天基信息支持導彈對海打擊應用優化仿真分析

楊德運，馬永春，高 軼，馬紅梅，于 薇，羅 嘯

(1.中國空間技術研究院 衛星應用總體部，北京 100094；2. 航天恒星科技有限公司，北京 100086；3.海軍裝備部裝備項目管理中心，北京 100071)

0 引言

近年來，隨著衛星遙感技術的快速發展，世界各國對于天基信息支持遠程精確打擊的應用能力研究不斷深入，持續加強構建海上遠程精確打擊體系。2016年，美軍在提出的“第三次抵消戰略”中強調，要強化分布式殺傷和海上遠程精確打擊能力，抵消對手反介入/區域拒止難度[1]。俄軍也在其新版的《軍事學說》中強調，要綜合運用遠程精確打擊力量，對敵方重點目標實施精確打擊，形成摧毀[2]?？梢娺h程精確打擊能力對于改變戰場局勢具有至關重要的作用，世界各國對于精確打擊能力的研究也在不斷加深。

目前，海上遠程精確打擊主要依靠艦載預警機、無人機和微波超視距雷達等艦上自有手段為反艦導彈提供目標指示信息，存在探測距離有限、留空時間短、信息要素不完整等問題，在遠海作戰中不能為導彈提供持續目標指示信息[3]。隨著天基系統的快速發展，天基手段已經成為探測、跟蹤、監視海上機動目標的重要手段[4]。天基系統具有戰場絕對高位優勢、不受區域限制和不依賴制空制海權的顯著特點，是解決遠程精確打擊目標信息保障的關鍵。將天基信息和導彈武器深度鉸鏈，能夠起到戰場力量倍增，作戰效能提升的作用[5]。

對海遠程精確打擊作戰中，反艦導彈攻擊水面艦艇的一般作戰流程主要包括技術 準備、裝載出航待機、導彈發射準備、導彈發射、導彈飛行和制導命中幾個階段[6]。其中在導彈發射、導彈飛行和末制導命中階段，受制于被打擊目標攻擊距離遠、機動策略不明確、導彈掠空飛行時間長等影響因素，對于基于天基信息的目標指示信息的時延、定位誤差等因素提出了較高的要求。當前已有研究人員針對天基信息支撐海上遠程反艦作戰能力進行了研究：洪俊、彭耿等學者通過構建基于天基信息提供的目標指示信息精度的導彈捕獲概率模型，分析了基于天基信息的目標指示信息精度對導彈命中概率的影響[7-8]；沈培志、汪新剛等通過構建反艦導彈末制導階段雷達搜索范圍，分析研究了反艦導彈末制導階段自控終點散布誤差對導彈捕獲概率的影響[9-11]。

由于受限于天基手段的籌劃運用方式、載荷工作模式、地面平臺接收、處理、分發能力、指揮員指揮決策效率等因素的影響，天基信息在支撐對海遠程精確打擊過程中，基于天基信息的目標指示信息時延、目標位置偏差、目標航速、航向等因素將直接影響導彈作戰效能。因此本文首先梳理了美軍可用于支撐海上反艦作戰的天基信息支援系統及研究天基信息支持導彈對海打擊關鍵影響因素的必要性，然后針對天基信息支撐導彈對海打擊作戰過程中的主要影響因素構建了導彈捕獲概率模型，并基于不同導彈作戰參數分析研究天基信息支撐遠程精確打擊過程中的目標指示信息時延和定位誤差對導彈命中概率的影響，并據此提出天基信息支撐海上作戰應用的優化建議。

1 美國天基信息支援對海遠程精確打擊保障系統

現代戰爭的主要特點是信息化聯合作戰，制天權和制信息權對戰爭進程、最終勝負和沖突解決都發揮著至關重要的作用。天基偵察信息是海上作戰信息保障的重要手段，通過與海上偵察預警體系的深度融合，可在遠程精確制導武器信息保障中發揮重要作用，能夠為遠程反艦作戰用天模式轉變提供有效支撐。

美國自20世紀70年代起就開始建設海洋監視衛星系統，主要用于探測和監視海上艦船和潛艇活動，目前已發展至第三代，包括高分辨率成像偵察衛星和電子偵察衛星。這些衛星在美國近30年間發動、主導或參與的海灣戰爭、科索沃戰爭、伊拉克戰爭或敘利亞戰爭等海外戰爭或局部沖突中發揮了重要作用，為美軍在作戰行動中提供了大量的偵察監視情報。

1.1 成像偵察衛星

目前美國成像偵察衛星主要包括“鎖眼”光學成像衛星和“長曲棍球”合成孔徑雷達成像衛星。

“鎖眼”衛星是美國現役的傳輸型光學成像偵察衛星，目前在軌4顆，成像系統不僅配備了3 m的大口徑光學鏡頭，而且采用目前最先進的自適應光學成像技術，可以通過改變光學鏡片的表面曲率補償因大氣環境改變導致的影像畸變，同時結合復雜的衛星姿態軌道穩控技術和長焦距等高新技術，使得衛星的全色成像分辨率達到了0.1 m、紅外成像分辨率0.6～1 m，瞬時觀測幅寬可達40～50 km，通過星座組網的方式，可進一步提升“鎖眼”衛星的時間分辨率和空間分辨率。

“長曲棍球”衛星是當前美國最先進的合成孔徑雷達成像偵察衛星，又稱為“黑寶石”衛星(Onyx)，具備全天時、全天候成像偵察能力，主要為美國提供戰略偵察情報，具有4種工作模式，包括標準模式、寬幅模式、精掃模式和試驗模式等，標準模式下成像分辨率1 m，精掃模式下成像分辨率可達到0.3 m。

1.2 電子偵察衛星

電子偵察衛星通過探測全球海洋中的水面艦艇和潛艇輻射的雷達、無線電和其他通信設備的電磁信號來獲取情報信息，進而確定目標的性質、位置等。電子偵察衛星作為重要的信息獲取手段，已成為美國海軍海洋監視衛星系統的核心組成部分。美國電子偵察衛星主要包括水星電子偵察衛星、門特電子偵察衛星以及“白云”計劃等。

水星系列衛星是美國空軍主管的第四代靜止軌道電子偵察衛星，目前在軌3顆，主要用于偵獲通信類情報。由于該型衛星采用圓形軍用特種天線，其口徑超過100 m，因此不但可以偵收功率較低的手機通信信號，而且還可以偵聽導彈試驗時的遙測信號和雷達信號等電子信號情報。

門特電子偵察衛星屬于寬頻衛星，可探測100 MHz～50 GHz頻段范圍內的所有電磁信號，據悉該型衛星的天線口徑超過150 m，能獲得雷達及其他探測系統的關鍵頻率信息，可偵收地面微弱通信信號和導彈遙測信號(UHF、L頻段)等，偵察范圍可覆蓋亞、非、歐等區域。

“白云”計劃是美國電子型海洋監視衛星系統的典型代表，可基于星載電子探測設備截獲海面和水下電磁設備發出的無線電通信和雷達信號，可用于測定目標的位置、航向和航速等信息，迄今為止已發展至三代，其中仍具備探測能力的是第二代和第三代。“白云”計劃海洋監視衛星系統自在軌運行后即成為美國海軍對海監視的主要偵察力量，在多次局部戰爭中發揮了關鍵作用。海灣戰爭期間，4組“白云”海洋監視衛星為美軍在海灣地區提供大量的陸上和海上目標情報信息，為“戰斧”系列巡航導彈提供精確的目標指示信息?？扑魑謶馉幤陂g，“白云”海洋監視衛星持續跟蹤監視俄羅斯及南聯盟的艦艇動向。伊拉克戰爭期間，通過與其他電子偵察衛星的協同配合，形成了長期值守平臺，對整個戰場進行了持續的偵察監視。敘利亞戰爭期間，“白云”計劃海洋監視衛星對俄羅斯在集結在敘利亞近海的大量海軍艦艇進行持續跟蹤監視，為判斷俄羅斯軍事行動或軍事意圖提供了詳細的情報依據。

美國的海洋監視衛星系統的建設和歷次軍事行動表明，其越來越重視天基信息在未來戰爭中的地位，尤其在中遠海作戰任務中，傳統的陸基、艦載、機載等手段偵察能力相對受限時，對于天基信息系統的情報保障更加依賴，因此，美國已將天基信息支持海上遠程精確打擊能力作為提升美國海軍遠海作戰能力的重要發展方向，從而保障其海上編隊在保障自身安全的前提下，發揮遠程導彈武器的最大作戰效能。因此，有必要研究天基信息支持導彈對海打擊作戰效能的關鍵影響因素，并提出應用優化建議。

2 關鍵影響因素模型

2.1 基于天基手段的目標指示信息時延

目標指示信息延遲時間是指從目標偵測定位系統最后一次發現目標( 或發送最遲一組目標指示信息) 至導彈自導系統捕捉到目標的時間[12]。對比上述定義，本文中基于天基手段的目標指示信息時延可定義為：衛星偵獲目標位置的瞬間，到目標指示信息發送到海上編隊作戰平臺形成目標指示信息，并裝訂到導彈武器平臺、導彈發射為止的時間間隔。因此目標指示信息的時延越高，目標的機動散布區域就越大，導彈武器末制導階段雷達搜索區域相較于目標散布區域的比例越小，捕獲目標的概率越低。

天基信息支撐導彈武器打擊一般過程為天基資源籌劃、天基資源測控、遙感數據傳輸、遙感數據處理、目標指示信息分發、打擊決策以及實施打擊等階段，天基信息支撐導彈武器攻擊信息流程如圖1所示。

圖1 基于天基手段的目標指示信息獲取流程

根據本文定義，基于天基手段的目標指示信息的延遲時間Tyc可以表示為：

Tyc=Tcs+Tcl+Tff+Tjc

(1)

式中,Tcs為偵照完成瞬間至向地面接收站完成偵照數據傳輸的時間；Tcl為地面接收站接收到遙感數據后處理生成目標指示信息的時間，其主要由處理平臺的處理性能決定；Tff為目標指示信息生成后向各級指揮所分發的時間，其主要受信息傳輸鏈路的影響，一般為秒級；Tjc為作戰單元指揮員根據戰場態勢進行打擊評估決策的時間，主要包括兩部分內容，一部分是作戰單元指揮員正常決策所消耗的時間Tzcjc，另一部分是決策延遲時間Δjc，其主要是由于戰場態勢變化或作戰單元指揮員因上級指揮員作戰意圖變化而產生的決策延遲[13]。因此基于天基手段的目標指示信息延遲時間也可以表示為：

Tyc=Tcs+Tcl+Tff+Tzcjc+Δjc

(2)

2.2 基于天基手段的目標位置偏差

目標位置偏差是指目標指示信息提供的目標位置經緯度信息與目標實際位置經緯度之間的距離差值。目標的位置偏差是影響導彈捕獲目標概率的重要影響因素，位置偏差越大，目標的散布區域越大，導彈武器末制導階段雷達搜索區域相較于目標散布區域的比例越小，目標的捕獲概率越低。

基于天基手段的目標位置偏差ΔS(單位：km)可表示為：

ΔS=R·arccos[sin(N)·sin(NT)·cos(E-ET)+

cos(N)·cos(NT)]·Pi/180

(3)

其中:基于天基手段的目標指示信息提供的目標位置經緯度是(E,N)，目標實際位置經緯度是(ET,NT)，R取地球的平均半徑，Pi為圓周率。

2.3 導彈武器目標指示信息時延需求計算模型

從衛星偵獲目標至導彈武器按照航路規劃結果飛行至預定開機點的過程中，目標艦船已經機動遠離衛星偵獲的初始位置，形成了以最大機動距離為半徑的散布區域。設定艦船目標航向、航速固定，以目標機動引起的位置方位變化最不利于導彈末制導雷達開機搜索覆蓋目標散布區，即目標散布航向垂直于導彈攻擊方位進行分析，同時考慮目標位置偏差的影響，目標散布區域與末制導雷達搜索區域的關系如圖2所示[14-15]。本文中設定導彈末制導雷達搜索區域可覆蓋目標即認為雷達捕獲到目標。

圖2 導彈末制導階段目標散布區域示意圖

圖2中，ΔS為目標位置偏差(km)，α為導彈末制導階段雷達搜索半扇面(°)；d為導彈末制導雷達開機搜索帶半寬(km)；Vd為導彈巡航飛行速度(m/s)；RSC為導彈射程(km)；RZK為導彈自控飛行距離(km)；RKJ為導彈末制導雷達預定開機搜索距離(km)；RSB為目標散布區半徑(km)；Vtarget為目標艦船的航速(kn)(1 kn=1n mile/h≈0.5 m/s)。

導彈自控制飛行時間TZK：

(4)

目標機動時間TJD：

TJD=TZK+Tyc

(5)

目標散布圓域以目標機動距離RJD與目標位置偏差ΔS的和為圓域半徑RSB形成的圓形區域，如下：

RSB=Vtarget·TJD+ΔS

(6)

導彈末制導階段雷達開機搜索區域半寬d可表示為：

d=RKJ·tanα

(7)

因此艦船目標機動擺脫導彈末制導雷達搜索區域(其中TF為艦船擺脫導彈末制導雷達搜索區域的機動距離)的時間TJD為：

(8)

根據式(2)～(8)可知，為保障導彈末制導雷達能夠搜索到艦船目標，目標指示信息時延需求TXQ為：

(9)

2.4 導彈捕獲概率模型

導彈捕獲概率即指在導彈末制導階段雷達開機后，目標落入雷達搜索區域并被捕獲的概率。如果設定艦船目標在雷達搜索范圍內即認為能被捕獲到，那么反艦導彈的捕獲概率即為末制導雷達搜索區域覆蓋目標位置散布區的概率[16]。根據圖2所示，導彈末制導階段雷達的覆蓋目標區域面積為SABDC，則：

(10)

因此，根據式(2)～(10)可以構建一個含目標指示信息時延、目標位置偏差、目標航速等影響因素的導彈捕獲概率函數F(Tyc,ΔS,Vtarget)，即導彈捕獲概率PBH表示為：

(11)

當PBH=1時，可認為導彈在末制導階段雷達搜索區域可以完全覆蓋目標散布區域，具備有效發揮導彈武器作戰效能的條件，當PBH=0時，彈道在末制導階段雷達搜索區域無法覆蓋目標散布區域，不具備發揮導彈武器作戰效能的條件。

3 仿真及結果分析

導彈末制導階段捕獲目標概率模型中的相關影響因子主要包括目標指示信息時延Tyc、導彈的實際航程RSC、被打擊艦船目標的航速Vtarget、導彈末制導階段雷達的預設開機距離RKJ、目標位置偏差ΔS、導彈巡航速度Vd以及導彈末制導階段雷達搜索半扇面角度α。其中RKJ、Vd、α為導彈武器的屬性參數，RSC隨戰場環境和導彈武器的基礎屬性動態變化，Vtarget主要取決于敵方指揮員決策。

因此，本文首先天基信息支持導彈武器捕獲目標概率算法構建軟件仿真模型，然后設定6組導彈的基礎打擊參數如表 1所示，分別計仿真計算不同目標指示信息延遲、不同位置偏差對于不同導彈基礎打擊參數的捕獲概率影響，仿真結果如圖3～圖4所示。

表1 導彈打擊參數

圖3 目標指示信息時延對導彈捕獲概率的影響

圖4 定位誤差對導彈捕獲概率的影響

根據圖3可知，隨著目標指示信息時延的增加，遠程反艦導彈武器捕獲目標的概率迅速下降；根據圖4可知，隨著目標定位誤差的增加，遠程反艦導彈武器捕獲目標的概率迅速下降。綜合來看，導彈武器是否能夠捕獲敵方目標的關鍵因素為目標指示信息時延和目標定位誤差大小，目標指示信息時延越低、目標定位誤差越小，導彈武器末制導階段雷達捕獲目標的概率就越高，因此在不改變武器裝備自身能力的前提下，能否提升目標指示信息時延和降低目標定位誤差是決定是否能夠發揮導彈武器最大作戰效能的核心影響因子。

4 天基目標保障信息應用優化建議

4.1 目標指示信息時延優化建議

對于目標指示信息時延的優化可以從兩個方面進行，一方面優化信息流程和工作模式，另一方面是提升地面處理系統的處理能力，提高天基信息處理效率。

信息流程和工作方面，需減少信息流經節點，縮短信息決策時間，通常的工作模式是首先需要將衛星偵獲的天基信息通過通信鏈路將完整條帶數據下傳到地面接收站，后推送給地面處理系統處理后，經信息分發系統分發給各級指揮中心，流程繁瑣，耗費時間較久。因此，第一，可開展星上數據處理工作模式研究，即衛星偵獲目標信息后，基于衛星平臺預處理能力進行初步的處理，篩選出重點關注的區域和重點目標，然后下傳給地面接收站，減少衛星的數傳時間，同時提升地面處理系統的處理時間，提高目標指示信息生成效率；第二，可構建地面移動衛星數據接收終端實時接收衛星下傳數據，現階段衛星數據下傳主要依靠地面固定接收站進行接收，限制了衛星的數傳區域和數傳時間窗口，無法保障衛星偵獲的目標信息及時下傳處理形成目標指示信息，制約了天基信息支持導彈武器裝備的作戰效能，因此通過構建地面移動衛星數據接收終端，可實現衛星過頂即可下傳目標信息，保證了天基信息的及時星和有效性。

地面處理系統處理能力方面，當前地面處理系統所使用的主流硬件處理平臺主要是基于x86、ARM等架構的CPU搭建，其計算能力較弱，以 Intel 主流 CPU 型號為例，其理論計算能力如表 2所示。而近年來，隨著芯片技術的快速發展，摩爾定律已經趨近失效，單純依靠通用處理器已經無法滿足人工智能等新型數字化技術對于高性能計算的需求[17]。當前主流的GPU的理論計算能力如表3所示[18]。因此可通過構建“CPU+GPU”的硬件處理架構平臺，同時引入深度學習算法，提升地面處理系統的處理能力，提高目標指示信息的生成效率。

表2 Intel 主流CPU服務器算力

表3 NVIDIA 主流GPU型號算力

4.2 針對目標位置偏差應用建議

天基信息偵獲目標的手段主要包括電子偵察衛星和成像偵察衛星，不同的天基偵察手段其定位方式不同，相應的定位誤差也存在差別，對于電子偵察衛星而言，其主要采用基于干涉儀測向的單星定位體制[19]或者三星時差頻差無源定位體制[20]，定位誤差精度一般在公里級；對于成像偵察衛星，以美國和法國為代表的典型先進衛星如WorldView-3/4、GeoEye-1、Pleiades-1等無控制點定位精度甚至達到5 m和3 m，而我國典型的高分辨率光學遙感衛星定位精度一般設計都在50 m左右[21]。為保障天基偵察手段獲取的目標位置信息能夠有效支撐導彈捕獲目標，根據式(9)所示，在滿足Tyc≤TXQ的條件下，應以成像偵察衛星偵獲的目標位置信息作為導彈武器的目標指示信息。

5 結束語

本文從理論研究出發，提出了一種包含目標指示信息時延、目標位置偏差和目標航速等影響因素的導彈捕獲目標概率模型，并通過理論分析和仿真計算，從提高天基目標指示信息和目標定位精度兩個方面給出了工程應用優化的建議，為提升天基手段支撐遠程反艦導彈武器的作戰效能提供借鑒和支撐。