靶機模擬反艦導彈相似性評估及威脅態勢構建

陳慧杰,安佳寧,田 焜

(1. 中國人民解放軍92116部隊,遼寧 葫蘆島 125000;2. 中國人民解放軍92419部隊,遼寧 葫蘆島 125106)

模擬強敵典型裝備是靶場空中藍軍建設的核心,是靶場訓練職能擴展的關鍵。對于如何評估現有靶機模擬強敵典型目標,特別是模擬反艦導彈的相似度、逼真度,是靶場在構建空中藍軍必須要重視的問題,否則會對試驗結果的真實性和說服力造成較大影響。目前國內對模擬藍軍作戰戰術、兵力運用等方面的研究較多,文獻[1-4]詳細地介紹了如何構建藍軍體系,指出對于模擬強敵裝備大多是從效果的逼真度的角度研究,文獻[5-8]從逼真度的角度對戰場環境態勢、作戰目標進行效果評估。但單從效果逼真度的角度評估會忽略裝備平臺受實際環境等因素的影響,從而導致試驗及訓練效果產生一定偏差。所以在構建藍軍時,對于平臺模擬相似度的評估也是十分重要的,本文主要針對如何模擬強敵反艦導彈的問題,分析了LRASM和“魚叉”兩款典型反艦導彈性能及其突防手段,并在此基礎上提出了靶機相似度分析的基本方法,分析了典型威脅態勢的構建方法和能力的不足之處,以期為艦艇防空反導訓練空中藍軍模擬、敵導彈威脅態勢的方法構建提供依據。

1 強敵典型亞聲速反艦導彈

1.1 主要性能

1.1.1 LRASM導彈

LRASM導彈是一款遠程智能隱身反艦導彈,可由轟炸機或艦載機投放,1架B-1B轟炸機最多可裝載24枚,1架F-18戰斗機可攜帶2枚,也可由Mk-41垂直發射系統發射,2018年服役[9-10]。彈長4.27 m;彈徑0.55 m;翼展2.7 m;彈重1 020 kg;射程796.4 km,制導方式:GPS/INS+多模導引頭+數據鏈+紅外成像+被動雷達;動力系統為F107-WR-105渦扇發動機(最大推力622 kgf)[11]。

1.1.2 “魚叉”導彈

“魚叉”導彈是一種用于攻擊水面艦艇的全天候、亞聲速的飛航式反艦導彈,可以實現空中、艦艇和潛艇等多平臺發射[12]。彈長3.84 m;彈徑0.34 m;翼展0.91 m;制導方式為紅外成像+主動雷達;動力系統為CAE J402-CA-400渦噴發動機(最大推力294 kgf),具有航路規劃功能,末段攻擊模式可設置為躍升俯沖攻擊和水線攻擊兩種[13]。

1.2 主要突防技術手段

反艦導彈威脅態勢模擬的核心是逼真模擬反艦導彈的主要突防技術,目前兩款典型亞聲速反艦導彈的主要突防技術手段主要有以下五種。

1.2.1 隱身技術

LRASM導彈上下非對稱橄欖形頭部大大降低了前部雷達散射截面積(RCS),內埋式進氣道位于腹部,可以有效減弱腔體散射,表面敷設新型吸波涂料,降低了RCS,其RCS據估計在0.005 m2以下。LRASM導彈采用矩形埋入式發動機噴口,利用彈體尾部遮擋高溫排氣,其紅外隱身性能優異[14]。

1.2.2 低截獲概率主動相參雷達

據相關資料,目前“魚叉”導彈采用的是低截獲概率的主動相參雷達(Ku波段,捷變頻400 MHz左右),相參體制雷達解決了距離分辨率和發射功率之間的矛盾,通過脈沖匹配壓縮使雷達獲得較高的距離分辨率,通過脈間相參積累使雷達在達到較遠作用距離時需要的發射功率更低[15]。

1.2.3 超低空巡航

超低空飛行既可以利用地球曲率有效降低雷達發現距離,又能利用海雜波實現戰術隱身,降低防空導彈的攔截概率。受地球曲率影響,艦載雷達對掠海飛行目標的探測距離限制在30 km左右。LRASM導彈在進入威脅區前利用隱身性能以中等高度飛行,便于遠距離搜索識別和節省燃料,到達威脅區后迅速俯沖到低于15 m的掠海飛行高度[16]。

1.2.4 大空域機動

“魚叉”導彈和LRASM導彈均具有末段大空域機動能力,主要的機動樣式有躍升俯沖機動、蛇形機動、擺式機動、螺旋機動等[17-18]。

1.2.5 多方向飽和突防

多方向攻擊是指反艦導彈從兩個以上的方向進行攻擊,該攻擊樣式可達到分散抗擊火力的目的,同時由于水面艦艇無源干擾對相對態勢要求較高,作戰中可以利用多方向攻擊降低其干擾效果[19]。

2 靶機模擬威脅目標相似度模型

2.1 相似度模型

目前對于靶標與模擬對象相似度的評估以定性評估為主,量化評估的模型較少,且沒有特別成熟的方法,本文采用分解系統構成要素的方法,從反艦導彈作為空中威脅目標所包含的物理特性和運動特性兩個方面進行特性分解,求出單一特性相似度,再進行加權求和計算系統相似度。物理特性主要包括電磁特性、光學特性等特性,電磁特性主要是RCS,一般包括給定姿態角和頻率范圍內的特性;光學特性主要指光散射特性和光輻射特性,目前主要針對紅外特性。運動特性主要指飛行性能,包括飛行高度、速度、續航時間、航程、機動方式和機動能力。

設A為構建靶標的相關參數,B為威脅目標的相關參數,二者為模擬和被模擬關系,構建如下相似度模型[20]:

(1)

式(1)為精確值相似度,用于計算靶機與導彈飛行性能等方面的相似度。

(2)

式(2)為區間值相似度,用于計算靶機與導彈機動能力、光學特性等范圍特征的相似度,L(X)為X區間長度。

(3)

式(3)為枚舉值相似度,用于計算給定不同姿態角和頻率范圍內的RCS等枚舉特征的相似度,N(X)為X的參數個數。

(4)

式(4)為是非相似度,用于計算靶機和模擬導彈是否完成空中某一機動任務等特征的相似度。

根據單特征模型可計算系統總體的相似度δ,如式(5),其中Pi為第i個模型所對應的權重。

(5)

2.2 權重分配原理

計算總體相似度的重點是對威脅目標各指標特性的權重進行分配,本文根據體系相似性原理將靶機模擬體系劃分為7項基本指標特征,并對每一個特征權重進行分配。目前采用最多的權重分配方法為一致性排序原理。一致性排序原理主要是構建一致性標度矩陣,其構建方法如下:

設系統為Q共有m個子系統,通過對子系統Qi與Qk的重要性進行比較得出一致性標度矩陣的元素aik和aki。

(6)

通過邀請領域內的專家對系統中的子系統進行兩兩比較,評估得到一致性標度矩陣am×m(其中aii=0.5)。其權重為

(7)

本文根據上述原理構建的權重分配如表1所示。

表1 相似特征權重分配

3 靶機相似度分析

我們各選取兩款靶機分別模擬“魚叉”導彈和LRASM導彈,其尺寸、速度、高度、航程等參數來源于網上資料,RCS、紅外等特性根據經驗值預設,利用相似度計算模型進行分析,開展相似度評估(分析結果見表2、表3),從結果可以看出,總體相似度均在60%以上。分析相似度結果可知,靶機1和靶機2在模擬“魚叉”導彈時相似度并不高,主要有以下幾個方面原因:一是受發動機推力限制,兩款靶機在模擬“魚叉”導彈時速度和機動能力明顯不足,二是目前靶機在紅外隱身方面考慮不多。在模擬LRASM時靶機3和靶機4的隱身性能也略顯不足。由于對模擬目標射頻特性支撐數據不夠,該模型未考慮射頻特性?？傮w來看,單一靶機在模擬威脅目標時相似度不高是因為靶機在建設時并沒有對標威脅目標,而是基于自身能力來進行靶機建設。

表2 典型靶機模擬魚叉反艦導彈相似度分析

表3 典型靶機模擬LRASM隱身巡航導彈相似度分析

通過對相似度模型分析可知,各個指標之間進行了帶權重的簡單線性疊加,這種表征略顯簡化,因為各指標之間不是相互獨立的,而是相互交聯的非線性關系。下一步應該構建更為復雜的基于使用方式和對抗方式的相似度指標體系,進行更為全面的相似度分析。

4 威脅態勢構建方法

艦艇防空反導訓練的難點是威脅態勢構建,威脅態勢構建得越逼真、越接近實戰,訓練效果越好。威脅態勢核心就是逼真模擬攻擊態勢,目前反艦導彈威脅態勢構建的主要方法是利用靶機航跡規劃的方法,通過構建不同的目標航路捷徑、目標距離、目標速度使具有不同動態性能的靶機在規定的時域、空域和速度域內模擬所需的威脅目標,進而形成空中威脅的模擬[21]。通過靶機自身物理特性以及搭載不同任務載荷模擬威脅目標的電磁散射、光學、聲學特性以及干擾環境。

4.1 隱身目標流態勢構建

國內中型靶機通過外形隱身設計、碳纖維復合材料應用以及表面鋪設隱身涂層等措施實現,具有一定的隱身性能,但是距離LRASM還有一定差距,同時紅外隱身措施不多,中型靶機(發動機推力>100 kgf)中波段紅外輻射強度高于LRASM。當前構建隱身目標攻擊態勢主要是結合掠海飛行構建隱身目標掠海攻擊目標流,結合機載干擾設備構成伴隨干擾態勢。由于靶機起飛后均有大于200 m的爬升過程,在起飛點固定的情況下,訓練對象可能在靶機升高前捕捉到靶機信號并實現穩定跟蹤,靶機超低空飛行的意義將不存在,無法達到考核目的。在實際訓練中,可以通過在海上平臺發射靶機來實現起飛點和航線進入方向的多樣性,達到背靠背訓練的目的。

4.2 飽和攻擊態勢構建

靶機的集群飛行包括同一型號多架靶機編隊飛行和多型號多架靶機協同飛行,根據飽和攻擊態勢的不同,靶機集群協同可以分為時間協同和空間協同兩種:時間協同,即在同一時間到達或者按照要求的時間間隔到達;空間協同,即按照要求的隊形保持或者有約束的隊形變換,從難度來講空間協同是最復雜也是應用最多的協同[22]。受測控鏈路影響,構建多目標以上飽和攻擊態勢靠單一型號靶機很難完成,目前較為成熟的方法是不同類型靶機之間的多目標協同,例如選取兩型靶機,每型測控站控制10架靶機,并通過發射時序、航路設計以及多機顯控軟件進行控制,構建20個目標流的飽和攻擊態勢。

4.3 模擬攻擊機動目標

真實情況下反艦導彈從150 km距離外發射,亞聲速導彈到達目標的時間大約8 min,此時艦船按照30 kn速度航行,艦船運動約7.2 km,在模擬該種態勢時如果靶機按照固定航線飛行,由于艦船運動距離遠,航速大,航路捷徑協同較為困難,因此靶機航線的隨艦移動功能就比較重要。目前靶機具備航線隨艦移動功能,但是超低空隨艦功能還未得到有效驗證,主要難點是超低空飛行下靶機的高度控制精度要求很高,在艦船大航速運動時,航線隨之移動,靶機通過執行副翼壓舵動作來保證航線的跟隨性,這將會給高度控制帶來較大難度。

4.4 末段機動態勢模擬

靶機模擬末段攻擊態勢的核心是模擬典型機動動作。比較成熟的機動態勢有水平面蛇形機動、穩盤機動、桶滾機動、俯沖躍升機動等。目前執行這些動作的安全高度在3 000 m左右,低空100 m水平機動仍具有較大難度,在模擬LRASM導彈和魚叉導彈的末段攻擊上仍有較大差距。

4.5 多靶機組合模擬

從相似度分析可知,單一靶標性能有限,無法對威脅態勢進行全面模擬,由于影響威脅態勢構建的因素眾多,其間交互關系復雜,單一靶機無法遍歷目標所有特性。為此應該在仿真分析的基礎上,梳理影響模擬能力的典型敏感因素,以此為依據進行多靶機指標選取與模擬運用,實現多靶機組合模擬[23]。例如在構建領/從彈攻擊態勢、伴隨干擾態勢時,可以在分析計算的基礎上進行多靶機組合,選取不同型號靶機,搭載干擾機等載荷,模擬蜂群、反輻射導彈,搭載微波輻射源模擬反艦導彈,共同構建威脅態勢。

5 構建威脅態勢的幾點思考

大力構建體系化空中藍軍,必須解決目標特性模擬真不真、戰術運用像不像等矛盾問題,通過對威脅目標的對比研究,構建體系化空中藍軍應該在以下幾個方面尋找突破:

1)構建海上供靶相關標準。高性能、高可靠性、低壽命、低成本是對靶標的基本要求,但當前國內低端靶標較多,高性能、高可靠性靶標稀缺,而且由于艦載發射、海上回收、掠海飛行等相關標準缺失,給實際訓練中靶標選擇帶來諸多不便,限制了訓練用靶的選擇,加快海上供靶相關標準的制定是提高威脅態勢模擬逼真度的必然要求。

2)引領海上供靶關鍵技術發展。反艦導彈的智能化、導引頭多樣化、攻擊樣式多樣化為靶機技術的發展指明了方向,以威脅目標為主是靶機技術發展的根本思路,有怎樣的威脅目標就應該有相應的模擬靶標。當前對靶機動力系統、靶機智能化、靶機敏捷性、高精度傳感器等關鍵技術重視度還不夠,要進一步提高綜合訓練水平必須引領相關關鍵技術的發展。

3)創新使用模式。超低空供靶、緊密編隊、末段大角度俯沖拉起等高風險動作是訓練態勢模擬的必備科目,但是其安全風險較高,探索在確保安全的情況下,構建盡可能貼近實戰的有難度的態勢是今后訓練態勢構建上必須考慮的問題。

4)加快靶機構建空中威脅態勢理論體系建設。當前靶機篩選、威脅態勢構建以及技術指標效應分析均未形成完備的理論體系,更沒有完備的算法體系,靶機使用以經驗主義居多,必須加速靶機篩選、威脅態勢模擬等理論體系探索,讓靶機模擬威脅態勢更為科學、高效、逼真。

6 結束語

本文在分析典型亞聲速反艦導彈性能和突防技術手段的基礎上,運用相似性原理構建了威脅目標模擬相似度模型,分析了靶場構建典型威脅態勢的方法和能力,同時對構建體系化空中藍軍需要發力的方向提出了幾點思考,具有一定的工程借鑒意義。