基于仿真试验的弹道导弹突防效能评估*

郑晓龙,张大巧,李邦杰

(火箭军工程大学, 西安 710025)

0 引言

作战效能与武器系统固有的能力水平不同,它与使用计划以及预期作战环境等因素密切相关,在不同环境与条件下武器系统作战效能将呈现不同的水平[1]。信息化战争条件下,战场态势瞬息万变,根据战场实际情况对作战计划作出迅速及时的调整与改变,是提高武器系统作战效能的必要途径之一。随着作战计划与预期环境不确定性的增加,武器系统作战效能快速评估的需求也日益迫切起来。传统的效能评估方法与手段在处理作战效能评估问题时,往往存在着周期长、评估目标单一、开支大等方面的不足,难以满足信息化战争条件下武器系统快速有针对性的效能评估需求[2]。因此,建立有效适应战场环境、作战计划以及武器特点的作战效能快速评估方法,是适应未来信息化作战需求、有效提高部队的战场适应能力的必要手段。

弹道导弹作为现代战争的杀手锏武器,是武器装备体系中的重要一环。突防作战效能是弹道导弹武器系统作战效能的核心组成部分之一,其评估工作较为复杂[3]。由于导弹突防能力与作战计划、战场环境等因素联系紧密,对其进行有针对性的快速评估研究,在解决相关问题中具有一定的代表性。文中提出了在具体想定条件下的突防作战效能评估思路,为快速、有针对性的实现突防作战效能的评估提供了方法,也为相关类似问题提供了解决思路。

1 效能评估方法分析

总体上国内外涉及武器系统作战效能研究的各种方法及模型,主要包括专家评定法、试验统计法、作战仿真评估法、指数法和解析法等几大类[4-5]。以上各类作战效能评估方法各有优缺点,且各有一定的适用条件,同时它们都有主要的应用对象。而对时效性、针对性需求较强的作战问题而言,快速有效的效能评估仍然是一个研究的热点。弹道导弹突防作战效能评估技术是一个对时效性与针对性要求较高的体系级效能评估问题,要提高评估结果的可信度,减少评估风险,需要借鉴并吸收各种方法的优点,构建科学有效的评估方法[6]。

文中提出以仿真试验为技术手段,采用以仿真为主、多种评估方法综合互补的效能评估模式。通过构建“通用导弹飞行仿真框架”,为弹道导弹突防作战评估提供仿真平台；以导弹突破防御能力、反导系统防御能力、导弹突防度等要素为分类指标,在考虑多种评估方法的基础上,构建多维性能评估指标体系；采用模块化仿真体系结构,以使仿真框架能够实现包含全数字仿真、半实物仿真和依托飞行试验数据仿真的异类混合仿真试验,从而为仿真鉴定评估提供可靠可信的技术支撑；应用对仿真评估数据、飞行试验评估数据、专家打分评估数据等多源异质数据进行统一标准的技术,实现对弹道导弹突防作战效能准确可靠的鉴定与评估；将研究成果进行整理与集成化,形成可针对多种导弹类型的仿真试验评估工具,从而为弹道导弹突防作战效能评估提供技术支撑。

2 导弹攻防通用仿真框架构建

评估的核心环节是构建科学合理、与评估目标契合的仿真系统。突防作战对应的武器系统、作战环境、作战需求各不相同,难以用一套固定的系统与模型实现对各类作战条件的适应。文中提出构建通用性突防仿真框架的思路,用于提高仿真系统在效能评估中的灵活性与适应性。

实现仿真系统的通用性必须首先建立一个通用性的框架,在此基础上通过模块化设计实现方案与想定、通用与专用之间的角色转换。研究过程可分为3个层次：利用通用框架实现导弹突防仿真流程、模块、数据之间的有机联系；在此基础上建立通用模块接口与规范；设计通用模块代码满足通用性要求,满足根据具体想定利用相应模型替换通用模型完成作战效能评估的要求。具体仿真框架结构如图1所示。

图1 弹道导弹突防作战通用仿真框架

通用弹道导弹突防仿真系统是以脚本运行化的飞行仿真流程为目标、以标准化模块结构为基础的,可以根据不同的想定,灵活地对相应模块进行替换,有效地组成与想定相对应的仿真系统,实现想定所需要的作战条件与环境。在此基础上,仿真框架能够在提高仿真系统可信度的同时,有效提升作战效能评估水平。

3 基于仿真试验的效能评估

导弹攻防仿真系统给出的仿真结果并非效能评估结果,仿真仅仅是以尽可能贴近实际情况的模型,对给定条件下的作战过程进行复现与预测,而效能评估则是对作战系统完成任务水平的计算。因此在依托导弹突防仿真框架进行仿真评估时,需要将仿真想定与作战条件、战场环境等要素有效地进行契合,从而保证与评估相关的要素在仿真中得到有效体现。

基于仿真试验效能评估的基本思路为：构建基于多维指标体系的导弹体系突防效能评估系统,针对给定的作战想定,仿真系统对导弹攻防过程进行有效仿真,通过在仿真过程中对评估相关的数据进行采集与计算,综合运用多种效能评估方法,给出相应的弹道导弹突防效能指标值,进而判断导弹武器系统体系突防效能的高低。具体思路如图2所示。

图2 弹道导弹突防效能评估总体方案

文中主要基于仿真试验的导弹突防效能评估中的指标构建、评估数据采集以及多源数据融合等关键技术进行了分析与研究。

3.1 效能评估指标构建

指标体系可以认为是效能评估的支撑框架与细节体现。需要指出的是,针对不同的作战计划与任务,作战效能的体现也不相同。因此构建的指标体系应当是有一定适应性的多维指标体系,能够根据评估需求灵活地给出有针对性的评估指标。

导弹突防效能评估的指标体系,基本是从被发现和被打击的两个大指标进行指标体系的构建,部分也考虑导弹武器本身的能力等指标。多维指标体系构建可以从不同的角度反映具体的作战需求。例如,弹道导弹突防效能评估可以从导弹突防概率、反导拦截概率以及二者的比值突防度等不同维度构建指标体系,不同的指标值之间既反映不同的作战任务需求,又有着密切的联系[7]。可以说合理的多维度效能评估指标是评估工作的基础,也是得出正确评估结论的前提。

构建弹道导弹突防效能评估工作的多维指标过程中,具体的指标形式需要结合作战计划、作战任务以及仿真系统实际情况综合确定,其中重点是给出指标建立规则和指导选择标准,在此基础上科学合理设计与评估目标契合的多维指标体系与相应的指标值计算方法,从而建立结构合理、层次完善的多维指标体系。具体构建过程如图3所示。

3.2 评估数据采集

采集有效的用于评估的仿真数据,是效能评估仿真试验法中一个核心工作。仿真数据源的采集首先需将评估需求细化为对指标数据的需求,然后结合仿真模型将指标需求体现出来,接着根据具体的试验方案,在仿真过程中对所需的数据进行采集,并将采集所得数据运用于效能评估工作。可以看出,仿真数据的采集需要在评估系统与仿真系统之间进行协调实施。评估系统需要仿真系统通过具体指标的形式进行有效的反映,而仿真系统的实际状态也是评估系统进行需求确定时需要考虑的内容。根据这一情况可将仿真试验评估系统视为由评估系统、仿真系统与数据采集系统3个子系统组成,三者关系如图4所示。

图3 指标构建过程

图4 仿真数据采集关系结构图

数据采集系统是将评估与仿真有效联系起来的中介。体现为：评估系统中的评估需求,需要通过指标化的方式转换为数据采集清单,并为仿真系统需求提出要求。仿真系统则分析提出的数据采集清单包含的内容是否能够在仿真系统中得到体现,并进行采集；如果仿真系统不能直接提供所需数据,则一方面通过调整仿真模型进行适应,另一方面可与评估系统协调,重新调整数据采集清单。通过联接与协调,得出评估系统与仿真系统能够共同认可的数据采集清单,在仿真过程中采集评估所需数据,并进行效能评估。

3.3 多源评估数据的融合评估方法

弹道导弹突防效能评估过程中面临着许多不确定因素,弥补由这些不确定因素造成的影响,需要寻求尽可能多、可利用的数据源作为评估的依据。为实现不同数据源之间的有效评估融合,需要考虑的问题包括：各类评估信息的统一表达,如仿真采集信息与专家经验评估信息的统一表达问题；评估融合算法模型的构建,如不同数据源之间的加权算法等。

缩减评估的风险性,提高评估的可靠性,需要利用多种载有不同的合理成分的评估数据源的支持。进行弹道导弹突防效能评估时,专家的经验信息不仅是宝贵的数据源,也是仿真采集数据不可或缺的补充[8]。评估过程中,需通过信息统一与加权融合的方法,对以定量表达为主的仿真数据和以定性表达为主的专家数据等多源数据进行综合,进而得到稳定可靠的评估结论。数据融合评估框架如图5所示。

图5 评估数据融合流程图

4 算例

以弹道通用仿真框架设计的单级近程导弹与反设计得到的PAC-2、 PAC-3反导防御系统进行对抗突防仿真为例,应用以上方法对突防效能进行了评估并对结果进行了分析。

作战仿真想定为单弹进攻,导弹发射点为(XX° XX′ XX″ N,XX° XX′ XX″ E),目标点为(XX° XX′ XX″ N,XX° XX′ XX″ E),PAC-3部署位置为(XX° XX′ XX″ N,XX° XX′ XX″ E),拦截方案为二拦一；突防效能总指标为突防概率,在分解指标的同时,结合仿真系统模型,给出了与末级指标相对应的包含162项内容的数据采集单。部分采集清单与采集数据如表1所示。

表1 部分采集及计算指标清单

除以上由仿真获取的评估数据外,导弹发射可靠性、导弹飞行可靠性等指标由专家经验给出。将评估数据进行标准化与融合计算,可分别得出针对PAC-2、 PAC-3二拦一方案的突防概率为84.12%与53.63%。

按照以上方式,在分别改变仿真想定中的拦截次数、防御系统部署位置以及弹道形状(发射点位置)等条件的前提下,继续计算导弹突防效能值,通过对评估结果的分析可以得出以下几点结论：增加拦截次数可以提高拦截概率降低导弹突防概率；反导防御系统部署距目标点越远,拦截概率越低突防概率越高；弹道越高,拦截概率越低突防概率越高。

5 小结

以仿真为主,多种评估为辅的导弹突防效能综合评估方法,具有灵活性高、适应性强以及经济节约等方面的优点。这一方法与体系的建立可为导弹体系突防作战提供可靠的突防效能评估方法,进而可为导弹作战提供可靠的体系突防方案；同时,还能为新型导弹武器系统突防能力的需求论证、创新作战理论研究、作战方案评估、关键技术验证等提供有效支撑。

需要指出的是,在突防效能仿真评估过程中,目前所做的工作仅仅考虑了末段防御系统反导防御系统。目前国外先进反导拦截技术已经发展为全方位、网状反导防御系统,因此效能指标、评估算法的研究还需进一步与先进突防和反导技术相对应,提高技术的针对性。这也是下一步需要研究的重点方向。