基于仿真試驗的彈道導彈突防效能評估*

鄭曉龍,張大巧,李邦杰

(火箭軍工程大學, 西安 710025)

0 引言

作戰效能與武器系統固有的能力水平不同,它與使用計劃以及預期作戰環境等因素密切相關,在不同環境與條件下武器系統作戰效能將呈現不同的水平[1]。信息化戰爭條件下,戰場態勢瞬息萬變,根據戰場實際情況對作戰計劃作出迅速及時的調整與改變,是提高武器系統作戰效能的必要途徑之一。隨著作戰計劃與預期環境不確定性的增加,武器系統作戰效能快速評估的需求也日益迫切起來。傳統的效能評估方法與手段在處理作戰效能評估問題時,往往存在著周期長、評估目標單一、開支大等方面的不足,難以滿足信息化戰爭條件下武器系統快速有針對性的效能評估需求[2]。因此,建立有效適應戰場環境、作戰計劃以及武器特點的作戰效能快速評估方法,是適應未來信息化作戰需求、有效提高部隊的戰場適應能力的必要手段。

彈道導彈作為現代戰爭的殺手锏武器,是武器裝備體系中的重要一環。突防作戰效能是彈道導彈武器系統作戰效能的核心組成部分之一,其評估工作較為復雜[3]。由于導彈突防能力與作戰計劃、戰場環境等因素聯系緊密,對其進行有針對性的快速評估研究,在解決相關問題中具有一定的代表性。文中提出了在具體想定條件下的突防作戰效能評估思路,為快速、有針對性的實現突防作戰效能的評估提供了方法,也為相關類似問題提供了解決思路。

1 效能評估方法分析

總體上國內外涉及武器系統作戰效能研究的各種方法及模型,主要包括專家評定法、試驗統計法、作戰仿真評估法、指數法和解析法等幾大類[4-5]。以上各類作戰效能評估方法各有優缺點,且各有一定的適用條件,同時它們都有主要的應用對象。而對時效性、針對性需求較強的作戰問題而言,快速有效的效能評估仍然是一個研究的熱點。彈道導彈突防作戰效能評估技術是一個對時效性與針對性要求較高的體系級效能評估問題,要提高評估結果的可信度,減少評估風險,需要借鑒并吸收各種方法的優點,構建科學有效的評估方法[6]。

文中提出以仿真試驗為技術手段,采用以仿真為主、多種評估方法綜合互補的效能評估模式。通過構建“通用導彈飛行仿真框架”,為彈道導彈突防作戰評估提供仿真平臺；以導彈突破防御能力、反導系統防御能力、導彈突防度等要素為分類指標,在考慮多種評估方法的基礎上,構建多維性能評估指標體系；采用模塊化仿真體系結構,以使仿真框架能夠實現包含全數字仿真、半實物仿真和依托飛行試驗數據仿真的異類混合仿真試驗,從而為仿真鑒定評估提供可靠可信的技術支撐；應用對仿真評估數據、飛行試驗評估數據、專家打分評估數據等多源異質數據進行統一標準的技術,實現對彈道導彈突防作戰效能準確可靠的鑒定與評估；將研究成果進行整理與集成化,形成可針對多種導彈類型的仿真試驗評估工具,從而為彈道導彈突防作戰效能評估提供技術支撐。

2 導彈攻防通用仿真框架構建

評估的核心環節是構建科學合理、與評估目標契合的仿真系統。突防作戰對應的武器系統、作戰環境、作戰需求各不相同,難以用一套固定的系統與模型實現對各類作戰條件的適應。文中提出構建通用性突防仿真框架的思路,用于提高仿真系統在效能評估中的靈活性與適應性。

實現仿真系統的通用性必須首先建立一個通用性的框架,在此基礎上通過模塊化設計實現方案與想定、通用與專用之間的角色轉換。研究過程可分為3個層次：利用通用框架實現導彈突防仿真流程、模塊、數據之間的有機聯系；在此基礎上建立通用模塊接口與規范；設計通用模塊代碼滿足通用性要求,滿足根據具體想定利用相應模型替換通用模型完成作戰效能評估的要求。具體仿真框架結構如圖1所示。

圖1 彈道導彈突防作戰通用仿真框架

通用彈道導彈突防仿真系統是以腳本運行化的飛行仿真流程為目標、以標準化模塊結構為基礎的,可以根據不同的想定,靈活地對相應模塊進行替換,有效地組成與想定相對應的仿真系統,實現想定所需要的作戰條件與環境。在此基礎上,仿真框架能夠在提高仿真系統可信度的同時,有效提升作戰效能評估水平。

3 基于仿真試驗的效能評估

導彈攻防仿真系統給出的仿真結果并非效能評估結果,仿真僅僅是以盡可能貼近實際情況的模型,對給定條件下的作戰過程進行復現與預測,而效能評估則是對作戰系統完成任務水平的計算。因此在依托導彈突防仿真框架進行仿真評估時,需要將仿真想定與作戰條件、戰場環境等要素有效地進行契合,從而保證與評估相關的要素在仿真中得到有效體現。

基于仿真試驗效能評估的基本思路為：構建基于多維指標體系的導彈體系突防效能評估系統,針對給定的作戰想定,仿真系統對導彈攻防過程進行有效仿真,通過在仿真過程中對評估相關的數據進行采集與計算,綜合運用多種效能評估方法,給出相應的彈道導彈突防效能指標值,進而判斷導彈武器系統體系突防效能的高低。具體思路如圖2所示。

圖2 彈道導彈突防效能評估總體方案

文中主要基于仿真試驗的導彈突防效能評估中的指標構建、評估數據采集以及多源數據融合等關鍵技術進行了分析與研究。

3.1 效能評估指標構建

指標體系可以認為是效能評估的支撐框架與細節體現。需要指出的是,針對不同的作戰計劃與任務,作戰效能的體現也不相同。因此構建的指標體系應當是有一定適應性的多維指標體系,能夠根據評估需求靈活地給出有針對性的評估指標。

導彈突防效能評估的指標體系,基本是從被發現和被打擊的兩個大指標進行指標體系的構建,部分也考慮導彈武器本身的能力等指標。多維指標體系構建可以從不同的角度反映具體的作戰需求。例如,彈道導彈突防效能評估可以從導彈突防概率、反導攔截概率以及二者的比值突防度等不同維度構建指標體系,不同的指標值之間既反映不同的作戰任務需求,又有著密切的聯系[7]?？梢哉f合理的多維度效能評估指標是評估工作的基礎,也是得出正確評估結論的前提。

構建彈道導彈突防效能評估工作的多維指標過程中,具體的指標形式需要結合作戰計劃、作戰任務以及仿真系統實際情況綜合確定,其中重點是給出指標建立規則和指導選擇標準,在此基礎上科學合理設計與評估目標契合的多維指標體系與相應的指標值計算方法,從而建立結構合理、層次完善的多維指標體系。具體構建過程如圖3所示。

3.2 評估數據采集

采集有效的用于評估的仿真數據,是效能評估仿真試驗法中一個核心工作。仿真數據源的采集首先需將評估需求細化為對指標數據的需求,然后結合仿真模型將指標需求體現出來,接著根據具體的試驗方案,在仿真過程中對所需的數據進行采集,并將采集所得數據運用于效能評估工作。可以看出,仿真數據的采集需要在評估系統與仿真系統之間進行協調實施。評估系統需要仿真系統通過具體指標的形式進行有效的反映,而仿真系統的實際狀態也是評估系統進行需求確定時需要考慮的內容。根據這一情況可將仿真試驗評估系統視為由評估系統、仿真系統與數據采集系統3個子系統組成,三者關系如圖4所示。

圖3 指標構建過程

圖4 仿真數據采集關系結構圖

數據采集系統是將評估與仿真有效聯系起來的中介。體現為：評估系統中的評估需求,需要通過指標化的方式轉換為數據采集清單,并為仿真系統需求提出要求。仿真系統則分析提出的數據采集清單包含的內容是否能夠在仿真系統中得到體現,并進行采集；如果仿真系統不能直接提供所需數據,則一方面通過調整仿真模型進行適應,另一方面可與評估系統協調,重新調整數據采集清單。通過聯接與協調,得出評估系統與仿真系統能夠共同認可的數據采集清單,在仿真過程中采集評估所需數據,并進行效能評估。

3.3 多源評估數據的融合評估方法

彈道導彈突防效能評估過程中面臨著許多不確定因素,彌補由這些不確定因素造成的影響,需要尋求盡可能多、可利用的數據源作為評估的依據。為實現不同數據源之間的有效評估融合,需要考慮的問題包括：各類評估信息的統一表達,如仿真采集信息與專家經驗評估信息的統一表達問題；評估融合算法模型的構建,如不同數據源之間的加權算法等。

縮減評估的風險性,提高評估的可靠性,需要利用多種載有不同的合理成分的評估數據源的支持。進行彈道導彈突防效能評估時,專家的經驗信息不僅是寶貴的數據源,也是仿真采集數據不可或缺的補充[8]。評估過程中,需通過信息統一與加權融合的方法,對以定量表達為主的仿真數據和以定性表達為主的專家數據等多源數據進行綜合,進而得到穩定可靠的評估結論。數據融合評估框架如圖5所示。

圖5 評估數據融合流程圖

4 算例

以彈道通用仿真框架設計的單級近程導彈與反設計得到的PAC-2、 PAC-3反導防御系統進行對抗突防仿真為例,應用以上方法對突防效能進行了評估并對結果進行了分析。

作戰仿真想定為單彈進攻,導彈發射點為(XX° XX′ XX″ N,XX° XX′ XX″ E),目標點為(XX° XX′ XX″ N,XX° XX′ XX″ E),PAC-3部署位置為(XX° XX′ XX″ N,XX° XX′ XX″ E),攔截方案為二攔一；突防效能總指標為突防概率,在分解指標的同時,結合仿真系統模型,給出了與末級指標相對應的包含162項內容的數據采集單。部分采集清單與采集數據如表1所示。

表1 部分采集及計算指標清單

除以上由仿真獲取的評估數據外,導彈發射可靠性、導彈飛行可靠性等指標由專家經驗給出。將評估數據進行標準化與融合計算,可分別得出針對PAC-2、 PAC-3二攔一方案的突防概率為84.12%與53.63%。

按照以上方式,在分別改變仿真想定中的攔截次數、防御系統部署位置以及彈道形狀(發射點位置)等條件的前提下,繼續計算導彈突防效能值,通過對評估結果的分析可以得出以下幾點結論：增加攔截次數可以提高攔截概率降低導彈突防概率；反導防御系統部署距目標點越遠,攔截概率越低突防概率越高；彈道越高,攔截概率越低突防概率越高。

5 小結

以仿真為主,多種評估為輔的導彈突防效能綜合評估方法,具有靈活性高、適應性強以及經濟節約等方面的優點。這一方法與體系的建立可為導彈體系突防作戰提供可靠的突防效能評估方法,進而可為導彈作戰提供可靠的體系突防方案；同時,還能為新型導彈武器系統突防能力的需求論證、創新作戰理論研究、作戰方案評估、關鍵技術驗證等提供有效支撐。

需要指出的是,在突防效能仿真評估過程中,目前所做的工作僅僅考慮了末段防御系統反導防御系統。目前國外先進反導攔截技術已經發展為全方位、網狀反導防御系統,因此效能指標、評估算法的研究還需進一步與先進突防和反導技術相對應,提高技術的針對性。這也是下一步需要研究的重點方向。