面向指标论证的战斗机突防效能评估

白金鹏， 李天

沈阳飞机设计研究所， 沈阳　110035



面向指标论证的战斗机突防效能评估

白金鹏*， 李天

沈阳飞机设计研究所， 沈阳110035

摘要:随着现代战争的体系化，战斗机性能的设计与优化开始结合具体作战任务，从作战效能的角度来分析.尤其是在概念设计阶段，基于作战仿真论证战斗机指标对整个设计过程和全寿命成本都有重要作用。本文提出了应用构造型仿真进行战技指标论证工作的方法论，并以AnyLogic软件为平台搭建了战斗机突防任务仿真框架，构建了突防战斗机与防空系统的Agent(智能体)行为模型，并对试验结果进行了敏度分析。最后，提出了后续进一步研究的方向。

关键词:体系； 仿真； 指标论证； 效能； 智能体

战斗机的指标需求论证对与战斗机研制具有十分重要的意义，随着未来战争体系化、战场环境复杂化的发展，战斗机战技指标的确定以及指标方案的效能评估需要考虑的因素越来越多，不能再以单机能力的对比作为衡量标准，而是要综合考虑作战任务的效能[1-2]。因此早期参考国外相似机型以及性能对比等指标论证与评估方法已经不适用于中国现阶段先进战斗机的研制，通过体系作战仿真实验模拟未来战争中典型作战任务，开展作战效能仿真评估，进行战技指标的分析与权衡是目前较为有效的手段。

美国在体系仿真方面已经开展了几十年的研究，具备了完善的仿真手段，包括构造仿真(Constructive Simulation)工具与人在环虚拟仿真系统等，并广泛地应用到预研和型号设计中。例如，美国在JSF与F-35的研制中进行了大量的体系作战仿真实验，保证了JSF与F-35的设计在杀伤力、生存力、保障性和可承受性之间的平衡[3-4]。其中，构造仿真由于其模型简单、计算速度快，被广泛应用于战技指标、作战能力等的定量分析与评估中，进行指标方案的设计与优化[5-7]。

未来作战规模庞大，体系复杂，要建立详细的装备模型，实现空天地海一体化的真实体系作战仿真，以目前的技术手段难以实现。因此，本文考虑针对典型作战任务进行仿真，用一个战斗机突防任务的案例为引，以点带面来开展研究，说明战技指标需求论证的仿真研究方法，构造仿真在飞机研制中的作用、建模方法、评估流程，以及实验分析方法[8-9]。

1构造仿真在体系仿真中的定位与作用

1.1体系仿真在飞机研制阶段中的作用

图1战斗机研制周期评估[7]
Fig. 1Evaluation continuum over fighter develop project life cycle[7]

战斗机的研制与未来战争的设计息息相关，体系仿真通过对未来战争各组成元素的建模与仿真，构筑虚拟的战场环境，为战斗机研制的全流程提供支撑[10]。例如在美国的战斗机研制流程中，从型号的需求分析到设计开发，再到试验与使用过程中，均建立了不同颗粒度与精确度的仿真系统，将重要的建模、仿真和实战演习综合在一起，用于联合的飞机设计、研发、综合、测试及开发，在飞机设计全流程中对设计/评估起到了重要的作用[3]。美国的战斗机研制流程如图1所示[7]，其仿真体系贯穿整个装备研制流程，涵盖三大研究内容：需求论证、能力校验和使用指导，其研究手段由构造仿真、人在环虚拟仿真和实战演习3种方式组合而成，随着研制阶段的推进，这3种研究手段的比重也随之变化。需求论证是基于复杂作战的一体化联合能力生成过程，一般由美国军方与工业部门合作，采用从定性分析到定量分析的流程，主要运用构造仿真分析手段完成体系与装备的能力确认与评估。

能力校验是指对战斗机作战能力的校验，针对各阶段的设计方案与试制产品，综合考虑复杂的战场环境、作战体系、协同战术、后勤保障与经济性，主要运用构造仿真或人在环虚拟仿真手段，开展任务效能评估、武器系统验证、经济性评估、保障能力评估等研究。

使用指导运用战术仿真与实战演习相结合的方式，采用精细度较高的仿真模型，进行人在环的虚拟仿真以及实战演习，开展作战使用建议、战术训练、战术战法、使用问题分析等方面的研究。

1.2构造仿真的定位与作用

构造仿真是一种利用计算机模拟人类行为和逻辑的仿真方法。相比于传统计算机虚拟仿真和交互式仿真手段，构造仿真的最大特点是在仿真环境中完全利用计算机模拟人类行为和逻辑，使得仿真可以不受外界影响地进行，可以在短时间内重复进行大量实验[6-7]。

在战斗机需求论证过程中，需要根据预期的作战能力需求来确定战技指标的要求，但这种由能力到指标的“反推”，随着作战体系与作战任务的复杂性，越来越难以实现，无法以解析解的方式给出，而构造仿真技术的出现为体系作战下的战技指标分析提供了有效的手段，通过建立作战体系的模型，进行大批量的正向实验，找出逼近作战需求的战技指标方案。因此构造仿真更多地应用于飞机研制初期，在没有大量详细分析与实验数据时进行论证与分析，而随着研制阶段的推进，更多更详细的实验与测试数据产生，更适合采用更高精度的人在环虚拟仿真开展详细的分析与验证工作。

2构造仿真的流程与建模方法

2.1构造仿真实验流程

结合构造仿真技术的特点，根据战斗机指标论证的需求，构造仿真实验的主要流程如图2所示，包含实体建模、行为建模、变量分析、评价标准设置、实验设计与运行、数据分析、综合设计权衡7个部分。

图2构造仿真评估流程
Fig. 2Evaluation process of constructive simulation

1) 实体建模：对作战场景进行简化与抽象，将战场环境、信息通信、作战实体模型化与参数化。

2) 行为建模：进行作战过程与作战实体行为逻辑的建模，表现为指挥模型与战术规则模型。

3) 变量分析：根据研究的目标选择在构造仿真实验中关注的变量。

4) 评价标准设置：设定仿真实验在每次运行后评估结果的计算标准。

5) 实验设计与运行：根据数据分析需求选择实验类型，包括蒙特卡罗实验、参数摄动实验、敏度分析实验等。根据实验目的进行实验参数的设计，包括分式析因设计、正交设计、均匀设计等。生成批量实验设定，进行仿真实验的运行。

6) 数据分析：进行批量实验数据的分析，依据关注变量与评价标准的不同，数据分析的目标也不同。

7) 综合设计权衡：对各个数据分析的结果进行权衡分析，最终得出优选方案。

由于作战实体与过程均进行了模型化与参数化，构造仿真为战斗机设计权衡提供了更广泛的分析视角，使用同一套模型，通过变化体系仿真中不同变量，就可以实现不同的设计分析与评估目的，能够开展以下分析：

1) 变化飞机战技指标，能够进行战技指标的敏感度分析以及指标方案的效能评估。

2) 变化体系中其他成员的能力参数，能够对战技指标方案进行技术适应性的评估。

3) 变化体系作战中面临的威胁与使用的战术战法，能够对战技指标方案进行任务适应性的评估以及开展战术战法方案的研究。

4) 最终综合考虑上述设计评估内容，完成战斗机战技指标的设计权衡。

2.2战斗机突防的构造仿真建模

构造仿真的核心就是用以描述作战实体与作战过程的各类模型，这些模型不仅要能够模拟装备的运动、火力、通信等固有属性，还要能够反映装备的战术战法，具备自主决策能力与自主适应性，以替代人的指挥控制，反映作战体系的涌现性，应用Agent(智能体)建模方法是一种比较有效的解决办法。Agent的概念最初来自于分布式人工智能(Distributed Artificial Intelligent，DAI)领域，被广泛应用于体系建模仿真中，Agent是能够持续存在且自主发挥作用，具有自主性、交互性、反应性、主动性等特征的实体[11-12]。Agent拥有以下主要特点：

1) 自治性(Autonomy)。智能体是一个独立的计算实体，它对自身的行为和状态拥有一定程度的控制能力。每一个智能体有它自己的任务逻辑，能够在非事先规划的动态环境中解决实际问题，在没有用户参与的情况下独立寻找和获取资源、服务等。

2) 社会性(Sociality)。智能体有一定的社会性，它们能够以自己的方式与其他智能体或环境发生交互，这种交互能力体现为相互的依赖和制约。

3) 反应性(Reactivity)。智能体能够对其所处的环境态势进行感知，可以对环境中的相关事件作出反应。

4) 预动性(Go-aheadism)。智能体的行为目的是为了实现其自身的目标，它能按照自己的逻辑采取主动的、面向目标的行为。

5) 可通信性(Communicationability)。智能体之间可以进行信息的传递、交流。从某种程度上来讲，就是智能体之间的对话。它们之间的任务承接、协作、协商都可以通过通信来实现[12]。

总而言之，Agent一般可以被认为是为了实现一定的任务目标，能适应一定环境，并可以在此环境下主动执行任务的行为主体。智能体之间会进行交互和协作，同时也能与环境进行互动的行为。它们之间具有通信机制和协调机制，能够根据事先设置的规则逻辑对实际问题中的资源冲突、目标冲突等进行协商和协调，从而维护系统整体利益。可以说多智能体系统更加真实地反映了体系的一系列特征，这也是多智能体系统被广泛应用于体系建模和仿真的重要原因[12]。

2.2.1作战任务模型

作战想定是军事作战中的一项假设性的行动方案，是作战仿真中军事任务与仿真技术沟通的桥梁。本文作战任务想定为战斗机突防攻击任务，战斗机从海上出发，从不同方向突破敌方由陆基雷达和防空导弹组成的防空网，通过携带的航空炸弹攻击敌方的重要战略目标。

基于Agent理论进行作战任务模型构建，对作战流程与敌我双方武器装备体系进行分类和抽象，进一步形成体系模型框架[13]。根据双方装备体系分析作战装备之间的交互关系和作战任务逻辑建立作战任务模型[13]。图3是地面防空系统突防作战的任务框架划分，对抗双方分别是进攻方和防御方，进攻方资源包括战斗机和航空炸弹，防御方资源包括陆基雷达、防空导弹和重要目标。

图3突防任务模型
Fig. 3Model of penetration mission

进攻方战机从海上出发，沿某预设的航线飞向目标，当满足炸弹的攻击条件时投放炸弹。防御方的陆基雷达会对空域进行扫描，当战斗机进入其火控雷达探测范围时锁定目标，发射并引导防空导弹攻击目标。

本文的目的是为了验证方法的可行性，由于建立完备的模型需要大量实际数据与较多的装备性能细节，为简化模型，进行如下假设：

1) 除规避导弹所做的机动动作外，飞机按自身位置到攻击目标的直线航路进行突防。

2) 仅考虑敌方防空系统的地空导弹拦截，不考虑敌方战机拦截。

3) 进攻方仅进行隐身突防，不考虑对敌防空系统进行攻击，穿透防空系统后对地面目标完成攻击，视为突防成功。

4) 防空雷达模型仅考虑雷达散射截面(RCS)与距离的影响，且不考虑电子战干扰。

5) RCS暂时不考虑全向，认为各方位角RCS相同。

6) 由于导弹进入末制导后飞机较难摆脱，不考虑飞机做急剧机动躲避导弹，并且简化导引头模型，认为导弹进入末制导后能够持续锁定，不发生脱锁事件。

2.2.2进攻方模型

根据上述想定，进攻方建模主要包含战斗机的感知、战术行为、平台运动模型，以及航空炸弹的投放、轨迹与目标毁伤模型。具体如图4所示，战斗机对已知的目标进行随机选择，按照突防策略进行机动动作的选择，可选的机动动作包括直线突防与用以规避导弹的盘旋转弯，接近目标后进行攻击条件判断，投放航空炸弹以毁伤目标。

其中突防策略包含两种，直线突防与导弹规避。直线突防是指不考虑地空导弹的拦截，按照战斗机初始位置与目标点位置，以直线路径高速、隐身突破敌方防空系统，直至突防成功或被击落；导弹规避是指战斗机接收到导弹逼近告警后，迅速盘旋转向至导弹速度方向，依靠动能摆脱导弹追击，摆脱后再向目标点直线飞行，再次受到导弹攻击仍采取该策略，直至突防成功或被地空导弹击落。

图4进攻方模型
Fig. 4Attacker models

2.2.3防御方模型

防御方建模主要包含陆基雷达的目标扫描、跟踪与导弹引导模型，以及防空导弹的行为与运动模型[14-15]。具体如图5所示，陆基雷达首先对空域进行扫描，根据目标RCS、雷达到目标的距离、以及雷达的探测性能计算是否探测到目标，扫描到目标后转入锁定跟踪状态，具备发射条件后引导导弹发射，并为导弹提供中制导信号[16]。防空导弹发射后按照主动段、中制导段与末制导段3个阶段进行仿真。各阶段的制导模式不同，主动段为动能加速段，不改变飞行方向，通过火箭发动机加速到一定速度；中制导段依靠陆基雷达的引导信号，按照导引率向目标飞行；末制导段依靠导引头对目标的锁定信息进行制导。导弹接近目标一定范围内视为命中目标，进入末制导段前引导信号中断、导弹动能不足以追击目标、以及飞行过载超过导弹过载限制时视为导弹脱靶[17]。

图5防御方模型
Fig. 5Defender models

其中导弹的动力学方程选取三自由度的质点方程，以航迹法向过载控制导弹轨迹，切向过载控制导弹动能，其动力学方程为

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：V为导弹质心对地速度；x、y和z为地轴坐标系坐标；θ为轨迹倾斜角；Ψ为轨迹偏转(航向)角；nx为切向过载；ny和nz为法向过载；g为重力加速度[18-19]。

ny和nz的计算按照比例导引法计算，比例导引法是在自寻的导弹上采用较多的一种导引规律，它是指在导弹飞向目标的过程中，导弹速度方向的变化率与目标视线的变化率成比例。

如图6所示[18],设某一时刻目标位于M点，导弹位于O点，则根据比例导引率的计算，有

(7)

(8)

(9)

式中：vm为目标速度；v为导弹速度；R为导弹和目标的相对距离；θm和θ为目标和导弹的速度矢量与参考线的夹角；q为目标视线角；ηm和η为目标和导弹速度矢量与视线的夹角；k为比例导引系数。

ny的计算方法与nz相同。

图6比例导引法[18]
Fig. 6Proportional navigation method[18]

3基于AnyLogic的仿真验证系统实现

基于智能体的建模与仿真工具，目前已有多款软件和仿真平台。如AnyLogic、EINSTein、Swarm、Repast、StarLogo、NetLogo等，这些软件都有其各自的特点。本文使用的仿真软件是AnyLogic。AnyLogic软件是一款建立在JAVA语言环境上开发的多方法仿真软件。它利用可视化的语言大大降低了基于智能体模型程序的编写难度，使用户可以将主要精力放在模型逻辑的建立上，而不是编程语言的功能实现上。为方便理解，下面对本文中所用到的AnyLogic软件中的一些概念进行介绍。

AnyLogic环境中智能体的理念是建立在JAVA类上的，有同JAVA语言中类似的组成部分，如构造函数、成员变量、成员方法。并在此基础上增加智能体之间、智能体和环境之间的协作与约束。在每个智能体中，可以设置其参数、变量、函数、事件等，为用户实现智能体的逻辑提供了强大的支持。AnyLogic针对智能体的决策流程提供了状态图建模的方法，通过可视化建模方便了对智能体基于时间或事件的行为描述[20]。如图7所示，主要有以下概念。

1) 状态图进入点(Statechart Entry Point)。用来引向状态图的初始状态，对于每张图，只能有一个进入点(Entry Point)。

2) 状态(State)。状态是智能体针对一系列具体情况或事件的响应。

3) 迁移(Transition)。迁移表示的是智能体从某一状态到另一状态的转换过程。迁移的发生有如下条件：

① 超时(Timeout);

② 概率(Rate);

图7AnyLogic软件状态图
Fig. 7Statechart of AnyLogic

③ 接收到消息(Message);

④ 布尔条件(Boolean Condition);

⑤ 智能体到达(Agent Arrival)。

4) 结束状态(Final State)。状态图终点。它的出现代表着状态图的结束。

5) 选择分支(Branch)。选择分支表示的是迁移过程的结点，它可以根据不同的条件将上一个状态引向多个不同的状态[20]。

3.1仿真框架搭建

本文在AnyLogic软件的Air Defence System案例基础上，通过重用案例中的建模框架与可视化模型，以及重建各智能体模型，搭建了战斗机突防任务仿真的软件框架，包含战斗机、航空炸弹、陆基雷达、防空导弹和重要目标，仿真模型框架如图8所示，战场环境可视化模型如图9所示。

图8突防任务仿真框架
Fig. 8Simulation frame of penetration mission

图9战场环境模型
Fig. 9Environment model of battle field

3.2进攻方建模

按照2.2.2节进攻方模型构成，在AnyLogic软件中构建战斗机模型与航空炸弹模型。战斗机行为模型如图10所示，包含飞行(Flying)、炸弹投放(Fire)、被击中(Hit)等行为，在飞行过程中利用感知模型进行目标探测与导弹预警(Sense)，进行直线突防进攻(Attack)与盘旋转弯规避导弹(Escape)的行为决策。

图10战斗机智能体状态图
Fig. 10Statechart of fighter agent

战斗机运动建模采用AnyLogic中系统动力学的建模方法，如图11所示，直线突防时按照自身位置与目标位置，以vx和vy的速度向目标直线飞行，vx和vy由Attack状态计算；盘旋转弯时则根据Escape状态，在Move函数中实时计算盘旋过载与旋转角速度ω，进而计算偏航角Ψ以及vx和vy，使战斗机转弯规避导弹；同时，还进行目标距离(Dist)的计算与最佳投弹点(Bombing Distance)的计算。航空炸弹模型为简单的平抛运动模型，其建模方法与战斗机建模类似，因篇幅关系不再赘述。

图11战斗机运动模型
Fig. 11Movement model of fighter

3.3防御方建模

按照2.2.3节防御方模型构成，建立了陆基雷达模型与防空导弹模型。陆基雷达模型主要包含目标扫描、目标跟踪计算函数，导弹引导的消息发送函数，以及跟踪信息的存储链表与雷达性能参数等变量，较为简单，不在此赘述。防空导弹的行为模型如图12所示，包含导弹的发射准备(Ready)、主动段(Program Step)/中制导段(Middle Step)/末制导段(End Step)3种制导状态以及毁伤(Exploded)和脱靶(Missed)的判断。

防空导弹的运动利用系统动力学方法建立了质点运动方程，如图13所示。图中：Target为导弹的攻击目标；xinit、yinit和zinit为导弹位置的初始值；v为导弹飞行速度；θ为俯仰角；dx、dy和dz为导弹到目标3个坐标的差；TargetDist为导弹到目标的距离；RadarDist为地面雷达到目标的距离；vCalculate为导弹速度的计算函数；ThetaCalculate为俯仰角计算函数；PsiCalculate为方位角计算函数。

图12防空导弹智能体状态图
Fig. 12Statechart of missile agent

图13防空导弹智能体质点运动方程
Fig. 13Equation of particle motion of missile agent

4仿真案例与分析

通过上述模型的联合运行，开展仿真实验，研究主要战技指标对突防效能的影响。根据任务想定与简化模型的假设，突防战斗机的主要战技指标有突防高度、速度与隐身指标，效能指标主要为突防的成功率。突防高度与速度具有较为复杂的耦合关系，为简化研究，实验的突防高度选取了常用的某固定值，选取了突防速度和隐身指标作为可变参数，以平均分布进行实验设计，速度指标由300 m/s变化到560 m/s，参数变化步长为10 m/s，共27个水平；隐身指标从0.50 m2变化到0.05 m2，共10个水平；设置两种突防策略，直线突防与导弹规避路线。进行覆盖性的实验，共计540次实验，如表1所示。每次实验进行100架次突防，突防起始点与攻击目标随机生成，实验后统计突防的成功率，针对实验结果开展指标敏感度的分析。

图14为直线突防时在各隐身指标下突防成功率随速度指标变化的曲线，飞行速度与隐身指标的变化均对突防成功率有较大的影响。随着飞行速度的增加，隐身指标变化对突防成功率的影响越来越小。该实验结果与实际情况相符，在直线突防时，能否突防成功主要取决于防空系统的预警时间是否小于导弹发射的反应时间。在突防速度为定值时，防空系统预警时间的变化主要是由于RCS不同导致的预警距离不同，随着速度的增大，预警距离的差距带来的预警时间影响越来越小，因此在速度较高时，隐身指标变化带来的影响较小。

表1　实验设计

图14直线突防成功率敏度分析
Fig. 14Sensitive analysis of straight line penetration
success rate

如果取成功率90%为约束条件，可选取的设计点如表2所示，假设隐身指标从0.50 m2变化至0.05 m2的技术难度与费用的综合代价指数为0～1，速度指标从300 m/s到560 m/s的技术难度与费用的综合代价指数也为0～1，综合代价计算各取权值为1，相加各指标的代价指数，可得到如表2所示的综合代价计算结果。

在速度大于445 m/s以后，相对于平均分布的隐身指标增长，速度指标的增长幅度较小，因此大速度、低隐身指标的方案代价更小，方案更优。

改变突防策略为导弹规避方式后，实验数据曲线如图15所示，与直线突防的实验结果对比可以看出，在同样的突防成功率下，所需的隐身指标与速度指标更低，战术的变化对任务效能的影响较为明显。另外，在高速的曲线段隐身指标的影响较直线突防更小，速度指标的变化占主导位置。可见使用构造仿真方法通过指标、战术方案等因素的变化，进行需求论证与方案的优选具有良好的效果。

表2　任务成功率为90%的数据统计

图15规避导弹方式任务成功率敏度分析
Fig. 15Sensitive analysis of success rate in mission of
evading missile

5结束语

所提出的构造仿真实验流程以及作战实体的Agent建模方法能够体现战技指标、战术战法的变化对作战结果的影响，通过对任务效能的评估，能够为战技指标的权衡与优化提供有效手段。通过战斗机突防案例的实验与分析，证明了构造仿真方法在战斗机指标需求论证中可以起到明显的作用。

后续将健全战技指标体系与效能指标体系，系统化地开展基于典型作战场景的作战任务研究，并进一步考虑技术与任务的不确定性对效能的影响，以及开展更为合理的实验设计与数据分析方法研究。

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白金鹏男， 博士， 工程师。主要研究方向： 体系仿真、效能评估。

Tel: 024-26784133

E-mail: 16996634@163.com

李天男， 中国科学院院士， 博士生导师。主要研究方向： 飞机气动设计和隐身技术。

Received： 2015-11-04; Revised: 2015-11-16; Accepted: 2015-11-26; Published online: 2015-12-04 14:04

URL： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151204.1404.020.html

Evaluation of penetration mission effectiveness oriented to fighterperformance parameter analysis

BAI Jinpeng*, LI Tian

Shenyang Aircraft Design & Research Institute, Shenyang110035, China

Abstract:With the application of system of systems concept in complex modern warfare, fighter performance should be designed and optimized from the perspective of combat effectiveness based on specific operations. Especially in the conceptual design phase, the performance parameter exploration based on combat simulation has a significant effect on design process and life-cycle cost. A methodology to explore the performance parameters based on constructive simulations is proposed in this study. Meanwhile, the architecture of a fighter penetration mission case is built based on AnyLogic software. The agent behavior models of fighters and air defense systems are established and the sensitive analyses of experimental results are carried out. Finally, the direction of further research is put forward in this paper.

Key words:system of systems; simulation; performance parameter analysis; effectiveness; agents

*Corresponding author. Tel.： 024-26784133E-mail: 16996634@163.com

作者简介：

中图分类号：V221.91

文献标识码：A

文章编号：1000-6893(2016)01-0122-11

DOI：10.7527/S1000-6893.2015.0323

*通讯作者.Tel.： 024-26784133E-mail: 16996634@163.com

收稿日期：2015-11-04; 退修日期: 2015-11-16; 录用日期: 2015-11-26; 网络出版时间: 2015-12-04 14:04

网络出版地址： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151204.1404.020.html

引用格式： 白金鹏， 李天． 面向指标论证的战斗机突防效能评估[J]． 航空学报, 2016, 37(1): 122-132. BAI J P, LI T. Evaluation of penetration mission effectiveness oriented to fighter performance parameter analysis[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(1): 122-132.

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