中国指挥与控制学会会刊 
现代海战中,舰艇编队面临的最大威胁主要来自于空中,可能遭到敌飞机、反舰导弹的空中袭击,防空反导是舰艇编队主要作战样式之一,因此各国海军均装备有防空反导作战系统,例如美军宙斯盾武器系统、舰艇自防御系统(SSDS)[1]等。随着计算机仿真技术在军事领域的广泛应用,构建仿真系统是开展相应装备作战问题研究的有效手段。本文旨在设计一个通用的舰艇编队防空反导仿真系统,用于支持开展舰艇编队防空反导领域武器装备论证、装备体系作战效能评估、装备作战运用研究等。
1 作战过程分析
舰艇编队防空反导作战是一个复杂的动态过程,包括对飞机和巡航导弹、弹道导弹等反舰导弹的防御,一般采用由远及近、多层防御方式,外层防御以舰载机为主,中层防御以中远程防空导弹为主,内层以近程防空导弹、舰炮武器系统、电子战系统为主。为明确研究界面,该仿真系统主要研究来袭目标突破舰载机防御后舰艇编队区域防空和末端防御的过程,基本作战过程如下[2]。
1)预警探测跟踪
舰艇编队内各舰载对空搜索雷达和电子侦察设备组成对空预警探测系统,用于监视编队周围有关情况,探测各种来袭目标以及雷达辐射源等,跟踪识别来袭目标类型,针对导弹目标,完成预测弹道计算。
2)多层级指控决策
编队指挥舰组织协调担负中远程拦截任务的水面舰艇对来袭目标实施区域拦截。编队指挥舰对雷达目标信息和电子侦察信息进行综合处理、威胁等级判断,给出敌方来袭目标告警,并根据来袭空中目标的距离、编队各舰艇的位置进行区域防空目标分配,指挥协调编队内中远程防空导弹进行区域防空。
区域拦截失败后,各舰艇分别实施近程防空作战。各舰艇平台对本舰周围进行搜索监视,同时接收并处理上级编队下发的编队综合目标信息和告警信息,形成本舰威胁目标并进行威胁评估。本舰指控系统进行火力拦截解算和综合干扰决策,适时分配近程舰空导弹、舰炮武器系统进行火力拦截,适时分配电子战系统实施电子干扰。
3)硬软武器抗击
各类硬软武器在多层级指控系统的综合指挥调度下,依据任务要求进行火控计算和干扰解算,并实施火力拦截和电子干扰。
4)效果评估
每次软硬武器对抗过程实施完成后,均计算毁伤效果和干扰效果,为后续防御作战的实施提供依据。
2 系统总体架构
本文面向舰艇编队防空反导作战业务领域装备论证、体系作战效能评估、作战运用研究等需求,采用可扩展、多模式的总体设计思路,构建以数字仿真模型为核心,集模型装配、想定编辑、仿真运行、推演控制、态势展现、分析评估等功能于一体的仿真系统,采用分层架构设计,自顶向下分为仿真应用层、仿真工具层、运行服务层和仿真资源层,系统总体架构如图1 所示[3]。
1)仿真应用层:从应用层次描述一次完整的舰艇编队防空反导作战仿真过程,依托该系统可开展装备体系作战效能评估、装备作战运用研究、武器装备论证等仿真应用。
2)仿真工具层:提供开展舰艇编队防空反导作战仿真推演所需的集设计、开发、调试、运行、控制、分析、综合演示于一体的仿真工具集合,包括仿真想定制作工具、仿真实验规划工具、仿真运行管控工具、数据复盘回放工具、分析评估工具等。
3)运行服务层:具备开放式仿真架构,支持集中式和分布式两种仿真架构,提供通信中间件、时统服务、资源管理、仿真引擎等服务功能,支撑仿真应用的开发、集成、运行和管理。
4)仿真资源层:是该仿真系统的核心,提供仿真模型库,能够支持舰艇编队防空反导战役战术级兵力对抗仿真;能够存储和管理仿真想定、实验方案、仿真模型、仿真过程数据、分析评估等资源。
3 模型体系设计
模型体系是舰艇编队防空反导仿真系统的核心,采用参数化组件建模方式,由舰艇平台模型、传感器模型、硬武器模型、软武器模型、通信模型、指挥控制模型、来袭目标武器模型、评估模型等8类模型组成。其中,舰艇平台模型、传感器模型、硬武器模型、软武器模型、通信模型、指挥控制模型组成防御方,来袭目标武器模型为进攻方,基于该模型体系能完整地执行对抗条件下舰艇编队防空反导作战全过程[4],模型体系结构如图2 所示。
3.1 舰艇平台模型
舰艇平台模型用于模拟舰艇平台的基本属性、搭载关系、指挥关系、舰艇运动等,包括舰艇实体模型、舰艇机动模型。舰艇实体模型模拟舰艇平台的长、宽、高、吃水深度、排水量等基本属性,模拟上下级指控、编队、承载关系等。舰艇机动模型[5]用于模拟舰艇综合导航系统,主要模拟舰艇的运动能力,为舰载各武器系统提供搭载平台位置、速度、姿态等信息;能够接收指挥控制模型机动控制指令,模拟舰艇规避动作。
3.2 传感器模型
传感器模型用于模拟舰艇对空雷达的探测跟踪过程和舰载电子战系统的电子侦察过程,包括雷达模型和电子侦察模型。
雷达模型[6]根据用途不同,由雷达探测、信息处理、弹道预报模型装配组成。雷达探测模型基于雷达探测空域、工作模式等属性,进行雷达探测作用距离检查,模拟雷达测距、测角信息;数据处理模型根据点迹信息对目标进行数据关联、跟踪滤波等形成目标航迹;弹道预报模型根据不同类型反舰弹的运动特点,分别建立惯性弹、巡飞弹、滑翔弹弹道预报模型。雷达功能仿真过程如图3 所示。
电子侦察模型用于模拟对反舰导弹末制导雷达辐射信号的侦察判断、侦察空域覆盖计算、参数测量等,并产生辐射源目标侦察信息。电子侦察功能仿真过程如图4 所示。
3.3 硬武器模型
硬武器模型用于模拟舰空导弹和舰炮武器火力拦截过程,包括舰空导弹模型、舰炮武器模型。
舰空导弹模型由武器控制解算模型、弹道模型、毁伤裁决模型组成。武器控制解算模型根据目标类型、预报弹道等信息,进行拦截弧段计算和可拦性判断,完成发射诸元解算、发射决策和发射管理;弹道模型用于模拟舰空导弹拦截目标过程中的飞行弹道,基于导弹六自由度建立导弹动力学与运动学模型,完成导弹初制导、中制导、末制导各阶段飞行弹道和姿态变化的模拟;毁伤裁决模型用于导弹弹目遭遇裁决以及脱靶量解算。舰空导弹功能仿真过程如图5 所示。
舰炮武器模型用于模拟舰载近防武器点防御效果,并进行毁伤计算,由散布计算模型和毁伤计算模型组成。
3.4 软武器模型[7]
软武器模型用于模拟舰载电子战系统实施有源无源干扰过程,包括舰载有源干扰模型、舷外有源诱饵模型、箔条干扰模型。
舰载有源干扰模型用于模拟舰载有源干扰条件判断、干扰引导和干扰参数生成的过程,干扰样式包括有源压制式干扰、有源欺骗式干扰。舰载有源干扰功能仿真过程如图6 所示。
舷外有源干扰模型用于模拟舷外有源诱饵干扰条件判断,布放角、布放距离、发射功率、发射时机等诱饵布设参数解算,模拟舷外有源诱饵接收、放大和转发雷达导引头入射信号形成假目标的过程,完成对来袭导弹的角度诱偏。舷外有源干扰功能仿真过程如图7 所示。
箔条干扰模型用于模拟干扰样式选择、箔条弹发射时机、发射方向等参数解算,模拟箔条弹从发射到逐步展开、最终稳定滞空的运动过程,模拟箔条云团散射特性,干扰样式包括冲淡干扰和质心干扰。箔条干扰功能仿真过程如图8 所示。
3.5 指挥控制模型
指挥控制模型主要模拟舰艇编队针对来袭的导弹目标,组织编队内舰载软硬武器实施区域拦截和末端防御的过程,包括编队指控模拟和本舰指控模拟。
编队指控模型用于模拟编队多源目标探测信息融合、目标威胁等级判断、目标分配等功能。多源目标融合模型实现对编队内各舰艇雷达探测信息进行关联融合处理,形成编队目标信息;目标威胁等级判断模型根据目标类型、距离、速度、高度等信息对来袭的空中目标进行威胁等级判断;目标分配模型根据编队目标威胁排序、中远程防空武器资源情况、各舰艇防空责任扇面等信息,将编队区域防空目标分配给各舰艇进行拦截。编队指控功能仿真过程如图9 所示。
本舰指控模型用于模拟舰艇信息处理、目标威胁评估、目标火力分配、综合干扰决策等功能。舰艇信息处理模型实现本舰雷达探测信息与编队指控下发的各类信息的综合处理,形成本舰目标信息。目标威胁评估模型根据目标到达时间、目标类型、航路捷径、威胁等级等信息计算目标威胁值,对目标进行威胁排序。目标火力分配模型[8]根据目标航路捷径、剩余弹量、剩余火力通道数、目标可拦截性、目标在发射区飞行时间等因素进行拦截效能值计算,完成目标火力分配。综合干扰决策模型根据目标威胁排序,基于干扰预案库完成目标干扰类型、干扰样式选择,并进行多目标资源分配。本舰指控功能仿真过程如图10 所示。
3.6 通信模型
通信模型主要模拟舰艇平台间通信的过程,包括模拟通信系统的基本属性、开关机控制、发送接收信息能力,模拟距离、丢包概率、延迟等对通信的影响。
3.7 来袭目标武器模型
来袭目标武器模型用于模拟来袭飞机和巡航导弹、弹道导弹等反舰导弹的工作过程,包括来袭飞机模型和反舰导弹模型。
来袭飞机模型用于模拟固定翼飞机的基本属性、搭载关系、平台机动等,包括飞机实体模型和飞机机动模型。飞机机动模型主要模拟固定翼飞机的机动、空气动力学等基本属性,模拟固定翼飞机的飞行功能。
反舰导弹模型包括反舰弹弹道模型和导引头模型。反舰弹弹道模型用于模拟反舰导弹的不同运用阶段的运用特性,能够接收处理导引头模型的目标信息,计算飞行弹道。导引头模型用于模拟反舰导弹雷达导引头的工作过程,包括视场判断、雷达方程计算、检测概率计算和目标输出以及抗干扰计算。
3.8 评估模型
评估模型用于每次软硬武器对抗过程实施完成后,计算毁伤效果和干扰效果,为后续防御动作的实施提供依据,包括拦截效果评估模型和干扰效果评估模型。
4 仿真验证
本文基于设计开发的舰艇编队防空反导仿真系统,开展了大量仿真实验,主要用于武器装备论证、体系作战效能评估、装备作战运用研究等。以某大型舰艇编队防空拦截能力边界分析为例,其为防御方,兵力部署如图11 所示。以2艘大型舰艇为核心,在距核心舰艇40 km范围内环形部署8艘掩护舰艇,在威胁轴方向距核心舰艇200 km处部署2艘前哨舰艇;进攻方为掠海亚声速、高空亚声速反舰弹。进攻方从不同方向发射某种反舰弹若干枚对防御方核心舰艇_1实施打击,防御方发现目标后,由编队指挥舰进行目标处理和威胁判断,组织舰艇进行梯次拦截。以进攻方向、反舰弹类型、反舰弹数量为变量,利用仿真系统工具进行模型装配、想定编辑和实验设计后,开展大样本仿真,并记录每次仿真反舰弹突防成功所需的导弹数量。
如图12 所示,给出部分仿真结果,在威胁轴方向(即0°)及偏置30°和60°方向进攻,两种类型反舰弹突防成功均需百枚左右弹量。这说明该舰艇编队具有较强的亚声速导弹拦截能力。通过仿真应用案例可以看出,该仿真系统可以有效地支撑开展舰艇编队防空反导装备体系作战效能评估。
5 结束语
本文研究并开发了一个通用的舰艇编队防空反导仿真系统,该系统采用分层系统架构、参数组件化建模,提高了系统的适应能力以及模型的可重用性、可扩展性。通过仿真应用,表明该系统能够满足面向舰艇编队防空反导作战领域多种类型的应用需求,能够为开展舰艇编队防空反导装备体系研究提供仿真工具和手段。