裴立冠, 劉經東, 馬春波
(中國人民解放軍91550部隊, 遼寧 大連 116023)
在現代海戰(zhàn)場中,采取針對性電磁手段以有效干擾對方反艦導彈,對保護艦艇與人員安全、保證戰(zhàn)斗力可持續(xù)性具有重要意義[1-3]。箔條幕干擾是當前使用較廣泛的一種無源干擾方法,可干擾裝配各種雷達導引頭類型的反艦導彈,兼具遮蔽與迷惑功能,且價格低廉、操作簡單,在未來戰(zhàn)場中仍將發(fā)揮重要作用[4-6]。
當前已經有少量關于箔條幕干擾的公開報道:蔡萬勇等[7]建立了大氣環(huán)境下箔條運動軌跡模型及箔條幕擴散模型;高東華等[8]對箔條幕防御反艦導彈進行了原理論證和基礎模型構建;白爽等[9]通過分析反艦導彈雷達導引頭邊搜索邊跟蹤的機制特點,提出了箔條幕干擾使用方法。然而,縱觀當前研究成果,關于箔條幕干擾戰(zhàn)術戰(zhàn)法方向的研究仍停留于概念化層面,未宏觀考慮風速、風向、補彈等因素導致的干擾失敗的風險,同時對于不同空間場景下箔條幕干擾布放距離、不同箔條彈發(fā)射方向與位置等關乎箔條幕實際布設與干擾效果的關鍵點也未見科學化的定量模型。
為此,以箔條幕干擾為研究對象,首先在對其內在干擾機理進行分析的基礎上構建干擾場景模型,然后綜合考慮干擾有效性和戰(zhàn)略資源損耗性等因素構建總體求解方法,通過建立約束條件、目標函數、補彈策略,采用改進的灰狼智能優(yōu)化算法求取最佳布放方案,最后通過仿真實驗方法對模型有效性及干擾效果影響因素進行分析。
箔條幕干擾的基本方式如圖1所示,在導彈M與艦艇S中間一定位置發(fā)射數枚箔條彈(C1~C5),形成具有足夠長度和厚度的箔條幕墻,以有效干擾對方反艦導彈末制導雷達跟蹤,保護艦艇免受攻擊[2]。H1為垂直軸線,H2為箔條幕實際布放軸線。箔條幕干擾作用發(fā)揮的本質包含兩個方面:一是遮蔽作用,幕墻能夠有效阻擋和衰減末制導雷達主動發(fā)射的電磁波和艦艇反射的電磁波,使末制導雷達無法探測到艦艇目標;二是質心拖引作用,當末制導雷達無法跟蹤艦艇目標時,轉而攻擊箔條幕能量質心,艦艇通過有效機動,保證自身始終處于導彈攻擊范圍之外。

圖1 箔條幕干擾原理Fig.1 Chaff screen jamming principle
在實際箔條幕布放過程中,需始終遵循以下原則:一是箔條彈發(fā)射時間,艦艇偵察到對方反艦導彈后立即發(fā)射(一般為反艦導彈末制導雷達開機時刻);二是箔條彈發(fā)射位置,需綜合考慮風速、風向、艦艇機動等因素影響,發(fā)射箔條彈至艦艇與導彈中間一定位置,形成的箔條幕軸線方向與初始彈目方向基本垂直。三是艦艇機動,艦艇保持一定機動角度,同時保持穩(wěn)定常速。
根據第1.1節(jié)中箔條幕干擾機理可構設干擾場景模型,以研究對象分類,具體包含導彈運動模型、艦艇運動模型和箔條幕模型。
1.2.1 模型假定與場景構設
為方便后續(xù)建模與計算,需做出如下定義:① 由于導彈跟蹤目標過程中貼近海平面飛行,因此假定導彈、艦艇與海面處于同一二維平面內[10];② 以開始發(fā)現對方反艦導彈為初始時刻,定義坐標系為:初始時刻反艦導彈質心M所在正北方向為Y軸,垂直于Y軸且過艦艇質心S的軸所在正東方向為X軸正向,具體如圖1所示;③ 定義反艦導彈運動過程中始終采取比例導引法[11-12];④ 定義艦艇為長度為2L的線段,且忽視其機動過程中為改變航向所做的回轉運動所用的時間,S、Q和H時分別表示艦艇質心、艦艏和艦尾位置;⑤ 忽略箔條彈發(fā)射至完全散開所需時間;⑥ 定義箔條彈完全散開后呈一球狀體。
空間場景:艦艇偵察到敵方反艦導彈,隨即發(fā)射箔條彈,形成箔條幕干擾進行自衛(wèi);其中,初始時刻艦艇S與反艦導彈M的位置坐標分別為[Sx(0),Sy(0)]和[Mx(t),My(t)],彈目軸線MS與MO線的夾角為θ,發(fā)射箔條彈數量為n,相鄰兩枚箔條彈彈間距離為L1,幕墻軸線H2相較垂直軸線H1順時針偏轉α(α∈(-π/2,π/2)),幕墻質心C0與艦艇質心S的距離為L2,SC0與X軸正向的夾角為γ,干擾過程中風速為vf,風向角度為β。θ可表示如下:
θ=arctan(|Sx(0)/My(0)|)
(1)
1.2.2 導彈運動模型
t時刻導彈位置坐標如下所示:
(2)
式中:[Mx(t),My(t)]表示t時刻反艦導彈位置坐標;vm表示反艦導彈攻擊速率;Bm(t)表示t時刻反艦導彈攻擊方向與基準線夾角;Δt表示t-1時刻與t時刻的時間差值。
1.2.3 艦艇運動模型
t時刻,艦艇質心S的位置坐標為
(3)
艦艇首端Q的位置坐標為
(4)
艦艇尾端H的位置坐標為
(5)
式中:艦艇速率始終保持為vS;J0表示艦艇初始時刻行駛角度;ΔJ表示艦艇機動偏轉角度。
1.2.4 箔條幕形態(tài)模型
根據實際布放經驗,在單發(fā)箔條彈云團有效干擾時段內,其厚度完全能夠滿足電磁波的衰減要求,以有效發(fā)揮遮蔽作用,因此本研究從箔條幕軸線角度進行形態(tài)模型構建。
(1) 單發(fā)箔條彈形態(tài)
由王晴昊等[13-14]的分析可知,綜合考慮互耦效應及箔條損壞因素,單發(fā)箔條彈完全散開后的平均有效反射面積σN為
(6)
由此可推得其平均有效反射半徑R為
(7)

(2) 箔條幕形態(tài)
n發(fā)箔條彈構設的箔條幕軸線長度LC如下所示:
LC=(n-1)L1+2R
(8)
t時刻箔條幕質心坐標[C0x(t),C0y(t)]如下所示:
(9)
t時刻第i發(fā)箔條彈質心位置坐標[Cix(t),Ciy(t)]如下所示:
①若Sx(0)My(0)≥0,則
(10)
②若Sx(0)My(0)<0,則
(11)
t時刻箔條幕邊緣點A和B的位置坐標([CAx(t),CAy(t)]、[CBx(t),CBy(t)])如下所示:
①若Sx(0)My(0)≥0,則
(12)
(13)
②若Sx(0)My(0)<0,則
(14)
(15)
1.3.1 總體方法
箔條幕干擾構設過程中,在保證幕墻干擾作用正常發(fā)揮的基礎上,即艦艇目標始終無法被反艦導彈有效跟蹤且處于反艦導彈有效攻擊范圍之外[15-16],還需要同時考量箔條彈等作戰(zhàn)資源的損耗程度,以保證戰(zhàn)斗力的可持續(xù)性。顯然,這兩方面要素存在內在固有的矛盾,在實際布放中僅僅依靠人為主觀判斷難以得到科學的最佳平衡點。為此,在第1.2節(jié)干擾場景模型構建的基礎上,采取仿生智能優(yōu)化算法求取箔條幕布設方案,總體思路如圖2所示。具體步驟如下:
步驟 1根據實際干擾情景,設置場景參數,包括反艦導彈與艦艇位置坐標、箔條云團有效半徑、相鄰箔條彈彈間距離、風向與風速等。
步驟 2設置約束條件與目標函數,約束條件即干擾成功的判斷條件,目標函數為綜合考慮干擾有效和資源消耗所設置的優(yōu)化目標。
步驟 3定義參數變量,優(yōu)化參數包含箔條彈數量n、艦艇機動角度ΔJ、箔條幕軸線偏轉角度α、初始時刻箔條幕質心與艦艇距離L2及角度γ五維參量,根據實際場景設置每個優(yōu)化參數的可優(yōu)化范圍。
步驟 4箔條彈補彈,當初始時刻反艦導彈與艦艇距離較大時,容易出現由于初始箔條幕持續(xù)擴散,最終無法有效衰減電磁波到指定程度從而暴露艦艇目標的現象,此時需要在箔條幕失效前進行補彈,并將相應補彈策略引入后續(xù)優(yōu)化計算中。
步驟 5采取改進的灰狼算法對模型進行優(yōu)化迭代,求取最佳布放方案。

圖2 布放總體思路Fig.2 General idea of deployment
1.3.2 約束條件
約束條件具體包含遮蔽有效性約束條件、質心拖引有效性約束條件和干擾能力約束條件3類。
第1類為遮蔽有效性約束條件,即保證從初始時刻到反艦導彈起爆前,艦艇與導彈始終位于箔條幕軸線兩側,同時艦艇各點均位于箔條幕有效遮蔽范圍內,具體如下所示:

(16)
(17)
式中:fC表示箔條幕墻軸線方程。將[Ux(t),Cy(t)](U=S,Q,H)、[Mx(t),My(t)]兩點代入方程,當所得兩個函數值乘積lUM小于0時,表示導彈與艦艇位置點U在箔條幕墻軸線兩邊,而當lSM、lQM和lHM均小于0時,表示艦艇整體均與導彈處于箔條幕軸線兩側;∠AMU和∠BMU表示箔條幕兩邊A和B分別與反艦導彈M和艦艇各點U形成的夾角,∠AMB表示A、M、B形成的夾角,zUA為∠AMU與∠AMB的差值,zUB為∠BMU與∠AMB的差值。當zUA、zUB均小于0時,定義zUC為-1,表示艦艇各點均被箔條幕有效遮蔽。
第2類為質心拖引有效性約束條件,即艦艇與幕墻質心的距離需始終大于反艦導彈有效殺傷半徑,即下式中的tUC小于0:
(18)
式中:RM表示反艦導彈有效殺傷半徑;LCU表示艦艇U(U=S,H,Q)點與箔條幕質心C0的距離。
第3類為干擾能力約束條件,如下所示:
LCiS-Rmax≤0,i=1,2,…,n,n≤nmax
(19)
式(19)表示所有箔條彈C1,C2,…,Cn所需發(fā)射距離LCiS均需要小于艦艇最大可發(fā)射距離Rmax,箔條彈損耗量n需小于儲備量nmax。
1.3.3 目標函數
f表示目標函數,為干擾有效性與資源損耗性的耦合函數,如下所示:
minf=λ1fL+λ2fC+λ3fB
(20)
(21)
式中:fL表示箔條幕墻能量質心與艦艇質心的距離表征函數;fC表示箔條彈損耗表征函數;fB表示箔條彈發(fā)射損耗表征函數;λ1、λ2、λ3分別表示fL、fC和fB的權重系數,且有λ1+λ2+λ3=1。
1.3.4 箔條彈補彈策略
假設箔條幕持續(xù)有效作用時間為Tu,若反艦導彈起爆時刻Tb大于Tu,則需要進行補彈,詳細補彈方法如下。
(1) 在每次箔條幕失效前Δt1時刻進行補彈,則所需要補彈的次數k和第q次補彈時刻Tq如下所示:
k=[Tb/(Tu-Δt1)]+1
(22)
Tq=q(Tu-Δt1),q=1,2,…,k
(23)
(2) 選取Tq時刻為新的初始時刻,為防止主動暴露目標,設定補彈后艦艇速度vS與機動角度(J0+ΔJ)均保持不變,選取此刻箔條幕所在軸線和能量質心為補彈初始時刻新的箔條幕軸線和能量質心,即α和[C0x(Tq),C0y(Tq)]保持不變,進而可得到補彈初始時刻箔條幕質心與艦艇距離L2及其角度γ為確定值。
(3) 根據Tq時刻空間場景設定基本參數,定義新的坐標系,將vS、(J0+ΔJ)、α、L2和γ定值參數輸入改進的灰狼算法,隨即進行優(yōu)化迭代,輸出第q次補彈方案。
1.3.5 改進的灰狼優(yōu)化算法
灰狼優(yōu)化(grey wolf optimizer, GWO)算法是一種模擬灰狼群體等級制度和狩獵行為的群體智能優(yōu)化算法,于2014年由澳大利亞科學家Mirjalili等[17]提出,具有結構簡單、魯棒性強、參數設置簡潔、全局尋優(yōu)能力強等優(yōu)點[18]。但隨著應用場景的逐漸增多,該算法在處理維度較大、場景較為復雜的問題時,逐漸暴露出收斂速度較慢、易陷入局部最優(yōu)等問題[19-20]。為更好地解決箔條幕干擾構設問題,本研究提出采取Logistic混沌映射和反向學習策略改進GWO算法,基本思路為將反向學習算法融入GWO算法的種群初始化過程,通過增強種群多樣性和質量,提高擺脫局部最優(yōu)的可能性,提高搜索速度。改進的GWO(improved GWO, IGWO)算法的詳細優(yōu)化步驟如下:
步驟 1參數設置,設置種群規(guī)模、搜索空間維數、最大迭代數等參數,基于GWO基本原理,收斂因子采用從2至0的線性收斂模式[21],向量系數A和C設置方式[22]分別如下所示:
A=2a·r1-a
(24)
C=2a·r2
(25)
式中:A和C為IGWO和GWO算法中的向量系數;r1和r2為[0,1]之間的隨機數。
步驟 2種群初始化,采用Logistic混沌映射和反向學習策略生成N個初始種群[23-25]:
xiter1=μ·xiter1-1(1-xiter1-1)
(26)
(27)

步驟 3適應度計算與位置更新,基于式(21)計算每個灰狼位置適應度值并排序,定義適應度最優(yōu)的前3個灰狼個體位置為決策層;計算其他灰狼個體位置與決策層3個個體位置之間的距離,據此更新每個灰狼個體的位置。
步驟 4對當前種群中前m個灰狼個體位置進行更新。
步驟 5判斷是否滿足收斂條件,若滿足,算法結束,否則進行下一次迭代。
案例 1紅方艦艇偵察發(fā)現藍方反艦導彈雷達導引頭開機,此時兩者位置坐標分別為[25,0]km和[0,25]km,隨即紅方發(fā)射數枚箔條彈進行箔條幕自衛(wèi)干擾。已知:反艦導彈飛行速度為300 m/s,初始視線角為0°,初始導彈速度向量角為0°,最大殺傷半徑為100 m,雷達導引頭工作頻率為3 GHz;紅方艦艇行駛速度為20節(jié)(10 m/s),初始行駛方向為30°,裝載箔條彈總量為50,每顆箔條彈箔條數量為5×106根,相鄰兩枚箔條彈彈間距離L1為1.7R,單枚箔條彈云團最大可持續(xù)時間為50 s,每次補彈需提前3 s進行;艦艇可發(fā)射箔條彈最遠距離為2 km;海風4級(風速為10 m/s),風向為-30°;為節(jié)省艦艇機動偏轉使用時間,定義可機動范圍為[-20°, 20°];λ1、λ2和λ3分別為0.4、0.3和0.3。
案例 2初始時刻,紅方艦艇與藍方反艦導彈的位置坐標分別為[10,0]km和[0,8]km,反艦導彈初始視線角為45°,初始導彈速度向量角為20°,艦艇行駛速度為10節(jié)(5 m/s),初始行駛方向為15°,可機動范圍為[-180°,180°],風向為60°,風速為6 m/s,λ1、λ2和λ3分別為0.3、0.6和0.1,其余條件與案例1相同。
仿真實驗均在 Inter(R) Core(TM) i7-1195G7 CPU @2.90 GHz、16 GB RAM、Ubuntu 22.04系統(tǒng)環(huán)境中運行。
以案例1為方法有效性仿真實驗對象,采用IGWO、GWO、粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)和正弦余弦算法(sine cosine algorithm,SCA)4種方法進行箔條幕布放方案求取[27-31],種群數量均設置為100,優(yōu)化迭代次數均設置為100,搜索空間維數均設置為5,仿真結果如圖3~圖5和表1所示。

圖3 算法優(yōu)化迭代曲線Fig.3 Algorithm optimization iterative curves

圖4 案例1箔條幕構設方案Fig.4 Construction scheme of chaff screen in Case 1

圖5 案例1約束條件系數變化曲線Fig.5 Constraint coefficient variation curve of Case 1

表1 案例1箔條彈發(fā)射位置
由圖3算法優(yōu)化迭代曲線可知,4種算法中,采用IGWO算法尋優(yōu)速率最快,僅迭代10次以內即可得到較優(yōu)結果,且通過30次仿真實驗統(tǒng)計可知,采用IGWO算法的平均計算時間為0.993 2 s,布放方案構設時間在可接受范圍內。
圖4為針對案例1求取的箔條幕布放方案。仿真計算結果表明,案例1自衛(wèi)場景下最佳優(yōu)化參數分別為:箔條彈數量n為10、艦艇機動角度ΔJ為20°、箔條幕軸線偏轉角度α為4.48°、初始時刻箔條幕質心與艦艇距離L2及其角度γ分別為261.1 m和80.34°;整個自衛(wèi)干擾過程共持續(xù)113.7 s,需進行3次箔條彈布放,包含一次初始時刻布放和2次補彈;初始時刻需發(fā)射箔條彈6枚,發(fā)射位置如圖4和表1中箔條彈1號~6號,最遠發(fā)射距離為6號箔條彈對應的525.4 m,滿足最大發(fā)射距離要求;兩次補彈均需發(fā)射箔條彈2枚(分別對應箔條彈7號、8號和9號、10號),補彈時刻分別為47 s和94 s,最遠發(fā)射距離分別為625.3 m和1 153.4 m。而針對案例1,常規(guī)箔條幕布設方法[7]共需布放24枚箔條彈,包括一次初始布放,兩次補彈,每次布放箔條彈數量均為8。圖5為遮蔽有效性約束條件系數、質心拖引有效性約束條件系數變化曲線,在整個對抗過程中各系數數值始終小于0,而箔條彈數量限制和發(fā)射距離限制均已在參數生成過程中完成約束,因此結果滿足干擾能力約束條件,同時最終反艦導彈引爆時刻距離艦艇最近距離為1 355.5 m,大于導彈殺傷半徑,由此證明在整個對抗過程中箔條彈自衛(wèi)干擾效果始終有效。
綜上分析,本研究提出的箔條幕布放策略能夠滿足海戰(zhàn)場環(huán)境下有效干擾反艦導彈雷達導引頭跟蹤且保護艦艇的要求,且相對常規(guī)箔條幕布放方法有效減少了箔條彈消耗量。
以案例2作為作戰(zhàn)效果影響因素分析的仿真對象,在求取基本布放方案的基礎上,分別從風速與風向、初始彈目距離以及艦艇機動4個因素對最終自衛(wèi)干擾效果影響程度進行分析,算法參數設置與案例1一致。
2.3.1 案例2布放方案分析
通過仿真計算求得案例2場景下最佳優(yōu)化參數分別為:箔條彈數量n為2,艦艇機動角度ΔJ為-14.55°,箔條幕軸線偏轉角度α為-1.31°,初始時刻箔條幕質心與艦艇距離L2及其角度γ分別為533.4 m和148.99°。在案例2對抗場景下,艦艇僅需進行一次初始布放,無需補彈,具體見圖6布放方案中的箔條彈1號和2號,初始時刻所需箔條彈發(fā)射距離分別為543.1 m和530.2 m,反艦導彈引爆位置與引爆時刻艦艇位置距離為488.6 m,滿足自衛(wèi)要求,整個自衛(wèi)干擾過程持續(xù)41.2 s。

圖6 案例2箔條幕布放方案Fig.6 Construction scheme of chaff screen in Case 2
2.3.2 箔條幕構設方向分析


圖7 不同風速風向箔條幕方向特征值Fig.7 Characteristic coefficients of the chaff screen direction at different wind speeds and directions

圖8 不同攻擊距離與攻擊角度箔條幕方向特征值Fig.8 Characteristic coefficients of the chaff screen direction at different attack distances and different attack angles

表2 箔條幕方向特征值期望值與標準差
2.3.3 風速與風向影響分析
設置1 m和10°分別為風速與風向單位增量,仿真分析1~15 m風速條件和0°~360°風向條件下箔條幕布放方案,其余條件與案例2一致,仿真結果如圖9和圖10所示。其中,圖9為目標函數值圖,圖10為箔條彈使用量圖。由圖9可知,優(yōu)化求取的目標函數值均小于1,而圖10顯示所需箔條彈數量均為2或3,且均只需進行一次布設;進一步分析求取的最優(yōu)參數與風向及風速的關系,并未發(fā)現明顯的規(guī)律性變化關系,由此可見在不同風速與風向條件下均可求得有效的箔條幕布設方案,且其對最終布設結果影響較為有限。

圖9 不同風速與風向目標函數值Fig.9 Objective function values of different wind speeds and different wind directions

圖10 不同風速與風向箔條彈使用量Fig.10 Usage of chaff screen for different wind speeds and different wind directions
2.3.4 初始彈目距離與攻擊方向影響分析
定義反艦導彈朝向艦艇艏向攻擊為攻擊角度(0°),沿順時針旋轉攻擊角度逐漸增大,設置20°和2 km分別為攻擊角度和初始彈目距離單位增量,仿真分析0°~340°攻擊角度和2~32 km初始彈目距離條件下箔條幕布放方案,其余條件與案例2一致,仿真結果如圖11和圖12所示。由圖11目標函數值計算結果可知,本仿真計算的目標函數值均小于1,證明研究在不同場景下均可得到有效的箔條彈布放方案。綜合圖11和圖12箔條彈用量分析結果可知:① 以初始彈目距離為基本變量,目標函數值無明顯規(guī)律性變化,但其對箔條彈用量及是否需要補彈影響較大。在2~14 km范圍內,只需進行一次箔條彈布放,箔條彈用量為2~3;在16~28 km范圍內,需進行一次補彈,箔條彈用量為3~5;在30~32 km范圍,需進行兩次補彈,箔條彈用量為6~8;② 以攻擊角度為基本變量,分析得出攻擊角度越接近180°,即反艦導彈從艦艇尾向進行攻擊時,目標函數值越小,最小值為0.059,證明自衛(wèi)干擾綜合效果越好。當攻擊角度越接近0°,即反艦導彈從艦艇艏向進行攻擊時,目標函數值越大,最大值為0.176,自衛(wèi)干擾效果相對越差。綜上所述,初始彈目距離主要影響箔條彈用量,而反艦導彈攻擊方向對自衛(wèi)干擾綜合效果影響較為明顯。

圖11 不同初始彈目距離與攻擊角度下的目標函數值Fig.11 Objective function values for different initial missile distances and different attack angles

圖12 不同彈目距離與攻擊角度下的箔條彈用量Fig.12 Usage of chaff screen for different initial missile distances and different attack angles
針對海戰(zhàn)場環(huán)境中艦艇采取箔條幕方式干擾反艦導彈雷達導引頭跟蹤問題,提出了一種采用IGWO算法進行箔條幕干擾構設的方法。在對箔條幕干擾機理進行分析的基礎上,構建了干擾場景模型和布放方案求解模型;其中,干擾場景模型具體包含導彈運動模型、艦船運動模型和箔條幕形態(tài)模型;干擾方案求解模型則基于采用灰狼算法進行布放方案求取的總體思路,構建了遮蔽有效性約束條件、質心拖引有效性約束條件和干擾能力約束條件3類約束條件,綜合考慮干擾有效性與資源損耗性,構設了目標函數,建立了補彈策略,采用Logistic混沌映射和反向學習策略改進了灰狼優(yōu)化算法。最終通過仿真案例分析得出,本研究提出的箔條幕構設方法尋優(yōu)速率較快,可保證整個對抗過程中艦艇始終能夠有效自衛(wèi)干擾;初始時刻構設的箔條幕軸線基本與彈目軸垂直,而箔條幕質心基本處于彈目軸線附近;風速風向對箔條幕干擾效果影響較小,初始彈目距離主要影響箔條彈用量,而反艦導彈攻擊方向對自衛(wèi)干擾綜合效果影響較為明顯,當從艦艇尾向進行攻擊時,干擾效果最好,相反從艏向進行攻擊時,干擾效果最差。