基于仿真的空战效能评估分析研究

金镭, 张曙光, 孙金标

(1.中国航空综合技术研究所 适航性与安全性技术研究室, 北京 100028;2.北京航空航天大学 交通科学与工程学院, 北京 100191;3.空军指挥学院 战役战术系, 北京 100097)

基于仿真的空战效能评估分析研究

金镭1, 张曙光2, 孙金标3

(1.中国航空综合技术研究所 适航性与安全性技术研究室, 北京 100028;2.北京航空航天大学 交通科学与工程学院, 北京 100191;3.空军指挥学院 战役战术系, 北京 100097)

分析了作战飞机在执行空战任务过程中的使用特点,结合现代空战的特点、考虑四代机的特征及作战飞机各系统间的耦合情况,应用概率理论建立了作战飞机空战效能的计算评估体系,同时给出了发现目标概率、占位开火成功概率、导弹杀伤目标概率3个用于评估空战效能的阶段性指标。根据空战各阶段的特点,应用效能计算评估体系辅以模拟仿真的方法完成了空战效能的评估。结果表明,空战效能评估结果与空战能力评估结果吻合情况很好。

空战效能; 计算体系; 仿真; 空战能力

引言

空战能力用于描述作战飞机的“本领”或潜力,是飞机的固有属性;空战效能是作战飞机在特定条件下,执行预定作战任务时,其能力发挥的效果[1]。空战能力是空战效能发挥的基础,空战效能不仅与空战能力有关,还与作战飞机在作战过程中使用、战术运用、决策选择等方面有很大关系。

空战能力评估呈现概略性、相对性、时效性和局限性的特点[2],常用的评估方法有WSEIAC作战模型、模糊综合评估法、多属性功效函数法、层次分析法[3]等,这些方法都能体现评估的概略性、相对性、局限性,但体系的时效性均有缺陷。另外,国内有学者在考虑现代空战特点的同时,应用层次分析法,结合模糊隶属度函数,建立了飞机空战能力评估的体系模型[4],使评估体系的时延大幅降低。由于飞机数据参数详尽,国外空战效能评估主要采用模拟仿真法,如美国“红旗”战术靶场空战模拟。我国空战效能评估现阶段以建模分析为主,方法主要有概率评估法[2]、Markov过程法[5]等,主要研究模型的建立和优化,但有些情况如双方效能接近时导弹互射阶段、对抗时战术决策的使用,理论模型无法进行有效评估。

本文在分析现代空战特点及四代机特征的基础上,将空战过程分为搜索目标、占位开火、导弹攻击三个阶段,应用概率理论研究建立空战效能计算评估体系,辅以模拟仿真,完成空战效能的评估工作。将空战效能评估结果与空战能力评估结果进行多轮次对比分析,以验证效能计算评估体系和模拟仿真的正确性。

1 空战效能评估指标特点

空战效能评估的目的是研究飞机完成空战任务的程度。空战过程具有任务多样性、同一任务在同样条件下过程的多样性和同一飞机多次执行同一任务结果的多样性三个特点[6]。根据效能评估的特点,将评估指标分为综合指标和局部指标。综合指标是从总体给出衡量空战效能的指标;局部指标是飞机在完成阶段性任务时,针对该段任务而提出的指标。局部指标应与综合指标相吻合,指标的选择应符合系统分析原理,指标还应与飞机所执行的任务相一致;由飞机及其组成部分的技、战术性能决定。

2 空战效能评估计算

选择作战飞机完成拦截任务的成功率Pin作为评判飞机空战效能的指标,即:

Pin=PdePemPle

(1)

式中,Pde为发现目标概率,反映机载探测能力和外部信息支援能力;Pem为占位开火概率,反映机动性、敏捷性及机载设备的综合效能;Ple为杀伤目标概率,反映机载武器弹药的整体效能。

2.1 发现目标概率

空战过程中探测目标的设备主要为机载雷达、红外跟踪探测设备及飞行员的目视能力:

(2)

2．1．1雷达发现目标概率

(3)

式中,Cs为雷达系统特征常数,与机载雷达体制有关;σ为目标迎头方向的RCS,与目标尺寸设计及材料有关;Lα为大气损耗因子,与雷达传播路径有关;R为被探测目标的距离;F为方向传播因子。

2．1．2红外探测设备发现目标概率

(4)

式中,R0为标准发现距离。目标其他方位被红外设备探测的概率,只需对R0进行修正即可。

2．1．3飞行员目视发现目标概率

表1 典型飞机尺寸系数与目视平均距离的关系

2.2 占位开火成功概率

由于各空战阶段使用的武器不同,下面对影响超视距、视距内空战阶段Pem的因素进行分析。

(5)

式中,d为导弹攻击区范围;R为载机与目标的距离。

(6)

(7)

超视距空战时,理论上哪一方火控系统更先进,哪一方雷达锁定目标到发射导弹时间将越短,即在占位阶段中取得优势。综上,将式(7)修正如下:

(8)

式中,t为飞机占位开火阶段所经历的时间;t0.85为搜索阶段开始至发现目标概率到0.85所用的时间;τ为时间常数,与参数t0及tf有关:

τ=max{t0,tf}

(9)

式中,t0为雷达锁定目标后到导弹发射成功,火控系统所需的时间,与发射装置、机载设备等因素有关;tf为载机完成对目标照射锁定后,导弹所需的飞行时间。飞机完成第一枚导弹发射,占位开火阶段结束,进入导弹攻击阶段。

2.3 杀伤目标概率

飞机配备不同的导弹,杀伤目标概率分别为Pk1,Pk2,数量分别为n1,n2,则:

Ple=1-(1-Pk1)n1(1-Pk2)n2

(10)

常规中距弹为半主动和主动寻的导弹,能否命中目标与导弹命中目标或飞到有效杀伤范围时载机是否生存有关。考虑载机生存力,则:

(11)

式中,事件A1为载机1生存;事件B1为杀伤2;事件A2为载机2生存;事件B2为杀伤1。

2．3．2近距弹杀伤目标概率

此阶段导弹攻击目标的成功与否取决于占位过程所抢占的位置。本节是在完成占位的情况下计算近距弹对目标的杀伤概率,即近距弹杀伤目标的概率可由式(10)直接计算。

3 算例研究

3.1 作战飞机的选取及其初始条件的设定

以四代机A、三代机B和C为例,采用本文效能计算评估体系对B与A,C的空战效能进行评估。初始条件如表2所示。初始航向及初始位置的规定如图1所示。

表2 参与效能评估战斗机的初始条件

图1 飞机初始位置、初始航向的规定

3.2 空战能力的计算

根据空战能力评估模型[4]可得算例中飞机空战能力的评估结果,如表3所示。

表3 战斗机空战能力评估结果

由表3可以看出,A除视距内武器弹药效能低于B外,其它方面均高于B。这是由于A为提高隐身性能和超声速巡航能力,采用内置弹舱,使迎头RCS更小,超声速阻力更小。A共3个内置弹舱,空战时两个侧武器舱各挂一枚近距弹,主武器舱携带6枚中距弹;B有10个武器挂点,空战挂半主动雷达制导的中距弹4枚,红外制导的中距弹2枚及近距红外弹4枚。挂点数和载弹性能的差别由空战能力评估结果给出定量的反映。

3.3 空战效能计算

3．3．1搜索接敌阶段

根据三种机载雷达的性能参数及三种飞机的RCS,通过式(2)的计算,得到B与A,C发现对方的概率随时间的变化曲线,如图2所示。

图2 B与A,C发现对方的概率随时间的变化曲线

C与B的机载雷达性能相仿,由于轻型战机C的迎头RCS比重型战机B要小得多,所以C锁定B要比B锁定C远40 km,做到了“先视”。

由于雷达性能、隐身能力的不足,装备脉冲多普勒雷达的B在搜索阶段是在装备有源相控阵雷达A的监视下完成的,信息上处于劣势,在无外部信息力量的支援下,要想改变这种劣势很难。

超声速巡航能力在超视距空战阶段的重要性在于快打快跑,大幅提高飞机生存力。参与评估的三种飞机只有A具有超声速巡航能力,使A与B在对抗过程中占据有利的态势。图2表明,B锁定A的时间早于其锁定C的时间,这是由于A的接敌速度要比C快得多。

从仿真结果可看出,超声速接敌在增大导弹攻击包线的同时也使载机更快地落入敌机的攻击范围,超声速巡航为载机的生存力带来保障的同时也带来了安全隐患。

3．3．2占位开火阶段

根据表2中的数据,通过式(5)、式(6)及式(8)的计算,可得到B与A,C之间占位开火成功概率随时间的变化曲线,如图3和图4所示。

图3中由于导弹射程限制使A在占位阶段消耗220 s时间,占位时间tf占据了空战时间的80%;由于B机载雷达性能差及A优异的隐身性能,导致B对A的占位过程发生在A导弹的杀伤范围内,且占位时间是火控系统必需的t0。

图4中C对B的占位由277～377 s共100 s;B对C的占位由365～377 s共12 s,C的占位准备时间多于B,但两者在对目标攻击的时间一致,区别是在377 s完成占位进入导弹攻击阶段时C锁定B的概率为1,而B锁定对方的概率为0.94,交战双方同时进入导弹攻击阶段。B与C导弹互射阶段需要通过模拟仿真进行计算评估。

图3 B与A之间占位开火成功概率随时间的变化曲线

图4 B与C之间占位开火成功概率随时间的变化曲线

3．3．3导弹攻击阶段

未进入攻击阶段无法对目标进行攻击,计算飞机拦截任务的前提是占位成功并且发射导弹。

3.4 效能评估结果分析

3．4．1A与B的评估结果及分析

表4为A与B各阶段的效能评估结果。

表4 A与B各阶段效能评估结果

表4中A对B进行搜索、占位用时280 s,发射一对导弹用时5 s,共发射4枚中距弹,A拦截B的成功率达到0.99,约290 s,此时B处于对A的搜索阶段,发现A的概率仅为0.05。对抗过程中,出现这种情况主要有三个原因:一是A机载雷达AN/APG-77A对RCS为5 m2的目标最大发现距离为200 km,B机载雷达NⅡP001对RCS为3 m2的目标最大发现距离为100 km,雷达性能差异导致搜索阶段B的劣势;二是A采用隐身设计,迎头RCS仅为0.1 m2;而B迎头RCS达到了12.5 m2,设计差异加剧了搜索阶段B的劣势;三是A的超声速巡航能力接敌时间大幅缩减,使对手完成搜索、占位成功率更低、反应时间更短,从而在对抗中取得有利态势。

3．4．2C与B的评估结果及分析

表5为C与B各阶段的效能评估结果。表5中的效能评估结果是假设两机均成功发射4枚导弹后完成空战任务成功率。图4表明,交战双方同时完成占位,进入导弹攻击阶段。为准确进行导弹互射效能评估,采用模拟仿真的方法模拟双方导弹攻击阶段。初始条件设置如表6所示。

表5 C与B各阶段效能评估结果

表6 C与B导弹攻击阶段仿真初始条件设置

飞机C装备4枚AIM-120C中距弹、2枚AIM-9L近距弹;B装备4枚R-27ER中距弹、2枚R-73A近距弹。在保证空战连续完整的情况下,将两机初始位置设定在超视距空战中占位阶段的后半段,模拟交战双方对抗的全过程,航迹图如图5所示。

分析整个单机空战模拟仿真对抗过程:交战的双方并没有进入到传统空战中缠斗的视距内空战阶段,仅在超视距空战阶段,装备4枚中距弹、2枚近距弹的C将同样装备有4枚中距弹、2枚近距弹的B击落。

图5 典型飞机C与B空战过程航迹图

交战过程分析如下:

(1)搜索接敌阶段:C的机载雷达APG-68从照射到锁定目标历时约13 s,锁定目标后于15.5 s时发射导弹;B机载雷达从照射到锁定目标历时约10 s,完成锁定目标后于20.5 s发射导弹,B的占位开火所需时间比C多了近5 s;

(2)导弹攻击阶段:B同样完成了向C发射两枚半主动中距弹,发射时间比C发射中距弹的时间晚5 s,即在两机均不躲避的情况下C发射的导弹将先击中B,为了保证载机的安全,B采取规避机动动作,导致已发射的半主动弹将因无法得到载机的持续照射而失效,因此B完全丧失主动，一直处于被动态势,最终结果是B被C发射的第三、第四枚中距弹所击落。

说明:模拟仿真过程加入了常规的战术动作,如急拉抢位、导弹来袭时俯冲规避等战术。但算例中B在C先发射中距弹的情况下继续迎头飞行了近5 s,待中距弹发射后反而立刻摆脱,使得刚刚发射的中距弹失去照射而失效,这说明B选择的战术动作在此处不合适。

4 结论

(1)本文在对空战效能概率评估法细化的基础上,结合现代空战特点及四代机的特征,研究建立了空战效能计算评估体系,配合模拟仿真方法完成了导弹互射阶段的仿真计算。由效能评估结果与空战能力评估结果的比较可知,吻合情况很好。

(2)由空战过程分析研究得出,在交战双方同时进入空战第三阶段即导弹攻击阶段时,空战将变得异常复杂,单纯依靠计算的方法得到准确的导弹杀伤目标的概率是非常困难的,只有根据模拟器统计多次模拟仿真得出的结果,才能近似给出考虑导弹互射时杀伤目标的概率。

(3)模拟仿真过程应考虑战术和装备匹配问题。若战术和装备匹配较好,则可直接进行模拟仿真;否则,应在效能评估过程中剔除与装备不匹配的战术,避免战术决策等因素影响飞机空战效能的最终评估结果。

(4)本文只给出了效能评估的方向思路,在研究中假定了很多前提条件。要想准确地完成空战效能评估,还是应当采用计算机模拟仿真。关于模拟仿真对抗过程中的各子系统仿真的逼真度、计算机控制飞机对抗时的决策系统都是需要进一步解决的问题。

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[2] 朱宝鎏,朱荣昌,熊笑非.作战飞机效能评估[M].北京:航空工业出版社,1993.

[3] 邹俊,韩景倜,闫永刚,等.飞机空-空作战效能加权模糊综合评估[J].火力与指挥控制,2004,29(3):30-36.

[4] 金镭,张曙光,孙金标.现代战斗机空战能力评估及敏感性分析[J].北京航空航天大学学报,2009,35(1):82-86.

[5] 赵红云,赵福祥,马玉祥,等.通信网专家系统效能评估技术的研究[J].计算机应用与软件,2004,21(1):50-52.

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[7] 丁鹭飞,耿富录.雷达原理[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003.

Analysisandevaluationofair-combateffectivenessbasedonsimulation

JIN Lei1, ZHANG Shu-guang2, SUN Jin-biao3

(1.Airworthiness and Safety Technique Department, China Aviation Polytechnology Establishment, Beijing 100081,China;2.School of Transportation Science and Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China;3.Department of Operations and Tactics, Air Force Command College, Beijing 100097, China)

The characteristics of fighting aircraft in modern air-combat missions are analyzed, considering the characteristics of the 4thgeneration fighter and the coupling conditions of each system in fighting aircraft, a calculating system to evaluate the air-combat effectiveness of fighting aircraft is built at probability methodology. Meanwhile, the detecting object rate, success rate of lock-in and firing and missile target destruction rate are used as phase indexes in evaluating air-combat effectiveness of fighting aircraft. According to earmarks of each air-combat phase, the calculating system of effective evaluation assisting simulation results is implemented to accomplish the effectiveness evaluation of fighting aircraft. The evaluation results of air-combat effectiveness and air-combat ability coincide well.

air-combat effectiveness; calculating system; simulation; air-combat ability

2011-03-28;

2011-11-01

金镭(1981-)，男，黑龙江牡丹江人，工程师，硕士研究生，研究方向为适航性技术/作战效能评估。

E926.3

A

1002-0853(2012)01-0087-05

(编辑：姚妙慧)