基于ExtendSim的小高炮武器系统抗击超音速巡航导弹分析*

梁甲慧，季新源，陈永志，包林波

(空降兵学院，广西 桂林 541003)

随着巡航导弹技术的迅猛发展，导弹和反导武器系统的软硬对抗手段也在不断改进［1］。目前，亚音速巡航导弹的作战效能急剧下降，世界各国都在积极寻求提高巡航导弹综合作战效能的对策，因此，采用新推进技术的超音速导弹层出不穷，其中以超音速巡航导弹“布拉莫斯”最为典型。可见，未来防空反导作战中，超音速巡航导弹的侵袭将是要地防空面临的主要威胁，高炮部队末端拦截作战配置问题的研究日益受到重视。本文运用ExtendSim8.0仿真平台对高炮营抗击超音速巡航导弹这一动态作战过程建立仿真模型，期望通过仿真研究高炮营在不同配置条件下抗击超音速巡航导弹的作战效能。

1 基本情况说明

1.1 来袭目标有关情况

在抗击对象的选择上，本文选择了“布拉莫斯”超音速巡航导弹作为抗击的典型目标分析其来袭弹道。目前，在速度不超过5Ma的超音速巡航导弹中，“布拉莫斯”巡航导弹发展最快，已在印度军队中装备。为避免被敌方探测和防空(舰载)武器的拦截，“布拉莫斯”巡航导弹一般采用可变弹道技术，对导弹飞行弹道编程，干扰对方的探测、威胁判断等，降低其防御能力，提高自身的突防能力［2-3］。其主要飞行剖面有两种:一是采用低-高-低飞行剖面，导弹在发射后立即在爬升到14km～15km的高度，之后长时间保持高空巡航飞行(巡航速度2.5Ma～2.8Ma)，然后在距目标大约40km时下降到掠地或掠海飞行高度(掠地高度100m～200m，掠海高度10m～15m)以便最后进入攻击状态;二是采用低-低飞行剖面，在该飞行剖面中，“布拉莫斯”导弹从发射到命中目标的过程中保持距陆地平面100m～200m左右(或海平面10m～15m)的高度飞行。

从“布拉莫斯”巡航导弹的来袭弹道看，无论其采用何种飞行剖面，最后进入末端防御范围内时基本处于低空平飞状态。因此，在后面进行仿真运行时，可以假设“布拉莫斯”导弹的攻击弹道为“低空平飞”弹道。

1.2 高炮有关情况

在抗击兵器的选择上，本文选择××速射小口径高炮作为抗击高炮，该型高炮具有一定的反导能力。同时为研究高炮在抗击作战中的作战配置对作战效能的影响，这里按照高炮部队编配情况，专门抽出一个高炮营进行仿真建模。一个高炮营编配×门××高炮，主要研究高炮营各种配置情况下的作战效能。高炮营抗击仿真时还分“组网”和“未组网”两种情况，“组网”作战在这里界定为在统一指挥下，本火力单元利用其它火力单元或其他信息源的信息对目标实施拦截，部队各火力单元通过“组网”进行空情共享(包括本级火力单元空情、友邻部队空情和上级提供保障的空情等信息)，不用对目标重复捕获，可以充分利用网内空情信息提高对目标的发现和捕捉概率，能有效利用射击诸元进行火力拦截。

2 效能分析ExtendSim仿真模型

2.1 仿真条件想定

超音速巡航导弹方面，选择“布拉莫斯”超音速巡航导弹为来袭导弹，该型导弹弹长8.1m，弹径0.67m，水平投影面积5.829 m2，纵截面投影面积2.9145 m2，横截面投影面积0.3526 m2，同时假定其来袭速度780m/s，高度100m，航路捷径0～2800m均匀分布。高炮武器系统方面，选取某型速射小口径高炮为代表，射击时采用“跟踪射击”体制［4］，射速选取最高射速×发/min，高炮营各火力单元先呈“线形”配置部署(这里特指“1字形”配置)，后调整其他部署形式，仿真统计置信水平取95%。

2.2 反导作战仿真流程设计

根据抗击超音速巡航导弹作战过程设计仿真流程(如图1所示):首先生成空袭目标流，然后进入搜索目标，并判断是否发现目标;如发现，则进入目标排序和目标分配，进行射击可行性判断;如符合射击条件，则进行射击，并判断是否拦截成功;如果拦截成功，完成1次仿真，并统计抗击结果;如果没有发现目标或拦截不成功，目标则突防离开。在完成一定次数的仿真过程后，综合所有输出结果，进行作战效能评估。

2.3 建立ExtendSim仿真模型

对高炮营抗击超音速巡航导弹这一动态作战过程建立ExtendSim仿真模型，通过仿真研究高炮营在不同配置条件下抗击超音速巡航导弹的作战效能(主要指标是高炮营抗击概率)。具体模型如图2所示。其简要思路是:首先设定一次仿真时间及循环次数，并创建Executive模块;其次是根据仿真流程框架图，利用Item和Value库中的模块，创建空袭流实体，并设置其各种属性，进行预警探测模型判断、射击可行性判断、高炮射击模型判断和计算等，分出“击毁”和“突防”的巡航导弹，从而计算高炮的作战效能，完成一次仿真;最后是用Mean＆Variance模块进行统计，输出仿真结果。

图1 仿真流程框架图

该模型实现的功能主要包括以下几个方面。

1)生成超音速巡航导弹来袭目标流

超音速巡航导弹来袭目标流是仿真得以运行的前提，必须首先构建。通常情况下，把来袭目标流看成是时间轴上的泊松流，按照该计算方法，并不能充分体现导弹速度对服务概率的影响［5］。故在研究导弹速度Vm对服务概率影响过程中，可以把目标看成是距离轴上的泊松流，即“在距离间隔为x内恰有k个顾客到来”的概率用泊松公式(1)确定，即

因此，在模型构建时把空袭目标流看成是距离轴上的“泊松流”更符合抗击作战实际。通过Information模块统计产生的导弹实体数量，并利用Set模块赋予来袭导弹属性，本文主要是赋予其来袭高度、速度和航路捷径变化区间等参数。具体情况如图3所示。

2)单门高炮抗击超音速巡航导弹过程

这一子模块是整个ExtendSim仿真建模的重点，主等部分。该子模块仿真参数录入依据××高炮的技战术性能参数。具体仿真模型如图4所示。要仿真单门××高炮抗击的阶段过程，包括雷达捕抓目标、目标威胁排序、抗击可行性判断和毁伤概率判断

图2 基于ExtendSim的高炮营抗击超音速巡航导弹作战效能仿真模型

图3 生成超音速巡航导弹空袭目标流结构图

3)计算作战效能统计模块

计算作战效能，这里统计了3个方面的指标，主要是各门炮的服务概率、高炮营抗击概率和导弹突防概率，其中抗击概率是主要指标。①服务概率。服务概率是高射快速反应能力和火力转移能力的反映，是对高速武器系统与射击时间有关的所有性能指标的综合量度，服务概率越高，反应了高炮在战斗中火力周转能力越强。模型中FW1、FW2、FW3分别表示导弹接受各门高炮“服务”的数量值，mbzs1、mbzs2、mbzs3分别表示导弹进入各门高炮射击范围的数量值。②抗击概率。它是作战效能最重要的指标，该抗击概率是指速射高炮全航路毁伤的数量值与导弹来袭总量的比值。模型中DA1、DA2、DA3分别表示各高炮火力单元全航路毁伤的数量值，mbzs表示导弹来袭的总量。③突防概率，主要是突防的导弹数与来袭导弹总数相比，其数量值等于1减去抗击概率。本文主要是从抗击概率来看其作战效能。模型中的计算都是通过Equation模块和Mean＆Variance模块实现，其中 Mean＆Variance模块都是用来求多次仿真的平均期望值［6］。具体模型如图5所示。

4)高炮营各种配置情况下仿真实现

图2显示的是高炮营×门高炮在“未组网”情况下的线形配置。为了便于分析比较，现对高炮营各种情况的配置进行仿真。组网情况分为两类:组网和未组网。配置情况分为三种(如图6所示):线形配置(情况1)、扇形配置(情况2)和“一字形”配置(情况3)三种情况，其中扇形配置分为“正三角”和“倒三角”两种情况。

ExtendSim属于模块化仿真结构，比较容易进行模型的调整变化［6］。这多种配置情况的仿真都可以在图2的基础上进行调整实现，调整时注意不要改变Extend-Sim模型基本参数的设置，使仿真在同一条件下运行。同时为研究各种配置情况下来袭目标速度(400m/s～2000m/s)和抗击概率之间的关系，需要在参数录入时调整目标速度，也可以在ExtendSim仿真平台相关模块中进行调整，这都是比较容易实现的。另外，当目标速度增大时，会使高炮火力单元射击时间减少，从而导致射弹数的减少，但也应该注意到，目标速度的增加也使得弹丸和目标撞击时产生更大的穿透力和破坏力，火力单元较少的命中弹丸也能产生一定的毁伤效能。

图4 单个火力单元抗击超音速巡航导弹过程子模块结构图

图5 作战效能统计模块结构图

3 ExtendSim模型仿真结果分析

3.1 仿真数据分析

导弹来袭速度对抗击概率的影响方面，我们在图2和图3模型基础上改变来袭目标速度参数值进行录入，对高炮营“线形配置”条件下(其他配置情况下抗击概率变化规律差不多，这里不一一列举)模型进行多次仿真运行，并将所得的大量数据通过Matlab软件进行了拟合，所得结果如图7所示。

从图7可以很清楚地看到，高炮营“线形配置”条件下抗击概率与来袭目标速度之间的关系。图中分为两种情况，即“组网”和“未组网”。总的来看，“组网”比“未组网”情况下抗击概率高很多。另外，当来袭导弹处于低超音速区段时，两条线下降幅度差不多，但当来袭导弹速度进一步增大时，“未组网”下降幅度更为明显。这说明“未组网”情况下高炮营对来袭超音速巡航导弹的抗击概率下降更快，同时相同速度条件下的“组网”与“未组网”抗击概率的“差值”随着来袭导弹速度的增大而增大。特别是目标速度在2000 m/s时最明显，三个火力单元在“未组网”情况下抗击概率仅达到0.3017，而“组网”情况下可以达到0.6055。因此，面对超音速巡航导弹来袭，作战指挥时必须注重依靠“组网”抗击来提高抗击概率。

图6 高炮营配置情况简图

表1 高炮营各种配置情况下抗击概率仿真结果

图7 “线形配置”条件下抗击概率与目标速度关系

抗击概率方面，模型是对整个高炮营各种配置情况(如图6所示)进行仿真，具体仿真结果数据如表1所示(此时选取的导弹来袭速度为780m/s)。以往研究××高炮营抗击无人机或巡航靶机(目标速度一般300m/s以下)，抗击概率一般都能达到0.90～0.96，甚至在航路捷径0～400m区间内单门××高炮都能达到98%［7-8］。由此可见来袭目标速度增大后特别是达到高超音速时，对高炮部队抗击概率的影响比较大。各种配置情况下抗击“布拉莫斯”巡航导弹的抗击概率，其中线形配置抗击概率最高，在“未组网”和“组网”两种情况下分别达到0.61186和0.78136;扇形配置次之，“正三角形”和“倒三角形”两种情况差不多，在“组网”情况下抗击概率能达到0.61682～0.65851，比较理想;“一字形”配置时抗击概率最小，在“未组网”情况下为 0.31637，即使在“组网”情况下也仅仅达到0.42468。同时，不管哪种配置情况，“组网”时的抗击概率都能得到较大幅度的提高。分析这些数据的变化，可以看到，在抗击超音速巡航导弹等高速目标时，火力配置必须保持足够的抗击纵深，使得火力单元有足够时间对目标进行抗击。同时通过组网能更好地增大雷达的配置纵深，实现在尽量远的距离上提供空情信息，前伸高炮的警戒线，相对地增大雷达的探测范围［9］。在此情况下，线形配置情况下“组网”对抗击概率的提高更为明显。

3.2 仿真结论

结论1:抗击超音速巡航导弹等高速目标，火力单元间必须进行“组网”抗击。模型对“未组网”和“组网”两种情况都进行了仿真，仿真所得数据相互对比很能说明问题。比如线形配置，“未组网”时各火力单元是依次对目标进行抗击，每次都要重新对目标进行侦查、捕抓。从这个角度看，面对超音速巡航导弹的来袭，通过组网进行空情的共享，增加高炮的射击时间，是提高抗击效能的有效途径。

结论2:“线形配置”和“扇形配置”两种火力配置方式适用于抗击超音速巡航导弹等高速目标，其中线形配置抗击概率最高，在进行火力配置时要注意形成一定的火力纵深。模型对高炮抗击超音速巡航导弹各种配置情况进行仿真，其中“一字形”配置抗击概率较低，抗击效果不够理想，而“线形配置”和“扇形配置”抗击效果比较理想。因此，指挥员在指挥抗击超音速巡航导弹等目标时，应该选取线形和扇形这两种配置方式，并形成一定的火力纵深。

4 结束语

ExtendSim仿真模型生动形象、简明易懂，将研究注意力集中于作战活动中而非复杂的数学公式上，因而在作战效能研究中具有广泛的应用前景。本文运用ExtendSim仿真平台对作战过程中的各种随机因素进行模拟，对各种配置条件下××高炮营抗击超音速巡航导弹作战效能进行了仿真分析，仿真结果符合实际情况，并为研究高炮部队抗击超音速巡航导弹作战配置问题提供了理论支持。

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