基于戰法推演的反艦導彈建模方法

張 宇

(中國人民解放軍91404部隊,河北秦皇島 066000)

反艦導彈是以水面艦艇為主要攻擊目標的作戰武器,隨著科技水平日新月異,反艦導彈的攻擊性能也有了很大提高。反艦導彈航路規劃、機動能力的不斷提高,極大地增強了對水面艦艇的突防能力和威脅[1]。隨著武器裝備的不斷發展,現代戰爭的信息化、智能化程度越來越高,軍用仿真技術作為戰法研究的重要手段之一,在作戰模擬方面應用越來越廣泛,為戰法運用和作戰理論研究提供了有力支撐[2-4]。

1 反艦導彈模型需求設計

當對反艦導彈建模方法進行研究時,根據應用需求不同,建模粒度也有所不同。當研究反艦導彈突防和艦艇防空作戰決策能力時,主要關注反艦導彈不同時刻在飛行航路上的位置、高度、航向和航速等信息,此時只需要對反艦導彈的位置信息和運動參數進行建模即可。但當對反艦導彈技戰術性能或作戰效能評估進行研究時,就需要了解每一時刻反艦導彈的空間位置及其姿態變化,通過應用牛頓運動定律和飛行動力學原理,在反艦導彈重力、發動機推力、空氣升/阻力和飛行控制力的協同作用下,建立反艦導彈六自由度空氣動力學模型。大多數情況下,要想獲得氣動參數,必須求解多個高階微分方程,在戰場環境仿真中,由于模型運算量和數據存儲量太大,實現起來相當困難[5-6]。

反艦導彈通過制導系統捕獲、篩選、識別、跟蹤目標并進行打擊,制導系統是反艦導彈實現作戰任務的核心[7]。按照現有主流反艦導彈末制導方式不同,設計3種制導模式的導引頭,包括雷達主動導引頭、紅外導引頭和反輻射導引頭。同時考慮復合尋的制導模式,以雷達/紅外復合導引頭為例進行設計。

2 反艦導彈模型設計

2.1 模型功能設計

模塊化是“系統還原論”自頂向下分解的建模方法,是指解決一個復雜問題時,自頂向下逐層把系統劃分成若干模塊的過程[8]。本文基于模塊化建模方法,兼顧反艦導彈功能特點,將其劃分為反艦導彈平臺模塊、導引頭模塊、信息融合模塊、毀傷判定模塊4個部分,反艦導彈模型功能模塊組成如圖1所示。其中,反艦導彈平臺模塊是反艦導彈模型的核心模塊,主要用于模擬導彈姿態和運動狀態;導引頭模塊包括雷達主動導引頭模塊、紅外導引頭模塊和反輻射導引頭模塊。針對戰法研究需求不同,可以靈活切換導引頭工作模式,也可以通過制導方式設置,采用復合尋的制導模式;信息融合模塊主要用于復合尋的制導模式下的目標信息融合;毀傷判定模塊主要用于對攻擊效果的計算和反饋。鑒于推演系統主要針對戰術級合同戰法進行檢驗,導彈模型進行功能級建模。

圖1 反艦導彈模型功能模塊組成圖

2.1.1 反艦導彈平臺模塊

模塊主要功能如下:

1)導彈運動模擬功能。能夠模擬導彈從發射到命中目標或自毀的全彈道;能夠模擬導彈的垂直發射運動和傾斜發射運動;能夠模擬導彈的爬升、降高、平飛、轉彎、末端躍升等運動,具有平滑的轉彎路徑;能夠模擬導彈的末端飛行加速過程;能夠模擬導彈的偏航、滾轉、縱搖等姿態變化;

2)航路規劃功能。能夠模擬反艦導彈航路規劃功能,針對不同制導模式、不同發射平臺,選擇不同的飛行彈道;

3)毀傷判定功能。能夠調用“毀傷判定模塊”,完成對攻擊目標的毀傷判定結果計算和輸出;

4)反艦導彈自毀模擬功能。反艦導彈在末制導雷達開機后,未發現目標或發現后又丟失目標,即“迷航飛行”狀態。則始終處在末端飛行高度平飛,若一直未獲取目標,指定時間后自動俯沖落水自毀;

5)導彈特性模擬功能。能夠按照想定設計,裝訂不同導彈的初始特性參數,主要包括雷達散射截面積、輻射強度、制導方式、過載角速度、導引頭工作方式、導引頭開機距離等基本特性。

2.1.2 雷達主動導引頭模塊

模塊主要功能如下:

1)雷達目標探測捕獲功能。能夠模擬在有干擾或無干擾情況下,雷達導引頭對目標的探測捕獲情況;

2)目標信息引導功能。導引頭能夠將目標的位置信息實時發給導彈平臺,引導導彈向目標飛行。

2.1.3 紅外導引頭模塊

紅外導引頭模塊主要模擬紅外點源導引頭的工作流程。模塊主要功能如下:

1)目標探測捕獲功能。模擬導引頭在無干擾和有干擾時對目標的探測、捕獲情況;

2)目標選擇跟蹤功能。能夠根據設定的目標選擇原則模擬導引頭對目標的選擇功能;能夠模擬對特定目標的跟蹤功能;

3)紅外誘餌和煙幕干擾處理功能。能夠響應紅外誘餌干擾,將紅外誘餌作為目標處理,滿足能量合成條件時,需要進行能量合成;能夠處理煙幕干擾對紅外輻射透過率的影響;

4)目標信息引導功能。導引頭能夠將目標的位置信息實時發給導彈平臺,引導導彈向目標飛行。

2.1.4 反輻射導引頭模塊

反輻射導引頭用于導彈飛行過程中對雷達輻射源的捕獲和跟蹤,從而實現導彈飛行方向的控制。當反輻射導彈距離輻射源目標較遠時,多個輻射源目標都將處于導引頭的分辨角內,此時導彈將跟蹤合成輻射源;當反輻射導彈距離目標較近時,距離合成輻射源較遠的輻射源與導引頭接受方向法線的夾角將越來越大,當達到某個閾值時,反輻射導引頭會分辨出多個目標輻射源,此時導引頭將穩定跟蹤在其接收機分辨角內的雷達或誘餌,最終導彈將以最大過載修正飛行誤差,從而修正導彈飛行方向,引導導彈飛向目標完成打擊任務。

模塊主要功能如下:

1)信號截獲功能。能夠截獲雷達輻射源信號,并能夠體現導引頭截獲概率等裝備性能;

2)目標選擇和跟蹤模擬功能。能夠根據設定的輻射源目標選擇原則模擬導引頭對目標的選擇功能;并能夠模擬對目標的跟蹤功能;

3)目標信息引導功能。能夠模擬導引頭將目標輻射源的位置信息實時發給導彈平臺,引導導彈向目標飛行。

2.1.5 信息融合模塊

多模復合導引頭工作時并不是簡單的單模導引頭功能相加,而是充分發揮各自模式的優勢來彌補對方的劣勢,將有效信息進行合理融合,從而提高目標探測、跟蹤精度,提高武器的作戰效能。雷達作為一種主動傳感器探測手段,由于可以提供較為完整的目標位置信息或多普勒參數,在目標探測和跟蹤方面發揮著重要作用。較高精度的測角能力和較強的目標識別能力是紅外傳感器的突出優點。從而為了提高跟蹤探測系統的抗干擾能力和可靠性,將雷達和紅外傳感器組合成復合導引頭是個不錯的選擇;利用雷達和紅外傳感器高精度的距離測量和角度測量能力,通過數據融合進行信息互補,可以得到較高精度的目標位置信息[9]。信息融合模塊主要用于反艦導彈復合尋的制導情況下的目標信息融合,這里以雷達/紅外雙模制導信息融合進行設計。

模塊主要功能如下:

1)目標信息融合功能。能夠將雷達、紅外設備對同一目標的運動狀態估計參數進行融合處理,得到精度更高的目標位置及運動信息;

2)目標信息引導功能。融合模塊能夠將目標的最終位置及運動信息實時發給導彈平臺,引導導彈向目標飛行。

2.1.6 毀傷判定模塊

反艦導彈毀傷判定模塊主要用于計算艦艦導彈和空艦導彈對艦艇的毀傷情況。

模塊主要功能為:反艦導彈對目標的毀傷判定功能。當目標進入反艦導彈爆炸半徑后,調用毀傷判定模塊,根據導彈爆炸的毀傷當量,通過概率計算方式得出對艦艇的毀傷當量,并發送反艦導彈攻擊結果消息給被攻擊目標。

2.2 模型接口設計

根據上文模塊劃分和模型功能設計內容,設計模型接口交互如圖2所示。反艦導彈模型邏輯結構圖能夠清楚地描述模型內部各部分之間的交互關系,并能得到模型與外部的交互接口,主要包括反艦導彈平臺、雷達主動導引頭、紅外導引頭、反輻射導引頭、信息融合和毀傷判定6個模型部件。各個部件內部具有獨立的算法處理功能,并通過交互接口完成信息收發。

圖2 反艦導彈模型邏輯結構圖

3 典型飛行彈道設計

水面艦艇是反艦導彈進攻的主要作戰目標,從導彈飛行技術發展來看,反艦導彈在攻擊目標過程中大都采用自控飛行和自導飛行控制方式。由于紅外制導和反輻射制導反艦導彈工作方式、飛行彈道相近,雷達主動制導有自己特有的工作方式和彈道,下面就兩類制導模式設計兩種典型彈道,用于戰術推演系統反艦導彈戰術運用研究。

3.1 典型被動制導彈道設計

反輻射和紅外制導反艦導彈彈道一般分為方案彈道和導引彈道兩個階段,即自控飛行和自導飛行階段。當機載或艦載反艦導彈發射后,導彈進入方案彈道飛行階段,方案彈道主要有發射段、助推段、變高段、轉彎段[10],而后進入導引段。

發射段:當導彈收到發射命令后,導彈離開平臺,控制系統開始工作,穩定導彈飛行姿態,消除發射干擾;

助推段:當導彈穩定飛行后,助推器開始點火;

變高段:當助推器脫落后,導彈在縱向平面內,按照給定的過載開始爬升或下降,到達某一高度后開始平飛,側向平面按照導彈的導引頭輸出信號進行控制。導彈飛行至某一時刻,彈上引信解除保險狀態,此后引信一直處于待爆狀態,當導彈接觸到目標時,引信傳感器組接通,開始動作并且引爆戰斗部;

轉彎段:當導彈飛行方向與目標視線的夾角達到預定門限值時,向導彈飛行控制組件發送轉彎指令信息,使導彈進入轉彎飛行階段。

導引段:導彈為實現導引動作,首先要通過判斷導彈與目標的視線夾角是否達到設定閾值,當達到閾值門限時,通過控制器發出控制信號,使導彈進入導引彈道。此時應該注意導彈在高空突防和低空突防兩種飛行彈道情況下,所設的夾角閾值是不同的。導彈進入導引彈道后按照一定的導引規律,如平行接近法、比例導引法接近目標。當導彈與目標的相對位置滿足一定條件時,引信傳感器發出信號,引爆戰斗部,完成殺傷。典型被動制導反艦導彈飛行垂直剖面示意如圖3所示。

圖3 典型被動制導反艦導彈飛行垂直剖面圖

3.2 典型主動制導彈道設計

雷達主動和雷達/紅外復合制導反艦導彈飛行過程可以分為自控飛行和自導飛行兩個階段。為了提高反艦導彈突防能力,在自導段導彈通常會采取低空突防、“蛇行機動”、“躍升-俯沖機動”、“螺旋機動”等突防方式[11]。鑒于本文反艦導彈模型僅用于戰術運用研究,不考慮后三種機動方式,僅對典型主動制導反艦導彈低空突防彈道進行設計[3],垂直剖面示意如圖4所示。

圖4 典型主動制導反艦導彈飛行垂直剖面圖

自控飛行階段:反艦導彈從發射到末制導雷達開機為自控飛行階段,導彈按照發射時的彈目距離分別計算出的一次降高、一次平飛、二次降高、二次平飛至末制導雷達開機的時間。此階段中,如果是艦載垂直發射,導彈發射時的加速度為垂直發射最大加速度,到達垂直升高段最大高度后進行一次降高;如果是艦載傾斜發射,導彈傾斜角度不能小于最小傾斜發射角度,到達傾斜發射彈道最高點后進行一次降高,此時導彈的飛行速度為巡航速度;如果是載機發射,導彈發射狀態穩定后,進行平飛和降高飛行。

自導飛行階段:對雷達主動制導模式而言,當末制導雷達開機后,導彈進入自導飛行階段。雷達實時獲取目標位置信息,并根據目標位置進行三次降高,而后進入末端飛行階段,并以最大加速度加速到最大飛行速度,到達最大俯沖距離后開始俯沖攻擊。當反艦導彈對目標的毀傷判定模型判定目標進入導彈殺傷半徑之后,導彈爆炸,輸出導彈攻擊結果信息。

對雷達/紅外復合制導模式而言,由于雷達設備的作用距離遠于紅外設備,在遠距離時,雷達設備首先進行搜索跟蹤,當達到紅外設備探測距離時,并且滿足雷達、紅外交接班條件時,雷達實現雷達到紅外設備的交班。交班后,為避免紅外設備收到干擾出現目標丟失的情況,雷達要持續保持對目標的跟蹤狀態,當目標丟失后自動轉到雷達設備探測目標信息,并重新引導紅外傳感通道截獲目標。當兩個類型傳感器同時工作時,調用信息融合模塊對各單模導引頭輸出的決策信息進行數據配準和數據關聯,形成融合目標特征信息。

4 仿真模型開發與測試

基于數字武器開發平臺(DWK, Digital Weapon Kit),通過生成模型代碼框架,并利用C++語言,對模型進行開發實現。

仿真模型測試過程分為兩個階段,第一階段為單機測試階段,通過測試代碼工程編寫測試代碼,對模型各個輸入輸出接口及算法功能進行單機測試。第二階段為系統聯調測試階段,通過制定作戰想定,進行方案部署,對模型間的信息流進行全面測試。通過兩個階段的測試,本文設計開發的反艦導彈模型,可以成功應用于戰法推演過程中,具有很好的可重用性和可擴展性,對戰法研究具有重要意義。

5 結束語

在數字武器開發平臺DWK研究的基礎上,為滿足戰法研究的實際需求,本文基于模塊化分析方法,并結合組件化設計思想,完成了反艦導彈模型的需求分析、功能設計、接口設計、算法設計和開發測試工作。通過應用驗證,該模型可以根據實際需求,通過改變性能參數、導引頭類型實現不同型號、不同制導模式反艦導彈的模擬,具有很好的可重用性和可擴展性。目前,該模型已經在某戰法推演系統中得到很好的應用,模型功能完善、運行穩定,對檢驗作戰預案的合理性,提高戰法的運用能力具有重要意義。下一步,將對反艦導彈突防和反導戰法作戰效能進行研究,這就要求建模的粒度更高,彈道模擬更加精細、更加多樣,還需要考慮動力學因素,最終實現對實裝模擬更加逼真,真實反映反艦導彈作戰過程的目的。