基于數字孿生的艦載電子對抗效果評估方法研究

余海瑞，王璀璨，戴鈺杰，張孟超

(中國船舶工業系統工程研究院，北京 100094)

0 引 言

反艦導彈和艦載電子對抗系統是矛與盾的關系。隨著反艦導彈的更新換代，對艦載電子對抗系統的要求也越來越高。如何利用有限的干擾資源對抗盡可能多的反艦導彈是電子對抗系統必須面對的問題[1-3]。其中最關鍵的難點是電子對抗效果評估，尤其是在線效果評估一直是困擾電子對抗系統設計者的難題，目前尚未取得突破，一方面是因為電子對抗的特殊性，干擾資源使用后，是否形成有效干擾，通常只能從被干擾方觀察；另一方面，隨著反艦導彈速度普遍向超音速甚至高超音速方向發展，留給電子對抗效果評估的時間越來越少，給評估帶來了更大壓力。雖然工程上實現在線評估很難，但是在線效果評估對電子對抗系統決策而言十分重要，其結果將直接影響指揮員決定是否要補充釋放干擾資源，必須積極探索在線評估方法[4-6]。

1 艦載電子對抗系統作戰對象特點

艦載電子對抗系統在未來的一段時間內，仍然以防御藍方反艦導彈的攻擊為主，隨著科學技術的不斷發展，反艦導彈也不斷更新，呈現出新的特點。現代導彈特點：

(1)反艦導彈飛行速度快，有的可以達到2～3倍音速，飛行速度接近1 km/s。這就要求艦載電子對抗系統反應、指揮員決策和干擾箔條云形成的時間很短。

(2)具有超低空掠海飛行和蛇形機動能力，使艦載防空導彈對來襲導彈的攔截具有巨大的挑戰性。

(3)具備多次開機搜索能力以對抗欺騙，使艦艇指揮員實施沖淡干擾等的時機難以掌握。

(4)當導彈二次開機進行末制導雷達跟蹤時，有的導彈末制導雷達只跟蹤反射面積較小的目標，有的導彈末制導雷達只跟蹤反射面積較大的目標，而不是跟蹤艦艇與假目標的能量質心。

(5)當箔條云、艦艇和導彈形成夾角大于一定值時，導彈不再跟蹤艦艇和假目標的能量質心，而是跟蹤導彈第1次開機時搜索到的目標。

面對反艦導彈新的特點，艦載電子對抗系統需要不斷完善，以適應新的威脅，因為一方面，很多過去認為對的干擾原則已經過時，不再適用；另一方面，干擾效果評估必須根據新的作戰對象的特點進行優化升級。

2 艦載電子對抗效果評估方法

艦載電子對抗干擾效果評估結果是決定艦載電子對抗系統是否進行再次干擾的重要依據。當前干擾效果評估的主要思路是利用傳感器獲得反艦導彈末制導雷達狀態、反艦導彈航跡變化或在演習時從第三方的角度觀察反艦導彈狀態作為評估依據，但在海戰場環境下，這些方法無法有效地為指揮員提供效果評估結果，主要原因是：

(1)當前導彈普遍采用多模復合制導方式，不再是單一的主動雷達制導，僅利用電子對抗系統內部傳感器獲取信息已經不能滿足效果評估需要，且由于海上環境復雜，導致電子對抗系統獲得的反艦導彈主動雷達導引頭信息可能是時斷時續的，導致無法在短時間內給出效果評估結果。

(2)實際海戰環境下，艦載雷達傳感器捕獲的反艦導彈航跡信息也可能不連續，所以僅通過現實中的傳感器信息獲取的導彈位置信息來判斷導彈航跡變化，也不一定能完全滿足效果評估的需要。

(3)由于反艦導彈速度不斷提升，電子對抗系統從決策到實施干擾的時間很短，非在線的效果評估方法不能滿足指揮員作戰指揮的需要。

綜合上述問題，本文提出了一種利用數字孿生進行艦載電子對抗效果評估的方法，將仿真和實際戰場態勢相結合，充分發揮仿真的優勢，使用超實時的方式對對抗的過程進行快速預測，并給出對抗效果，為對抗反艦導彈時更好地進行電子對抗效果評估提供了一種新思路。

3 數字孿生技術的特點及在電子對抗效果評估過程中的應用

數字孿生技術是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的試驗裝備全生命周期的過程的技術。以數字孿生技術為核心的仿真系統可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統的數字映射系統。

本文將對抗反艦導彈的過程數字化，利用仿真模型在虛擬空間中構建反艦導彈、我艦、對抗資源等，根據傳感器信息通過仿真計算，對對抗反艦導彈全過程進行在線評估，并及時給出評估結果，幫助指揮員決定否需要進一步釋放干擾資源。

4 電子對抗系統在線效果評估分析

由于在線干擾效果評估受到諸多因素的限制，如不斷變化的環境因素、干擾資源使用時機、干擾資源特點等，到目前為止仍然是一個沒有被完美解答的難題。但在線干擾效果評估的目的是：一方面使處于戰場的指揮官能夠明確地知道干擾的效果，使對抗反艦導彈過程不再盲目；另一方面，在線干擾效果評估是干擾資源調度決策的基礎，所以研究在線干擾效果評估有其十分重要的意義。

因為對抗反艦導彈的過程中使用的干擾資源根據不同的階段而不同，考慮的情況多且復雜，但使用干擾資源的目的就是使反艦導彈無法命中紅方艦艇，所以在實戰中衡量干擾效果好壞并不是看干擾資源能否降低反艦導彈捕獲概率大小，而是看能否成功使反艦導彈丟失目標，是否使紅方艦艇成功躲避藍方反艦導彈的攻擊。由于篇幅限制，本文的在線干擾效果評估，只以箔條沖淡干擾為例進行分析，其他干擾資源的干擾效果或者其他階段的干擾效果可以采用同樣的方式進行評估。

4.1 箔條沖淡干擾原理及數學模型

箔條沖淡干擾方式在工程上應用廣泛，也是艦載電子對抗系統完成對抗反艦導彈作戰的主要干擾方式之一。箔條沖淡干擾的目的是在藍方反艦導彈一次開機之前，在紅方艦艇周圍布放N個箔條云，從理論上講，箔條云產生的雷達截面積(RCS)應當與小型船只的RCS相當。理論上講，當反艦導彈一次開機搜索時，各個箔條云應當已經達到最佳RCS，使反艦導彈的末制導雷達無法分辨紅方艦艇和假目標，那么紅方艦艇被鎖定的概率就由100%降低到1/(N+1)。

箔條云布放點受風、艦艇運動、投放系統精度等多種因素的影響，其散布方程可近似認為在縱向、橫向、高度上分別服從正態分布。箔條云的水平運動方向和運動速度主要由風速、風向決定，垂直方向的運動速度由箔條材料決定,一般鍍鉛玻璃絲的下降速度為0.3 m/s，則：

Vc=Vw

(1)

式中：Vc為云的運動速度；Vw為風的運動速度。

4.2 導彈運動模型

導彈與目標的相對運動方程如下：

(2)

式中：r為導彈相對目標的距離，導彈命中目標時r=0；q為目標線與基準線之間的夾角，稱目標線方位角(簡稱目標線角)，若從基準線逆時針轉到目標線上時，則q為正；Am和At分別為導彈、目標速度矢量與基準線之間的夾角，稱之為導彈彈道角和目標航向角；Bm、Bt分別為導彈、目標速度矢量與目標線之間的夾角。

上述夾角均以從基準線起逆時針方向為正。圖1為導彈與目標的相對位置圖。

圖1 導彈與目標的相對位置圖

4.3 沖淡干擾在線效果評估過程

4.3.1 沖淡干擾仿真過程

當電子對抗系統從其它傳感器中獲取反艦導彈的距離、航向等參數后，根據艦艇的運動模型、導彈運動模型等，仿真出導彈攻擊紅方艦艇、箔條云的軌跡。

在實際戰場中，導彈的速度、真風速、相對風向、反艦導彈與目標的距離、反艦導彈的位置等都可以通過紅方傳感器獲取準確的數據。

例如：設紅方艦艇速度12 m/s，導彈的速度為300 m/s，真風速為5 m/s，初始時刻反艦導彈與紅方艦艇的距離為10 000 m，初始時刻箔條云、艦艇、反艦導彈位置如圖2所示，以反艦導彈位置為原點，目標速度方向為X軸方向，水平面為坐標平面。

圖2 箔條沖淡干擾時反艦導彈與艦艇位置圖

根據圖2顯示的位置，計算出仿真需要的參數，可以獲得反艦導彈攻擊紅方艦艇和箔條云的軌跡，見圖3。

圖3 仿真計算出的導彈攻擊不同目標的軌跡

圖3中，仿真步長為1 m，在實際戰場中，由于外界環境不斷變化，所以軌跡仿真會在構建的數字孿生虛擬環境下，實時根據風速、風向等外界環境的變化和傳感器獲得的導彈位置信息，對計算結果進行修訂，同時繪制反艦導彈的攻擊軌跡。

4.3.2 電子對抗效果評估過程

在體系作戰情況下，可以獲取反艦導彈攻擊目標的準確航跡，因此可以將實際的反艦導彈軌跡與仿真結果進行融合度評估，以保證仿真的真實有效。隸屬度函數可以較好地表征評估模擬點與樣本點的緊密程度，本文采用高斯核隸屬度函數來表征。假設導彈攻擊目標的實際軌跡點為I(Xi，Yi)，對應的仿真軌跡點坐標為K(Mk,Nk)，則有如下隸屬度函數：

(3)

(4)

式中：Mk、Nk分別代表仿真軌跡中的每一個仿真點的X坐標與Y坐標；Xi、Yi為反艦導彈實際軌跡在對應時間點的X坐標與Y坐標；σ為樣本點到所在類中心的距離，在高斯隸屬度函數中用高斯分布表征。

根據軌跡融合結果，電子對抗效果判斷規則為：

(1)如果融合后的軌跡為反艦導彈攻擊艦艇的軌跡，則說明干擾失敗；

(2)如果融合后的軌跡為反艦導彈攻擊箔條云的軌跡，則說明干擾成功；

(3)如果沒有曲線可以與反艦導彈的實際曲線相融合，但其它傳感器獲取的軌跡，在‘□’曲線與‘+’曲線之間，仍然存在攻擊我艦艇的可能，則說明反艦導彈采用的是跟蹤能量中心的方式或蛇形機動等方式；

(4)如果反艦導彈實際軌跡在攻擊目標的過程中突然消失，電子對抗系統在反艦導彈理論上二次開機范圍內，也沒有截獲反艦導彈的末制導信號，此情況可能是紅方艦艇硬武器對抗反艦導彈成功，那么電子對抗系統不需要對該批目標進一步干擾，此時也將判斷干擾成功。

根據虛擬環境中的導彈軌跡與仿真攻擊軌跡的時空對準比對結果和對抗效果評估規則，可以為指揮員提供判斷電子對抗效果的依據。

5 結束語

本文提出的利用數字孿生進行艦載電子對抗效果評估的方法，期望充分發揮仿真計算的優勢，為實際裝備設計提供一種新的思路，但該方法并不完善，在評估判斷規則、仿真模型等方面還有較大的改進優化的空間，后續將進一步在上述方面進行優化提升。