靶机模拟反舰导弹相似性评估及威胁态势构建

陈慧杰,安佳宁,田 焜

(1. 中国人民解放军92116部队,辽宁 葫芦岛 125000;2. 中国人民解放军92419部队,辽宁 葫芦岛 125106)

模拟强敌典型装备是靶场空中蓝军建设的核心,是靶场训练职能扩展的关键。对于如何评估现有靶机模拟强敌典型目标,特别是模拟反舰导弹的相似度、逼真度,是靶场在构建空中蓝军必须要重视的问题,否则会对试验结果的真实性和说服力造成较大影响。目前国内对模拟蓝军作战战术、兵力运用等方面的研究较多,文献[1-4]详细地介绍了如何构建蓝军体系,指出对于模拟强敌装备大多是从效果的逼真度的角度研究,文献[5-8]从逼真度的角度对战场环境态势、作战目标进行效果评估。但单从效果逼真度的角度评估会忽略装备平台受实际环境等因素的影响,从而导致试验及训练效果产生一定偏差。所以在构建蓝军时,对于平台模拟相似度的评估也是十分重要的,本文主要针对如何模拟强敌反舰导弹的问题,分析了LRASM和“鱼叉”两款典型反舰导弹性能及其突防手段,并在此基础上提出了靶机相似度分析的基本方法,分析了典型威胁态势的构建方法和能力的不足之处,以期为舰艇防空反导训练空中蓝军模拟、敌导弹威胁态势的方法构建提供依据。

1 强敌典型亚声速反舰导弹

1.1 主要性能

1.1.1 LRASM导弹

LRASM导弹是一款远程智能隐身反舰导弹,可由轰炸机或舰载机投放,1架B-1B轰炸机最多可装载24枚,1架F-18战斗机可携带2枚,也可由Mk-41垂直发射系统发射,2018年服役[9-10]。弹长4.27 m;弹径0.55 m;翼展2.7 m;弹重1 020 kg;射程796.4 km,制导方式:GPS/INS+多模导引头+数据链+红外成像+被动雷达;动力系统为F107-WR-105涡扇发动机(最大推力622 kgf)[11]。

1.1.2 “鱼叉”导弹

“鱼叉”导弹是一种用于攻击水面舰艇的全天候、亚声速的飞航式反舰导弹,可以实现空中、舰艇和潜艇等多平台发射[12]。弹长3.84 m;弹径0.34 m;翼展0.91 m;制导方式为红外成像+主动雷达;动力系统为CAE J402-CA-400涡喷发动机(最大推力294 kgf),具有航路规划功能,末段攻击模式可设置为跃升俯冲攻击和水线攻击两种[13]。

1.2 主要突防技术手段

反舰导弹威胁态势模拟的核心是逼真模拟反舰导弹的主要突防技术,目前两款典型亚声速反舰导弹的主要突防技术手段主要有以下五种。

1.2.1 隐身技术

LRASM导弹上下非对称橄榄形头部大大降低了前部雷达散射截面积(RCS),内埋式进气道位于腹部,可以有效减弱腔体散射,表面敷设新型吸波涂料,降低了RCS,其RCS据估计在0.005 m2以下。LRASM导弹采用矩形埋入式发动机喷口,利用弹体尾部遮挡高温排气,其红外隐身性能优异[14]。

1.2.2 低截获概率主动相参雷达

据相关资料,目前“鱼叉”导弹采用的是低截获概率的主动相参雷达(Ku波段,捷变频400 MHz左右),相参体制雷达解决了距离分辨率和发射功率之间的矛盾,通过脉冲匹配压缩使雷达获得较高的距离分辨率,通过脉间相参积累使雷达在达到较远作用距离时需要的发射功率更低[15]。

1.2.3 超低空巡航

超低空飞行既可以利用地球曲率有效降低雷达发现距离,又能利用海杂波实现战术隐身,降低防空导弹的拦截概率。受地球曲率影响,舰载雷达对掠海飞行目标的探测距离限制在30 km左右。LRASM导弹在进入威胁区前利用隐身性能以中等高度飞行,便于远距离搜索识别和节省燃料,到达威胁区后迅速俯冲到低于15 m的掠海飞行高度[16]。

1.2.4 大空域机动

“鱼叉”导弹和LRASM导弹均具有末段大空域机动能力,主要的机动样式有跃升俯冲机动、蛇形机动、摆式机动、螺旋机动等[17-18]。

1.2.5 多方向饱和突防

多方向攻击是指反舰导弹从两个以上的方向进行攻击,该攻击样式可达到分散抗击火力的目的,同时由于水面舰艇无源干扰对相对态势要求较高,作战中可以利用多方向攻击降低其干扰效果[19]。

2 靶机模拟威胁目标相似度模型

2.1 相似度模型

目前对于靶标与模拟对象相似度的评估以定性评估为主,量化评估的模型较少,且没有特别成熟的方法,本文采用分解系统构成要素的方法,从反舰导弹作为空中威胁目标所包含的物理特性和运动特性两个方面进行特性分解,求出单一特性相似度,再进行加权求和计算系统相似度。物理特性主要包括电磁特性、光学特性等特性,电磁特性主要是RCS,一般包括给定姿态角和频率范围内的特性;光学特性主要指光散射特性和光辐射特性,目前主要针对红外特性。运动特性主要指飞行性能,包括飞行高度、速度、续航时间、航程、机动方式和机动能力。

设A为构建靶标的相关参数,B为威胁目标的相关参数,二者为模拟和被模拟关系,构建如下相似度模型[20]:

(1)

式(1)为精确值相似度,用于计算靶机与导弹飞行性能等方面的相似度。

(2)

式(2)为区间值相似度,用于计算靶机与导弹机动能力、光学特性等范围特征的相似度,L(X)为X区间长度。

(3)

式(3)为枚举值相似度,用于计算给定不同姿态角和频率范围内的RCS等枚举特征的相似度,N(X)为X的参数个数。

(4)

式(4)为是非相似度,用于计算靶机和模拟导弹是否完成空中某一机动任务等特征的相似度。

根据单特征模型可计算系统总体的相似度δ,如式(5),其中Pi为第i个模型所对应的权重。

(5)

2.2 权重分配原理

计算总体相似度的重点是对威胁目标各指标特性的权重进行分配,本文根据体系相似性原理将靶机模拟体系划分为7项基本指标特征,并对每一个特征权重进行分配。目前采用最多的权重分配方法为一致性排序原理。一致性排序原理主要是构建一致性标度矩阵,其构建方法如下:

设系统为Q共有m个子系统,通过对子系统Qi与Qk的重要性进行比较得出一致性标度矩阵的元素aik和aki。

(6)

通过邀请领域内的专家对系统中的子系统进行两两比较,评估得到一致性标度矩阵am×m(其中aii=0.5)。其权重为

(7)

本文根据上述原理构建的权重分配如表1所示。

表1 相似特征权重分配

3 靶机相似度分析

我们各选取两款靶机分别模拟“鱼叉”导弹和LRASM导弹,其尺寸、速度、高度、航程等参数来源于网上资料,RCS、红外等特性根据经验值预设,利用相似度计算模型进行分析,开展相似度评估(分析结果见表2、表3),从结果可以看出,总体相似度均在60%以上。分析相似度结果可知,靶机1和靶机2在模拟“鱼叉”导弹时相似度并不高,主要有以下几个方面原因:一是受发动机推力限制,两款靶机在模拟“鱼叉”导弹时速度和机动能力明显不足,二是目前靶机在红外隐身方面考虑不多。在模拟LRASM时靶机3和靶机4的隐身性能也略显不足。由于对模拟目标射频特性支撑数据不够,该模型未考虑射频特性。总体来看,单一靶机在模拟威胁目标时相似度不高是因为靶机在建设时并没有对标威胁目标,而是基于自身能力来进行靶机建设。

表2 典型靶机模拟鱼叉反舰导弹相似度分析

表3 典型靶机模拟LRASM隐身巡航导弹相似度分析

通过对相似度模型分析可知,各个指标之间进行了带权重的简单线性叠加,这种表征略显简化,因为各指标之间不是相互独立的,而是相互交联的非线性关系。下一步应该构建更为复杂的基于使用方式和对抗方式的相似度指标体系,进行更为全面的相似度分析。

4 威胁态势构建方法

舰艇防空反导训练的难点是威胁态势构建,威胁态势构建得越逼真、越接近实战,训练效果越好。威胁态势核心就是逼真模拟攻击态势,目前反舰导弹威胁态势构建的主要方法是利用靶机航迹规划的方法,通过构建不同的目标航路捷径、目标距离、目标速度使具有不同动态性能的靶机在规定的时域、空域和速度域内模拟所需的威胁目标,进而形成空中威胁的模拟[21]。通过靶机自身物理特性以及搭载不同任务载荷模拟威胁目标的电磁散射、光学、声学特性以及干扰环境。

4.1 隐身目标流态势构建

国内中型靶机通过外形隐身设计、碳纤维复合材料应用以及表面铺设隐身涂层等措施实现,具有一定的隐身性能,但是距离LRASM还有一定差距,同时红外隐身措施不多,中型靶机(发动机推力>100 kgf)中波段红外辐射强度高于LRASM。当前构建隐身目标攻击态势主要是结合掠海飞行构建隐身目标掠海攻击目标流,结合机载干扰设备构成伴随干扰态势。由于靶机起飞后均有大于200 m的爬升过程,在起飞点固定的情况下,训练对象可能在靶机升高前捕捉到靶机信号并实现稳定跟踪,靶机超低空飞行的意义将不存在,无法达到考核目的。在实际训练中,可以通过在海上平台发射靶机来实现起飞点和航线进入方向的多样性,达到背靠背训练的目的。

4.2 饱和攻击态势构建

靶机的集群飞行包括同一型号多架靶机编队飞行和多型号多架靶机协同飞行,根据饱和攻击态势的不同,靶机集群协同可以分为时间协同和空间协同两种:时间协同,即在同一时间到达或者按照要求的时间间隔到达;空间协同,即按照要求的队形保持或者有约束的队形变换,从难度来讲空间协同是最复杂也是应用最多的协同[22]。受测控链路影响,构建多目标以上饱和攻击态势靠单一型号靶机很难完成,目前较为成熟的方法是不同类型靶机之间的多目标协同,例如选取两型靶机,每型测控站控制10架靶机,并通过发射时序、航路设计以及多机显控软件进行控制,构建20个目标流的饱和攻击态势。

4.3 模拟攻击机动目标

真实情况下反舰导弹从150 km距离外发射,亚声速导弹到达目标的时间大约8 min,此时舰船按照30 kn速度航行,舰船运动约7.2 km,在模拟该种态势时如果靶机按照固定航线飞行,由于舰船运动距离远,航速大,航路捷径协同较为困难,因此靶机航线的随舰移动功能就比较重要。目前靶机具备航线随舰移动功能,但是超低空随舰功能还未得到有效验证,主要难点是超低空飞行下靶机的高度控制精度要求很高,在舰船大航速运动时,航线随之移动,靶机通过执行副翼压舵动作来保证航线的跟随性,这将会给高度控制带来较大难度。

4.4 末段机动态势模拟

靶机模拟末段攻击态势的核心是模拟典型机动动作。比较成熟的机动态势有水平面蛇形机动、稳盘机动、桶滚机动、俯冲跃升机动等。目前执行这些动作的安全高度在3 000 m左右,低空100 m水平机动仍具有较大难度,在模拟LRASM导弹和鱼叉导弹的末段攻击上仍有较大差距。

4.5 多靶机组合模拟

从相似度分析可知,单一靶标性能有限,无法对威胁态势进行全面模拟,由于影响威胁态势构建的因素众多,其间交互关系复杂,单一靶机无法遍历目标所有特性。为此应该在仿真分析的基础上,梳理影响模拟能力的典型敏感因素,以此为依据进行多靶机指标选取与模拟运用,实现多靶机组合模拟[23]。例如在构建领/从弹攻击态势、伴随干扰态势时,可以在分析计算的基础上进行多靶机组合,选取不同型号靶机,搭载干扰机等载荷,模拟蜂群、反辐射导弹,搭载微波辐射源模拟反舰导弹,共同构建威胁态势。

5 构建威胁态势的几点思考

大力构建体系化空中蓝军,必须解决目标特性模拟真不真、战术运用像不像等矛盾问题,通过对威胁目标的对比研究,构建体系化空中蓝军应该在以下几个方面寻找突破:

1)构建海上供靶相关标准。高性能、高可靠性、低寿命、低成本是对靶标的基本要求,但当前国内低端靶标较多,高性能、高可靠性靶标稀缺,而且由于舰载发射、海上回收、掠海飞行等相关标准缺失,给实际训练中靶标选择带来诸多不便,限制了训练用靶的选择,加快海上供靶相关标准的制定是提高威胁态势模拟逼真度的必然要求。

2)引领海上供靶关键技术发展。反舰导弹的智能化、导引头多样化、攻击样式多样化为靶机技术的发展指明了方向,以威胁目标为主是靶机技术发展的根本思路,有怎样的威胁目标就应该有相应的模拟靶标。当前对靶机动力系统、靶机智能化、靶机敏捷性、高精度传感器等关键技术重视度还不够,要进一步提高综合训练水平必须引领相关关键技术的发展。

3)创新使用模式。超低空供靶、紧密编队、末段大角度俯冲拉起等高风险动作是训练态势模拟的必备科目,但是其安全风险较高,探索在确保安全的情况下,构建尽可能贴近实战的有难度的态势是今后训练态势构建上必须考虑的问题。

4)加快靶机构建空中威胁态势理论体系建设。当前靶机筛选、威胁态势构建以及技术指标效应分析均未形成完备的理论体系,更没有完备的算法体系,靶机使用以经验主义居多,必须加速靶机筛选、威胁态势模拟等理论体系探索,让靶机模拟威胁态势更为科学、高效、逼真。

6 结束语

本文在分析典型亚声速反舰导弹性能和突防技术手段的基础上,运用相似性原理构建了威胁目标模拟相似度模型,分析了靶场构建典型威胁态势的方法和能力,同时对构建体系化空中蓝军需要发力的方向提出了几点思考,具有一定的工程借鉴意义。