反舰导弹时间协同效果仿真实验技术

刘 志,周玉芳,窦林涛,初 阳

(江苏自动化研究所,江苏 连云港 222061)

反舰导弹时间协同效果仿真实验技术

刘 志,周玉芳,窦林涛,初 阳

(江苏自动化研究所,江苏 连云港 222061)

反舰导弹协同打击是一个复杂的过程,涉及的实体和因素众多。为了通过仿真实验手段分析出反舰导弹协同打击的主要影响因素以及影响因素的作用,本文提出了反舰导弹时间协同效果仿真实验框架,并对反舰导弹协同打击的实验设计过程和仿真实验想定设计进行了研究,最终进行仿真实验分析,对分析反舰导弹时间协同有一定的参考意义。

反舰导弹;时间协同;仿真实验

现代化海上作战过程中,反舰导弹协同打击的地位越来越重要,分析各种因素对反舰导弹协同效果的影响关系对于提高反舰导弹协同打击效能有较大辅助作用，作战实验是重要的环节。作战实验总体上可分为实兵实验和非实兵实验,实兵实验代价较高,效率和可重复性不好,而计算机仿真实验作为一种非实兵实验的选择方式,具有灵活性、易重复性、高可控性的特点,能够提高实验效率、避免高昂的实验消耗[1]。结合计算机仿真手段对反舰导弹时间协同效果进行实验是一种理想的选择。

反舰导弹协同打击的过程中,涉及实体较多,包括各类导弹发射平台、各型导弹、不同类型的目标舰艇等,实体的性能参数较多,实体间交互事件复杂,因而在仿真实现过程中需要考虑的因素较多,即使在特定情况下定性分析出的实验因素也多达二三十个,总体而言,仿真实现的过程和实验设计的过程存在仿真流程不清晰、实验目标不明确、实验方案难确定等问题。因而反舰导弹协同打击的时间协同效果的仿真和实验的实现过程需要一套规范化方法。针对本文的反舰导弹时间协同效果仿真实验技术研究,本文结合仿真推演技术和实验设计技术,提出反舰导弹时间协同效果仿真实验框架,概括了仿真实验的实现方法与流程,为规范化的开展下一步实验分析研究提供基础。

本文提出一种仿真实验框架,规范仿真流程,通过确定实验需求和目标,进而确定实验指标和想定所需的数据资源,从反舰导弹协同打击进行因素筛选的角度开始实验设计,结合协同打击流程,筛选出实验空间,设计实验想定文件。以仿真手段采集实验结果,分析因素效应。

1 仿真实验框架

反舰导弹协同打击的仿真实验框架如图1所示。主要由实验设计过程和仿真推演过程组成。

实验设计和仿真推演都需要从需求目标分析开始，最终的仿真结果通过仿真实验运行给出。实验设计流程与仿真推演流程的联系主要是通过想定文件，包括采集数据的确定，实验空间的确定等。

仿真数据资源准备所需内容会在想定文件中体现,下文不再分析。仿真实验运行由仿真平台MARS提供。

2 需求分析与目标分析

2.1 需求分析

需求分析的内容主要是根据实验背景等情况,针对反舰导弹协同打击对抗行动,明确进行仿真实验需要的模型、数据、作战规则、任务等内容。

实际运用情况下,反舰导弹典型的协同方法有:多弹齐射、饱和攻击、领弹与攻击弹组合、“静默”攻击、多类型导弹协同[4]等,本文在目标舰艇不使用其它防空手段条件下,研究了多弹齐射协同打击方式的时间协同效果。多弹齐射协同打击要求导弹尽量同时攻击目标,多种多样的因素都会对该要求产生影响。对于要求反舰导弹满足时间协同攻击的协同计划,一般是要求反舰导弹尽量同时打击目标,对于一定数量的反舰导弹时间协同效果的度量主要是导弹的临空时间密集程度。

攻击方包括探测平台模型、导弹发射平台模型、舰艇模型、目标舰艇模型、导弹模型,以及各个实体的行为模型如运动、作战、探测、通信模型等。模型的数据涉及各平台主要性能参数、主要武器装备配置、各类型模型间交互数据等。本文中主要任务与规则为协同打击任务和对应战术规则。

2.2 目标分析

实验的目标一般包括寻优、寻需、寻规律三类,从不同实验角度来讲,实验目标要明确实验想要分析解决的问题。

整个攻击流程中,由于导弹攻击涉及的实验实体如导弹发射平台、导弹数量众多,不同导弹的任务规划不同,各导弹打击任务本身包含各类因素,并且考虑到目标规避机动、位置信息不确定等情况,整个协同打击过程中战情变化较快,引起结果变化的因素众多,因素的效果难以确定。

根据实际过程中存在的问题,本文针对反舰导弹时间协同效果,分析出影响因素,以及因素的影响效果。其可以看成寻规律过程,通过仿真实验发现影响要素的影响效果和影响关系,分析出主要影响因素,以及该因素的影响效果。

3 时间协同指标

对于一定数量的反舰导弹,考察导弹到达时间密集程度,主要从以下两方面考虑。

1)导弹临空时间极差:用于考察整体协同效果,假设共n枚导弹对目标进行协同攻击,第一枚导弹抵达目标时间t1与最后一枚到达时间tn,导弹临空时间极差就是第一枚导弹和最后一枚导弹的临空时间间隔。

tr=tn-t1

2)导弹临空时间方差:为减小因偶然的极大极小值的影响,引入导弹临空时间方差作为时间密集程度的度量标准。对于相同数量导弹,方差越大,时间密集程度越差。

4 影响因素筛选

4.1 因素范围确定

根据不同指标选筛出的关键影响因素是不同的,这里着重于分析反舰导弹尽量同时攻击目标的时间协同条件下的影响因素筛选,因此首先要根据时间协同指标确定因素范围,然后提取关键因素。

协同打击过程较为复杂,怎样较为清晰地分析出火力协同效果的影响因素也成为一个问题,本文采用因果分析图法进行因素初步提取。因果分析图也叫特性因素图,因其形状特殊,又称树枝图或鱼刺图,对于较为复杂系统的原因分析具有较好的辅助作用,具有直观、逻辑性强、因果关系明确等特点[6]。

结合反舰导弹协同打击的主要流程,将流程中的每一个流程节点当作因果分析图的第一个分支,结合仿真流程中攻防双方的发生的事件过程,确定涉及的实体和任务,按照实体任务的行为特点与交互关系初步提取因素。反舰导弹协同打击主要流程[5]如图2。然后结合目标的相关原因进行因果分析图分析,分析结果如图3。

剔除部分重复因素,进一步概括总结,初步筛选出因素24条,为了方便后续因素筛选过程,先定性地对因素简要排序,如图4。

图3 反舰导弹火力协同效果因果分析图

图4 影响因素

4.2 因素筛选

一般的实验因子筛选方法总体上可以分为两种:1)基于专家经验方法,2)基于实验方法筛选。

本文采用连续分支法进行重要因素筛选,连续分支法是基于实验方法筛选因素的一种方法,具有通过相对较少的实验次数从几十个因素中筛选出关键因素的能力。具体的连续分支分析介绍参见文献[8-9]。本文考察输出为导弹临空时间极差,以输出元模型公式如下式为例:

ω=β0+β1X1+…+βjXj+…+βKXK

ω为元模型输出,K为实验中因素总数目;βj为因素j的一阶或主要作用,j=1～K,Xj为第j个因素的值。

连续分支法主要过程是在假定各实验因子对结果的影响具有单调性前提下,确定信号一致性和因素波动范围,将实验因子按照对结果的影响的关键度进行定性地初步分组,组关键度计算公式:

ω(j):r表示当1到j个因素设置到高水平,剩下的因素设置到低水平时,重复r次仿真运行,观测到的仿真实验输出;βj′-j为因素从j′到j的主要作用的总和。

考察因素在两个极端的仿真输出,然后根据一个阈值对各分组筛选,删除或保留分组,对保留的分组连续分支定界,最终筛选出关键因素。

连续分支法的使用限制是比较明显的,它限定了实验因素对结果的影响的信号一致性和单调性,文献[8]提出了将影响因素分为正负影响两种的思想,影响作用为负的单独进行筛选。这样解决了信号一致性问题,但无单调性的因素依旧无法使用连续分支法筛选,针对反舰导弹火力协同仿真的因素筛选,本文采用分类分析方法进一步研究。

总体上因素可分为三类：第一类为单调且影响信号为正的因素；第二类为单调且影响为负的因素；第三类为影响不定或因素的水平离散的因素。前两类可简单处理后直接使用连续分支法进行筛选,第三类因素不满足连续分支法的条件,不满足单调性条件。分类结果如图5,满足连续分支法条件的因素分为一组,不满足的为一组。

图5 因素分类

对于离散型变量,视因素的实际水平数进行离散统计分析,选出高低两个输出极值处的因素值,如任务规划的打击方式包括前置点打击和当前点打击两个水平,经过单因素试验验证,前置点打击可视为高水平,当前点打击可视为低水平;对于连续型变量,简要统计选出近似的高低两个输出极值处的因素值,例如舰艇规避方向,在可能规避方向范围内选定4个方向统计分析后,得出沿原航向向前航行为相对高水平,向后规避为相对低水平。

在本文想定的限定范围内,对因素进行处理确定因素的高低水平后,使用连续分支法对定性排序后的所有因素进行筛选,筛选结果如图6。

图6 连续分支法筛选过程

筛选出四个关键因素:打击方式、导引头开机距离、舰艇规避速度、舰艇规避方向。

5 实验基本想定设计

实验想定设计的内容包括环境、兵力、武器装备、作战行动、实验过程控制等的描述具体内容如图7。

图7 实验想定设计内容

大型仿真系统MARS具备多平台、战役级仿真的能力,作战仿真模型精度较高,可模拟舰艇模型、导弹模型等实体模型的主要特征参数,并包含传感器、通信、武器发射控制功能等实体部件与功能;可模拟探测行动、舰艇的运动、导弹打击作战过程中行为、通信等实体的行为;可模拟协同打击战术、实体间的交互作用和效果等。

本文在MARS平台上构建了一个反舰导弹协同打击的想定,仿真中设定共4类打击平台分三组执行多方向协同打击任务,导弹共22枚,想定的基本态势如图8,打击的仿真运行过程和态势如图9。想定具体内容包括如下几个部分:

环境:对于反舰导弹协同打击,环境主要考察地形、气象、水文条件等。本想定在普通地球海平面,理想无风浪环境,航路规划时不考虑岛屿情况下进行。

兵力:打击方导弹发射平台包括岸基反舰导弹阵地、水面舰艇、潜艇、飞机,目标位置信息由预警机提供;目标为水面舰艇,另外舰艇位置部署、运动情况根据实验需求可变。

武器装备:预警机探测雷达,舰艇反舰导弹发射系统,飞机导弹发射系统,各型反舰导弹。

作战行动:预警机探测上报行动,上报目标位置;反舰导弹协同打击行动,针对不同打击方式,以尽量同时打击目标为标准设计基本协同打击任务。

实验过程控制:仿真开始结束时间控制;数据采集主要是导弹发射时间,临空时间。

图8 想定基本态势

图9 仿真运行过程图

6 实验方案设计与分析

6.1 实验概况

2k析因设计用于分析出因素的重要程度和因素间交互效应,关于析因设计因素的水平选取，目前没有普遍的方法,水平设置要保证合理性[10]。

实验主要考察关键因素:打击方式、导引头开机距离、舰艇规避速度、舰艇规避方向。用0表示因子低水平,1表示因子高水平。其中打击方式的高水平为前置点打击,低水平为当前点打击;导引头开机距离的高水平为开机距离较长,低水平为开机距离较短;而前期分析:规避速度对结果影响为负的,选低速(25kn)为高水平,高速(35kn)为低水平;规避方向根据初步筛选时选取的四个水平仿真结果,取向前为高水平,向后为低水平。2k析因设计表及统计结果见表1。

表1 2k析因设计表

6.2 2k析因设计结果

主效应计算:固定其它因素水平情况下,因子由0水平转1水平导致相应结果变化的平均值。前两个因素对协同效果影响为正,减小导弹临空时间极差,后两个因素影响为负,增大导临凌空时间极差。因素主效应计算结果见表2。

表2 因素主效应

6.3 主效应因素的实验分析

根据以上分析,得出影响协同效果的主效应为规避方向,且影响效果明显大于其它三个。重点考察该因素,细化因素水平设计,规避方向取八个方向,以临空时间方差度量,取一个攻击方因素:导引头开机距离，进一步实验分析得出结果如图10。

图10 方差比较

由方差比较结果可知:

1) 八种机动方式,导弹时间协同效果排序为:前≻右前≻左前≻左、右≻左后、右后≻后;

2) 末制导雷达开机距离较长,导弹临空时刻发散程度减小;

3) 末制导雷达开机距离对目标往后机动影响较大。

7 结束语

本文提出了反舰导弹协同打击仿真实验框架,对反舰导弹协同打击时间协同的仿真实验方法进行了概括,在本文提出的框架基础下,可以清晰明确地分析得出反舰导弹协同打击的主要影响因素和影响效果,对实际应用有一定参考意义。本文在实验方案设计的研究上还不够深入,有待深入研究。

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Simulation Technology for Time Synergy Effect of Anti-ship Missiles

LIU Zhi, ZHOU Yu-fang, DOU Lin-tao, CHU Yang

(Jiangsu Automation Research Institute, Lianyungang 222061, China)

The cooperation of anti-ship missiles is a complex process involved in a lot of entities and factors. In order to analyze the main factors of the cooperation of anti-ship missiles and the effects of these factors, this paper proposes a simulation experiment framework for the time synergy effect of anti-ship missiles, researches the design of experiment and scenario of simulation experiment for the cooperation of anti-ship missiles, and analyzes the time synergy effect of anti-ship missiles by simulation experiment. It is meaningful for the analysis of the time synergy effect of anti-ship missiles.

anti-ship missiles; time synergy; simulation experiment

2016-11-09

刘 志(1992-),男,江苏连云港人,硕士研究生,研究方向为协同作战仿真推演。 周玉芳(1968-),女,研究员,硕士生导师。 窦林涛(1980-),男,高级工程师。 初 阳(1985-),男,工程师。

1673-3819(2017)01-0077-06

TP391.9；E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.01.017

修回日期： 2016-11-17