直升机载空空导弹作战使用仿真试验方法*

王　琳，王小强，付雅芳，陈　雷，邓江华（　陆军航空兵研究所，北京　0；　9379部队，河北廊坊　065000）

直升机载空空导弹作战使用仿真试验方法*

王琳1，王小强1，付雅芳2，陈雷1，邓江华1
（1陆军航空兵研究所，北京101121；293792部队，河北廊坊065000）

针对直升机载空空导弹作战使用的仿真试验方法进行研究。分析了影响直升机载红外空空导弹作战使用的主要因素，建立了空空导弹半实物仿真系统，重点围绕载机发射条件、目标特性、战场环境等因素对导弹使用的影响展开试验设计。提出的试验内容与方法能够满足导弹作战使用研究的需求，可以为同领域导弹的作战使用研究提供参考。

空空导弹；作战使用；仿真试验

0　引言

直升机载空空导弹作战使用是一个战术与技术紧密结合的问题，涉及载机平台使用、导弹使用、传感器配合、目标特性、战场环境、飞行员操纵、空战战术等因素。

仿真试验是研究空空导弹作战使用问题的有效手段。一方面，仿真试验具有可控性好，试验条件和参数可以灵活改变等优点，适用于由于外场条件限制而不能进行的复杂试验；另一方面，仿真试验具有良好的实时数据分析能力，可以获得置信度较高的试验结果；此外，仿真试验还具有良好的安全性、保密性、经济性等优点。但仿真系统的完备性和仿真模型的准确性是仿真试验必须解决的问题。

国外在空空导弹仿真试验和仿真系统开发方面的研究较早，最具代表性的是美国亚拉巴马州红石兵工厂的陆军高级仿真中心，具有射频、红外、光电三种目标和环境效应的仿真装置。文献［1］利用数字仿真技术对空空导弹在临界飞行条件下的气流变化情况进行了研究；文献［2］构建了空空导弹的发射模型，并基于贝叶斯规则的后向传播训练算法仿真计算了空空导弹攻击区的最大发射距离。国内在导弹仿真试验方面也取得了诸多成果，文献［3］研究了导弹仿真系统的结构，给出了导弹与机载设备的综合试验程序；文献［4］针对红外制导导弹的半实物仿真系统进行研究，为导引头性能测试提供了一种方便可行的试验手段。这些研究在导弹型号研制和试验鉴定中发挥了重要作用，但对于空空导弹作战使用领域的研究较少，还没有形成系统、完整的研究方法。针对直升机载空空导弹作战使用研究的不足，文中利用仿真试验技术展开研究。

1　直升机载空空导弹作战使用影响因素

直升机载空空导弹的主要攻击对象是敌低空、超低空的各类飞行器。由于直升机平台的特殊性和低空环境的复杂性，空空导弹容易受到载机发射条件、目标特性、战场环境等影响。

1.1载机发射条件

直升机载空空导弹必须在满足一定约束条件下才能使用，如果超出了导弹使用条件，则会极大的削弱其威力［5］。这些使用条件包括：目标距离，作战高度，载机发射速度与过载，气象条件，攻击方位（迎头、侧向、尾后），发射方式（定轴发射、离轴发射）等。

1.2目标特性

目标红外辐射特性和目标机动特性会影响直升机载空空导弹的作战效能。其中，目标红外辐射特性会影响导弹导引头的目标截获距离，目标机动特性会影响导弹的命中率。

以典型直升机目标为例，其红外辐射源主要来自于发动机、尾焰、蒙皮自身辐射、蒙皮对周围环境辐射的反射。目标红外辐射强度越大，导弹对目标的探测和截获距离就越远；反之，导弹对目标探测和截获距离越近。对于大多数的直升机目标而言，受发动机喷管的安装位置影响，目标在侧向的红外辐射强度最大，导弹导引头对目标的探测距离在侧向最远；而导引头对目标的探测距离在迎头和尾后方向相对较近。

1.3战场环境

战场环境也是影响直升机载红外空空导弹作战使用的重要因素。战场环境中主要存在两类干扰源：一是自然背景干扰，二是人工产生干扰。直升机作战高度较低，其背景干扰与固定翼飞机相比更为复杂，这些干扰有地面各种红外热源、空中能辐射红外线的自然辐射源，如太阳、大气和云团等。人工干扰主要有红外干扰机、红外烟幕、红外诱饵弹等，这些干扰都会对空空导弹的制导探测系统产生影响，形成虚警。

2　空空导弹仿真试验系统

2.1仿真试验系统的硬件组成

空空导弹仿真系统采用半实物仿真，并结合数字仿真进行。半实物仿真试验系统由仿真计算机、飞行姿态模拟转台、目标和环境模拟装置、仿真总控制台、实时网络、导上头组件等组成［6］。

1）仿真计算机

仿真计算机是仿真试验系统的核心，它用来实时解算导弹六自由度运动方程、目标空间运动方程、导弹-目标相对运动方程、设备驱动方程、极坐标转换方程等，仿真计算机系统实时采集舵偏角并将有关计算结果实时输出给有关的仿真设备，控制仿真试验的运行。

2）飞行姿态模拟转台

飞行姿态模拟转台主要用于模拟导弹在空中飞行时3个方向的姿态角变化，包括俯仰、偏航、滚转通道的姿态角、角速度、角加速度的变化。外环模拟俯仰角，中环模拟偏航角，内环模拟滚动角。

3）目标和环境模拟装置

目标与环境模拟器用来仿真制导系统中目标、自然背景（如天空云雾、地形、地物等）、红外诱饵干扰以及大气传输特性等。

4）仿真总控制台

负责监控各仿真设备的运行，采集并储存仿真设备的输入与输出信息并显示试验结果。总控制台还具有提供仿真系统中所需要的信号中继能力。

5）实时网络

实时网络主要用于仿真系统内部计算机之间的实时通信、传送各仿真设备的控制信息以及仿真结果等数据。

图1　红外空空导弹仿真试验系统

2.2仿真试验系统的软件模型

空空导弹仿真试验系统的软件模型主要有：目标模型、载机模型、导弹模型、相对运动模型和外部环境模型。

1）目标模型

目标模型用于设定目标的运动规律、目标与载机的动态联系，以及目标在飞行员视场中显示轨迹的数学描述方程，包括目标运动学模型、目标红外辐射模型［5］。

2）导弹模型

导弹模型包括导弹质心运动学模型、导弹质量模型、导弹推力系统模型、导弹空气动力模型、导弹导引律模型、导弹过载控制模型［5］。

3）目标-导弹相对运动模型

导弹与目标相对运动模型主要是确定相对距离、相对速度和目标视线角速度等［5］。

4）外部环境模型

外部环境模型包括气象条件模型、红外诱饵弹干扰模型。气象条件模型是模拟导弹使用过程中典型天气条件对导弹使用的影响，如降雨、雾、霾等；红外诱饵干扰模型是模拟干扰弹的红外辐射强度、数量、投放参数等。

3　红外空空导弹作战使用仿真试验

3.1发射条件仿真试验

发射条件仿真试验采用数字仿真和蒙特卡洛等方法进行，试验中以导弹攻击区为评价指标，试验变量包括：载机飞行高度、载机飞行速度、载机过载、导弹发射离轴角、目标飞行高度、目标飞行速度、目标过载等。下面选取发射高度、发射速度、发射离轴角进行说明。

1）发射高度试验

发射高度是指载机发射导弹时的飞行高度。高度试验主要研究作战高度和相对作战高度对导弹使用的影响，重点分析导弹攻击区远边界和近边界随发射高度的变化情况，以此得到空空导弹作战使用的边界条件。

试验方法：在保证其它试验参数不变的情况下，以发射高度为变量进行仿真计算。高度试验分为两组，第一组试验中载机与目标处于相同海拔高度（不考虑相对高度）；第二组试验中载机与目标处于不同的海拔高度。

2）发射速度试验

发射速度是指载机发射导弹时的飞行速度。发射速度试验是研究发射速度对导弹使用的影响，重点分析导弹攻击区远边界和近边界随发射速度的变化情况，进而得到空空导弹作战使用的边界条件。

试验方法：在保证其它参数不变的情况下，以发射速度为变量进行仿真计算。发射速度试验分为3组，第一组试验设置载机和目标的飞行速度相同（不考虑相对速度）；第二组试验设置载机速度＞目标速度（存在正速度差）；第三组试验设置载机速度＜目标速度（存在负速度差）。

3）发射离轴角试验

离轴角是指发射导弹时载机速度方向与目标线的夹角。离轴角试验是研究离轴角对导弹使用性能的影响，重点分析导弹攻击区远边界和近边界随导弹离轴角的变化情况，进而得到空空导弹作战使用的边界条件［7］。

试验方法：在保证其它参数不变的情况下，以离轴角为变量进行仿真计算。离轴角仿真试验分为两组：第一组试验研究前置离轴发射情形；第二组试验研究后置离轴发射情形。离轴角范围由空空导弹的使用条件确定。

4）数字仿真试验步骤

数字仿真试验是在给定的攻击条件下发射导弹能否命中目标，然后改变发射条件，利用正交试验等方法进行数字仿真，寻求确定各个边界，得到空空导弹在不同发射和攻击条件的试验结果。数字仿真试验步骤如下：

步骤1设置载机、目标、导弹初始攻击条件。包括载机高度、速度、过载，目标高度、速度、距离，载机进入角、发射离轴角等。

步骤2将仿真参数代入数字仿真系统进行计算，分析判断导弹命中目标的条件。

步骤3按照正交试验的方法，改变发射高度、速度、载机进入角、目标距离、发射离轴角、载机过载、目标过载等参数，利用蒙特卡洛方法进行迭代试验，判断各种条件下目标是否位于导弹的攻击区范围内。

步骤4如果判断目标不在可攻击范围内，改变攻击条件；如果目标在可攻击范围内，则输出导弹攻击区的边界值。

通过大量的数字仿真试验，可以归纳总结出高度、速度、进入角、离轴角、过载、距离等发射条件对空空导弹作战使用的影响。

3.2目标特性仿真试验

目标特性仿真试验主要研究目标红外辐射特性、目标机动特性等对空空导弹作战能力的影响，通常以导弹攻击区、脱靶量为衡量指标。

1）目标运动特性试验

目标运动特性试验主要研究目标速度、加速度变化对导弹使用性能的影响，重点分析导弹攻击区远边界和近边界随目标速度、加速度的变化情况，进而得到空空导弹作战使用的边界条件。目标运动特性试验还可根据目标的运动特性，仿真计算导弹的不可逃逸区。

试验方法：在保证其它参数不变的情况下，以目标速度为变量进行仿真计算。发射速度试验分为两组，第一组试验研究目标作加速运动的情况；第二组试验研究目标作减速运动的情况。目标运动特性采用数字仿真试验方法进行，试验流程与发射条件试验方法相同。

2）目标红外特性试验

目标红外特性试验主要研究红外辐射特性对导弹作战使用的影响。通常目标的红外辐射特征呈现不对称分布，不同目标的红外辐射与其热量分布以及是否采用红外隐身技术等有关。

在目标红外特性试验中，需要构建典型直升机目标的红外辐射模型［8］，并计算导弹导引头对目标的探测范围。目标红外辐射特性试验一般与载机进入角试验结合进行，通过仿真试验计算载机最理想的攻击方向和进入角。试验中也可考虑气象因素对目标红外辐射的吸收和衰减。

3.3战场环境仿真试验

战场环境试验采用半实物仿真和地面试验相结合的方法进行，主要研究红外诱饵弹、自然背景、太阳光等对空空导弹使用的影响，通常以脱靶量和抗干扰概率作为衡量指标。

1）抗红外干扰弹试验

红外诱饵弹主要采用质心干扰机理，其干扰过程见图2所示。

图2　红外诱饵弹干扰过程

抗红外干扰弹试验流程见图3所示，干扰弹试验参数包括投放速度、投放角度、投放干扰源数量、投放间隔、投放时间、投放距离等。如果空空导弹为红外成像制导，还需要在红外成像模拟器中进行导弹抗干扰的仿真试验。

图3　抗红外诱饵弹半实物仿真试验流程

2）自然背景干扰试验

自然背景干扰试验主要研究低空复杂背景、地面建筑物、天空背景、气象条件、太阳光等对导弹使用的影响。抗干扰试验可采取地面抗干扰和空中抗干扰两种方法进行［9］。其中，地面抗干扰在不同地面背景下进行，试验中使导弹导引头对准地物和天空背景，测试导弹导引头对目标截获输出情况，以此判断导弹对不同背景的虚警，并在不同季节、不同时间段重复测试。

对于复杂气象条件的试验，也可结合数字仿真试验进行，试验中通过设置不同的大气衰减系数，近似模拟雨、雾、雪、沙尘等复杂气象环境对目标红外辐射能量的吸收和衰减。

4　结束语

仿真试验技术具有经济、可靠、安全、灵活、可多次重复使用等优点，是研究直升机载空空导弹作战使用问题的重要手段。文中系统性的研究了直升机载空空导弹作战使用仿真试验的内容和方法，重点围绕载机发射条件、目标特性、战场环境等因素开展了试验设计，所提出的试验方法能够满足导弹作战使用分析的需求，可以为同领域导弹的作战使用研究问题提供技术参考。

［1］BALASUBRAMANIAN R，VAIBHAV Shah，KONARK Arora，et al.Numerical investigations of lateral characteristics of an air-to-air missile［J］.Journal of Aircraft，2013，50：88-95.

［2］BRIAN Michael Birkmire.Air-to-air missile maximum launch range modeling using a multilayer perceptron［C］∥ AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference，2012：1-10.

［3］王海青，程梅.红外导弹仿真试验研究［J］.飞机设计，2009，29（2）：57-63.

［4］马丽华，乔卫东，赵尚弘，等.红外制导半实物仿真及目标模拟器研究［J］.计算机仿真，2007，24（6）：42 -44.

［5］方洋旺，伍友利，方斌.机载导弹武器系统作战效能评估［M］.北京：国防工业出版社，2010：36-37.

［6］ 徐宏林.直升机载武器试验鉴定［M］.北京：国防工业出版社，2012：288-290.

［7］JOHN C Gallagher.Air-to-air missile maximum launch range modeling using a multilayer perceptron［C］∥AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference，2012：1-8.

［8］黄志理，崔颢，张平.武装直升机红外成像仿真［J］.航空计算技术，2012，42（5）：106-109.

［9］ 樊会涛.空空导弹方案设计原理［M］.北京：航空工业出版社，2013：319-322.

The Simulation Experiment Method of Helicopter-borne Air-to-air Missile Combat Application

WANG Lin1，WANG Xiaoqiang1，FU Yafang2，CHEN Lei1，DENG Jianghua1
（1Army Aviation Research Institute，Beijing 101121，China；2No.93792 Unit，Hebei Langfang 065000，China）

Simulation experiment method for helicopter-borne air-to-air missile combat application was researched.The main influencing factors of air-to-air missile combat application were systemically analyzed.The semi-practical simulation system of air-to-air missile was established.The experiment design was carried out based on launch condition，target character and battle environment.These experiment context and method could not only meet the requirement of missile combat application，but also provide reference for missile combat application research in the same domain.

air-to-air missile；combat application；simulation experiment

TN29；V275.1

A

10.15892/j.cnki.djzdxb.2016.01.004

2015-03-18

国家自然科学基金（61475441）资助

王琳（1983-），男，陕西城固人，工程师，博士，研究方向：航空武器系统总体、仿真与控制。