防空導彈攔截效果評估研究綜述

宋貴寶,劉鎮毓,劉 鐵,姜子劼,劉 戰

(海軍航空大學 岸防兵學院， 山東 煙臺 264001)

1 引言

當下，空襲作戰已經成為高科技局部戰爭的主要形式，而防空導彈主要用于攔截來襲反艦導彈與對地攻擊導彈，是攔截來襲目標的關鍵武器力量[1]。在進行防空反導作戰時，為確保消滅來襲目標，往往會采用“雙打一”甚至“三打一”的攔截方式，但隨著空中目標采用飽和攻擊作戰方式的廣泛運用，在彈藥數量有限且空中目標較多時， “多打一”的攔截方式一方面會導致防空導彈數量迅速下降而影響防空體系持續作戰的能力，另一方面也會導致一個目標占用多個武器通道等作戰資源而影響對多目標進行攻擊的作戰能力[2]。

究其采用“多打一”攔截方式的原因，很大程度上是由于目前條件下，難以及時、準確判斷前一發導彈對目標的攔截效果，為避免出現前一發導彈沒有毀傷目標且沒有及時發現的問題，從而不論前一發導彈是否毀傷目標便運用后續武器單元進行再次射擊。如果能夠解決對每一發防空導彈的攔截效果進行快速、準確評估的問題，及時為防空導彈武器系統的后續射擊決策提供精準的信息支持，在判明目標未能被前一發導彈攔截時迅速組織火力對該目標進行補射，或目標已被前一發導彈毀傷后對其他剩余目標進行轉火射擊，則能夠很好地兼顧有效攔截目標、合理利用火力、盡量減少彈藥消耗等需求，從而達到“精細作戰”的效果，有效提高防空導彈武器系統的作戰效能[3-5]。

2 攔截效果評估研究現狀

一戰期間，美軍指揮員為了掌握轟炸效果開始對目標毀傷照片進行研究，由此拉開了目標毀傷效果評估的序幕。自海灣戰爭后，世界各國都愈發重視毀傷效果評估在戰爭中的作用，評估的技術方法也不斷發展[6-7]。隨后，對導彈攔截空中目標的評估也逐漸被軍事強國所重視，尤其在近年來的幾次局部戰爭中，攔截效果評估技術得到了迅速發展，評估方法也由早期的人工經驗判斷法發展到了直接觀察法、信息分析法等[8-9]。

近年來，圖像分析技術逐漸被應用在防空導彈攔截效果評估領域[10]。據報道稱，美國國防部高級研究計劃署正在進行名為“快速射擊效果評估”的研究，該研究基于紅外圖像來實現對機動目標打擊效果的自動評估，并做到實時提供評估信息以滿足戰場決策需要，這無疑將該領域的研究推到了新的高度。俄羅斯也正發展新一代的動態目標毀傷評估系統(R/T-BDA)，據悉該系統通過獲取戰場實時的圖像信息以實現對動態目標的打擊效果評估，通過該系統可以更加詳盡地掌握空中目標的毀傷信息，幫助作戰指揮中心更精細地制定防空作戰計劃[11]。

我國在防空導彈攔截效果評估領域的研究起步較晚，技術也相對落后，但在軍方的高度重視下，軍內外的一些學者已在進行深入研究，并且取得了一定的成果，促進了我國防空導彈攔截效果評估研究的發展。

2.1 攔截效果評估流程

目前，學者們對空中目標攔截效果的評估主要是利用戰場探測系統獲取的目標信息來完成的，評估原理是通過比較目標在受到火力打擊前后相關特征參量的變化情況，進行量化處理，最終形成綜合評估結果。結合馮文飛等[12-13]對空中目標毀傷判別技術的研究，攔截效果評估的系統如圖1所示，相應的攔截效果評估系統應當具有如下特點：

1) 評估系統要能獲取目標在受到火力打擊前后特征參量的變化信息；

2) 評估系統要能確定特征參量發生變化的時間臨界點；

3) 評估系統要能根據特征參量的具體形式，建立能夠準確反映參量變化的數學表達式，量化處理特征參量的變化程度，以此來進行攔截效果評估；

4) 對不同特征參量的評估結果要進行綜合考慮。

圖1 防空導彈攔截效果評估系統框圖

對目標進行攔截效果評估，需要選取能較好地反映目標變化情況的特征參量，特征參量的變化越明顯，說明目標受到的損傷越嚴重；反之，則說明目標受到的損傷越輕。因此，在進行特征參量的選取時，通常需滿足以下條件：

1) 在目標受到攔截前，特征參量應當具備連續性；

2) 在目標受到攔截后，特征參量應當會發生較為顯著的變化；

3) 特征參量在進行相關計算時須滿足實時性，防止因為時間延誤影響指揮員的決策；

4) 特征參量的選取還應結合探測系統的具體情況而定。

2.2 目標毀傷等級判定

為便于描述和評估目標被擊中后的毀傷情況，通常進行毀傷等級劃分。國外對于飛機類型的毀傷級別一般分為五級[14]，分別為：KK、K、A、B、C五個級別，其判定如表1所示。我軍對于目標的毀傷等級評定，通常分為無損傷、輕傷、重傷和摧毀。

表1 飛機類型目標攔截等級評判表

防空導彈通常以近炸引信引爆破片殺傷型戰斗部對目標進行攔截，防空導彈爆炸后，往往會導致目標爆炸或運動軌跡發生變化。此外，考慮到防空導彈的作戰對象通常是導彈類型的目標，而導彈類型目標屬于一次性消耗品，通常情況下認為“命中即毀傷”。因此，曾雅文等[15]將導彈類目標的攔截等級劃分為兩個級別，如表2所示。在戰場環境中，對于導彈類型目標的攔截效果評估，通常劃分為命中目標/未命中目標，若命中目標，則對其余目標進行轉火射擊；若未命中目標，則立即進行補射。

表2 導彈類型目標攔截等級評判表

2.3 攔截效果評估方法

目前，防空導彈在執行攔截目標的任務時，主要采用2種方法對攔截效果進行評估，即直接觀察法和信息分析法。

2.3.1直接觀察法

直接觀察法就是通過觀察雷達顯示屏或彈載通信設備顯示的目標和導彈相關信號狀態，對彈目遭遇時刻附近目標狀態的變化進行觀察，據此判斷目標是否被成功攔截。目標在遭遇火力打擊前，在雷達圖像上體現為一個實體圖形，而在遭遇火力打擊后，常被分裂成一定數量的碎片，雷達圖像也由亮度集中的實體變成多個面積較小、呈散狀分布的小目標。此外，若目標在受到火力打擊發生轟燃后，燃燒會破壞空中目標的隱身性，目標雷達回波圖像還可能會發生明顯增大。KennethA.Conley等[16]研究了導彈射擊效果的實時毀傷評估系統，該系統在導彈攻擊目標前與及時與導彈分離，通過彈載通信設備實時傳輸導彈攻擊圖像，對空中目標的毀傷效果進行評估。劉健等[17]分析了成功攔截目標雷達圖像可能出現的特別現象，并以此界定了攔截效果評估準則。倪小清等[18]通過對目標損傷的定性分析，將受到硬殺傷的目標分為引燃和引爆兩種，并界定相應雷達回波圖像的不同現象，有著一定的實際應用價值。

直接觀察法進行攔截效果評估的優點是，能夠根據雷達或彈載通信設備顯示的圖像變化情況，較為直觀地由人工進行攔截效果評估，但在面對多目標的復雜情況時，沒有嚴密的判斷邏輯和先進的評估模型，僅由人工經驗結合雷達圖像進行評估很容易造成誤判，評估結果的準確性還有待提高。

2.3.2信息分析法

信息分析法是對目標受打擊前后所反映出來的不同信息進行對比，并采用相應的分析方法進行攔截效果評估。該方法通常是對獲取的目標的軌跡、姿態等數據和圖像信息，綜合進行定量或融合分析，并依據相應的判斷規則，評判目標是否被成功攔截。目標在被成功攔截后，速度大小、方向以及航捷往往都會發生突變，基于這些特征變化，形成相應的判斷邏輯，能夠對攔截效果進行有效評估。倪小清等[18]通過對空中目標的毀傷情況進行等級劃分，利用目標在被攔截前后的軌跡變化建立數學模型，從而確定目標的毀傷等級，并通過算例進行驗證。周智超等[19]通過對目標被攔截前后雷達反射面積、位置信息、運動參數的變化情況，建立相應的毀傷等級評估規則與評估模型。

此類方法的優點是：能夠對目標軌跡、姿態等變化情況進行定量計算與分析，形成較為嚴密的判斷邏輯，評估結果較為準確。但是該方法是基于雷達圖像進行的，而雷達回波周期相對較長，難以滿足近程防空導彈攔截效果評估時間上的要求，評估的實時性還有待提高。

3 攔截效果評估模型

目前，國內外學者在進行空中目標攔截效果評估時，針對不同的側重點，通常會采用不同的評估模型，而被廣泛應用的主要包括模糊理論模型、貝葉斯網絡模型、隨機多屬性分析模型等[20-24]。

3.1 模糊理論評估模型

模糊理論評估模型以模糊數學理論為基礎，能夠綜合考慮多種模糊因素，將定性評價轉化為定量數值進行評估[25-26]。Tao Li 等[27]將模糊評估理論用于目標毀傷效果評估中,建立了基于破片和沖擊波的毀傷效應模型以及評價指標的量化等級，定量分析了對目標的毀傷效果。胡曉偉等[28]針對攔截效果評估中出現的隨機性和模糊性因素，采用模糊評估法綜合考慮多種模糊因素并進行評價和判別，提出基于混合層次的模糊綜合評判模型，有著較好的適用性。

模糊理論評估流程如圖2所示，該方法的優點在于可以為模糊信息的科學化和實用化提供量化指標。但是該方法由于指標之間的相關性，評估時可能會出現重復評價的可能，并且模糊理論邏輯運算量大，計算權重較為復雜。為解決這一問題，胡曉偉等[29]在選取評估特征指標的基礎上，采用神經網絡處理模糊系統，有效克服了模糊理論邏輯運算量大的缺點，同時具有自學習機制，該方法為防空導彈攔截效果評估提供了新的思路。

圖2 模糊綜合評判方法流程框圖

3.2 貝葉斯網絡評估模型

貝葉斯網絡是一種基于概率推理的圖形化網絡，常被應用于對控制因素有影響的攔截效果的評估中，是有效解決信息不準確、不完整問題的數學推理模型[30-31]。Johansson F等[32]將貝葉斯網絡算法應用于移動防空目標的毀傷評估，但是該方法僅考慮靜態的作戰環境，對于動態的實戰環境適用性不強。胡曉偉等[33]針對攔截效果評估時出現的信息不準確、不完整問題，分析了攔截效果評估的影響因素，進而構建了基于貝葉斯網絡的攔截效果評估模型。曲婉嘉等[34]通過加入時間的演化過程，構建了動態貝葉斯網絡，并由特定的案例確定了網絡拓撲結構和參數，建立了基于動態貝葉斯網絡的評估模型，并通過仿真驗證了該模型的準確性。

典型貝葉斯網絡結構如圖3所示，該方法的優點是可以對不確定性問題進行很好的推理計算，同時能夠使用圖形方法描述各數據之間的關系。目前研究較多的動態貝葉斯網絡能夠實現信息積累，隨著收集到的情報和確定性信息越來越多，推理預測結果的精確性也不斷提高，但目前對于動態貝葉斯網絡在攔截效果評估領域的算法研究還有待提高。

圖3 典型貝葉斯網絡結構示意圖

3.3 隨機多屬性分析模型

隨機多屬性分析方法主要用于不確定信息環境下，通過對不確定信息進行隨機抽取樣本，構建隨機概率的方案排序指標，給出不確定信息環境下多屬性方案排序方法[35-36]。Qu C等[37]運用多屬性決策理論建立了目標毀傷程度的評估模型，并結合TOPSIS方法展開評估分析，得到的評估結果更加可靠。近年來，陳俠等[38]將隨機多屬性分析方法引入到反導攔截效果評估問題中，以此進行信息不確定條件下的攔截效果評估，但該文獻提出的“只要有先驗信息就可以進行攔截效果評估”有一定的局限性，但也為信息不確定情況下的攔截效果評估提供了一種新思路。

此后，徐浩等[39]針對觀測信息的不確定性問題，采用區間數和隸屬函數來表示特征指標，運用多屬性分析的方法，通過計算和比較攔截效果為各攔截等級的信任因子，對信息不確定情況下的攔截效果進行評估，該方法的應用對復雜戰場環境下的攔截效果評估具有重要意義。

4 多傳感器的融合

對目標的信息獲取是進行攔截效果評估的可靠依據。由于戰場環境復雜，單一傳感器所獲取的目標信息具有不完全性和不確定性，毀傷特征也各不相同。如何有效利用多傳感器融合進行攔截效果評估，是影響評估的實時性和精確性的關鍵問題[40-41]。在20世紀90年代，美國國防部便將多傳感器融合技術列為未來重點研究開發的20項關鍵技術之一。2012年，Erik Blasch等人提出了高層次信息融合系統的設計和實現，為如何來選擇融合算法提供了解決方案[42]。

根據不同傳感器信息融合抽象程度的不同，通常將其劃分為像素級、特征級與決策級[43]，而像素級融合因其計算量大且無法處理異構數據的缺點，很少被應用于攔截效果評估領域的多傳感器信息融合中，部分學者對多傳感器的特征級、決策級融合進行了一定量的探索。

4.1 特征級融合

特征級融合通過對各個傳感器采集到的原始數據進行特征信息提取，并對提取的特征信息進行綜合性分析和融合處理，最后對融合后的特征進行分類形成決策判決[43]。

Gaglione Domenico等[44]根據不同傳感器獲取的毀傷信息進行目標毀傷等級判定，并將毀傷等級作為特征信息構造了貝葉斯網絡,利用貝葉斯參數估計進行了特征信息融合。胡曉偉等[29]利用模糊神經網絡對攔截效果的特征級融合評估進行了研究，在選取攔截效果評估特征的基礎上，通過構建基于模糊神經網絡的特征級融合評估模型實現了多傳感器綜合評估。程浩等[45]利用多傳感器獲取的目標特征變量，綜合運用貝葉斯網絡理論與信息融合方法，計算出特征信息的最大后驗概率從而進行目標毀傷效果評估。該方法能夠在目標特征信息不完備的條件下有效融合處理多傳感器的情報信息，提高評估的實時性和準確性。

特征級融合的流程如圖4所示，該融合的優點是能夠對原始數據信息實現信息壓縮，更方便傳感器之間的信息傳輸和實時處理。此外，通過對現有特征的綜合處理可能會得到復合特征，有利于提高目標的檢測精度。常見的特征級層次的融合方法有:聚類方法、貝葉斯理論方法。

圖4 特征級融合流程框圖

4.2 決策級融合

決策級融合屬于最高層次的信息融合，該融合的特點是能夠充分利用各局部傳感器的初步決策。局部傳感器根據采集到的數據信息判決目標存在與否，并將信息化后的判決信息傳遞至融合中心，通過設定的融合規則綜合全局判決信息，進行整體的綜合分析與判決[43]。

Xiaojing Fan等[46]將證據理論用于信息融合，并將支持加權因子和可信度加權因子進行積分以調整證據，得到了的比較精確的融合結果。張一博等[47]運用決策級融合理論，對幾種不同的艦載傳感器綜合進行效能評估，在此基礎上構建了多傳感器綜合使用的仿真系統。胡曉偉等[48]綜合運用ISAR、紅外圖像以及機動目標跟蹤方法對導彈的攔截效果進行評估，采用自適應決策融合算法進行分系統的決策融合，形成最終的評估結果,建立起綜合評估的系統模型，并通過仿真驗證了該算法在效果評估系統中的穩定性和有效性。

決策級融合的流程如圖5所示，其優點是具有良好的容錯能力和抗干擾能力，并且能量消耗較小。其缺點也很明顯，決策級融合往往需要通過壓縮傳感器測量數據來進行，這會丟失大量的細節信息，同時融合處理的成本也會大大提高。

圖5 決策級融合流程框圖

5 攔截效果評估方法研究趨勢

未來戰場復雜多變，在面對空中目標的快速密集攻擊時，防空導彈攔截效果的評估難度也不斷增大，主要體現在：① 評估的準確性不高。準確的攔截效果評估是指揮員快速實施決策的基礎， 更是信息化戰爭的必然要求。目前所采用的人工結合圖像的評估方式，在面對多目標密集攻擊時容易產生誤判，評估的準確性還有待提高；② 評估的快速性不夠。對近程防空導彈的攔截效果進行評估時，由于雷達的回波周期相對較長，以致于基于雷達圖像進行攔截效果評估的方法存在著判別時間不夠迅速的問題，該方法的快速性還有待提高。

對于防空導彈攔截效果評估，未來應該重點解決準確性與快速性的問題，并在此基礎上進行實用化研究。下面從以下3個方面來分析防空導彈攔截效果評估的發展方向。

1) 提高信息獲取與處理能力

提高信息的獲取與處理能力，能夠保證所獲取信息的實時性和準確性，降低信息不完全性、不確定性帶來的影響。實時、準確的目標信息能夠有效提高對目標評估的精確性。提高信息的獲取與處理能力，特別是提高戰場實時的信息處理能力，將會大大縮短評估的時間周期，使我方占據戰場主動權。

2) 提高多傳感器融合能力

對于空中目標的追蹤不能僅僅依靠單一的傳感器進行，未來戰爭的空中目標將朝著小型化、隱身化方向發展，在進行攔截效果評估時，應當綜合多個傳感器的探測信息進行綜合決策，提高評估結果的準確性。對于中遠程防空導彈的攔截效果評估，應當重點發展研究光電視頻與雷達數據的融合研究，提高評估結果的準確性；對于近程防空導彈的攔截效果評估，應當重點發展研究多個紅外、可見光傳感器的綜合判斷結果，在保證快速性的基礎上提高準確性。未來應對現有的信息融合方法和模型加以改進，建立更為準確的評估模型，建立可靠性更高的智能評估系統。

3) 提高模擬仿真水平

在進行攔截效果評估研究時，采用模擬仿真技術可模擬作戰過程中可能會出現的一些隨機因素，逼真地模擬戰場環境，研究合理有效的攔截效果評估技術與方法。因此，有效提高模擬仿真水平，盡可能地模擬出真實環境下的戰場態勢，同時借助于以網絡為中心的先進技術手段，在攔截效果評估過程中加入人的主觀能動作用，建立以人為主導的智能評估系統，將會對攔截效果評估的發展研究產生重大影響。

6 結論

防空導彈的攔截效果評估是防空反導作戰過程中必不可少的重要環節，本文對近年來防空導彈攔截效果評估技術的研究進行了回顧。為適應戰場需求，解決目前防空導彈“多打一”攔截方式存在的弊端，需要解決的兩個關鍵問題是如何兼顧評估的有效性與快速性。因此，信息獲取能力、傳感器融合能力、模擬仿真能力的提高以及自動評估技術的研究是未來防空導彈攔截效果評估的主要發展趨勢。