反艦導(dǎo)彈突防及毀傷能力仿真研究*

宋海凌，馬溢清，鮑永亮

(海軍裝備研究院， 北京 100161)

反艦導(dǎo)彈突防及毀傷能力仿真研究*

宋海凌，馬溢清，鮑永亮

(海軍裝備研究院， 北京 100161)

反艦導(dǎo)彈突防及毀傷能力研究是作戰(zhàn)方案制定、方案優(yōu)選、武器系統(tǒng)論證的重要基礎(chǔ)。本研究基于多層次仿真、實(shí)驗(yàn)與評(píng)估技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了反艦導(dǎo)彈突防及毀傷能力的定量評(píng)估，并在多項(xiàng)重大課題研究和活動(dòng)中得以應(yīng)用。

反艦導(dǎo)彈；突防；毀傷；效能；攻防對(duì)抗；仿真

0 引言

戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能評(píng)估是武器系統(tǒng)論證、作戰(zhàn)使用研究、作戰(zhàn)方案評(píng)估和優(yōu)化、演習(xí)訓(xùn)練等研究的重要環(huán)節(jié)[1-2]。

反艦導(dǎo)彈，作為對(duì)海攻擊的主戰(zhàn)武器，是實(shí)現(xiàn)聯(lián)合火力打擊的主要火力之一。研究反艦導(dǎo)彈武器的突防及毀傷能力，為部隊(duì)提供先進(jìn)、實(shí)用的反艦導(dǎo)彈突防及毀傷能力計(jì)算方法非常急需。

本研究根據(jù)部隊(duì)實(shí)際作戰(zhàn)需求，采取攻防對(duì)抗仿真與推演的方法，研究在復(fù)雜電磁對(duì)抗環(huán)境下反艦導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能，建立一套規(guī)范的反艦導(dǎo)彈突防及毀傷能力定量計(jì)算方法，構(gòu)建軟硬結(jié)合的反艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)使用輔助決策支持系統(tǒng)，為未來高技術(shù)條件下局部戰(zhàn)爭的戰(zhàn)役籌劃、作戰(zhàn)方案制定和裝備準(zhǔn)備提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐，解決復(fù)雜電磁環(huán)境下“作戰(zhàn)方案制定不科學(xué)、作戰(zhàn)訓(xùn)練缺乏針對(duì)性、導(dǎo)彈需求測算不準(zhǔn)確”的瓶頸問題。

1 主要研究內(nèi)容

1.1 反艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)使用及效能評(píng)估研究頂層設(shè)計(jì)

依據(jù)復(fù)雜電磁環(huán)境下反艦導(dǎo)彈突防及毀傷能力計(jì)算的需求，在已有研究基礎(chǔ)上，界定課題研究的內(nèi)涵和外延，對(duì)課題進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，確定總體思路、各分課題研究內(nèi)容、進(jìn)度要求等。

1.2 復(fù)雜電磁環(huán)境下作戰(zhàn)使用需求研究

主要研究復(fù)雜電磁環(huán)境下敵我雙方的作戰(zhàn)想定，包括敵我雙方的典型作戰(zhàn)樣式、參戰(zhàn)兵力規(guī)模和組成、編隊(duì)隊(duì)形、作戰(zhàn)區(qū)域等內(nèi)容，為攻防對(duì)抗仿真提供合理的戰(zhàn)場態(tài)勢輸入。

1.3 復(fù)雜電磁環(huán)境下主要作戰(zhàn)對(duì)象研究

主要研究復(fù)雜電磁環(huán)境下典型作戰(zhàn)對(duì)象預(yù)警和探測、電子戰(zhàn)、防空反導(dǎo)兵力、裝備的戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用和作戰(zhàn)能力，研究主要作戰(zhàn)對(duì)象的指揮控制原則、作戰(zhàn)過程的信息流程，分析作戰(zhàn)對(duì)象的目標(biāo)特性，建立其決策指揮、防空導(dǎo)彈、電子戰(zhàn)、末端反導(dǎo)以及反艦導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部命中艦船造成的毀傷程度等仿真模型[3]。

1.4 反艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)使用研究

根據(jù)海上作戰(zhàn)的特點(diǎn)，分析反艦導(dǎo)彈的作戰(zhàn)使用原則、作戰(zhàn)樣式、攻擊方法和作戰(zhàn)流程，包括：目標(biāo)指示、導(dǎo)彈攻擊決策、航路規(guī)劃、武控解算等。

1.5 反艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)能力模型研究

主要研究反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭抗干擾能力、彈道控制能力、系統(tǒng)精度和毀傷能力，建立單艦和編隊(duì)條件下反艦導(dǎo)彈突防及毀傷能力計(jì)算模型。包括復(fù)雜電磁環(huán)境下目標(biāo)指示系統(tǒng)模型、導(dǎo)彈航路規(guī)劃模型、武控結(jié)算模型、導(dǎo)彈彈道模型、自控終點(diǎn)散布計(jì)算模型、導(dǎo)引頭抗干擾模型、干擾下的目標(biāo)選擇和識(shí)別模型、導(dǎo)彈命中目標(biāo)計(jì)算模型等[4-6]。

1.6 典型目標(biāo)電磁特性研究

主要研究作戰(zhàn)對(duì)象艦船目標(biāo)的電磁特性，電磁特性直接影響導(dǎo)引頭目標(biāo)選擇、識(shí)別和對(duì)目標(biāo)命中點(diǎn)的計(jì)算。電磁特性包括目標(biāo)的電磁散射特性、角閃爍誤差特性。

1.7 仿真支撐環(huán)境及輔助工具研究[1]

根據(jù)仿真應(yīng)用系統(tǒng)需求，研究仿真支撐系統(tǒng)的總體方案，確定仿真支撐系統(tǒng)的構(gòu)成、各分系統(tǒng)的功能以及仿真工具的開發(fā)要求等。仿真支撐系統(tǒng)應(yīng)具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、可重用、便于系統(tǒng)互聯(lián)等特點(diǎn)，還可提供想定制定、組件化建模、數(shù)據(jù)記錄與分析、仿真推演、人在回路等功能，為仿真應(yīng)用系統(tǒng)提供了一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、模型開發(fā)、仿真運(yùn)行與監(jiān)控的綜合支撐環(huán)境。

1.8 反艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)能力計(jì)算系統(tǒng)研制[7-8]

根據(jù)建立的模型，開發(fā)仿真應(yīng)用系統(tǒng)，進(jìn)行模型編制、仿真系統(tǒng)集成等，采用多種方法進(jìn)行模型、數(shù)據(jù)及軟件開展驗(yàn)證；設(shè)定不同的極限條件和邊界情況，對(duì)仿真運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行校核，對(duì)仿真軟件的正確性進(jìn)行確認(rèn)等；計(jì)算不同條件下的反艦導(dǎo)彈的作戰(zhàn)能力，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，最終形成反艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)能力計(jì)算系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)反艦導(dǎo)彈的作戰(zhàn)效能的評(píng)估。

反艦導(dǎo)彈攻防對(duì)抗模型體系結(jié)構(gòu)見圖1所示。

2 系統(tǒng)開發(fā)過程及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 系統(tǒng)開發(fā)過程

(1) 總體技術(shù)研究：對(duì)課題研究進(jìn)行頂層策劃，確定課題體系研究內(nèi)容、計(jì)劃和任務(wù)分工。研究反艦導(dǎo)彈對(duì)海攻擊作戰(zhàn)使用需求，分析影響我反艦導(dǎo)彈突防概率的主要因素，研究反艦導(dǎo)彈攻擊戰(zhàn)術(shù)和對(duì)抗態(tài)勢。根據(jù)作戰(zhàn)需求，研究攻防作戰(zhàn)過程概念模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分解，確定接口和模型設(shè)計(jì)要求。確定全過程系統(tǒng)開發(fā)的驗(yàn)證要求。確定突防及毀傷能力計(jì)算平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求。

(2) 詳細(xì)研究對(duì)抗雙方反艦導(dǎo)彈、艦載防空反導(dǎo)軟硬武器的主要性能、作戰(zhàn)使用策略、流程；研究我反艦導(dǎo)彈抗干擾機(jī)理及敵方干擾樣式；在上述研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭抗干擾外場試驗(yàn)和有關(guān)半實(shí)物仿真結(jié)果，建立敵我雙方的仿真模型[9]。

(3) 根據(jù)作戰(zhàn)需求研究并提出仿真想定，在適當(dāng)?shù)姆抡嫫脚_(tái)上，綜合集成雙方對(duì)抗態(tài)勢，采取計(jì)算分析的方法，對(duì)不同情況下的反艦導(dǎo)彈突防概率進(jìn)行仿真計(jì)算；之后，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定各主要影響因素對(duì)反艦導(dǎo)彈突防概率的影響及各因素之間的相互關(guān)系，同時(shí)開展不同反艦導(dǎo)彈對(duì)目標(biāo)毀傷的評(píng)估研究[10-11]。

(4) 系統(tǒng)開發(fā)過程中，同步開展驗(yàn)證工作。總體設(shè)計(jì)階段開展驗(yàn)證方法研究，并在不同的階段對(duì)模型、數(shù)據(jù)、部分成果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，同時(shí)，結(jié)合實(shí)彈演習(xí)，對(duì)相關(guān)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證[12]。

研究開發(fā)步驟如圖2所示。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

(1) 模型可信度研究[12-13]

仿真結(jié)果是否與真實(shí)世界相符，模型效核與驗(yàn)證起到非常重要的作用。本研究主要從以下幾個(gè)方面把握模型可信度。

圖2 系統(tǒng)開發(fā)步驟Fig.2 System development steps for simulation system

一是在頂層設(shè)計(jì)階段對(duì)課題研究中的相關(guān)驗(yàn)證問題進(jìn)行整體籌劃。 在需求研究階段，確定作戰(zhàn)背景，邊界條件，提出對(duì)外場驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證要求，成立由專家組，對(duì)各階段性的研究成果，例如，開題、模型評(píng)審、數(shù)據(jù)分析、課題驗(yàn)收等進(jìn)行把關(guān)。

二是開展概念模型研究項(xiàng)目相關(guān)模型的研究范圍、功能和接口信息要求，確定仿真中模型的假設(shè)和限制、實(shí)體和過程、算法和數(shù)據(jù)等。

三是聯(lián)合相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜议_展建模仿真研究工作。

四是采取多層次建模、內(nèi)外場試驗(yàn)結(jié)合、多種手段仿真、情報(bào)信息分選等開展模型校核與驗(yàn)證，提高模型可信度。對(duì)關(guān)鍵模型或組件，建立了兩級(jí)仿真模型，工程級(jí)仿真模型和交戰(zhàn)級(jí)對(duì)抗仿真模型。

五是采取多種模型驗(yàn)證方法，對(duì)仿真模型、數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。每個(gè)子模塊的驗(yàn)證。對(duì)邏輯關(guān)系的分析，定性和定量分析等方法

六是充分使用和借鑒各種實(shí)彈射擊數(shù)據(jù)，對(duì)模型、作戰(zhàn)過程、數(shù)據(jù)等進(jìn)行驗(yàn)證。

(2) 反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭抗干擾研究建模

反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭仿真模型構(gòu)建是本研究的重點(diǎn)。該模型的構(gòu)建主要存在以下難點(diǎn)：一是導(dǎo)引頭仿真建模本身的難度很大，要想真實(shí)反映導(dǎo)引頭在不同干擾環(huán)境下的作戰(zhàn)過程和信號(hào)輸出，一般需開展半實(shí)物和外場試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建仿真模型；二是導(dǎo)引頭類型多，各導(dǎo)引頭工作及抗干擾算法均不一樣，建模范圍和內(nèi)容繁多； 三是導(dǎo)引頭抗干擾能力與作戰(zhàn)對(duì)象偵查能力、干擾戰(zhàn)術(shù)、干擾時(shí)機(jī)等密切相關(guān)[12]，也與當(dāng)時(shí)作戰(zhàn)背景和環(huán)境相關(guān)，因此，導(dǎo)引頭建模與干擾模型互相約束；四是導(dǎo)引頭抗干擾處理時(shí)需要多種干擾輸出信息。例如，箔條干擾云團(tuán)不僅需要RCS，還需要其極化特征參數(shù)、幅度參數(shù)等，對(duì)干擾建模要求高[6，13]。

為解決上述問題，項(xiàng)目采取以下措施。

一是多層次建模/仿真/數(shù)據(jù)分析。開展了多個(gè)層次的仿真與建模，半實(shí)物仿真、導(dǎo)引頭數(shù)字仿真和系統(tǒng)對(duì)抗仿真。不同層次的仿真解決不同問題，且互為驗(yàn)證，如圖3所示。

二是開展多型導(dǎo)引頭的數(shù)據(jù)分析、建模和驗(yàn)?zāi)９ぷ鳌闃?gòu)建導(dǎo)引頭抗干擾模型，對(duì)多年來反艦導(dǎo)彈多次演習(xí)或試驗(yàn)的導(dǎo)引頭抗干擾數(shù)據(jù)等進(jìn)行分析，結(jié)合半實(shí)物仿真、信號(hào)級(jí)仿真等，建立反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭多實(shí)例對(duì)抗仿真模型[14-15]。

三是通過情報(bào)數(shù)據(jù)的分析，對(duì)作戰(zhàn)對(duì)手可能實(shí)施的干擾樣式進(jìn)行研究，聯(lián)合干擾與被干擾方，提出導(dǎo)引頭建模要求，使模型構(gòu)建切合仿真需求。

四是根據(jù)型號(hào)試驗(yàn)和信號(hào)級(jí)仿真數(shù)據(jù)不斷地對(duì)導(dǎo)引頭模型進(jìn)行更新、完善。

(3) 反艦導(dǎo)彈命中點(diǎn)及艦船毀傷模型

對(duì)雷達(dá)導(dǎo)引頭而言，反艦導(dǎo)彈對(duì)艦船目標(biāo)的命中點(diǎn)計(jì)算一是艦船目標(biāo)近場的雷達(dá)電磁反射特性及角閃爍誤差等特性對(duì)導(dǎo)引頭跟蹤的影響，二是導(dǎo)引頭與艦船目標(biāo)的交會(huì)點(diǎn)計(jì)算。

反艦導(dǎo)彈對(duì)艦船目標(biāo)的毀傷需要確定的，一是如何根據(jù)反艦導(dǎo)彈命中點(diǎn)計(jì)算戰(zhàn)斗部爆炸點(diǎn)，二是戰(zhàn)斗部爆炸對(duì)艦船毀傷的建模。

圖3 導(dǎo)引頭多層次仿真示意圖Fig.3 Schematic diagram of multi level simulation of seeker

為解決反艦導(dǎo)彈對(duì)目標(biāo)的命中點(diǎn)，本研究建立了典型艦艇的三維模型，采用相位梯度法計(jì)算目標(biāo)不同方位、不同俯仰角下的角閃爍誤差和近場雷達(dá)散射面積，二是把目標(biāo)特性計(jì)算結(jié)果送導(dǎo)引頭處理回路，依據(jù)導(dǎo)引頭和導(dǎo)彈濾波算法、信息處理流程，計(jì)算得出反艦導(dǎo)彈對(duì)目標(biāo)的瞄準(zhǔn)點(diǎn)，最終給出反艦導(dǎo)彈對(duì)艦船目標(biāo)的命中點(diǎn)。

艦船毀傷模型的構(gòu)建也采取了兩級(jí)建模的方法。

在工程級(jí)仿真系統(tǒng)中，首先，構(gòu)建了艦船結(jié)果模型，包括艙室布置、材料、厚度等，然后，采用數(shù)值模擬仿真方法，計(jì)算戰(zhàn)斗部在艙室內(nèi)部爆炸過程，包括戰(zhàn)斗部爆炸效應(yīng)參數(shù)、毀傷半徑。根據(jù)艙室結(jié)構(gòu)、艦載設(shè)施、資源毀傷判據(jù)，確定毀傷的艙室和毀傷的艦載設(shè)施、資源等。在該仿真計(jì)算系統(tǒng)中，對(duì)每一艘典型艦艇，設(shè)置了幾十個(gè)典型爆炸點(diǎn)。

在對(duì)抗仿真系統(tǒng)中，首先根據(jù)導(dǎo)引頭給出的目標(biāo)跟蹤參數(shù)，計(jì)算得出反艦導(dǎo)彈不同彈道下的命中點(diǎn)，計(jì)算導(dǎo)彈穿甲后的剩余速度和引信延遲時(shí)間，得到戰(zhàn)斗部爆炸的炸點(diǎn)位置，計(jì)算艦船關(guān)鍵部件受到的沖擊波超壓，然后，采用查表映射方法獲取最近仿真炸點(diǎn)的爆炸毀傷效果，經(jīng)插值后，得到爆炸點(diǎn)沖擊波和威力半徑等數(shù)據(jù)，再計(jì)算得到相關(guān)艦載設(shè)備、儀器、結(jié)構(gòu)的毀傷情況，計(jì)算相關(guān)分系統(tǒng)以及艦船的毀傷程度，給出艦艇的剩余戰(zhàn)斗力。

此外，藍(lán)方指揮控制模型、電子戰(zhàn)模型、快速統(tǒng)計(jì)計(jì)算等也是課題研究的難點(diǎn)，通過類比法、參數(shù)化模型設(shè)計(jì)、情報(bào)數(shù)據(jù)分析、并行計(jì)算等方法，解決相關(guān)問題。

3 系統(tǒng)體系框架和運(yùn)行模式

3.1 仿真體系框架

反艦導(dǎo)彈突防及毀傷能力仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。仿真支撐系統(tǒng)包括底層的仿真引擎、各類相關(guān)工具。仿真的基礎(chǔ)資源是用戶按照仿真環(huán)境要求開發(fā)的各類模型和數(shù)據(jù)，存放于組件庫和參數(shù)數(shù)據(jù)庫中，最上層是仿真應(yīng)用系統(tǒng)。

圖4 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of simulation system

3.2 仿真系統(tǒng)運(yùn)行方式

仿真運(yùn)行環(huán)境可實(shí)現(xiàn)集中/并行/分布式等多種方式。在集中運(yùn)算方式下，所有組件在單機(jī)運(yùn)行，組件之間的狀態(tài)和事件端口通過本機(jī)底層串行仿真支撐引擎完成；在并行運(yùn)行方式下，將多個(gè)組件的實(shí)例分組并配置到不同的進(jìn)程中，同時(shí)，配置相應(yīng)的并行引擎管理模塊形成邏輯進(jìn)程，多個(gè)邏輯進(jìn)程配置在不同的處理器上并通過MPI(message passing interface)并行程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)并行通信；在分布式仿真模式下，將不同的組件通過HLA(high level architecture)進(jìn)行封裝，配置在不同的計(jì)算機(jī)上，通過RTI實(shí)現(xiàn)分布式運(yùn)行。第1種和第2種運(yùn)行方式是反艦導(dǎo)彈突防及毀傷能力計(jì)算的主要運(yùn)行模式，進(jìn)行不同試驗(yàn)方案的作戰(zhàn)能力分析與評(píng)估，第3種運(yùn)行模式用于作戰(zhàn)方案的模擬推演，可加入可視化相關(guān)內(nèi)容。

4 結(jié)束語

反艦導(dǎo)彈突防水面艦艇仿真系統(tǒng)的研制是在大量的建模、驗(yàn)?zāi)！⒎抡妗⒂?jì)算與分析的基礎(chǔ)上開展的。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了不同戰(zhàn)術(shù)想定下反艦導(dǎo)彈對(duì)水面艦艇的突防及毀傷能力的定量評(píng)估，方法合理，結(jié)果可信，已在多項(xiàng)研究和任務(wù)中得以應(yīng)用，取得了重大的軍事和經(jīng)濟(jì)效益，得到了各級(jí)指揮機(jī)關(guān)和任務(wù)部隊(duì)的一致好評(píng)。

戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈作戰(zhàn)能力評(píng)估是一項(xiàng)復(fù)雜工程，研究內(nèi)容多、難點(diǎn)多，需要長時(shí)間、持續(xù)不斷的努力工作。后續(xù)，項(xiàng)目組將繼續(xù)堅(jiān)持貼近實(shí)戰(zhàn)仿真的要求，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)抗仿真評(píng)估方法研究，長期、深入的開展模型研究、仿真試驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析及模型完善等工作，力求逼真模擬復(fù)雜電磁環(huán)境下戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈攻防對(duì)抗作戰(zhàn)過程。

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Simulation of Antiship Missile Penetration and Damage Capability

SONG Hai-ling, MA Yi-qing, BAO Yong-liang

(Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China)

The research of antiship missile penetration and damage ability is an important basis for operational planning, scheme optimization and weapon system demonstration. Based on the multi-level simulation, experiment and evaluation technology, the quantitative evaluation of the penetration and damage capability are realized of antiship missile, and the result has been used in various research projects and combat training programs.

antiship missile; penetration; damage; combat ability; attack and defense; simulation

2016-02-16；

2016-07-25 作者簡介：宋海凌(1964-)，女，河南開封人。高工，碩士，主要從事系統(tǒng)論證和效能評(píng)估研究。

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.02.030

TJ761.1+4；TP391.9

A

1009-086X(2017)-02-0189-07

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