要地防空作战火力配置ExtendSim仿真分析∗

2021-02-26

舰船电子工程 2021年1期

（国防大学联合作战学院石家庄 050051）

1 引言

防空作战的目的是最大限度地消灭来袭的空中目标，保卫被掩护目标及自身的对空安全。现代战争空袭作战的特点是多方向、小间隔、多批次、多层次连续、饱和突击，而我防空兵火力单元数量有限，难以做到对所有空袭兵器都实施有效的打击［1］。这就要求防空兵作战指挥员在正确判断空袭主攻方向的基础上，对我方兵力进行科学合理的配置，选择最优的火力配置方案，从而取得防空作战的主动权。

目前，国内外在防空火力配置模型方面已进行了较为深入的研究，相关模型已经比较成熟。其中对防空火力单元配置距离和配置间隔的研究比较多，有的在地面防空作战模拟中构建了火力单元配置距离同掩护角的关系模型［2～3］；有的在防空导弹混合部署研究中给出了考虑水平杀伤区衔接纵深、火力密度、抗干扰能力和互相掩护等情况下的火力单元配置间隔模型［4］；有的在目标掩护防空武器阵地配置模型研究中对最佳配置距离模型进行了详细论述［5］。通过分析国内外研究现状可以看出：一是研究人员在用灰色关联分析法、模糊综合评判法和层次分析法等方法判断敌空袭主攻方向时，为了便于比较，通常给出各评判指标的隶属函数，并人为地对各评判指标数据进行统一处理，从而使计算复杂，可信度难以提高；二是对高炮和导弹火力单元配置距离和配置间隔的定量研究较多，但是针对具有特定规模的防空兵（如防空团、群）整体兵力配置的定量研究较少，往往只是对单一火力单元的配置进行了研究；三是静态仿真研究比较多，基于抗击过程的动态仿真建模研究较少；四是多种优化算法应用于火力配置的优化，如遗传算法、模拟退火算法等，但是在实际火力配置过程中有很多约束条件无法进行量化而使得优化算法找不到最优解，故很多论文对优化模型进行了简化，考虑因素比较单一，结果往往与实际不符。以上，都是需要我们进一步关注和研究解决的问题。

2 相关模型构建

2.1 敌空袭兵器可能完成任务线模型

敌空袭兵器可能完成任务线是指敌机要毁伤我防卫目标所必须达到的一条界线。敌空袭兵器可能完成任务线主要分为敌机临空轰炸可能投弹线、敌机发射精确制导武器可能完成任务线和敌巡航导弹可能完成任务线三类［6］。

1）敌机临空轰炸可能投弹线计算

敌机进行临空轰炸时，其可能完成任务线就是敌机可能投弹线［7］。确定敌机可能投弹线关键是计算出敌机投弹距离。敌机投弹距离，是敌投弹时，投弹点的水平投影到保卫目标中心的水平距离，其一般估算公式为

式中，Rr为敌机投弹距离；r0为保卫目标中心到边界的距离；Rs为炸弹的杀伤半径；r为炸弹的飞行距离，分为水平飞行距离和俯冲飞行距离。

2）敌机发射精确制导武器可能完成任务线计算

确定敌机发射精确制导武器可能完成任务线的主要依据是：敌之部署兵器及保障能力、运载平台及可携带的精确制导武器的战术技术性能、保卫目标周围的明显地形和保卫目标的性质、特点等。其具体方法应结合实际情况综合分析确定。它的一般估算公式为

式中，Rw为敌载机可能完成任务线距保卫目标中心的水平距离；r0为保卫目标中心到边界的距离；Rz为精确制导武器战斗部有效杀伤半径；A为精确制导武器被发射后飞行的水平距离。

3）敌巡航导弹可能完成任务线计算

严格来说，巡航导弹并无完成任务线的概念，应当尽远实施拦截，但拦截的距离有限制，这个距离限制即可认为是巡航导弹的可能完成任务线。它与巡航导弹战技性能和被掩护对象的情况有关。一般的估算公式为

式中，r0为保卫目标中心到边界的距离；Rss为巡航导弹战斗部有效杀伤半径。

防空兵抗击巡航导弹时，为拦截巡航导弹于保卫目标之外，防止巡航导弹爆炸后毁伤保卫目标，火力单元与保卫目标之间应保持一定距离，如图1所示。

图1 抗击巡航导弹可能完成任务线示意图

式中，rJ为火力单元到保卫目标边界的距离；r0为保卫目标中心到边界的距离；djmax为防空武器可抗击最大航路捷径；D为拦截点距保卫目标边界最优距离。

生物医药产业是我国“十二五规划”中提出的八大战略性新兴产业之一，受到全国各地的高度重视。福建省自贸区地处沿海，对台产业开放，易于吸引外资，为生物医药产业的发展提供了良好条件，加之福建省委政府为了落实“十二五规划”要求，颁布了许多支持生物医药产业发展的政策，导致近年来福建自贸区生物医药产业规模增长较快，但生物医药产业的监管改革速度却明显跟不上，在一定程度上限制了福建自贸区生物医药产业的发展。因此，创新生物医药产业监管模式，对提高生物医药产品质量，营造良好的生物医药市场氛围，促进福建自贸区的生物医药产业发展有重要意义。

2.2 火力单元有效射击杀伤半径模型

用有效射击杀伤半径表征火力单元的有效射击范围，有效射击杀伤半径越大，有效射击范围就越大，意味着火力单元能在更大的空域内击毁空中目标，并能提供更大的掩护面积。

1）高炮火力单元有效射击杀伤半径的确定

用某高度的水平面截高炮的有效射击范围，由于高炮的死界半径较小，因而可将高炮火力单元的有效射击范围在地面的投影近似等效为一圆平面，称为高炮的有效射击平面区域。圆平面的外沿圆半径称为高炮的有效射击半径或有效射击杀伤半径，记作dy。有效射击杀伤半径的大小与最大有效射击斜距离Dqmax和射击高度H有关，在有效射击范围内：

有效射击杀伤半径是表征高炮防空能力的重要战术诸元，在计算高射炮兵火力单元掩护面积时，仿真建模赋值时可以结合现役装备高炮技战术性能赋予相关数值。

2）导弹火力单元有效射击杀伤半径的确定

地空导弹的杀伤空域不像高炮那样可近似看作半球，受杀伤区高低界和远近界的影响，在固定高度上的截线通常比较复杂，不可能正好是以导弹投影位置为圆心的圆［8］。为确定地空导弹火力单元的有效射击范围，可以采用等效原则，把地空导弹火力单元的有效射击范围在地面的投影近似等效为一个圆环（如图2中阴影部分所示），它所表示的也就是地空导弹火力单元的有效射击范围。因此，地空导弹火力单元的有效射击杀伤半径的大小与最大斜距Dmax和目标高度H有关，可近似按式（5）计算确定，射击死界半径亦可由最小斜距Dmin和目标高度确定。

图2 地空导弹火力单元有效射击杀伤半径示意图

2.3 火力单元有效拦截半径、掩护角模型

1）拦截半径的确定

敌空袭兵器为实施有效攻击，在飞临空袭兵器可能完成任务线前10s左右要对目标进行搜捕和瞄准，通常不会实施大的机动［9］，因此该段是防空群实施射击的有利时机。

2）掩护角的计算

火力单元对保卫目标的掩护范围为一角域2αj，即掩护角，如图3所示。掩护角是衡量防空团对保卫目标掩护能力的指标之一。凡是从火力单元掩护范围进入的敌机，我们认为火力单元可以对它实施有效射击；反之，则认为火力单元不能对其实施有效射击［10］。

掩护角的大小与拦截半径dL、火力单元有效射击杀伤半径dy、火力单元距保卫目标中心的配置距离dpz有关，而且随着配置距离dpz的变化而变化。如图3所示，根据余弦定理可得：

式中，2αj为火力单元掩护角；q为目标航路角；dL为拦截半径；dpz为火力单元到保卫目标的配置距离；dy为火力单元有效射击杀伤半径。

图3 火力单元掩护角示意图

3 基于ExtendSim的火力配置仿真实现

3.1 ExtendSim仿真环境

ExtendSim仿真软件由美国Imagine That公司开发的通用仿真平台，采用C语言开发，功能强大，可以对离散事件系统和连续系统进行仿真，具有较高的灵活性［11］。

3.2 ExtendSim仿真模型构建

运用ExtendSim8.0仿真软件对防空作战过程建立动态仿真模型。其基本想法：首先对仿真时间及循环次数进行设定和明确；其次，利用Item和Value模块，基于仿真流程图创建空袭目标流实体，并对实体设定作战属性和标定相关作战试验数据；再次，依据作战仿真模型，进行相关判断和计算，重点是计算火力单元杀伤半径、拦截半径、掩护角等，统计出击毁和突防的目标数，并计算抗击率，完成一次仿真运行和统计；最后，利用Mean&Variance模块进行整体统计，得出最终仿真平均数据。

所构建的ExtendSim仿真模型，主要可以实现以下几个方面功能。

一是构建空袭目标流。构建空袭目标流是仿真运行的前提基础。为贴合作战实际，这里把空袭目标流设定成距离轴上的泊松流。其中，空袭目标的种类、属性和作战性能通过set模块赋予相关数据；空袭目标实体数量通过information模块统计生成。

二是模拟单个火力单元作战过程。具体包括地空导弹火力单元和高炮火力单元。这一过程主要按照作战抗击活动顺序进行，主要包括火控雷达锁定捕抓、空袭目标威胁排序、射击可行性判定、毁伤情况判定、毁伤概率计算和仿真数据统计汇总。基于这些作战过程构建的仿真子模块是整个Ex⁃tendSim仿真的核心，具体可见图4所示。

三是计算作战效能统计模块。在防空作战对来袭目标的抗击效能评估数据采集区中，相关统计数据主要是通过Equation模块和Mean&Variance模块实现，整个防空作战过程ExtendSim仿真设计如图4所示。

图4 防空作战抗击来袭目标ExtendSim仿真设计

3.3 各种情况下火力配置仿真实现

ExtendSim仿真平台属于模块化设计，“自带模块”和“子模块”都可以依据实际需求进行动态调整组合，非常适合于对各种配置情况下进行仿真模拟。图4所示的是“未组网”情况下的扇形配置情况，通过对“自带模块”和“子模块”的调整，可以对组网和未组网两种情况下的线形配置、扇形配置和“一字形”配置（图5所示）进行仿真实现。

图5 火力单元配置情况简图

各火力单元配置情况的仿真都是在图4的基础上进行调整实现，为保证各配置情况的仿真在同一环境下运行，注意保持ExtendSim模型基本数据参数的一致性。为分析抗击概率与空袭目标速度的制约关系，可以直接在相关模块中调整空袭目标速度数值，最终进行曲线拟合。根据当前防空作战实际，空袭目标速度选取为400m/s～2000m/s。

4 数据分析

通过对图4所示模型进行多次ExtendSim仿真运行取平为使仿真结果更准确和具代表性，取每次仿真运行的期望平均值，置信水平取95%。所得结果如图6、7、8所示。

图6 扇形火力配置抗击概率

图7 线形火力配置抗击概率

图8 “一字形”火力配置抗击概率

扇形配置、线形配置、“一字形”配置抗击概率为0.65779、0.77854、0.42332。扇形配置和线形配置抗击概率比较理想，这充分说明为保证足够时间对空袭目标进行抗击，火力配置需要保证足够作战纵深。火力单元尽可能配置在敌来袭航线上，以增大拦阻射击的火网密度，提高抗击概率。扇形配置时，要地防空部队要在敌主要来袭方向上配置战斗力较强、数量较多的兵力，次要方向配置较少的兵力，形成有重点的扇形配置。线形配置时，从仿真数据分析可知，线形配置抗击概率是最高的，是最适宜用来抗击高速目标的侵袭。当来袭目标进袭航线或大概方向可知时，指挥员在指挥部队作战行动时就要沿着来袭方向展开线形配置。

火力单元抗击概率影响因素占比（图9所示），是由ExtendSim的绘图模块生成。分析该图，可以看到弹丸毁伤效能影响因素占比43.5%，火力单元有效射程影响因素占比22.4%。数据说明，为有效抗击空袭目标，要进一步提高火力单元弹丸毁伤效能，加大火力单元有效射程。比如对于高炮火力单元来讲，通过对ExtendSim仿真数据的对比研究，可以知道增加高炮火力单元有效射程可以加大射击时间和提高发射弹丸数量，反之也是成立的。这是高炮火力单元的核心制约因素。速射中口径高炮，相比小口径高炮相比，具有射程远、掩护范围广、弹丸威力大、多重毁伤等特点，即能与近程防空导弹杀伤区构成衔接和重叠，又能有效弥补30mm以下口径高炮与近程导弹火力杀伤区衔接盲区。在掌握来袭特点和规律情况下，使用高炮、高射机枪和地空导弹等多种防空武器，沿来袭目标飞行航路由远及近层层拦截阻击。在拦截过程中，可前伸、纵深梯次部署防空兵力、兵器，以高炮、高射机枪、单兵（近程）防空导弹为主体，进行灵活阻击。要考虑到主要来袭方向，如果能对敌主攻方向做出比较确定的判断，弹炮混合火力配置就势必做出相应变化。

图9 火力单元抗击概率影响因素占比

图10显示的是抗击概率变化趋势，是通过Matlab软件对ExtendSim仿真得到的数据进行拟合生成，重点探究在“组网”和“未组网”两种情况下空袭目标速度对抗击概率的影响。分析可知：一是“组网”抗击概率总体比“未组网”抗击概率高很多。二是当空袭目标速度较低时（比如400m/s～700m/s），两条线下降幅度差不多；当来袭目标速度进一步增大时，“未组网”抗击概率下降幅度更明显。特别是达到2000m/s，各火力单元在“未组网”情况下抗击概率仅达到0.3017，而“组网”情况下可以达到0.6055，而且随着速度的进一步加大，两条线差值幅度进一步增大。这也充分说明，组网可以融合各雷达作战效能，增大雷达配置纵深，实现远近方空情的信息共享，进而增大雷达的探测范围［12］。