能威脅。美國海軍情報局基于項目需求、分析人員給出的威脅特點，確定合適的預期威脅。另外，要根據預期任務確定攻擊密度、環境條件進行威脅射擊。這些條件能夠避免僅圍繞單一座站臺時進行系統設計。

作戰環境包括與作戰區域環境、美國海軍情報局定義威脅適配的環境條件、導致威脅攻擊的政治演變、場景事件等。

利用上述條件定義，即可進行對比分析。該分析過程使用高仿真模型模擬來襲武器和威脅，并且可根據需要對這些數據輸入進行調整，進行對比分析。另外，也可只進行局部仿真。圖1 給出了分析過程。

1.2 綜合決策模型設計開發

圖1 需求和分析工作組分析過程Fig.1 Analysis of the process

分析過程的第2 步是確保交戰模型能夠按期望的擬真度從各方面表示問題。目前，有2 種模型可用于為美國海軍艦艇自防御分析，水面防空戰多艦仿真(SAMS)模型和艦隊防空戰模型(FACTS)。其中，SAMS 模型是一個水面防空戰防御系統的隨機、離散事件模型，可以仿真單艘或多艘艦艇、雷達和武器系統，可以確定單個或多個攻擊單元的效能。FACTS 模型用于戰術系統比較。2 個模型已經過互相校準，具有互操作性，可保證工作組分析結果的一致性。

SAMS 模型偏重于武器控制和使用，特別是武器分配和時間安排以及在作戰單位和軍隊層面上的協同作戰。而且，傳感器和武器性能模型的建模數據均來自實際工程模型的仿真，真實性高。SAMS模型采用面向對象的體系結構，仍在不斷發展升級且使用方便，在許多情況下，用戶無需改變當前模型體系結構就可以按照新概念調整模型或通過模型輸入提高仿真度。

1.3 確定效能評估指標

效能評估是指對系統進行數值評價。自防御武器系統的傳統效能評估指標是毀傷效能 (PRA)。此外，也可以使用其他效能評估。例如，當分析幾種武器協同方法時，疊加交戰(被首個武器系統打擊后又遭到其他武器系統打擊)數量通常用作效能評估指標。

1.4 傳感器和武器模型設計開發

SAMS 模型恰當地表示待分析問題的各方面后，還要建立相應的支撐數據庫，從而為防空系統單元提供作戰系統性能數據。這些數據從系統需求、測試數據或者通過各組成部分(如雷達或導彈系統)高仿真模型得到。

SAMS 模型的輸入包括來襲目標和敵方武器系統。其中，來襲目標用目標的發射時間、導引頭開機時間、瞄準、速度、飛行和射程的關系以及飛行高度和射程的關系表示;敵方武器系統以探測、控制和交戰信息進行表示。

在SAMS 模型中，傳感器的探測信息由穩定跟蹤分布概率表示。SAMS 模型使用該概率判斷何時將跟蹤信息傳遞給武器系統;武器控制系統是通過一系列時延和隊列表示的，包括從穩定跟蹤到指配武器的時間、從指配武器到導彈或誘餌發射時間、發射間隔時間、主動尋的時間，以及毀傷評估時間;在硬武器方面，攔截導彈的模型參數包括飛出時間、毀傷效能函數、最小和最大攔截距離、導引頭尋的時間、照射雷達旋轉和截獲時間、照射持續時間、訓練用火箭的旋轉和重新加載時間。在軟武器方面，可以通過使用誘餌或電子技術欺騙來襲導彈的導引頭。美國海軍研究實驗室開發的模型確定了電子戰武器效能。這些模型按照來襲目標、艦艇類型和進近角度為每個電子戰系統提供效能與部署距離關系的分布概率。SAMS 模型使用該概率分布確定來襲目標攻擊失敗的概率。

1.5 開展仿真試驗，獲取試驗數據

恰當表示各組成部分并收集到所有必要數據后，即可運行SAMS 模型以確定系統效能。此時，用戶需要提供合適的輸入，并作出與戰術、條令和武器部署有關的決策。用戶必須提前分析形勢，并通過輸入指定使用何種戰術和合適的來襲目標以及武器性能數據。這種方法將模型作為一種研究工具，將探測距離、毀傷效能或條令作為參數進行研究。SAMS 模型可以生成交戰的各方面的詳細信息和概要信息，可用于驗證可疑結果的有效性或者計算其他效能評估指標。

1.6 分析并提供結果

將效能評估指標進行分析并提供海軍，有助于其作出正確判斷。綜合考慮系統配置和仿真輸入，可對SAMS 模型仿真結果有深入理解。不僅可對系統的單一能力進行評估，還可對系統的敏感度、可用性等指標進行深入分析。如果條件允許，每種系統配置的效能評估都要針對一項“凱普斯通要求”進行衡量，或者繪制成對比圖以確定系統擊敗來襲目標的能力。

敏感度分析:經常被用來表示艦艇或武器系統的能力。例如，通過增加的來襲目標密度，可以評估武器系統的魯棒性。通過關閉一個武器系統，可以評估它對整體效能的貢獻程度，這種方法有助于海軍更好地理解某些武器系統的重要程度。

武器系統可用性分析:系統失效會顯著降低艦艇的作戰能力。了解對艦艇生存具有關鍵作用的武器系統及其可靠性，有助于判斷艦艇是否能進入具有高度爆發戰爭可能的區域。

建立要素級參數和作戰系統結果的數據庫:如果保留研究數據，后期在面臨提出的問題時就能得到快速答復。例如，如果所需數據就緒，那么添加一個武器系統或改變來襲目標密度的效果就可以通過重新運行SAMS 模型迅速確定。

2 案例分析

為了研究高能激光武器在配合當前的導彈系統保護艦艇免受反艦巡航導彈攻擊方面的軍事應用，按前述分析法進行研究。

2.1 定義基本輸入

預期威脅:以某型反艦巡航導彈為主，并將威脅集合擴展到其他反艦巡航導彈以及沒有制導系統的火炮。

待分析系統:該分析使用了LPD 17 兩棲船塢運輸艦自防御導彈系統參數等數據(由海軍以往的試驗獲得)。由于高能激光武器系統屬于新型系統，因此開發了一系列概念，用于描述高能激光武器如何與LPD 17 兩棲船塢運輸艦現有自防御系統協同以及其交戰過程。

2.2 綜合決策模型開發

在SAMS 模型中，所有的武器使用自防御武器協同條令打擊目標。該條令指定了艦載武器選擇打擊方式的標準。該標準包括目標到達本艦的時間、打擊該目標的其他武器數量和效能。本分析中SAMS 模型主要協同條令有兩項，一個是“自由開火”，即所有武器都可以打擊目標;另一個是“先到先打”，即只有第一個可用武器系統打擊目標。

經過對武器組合的初步分析，發現“先到先打”條令是最好的。為了在本研究中進一步探索高能激光武器與近程導彈系統的協同工作方式，開發了兩項附加自防御條令，即“先到先打+”和“先到先打+ +”。這些條令擴展了“先到先打”條令，允許疊加交戰達到用戶定義的累積毀傷效能，該概率基于武器單發毀傷效能估計(Pk)。

2.3 確定評估指標

選擇“毀傷效能”作為這項研究的效能評估指標。進行項研究時，美國海軍官方對高能激光武器尚無正式的要求。本研究旨在從在所選的武器組合中尋找毀傷效能的最大值。

2.4 傳感器和武器模型設計開發

高能激光武器系統是一種定向能武器系統，通過在目標上積累足夠的能量對目標造成毀傷。海軍提供了高能激光武器系統性能參數。在該項研究中，想定的激光毀傷機理是在目標的整流罩上燒出空洞，從而令導彈等目標飛行失穩。為了將高能激光武器系統模型納入到SAMS 模型，工作組修正了SAMS模型，并利用相關數據驗證修正的合理性。

2.5 開展仿真試驗，獲取試驗數據

圖2 一個高能激光武器系統毀傷效能仿真結果Fig.2 Simulation results of damage effectiveness of high energy laser system

針對4 項武器協同條令，分別對6 種武器組合對亞音速和超音速目標的毀傷效能進行評估。武器組合包括2 類近程艦空導彈系統，它們可以是單獨作戰，也可配合高能激光武器系統作戰。經過研究，通過SAMS 模型確定了各種情況下的毀傷效能。圖2 給出了一個結果樣本。該分析是為了評估高能激光武器對艦艇自防御系統的相對貢獻度。

圖中顯示的假設結果表示兩類艦空導彈配合或不配合高能激光武器系統對抗1 枚典型反艦巡航導彈的效能:1)使用類型1 導彈時;2)使用類型2導彈時;3)使用類型1 和類型2 導彈時。有關傳感器和武器模型協同條令的敘述如圖中文字所示。圖中的毀傷密度指一次打擊中打擊所有未到達警戒距離的來襲目標的概率。

2.6 分析并提供結果

評估結果顯示，高能激光武器系統能夠顯著補充防御能力。高能激光武器系統和任意一種自防御導彈能一起有效防御近程和中程反艦巡航導彈。當導彈系統因威脅目標密度更高而變得飽和時，高能激光武器系統的效用更大。因此，基于毀傷密度情況，采用高能激光武器進行協同作戰是最有效方法。

3 結 語

美國海軍在評估艦艇自防御毀傷效能時面臨嚴峻的挑戰，主要包括評估環境、耗費成本、技術條件限制等諸多問題，造成了傳統現場實船實彈試驗資源無法完成大型復雜系統集成軟硬毀傷武器的實戰試驗與評估。為此，搭建用于毀傷效能評估高擬真度仿真試驗環境，評估系統整體毀傷效能，完成傳統方法無法實現的評估，縮短周期，降低費用，充分驗證，在海軍艦艇自防御系統在論證中發揮著越來越重要的支撐作用。

［1］Self Defense Test Ship for Operational Testing to Support Acquisition Programs［R］．DOT＆E memorandum to ASN(RDA)，8 December 1999．

［2］FARRIS R S，STUCKEY C B．A ship defense analysis process［J］．Johns Hopkins Apl Technical Digest，2000，21(3)．