岛礁守备分队防空武器作战使用研究∗

2021-10-11超姜义张峥王

舰船电子工程 2021年9期

孙超姜义张峥王瑶

（1.海军航空大学烟台 264001）（2.中国人民解放军91980部队烟台 264001）

1 引言

我国是一个海洋大国，海洋国土近300万平方公里，但其中150多万海洋国土处于与邻国争议中，尤其是距离祖国大陆较远的海域岛礁，近年来更是备受关注。域外大国舰机打着“航行自由”旗号频繁“刷脸”，域内国家执意炒作，闹剧频发。周边国家加快海空军力发展步伐，企图在对弈中获得优势，我远海岛礁防卫作战形势日益严峻，面临空中威胁有增无减。因此，基于远海岛礁敌我情况及环境特点，分析岛礁守备兵力队属防空武器作战使用强弱点，研究队属防空武器协同作战阵地配置、火力分配等作战使用问题，为基层指挥员作战决策提供参考，具有重大军事意义和参考价值。

2 远海岛礁作战环境和面临空中威胁情况

2.1 作战环境情况

远海岛礁在地理位置上远离祖国大陆，但多数距离争议国较近，他国军机在较短时间即可到达我岛礁上空，而我军机从大陆机场起飞所需时间较长。因此，在未来作战行动中不占“地利”优势。在地形上平坦狭小，经过近年来的填海造陆建设，情况有所改善，但兵力部署难，兵器配置受制约，侦察预警距离近，阵地暴露，疏散伪装难，保障复杂的基本特点未变，战时极易遭敌空袭和封锁，因此防空作战是主要作战形式。在水文气象上潮湿高盐风浪大，受海洋性季风气候影响，常年温热潮湿，夏秋季节台风多发，对岛上设施防风和船艇停泊补给要求高、难度大［1］。在岛礁建设上与周边国家各有优长，我方控制的岛礁数量不占优、基础条件不占优，但经过近年来持续岛礁建设，已形成了较为完备的机场、码头、阵地、营房等战场保障设施。

2.2 末端防空面临空中威胁

从周边国家空袭兵器和我队属防空武器作战能力看，我主要面临空中威胁有固定翼战机、空地导弹、军用直升机和无人机等。

1）固定翼飞机主要是采用机载炸弹、航炮、空射导弹攻击目标的战机，通常采取水平投弹攻击时多在500m～800m高度。俯冲投弹时，按照载机和挂载炸弹类型不同，精确制导炸弹俯冲高度5000m以下，投弹高度在3000m～3500m，非精确制导炸弹，俯冲高度多在1000m～1500m，投弹高度多在200m～500m高度。火箭弹攻击时，采取俯冲攻击方式，俯冲射击高度400m～1000m。由于周边国家装备的空地精确制导炸弹数量较少，因此抗击重点是高度1000m左右，进入攻击航线，尚未投弹的敌机。如图1所示。

图1 水平投弹和俯冲投弹示意图

2）空地导弹主要是引进军事强国的各类机载空地导弹、空地反辐射导弹和空地巡航导弹，前两者发射距离远，在我末端防空武器打击范围外时已进入大角度俯冲段，速度快，进入角度大，目标小，队属防空武器难以对其构成有效威胁。而空地巡航导弹，弹道低，飞行速度在250m∕s～300m∕s，俯冲前通常高度在1000m以下，转入俯冲时通常高度1500m以下，是我队属防空武器抗击的主要类型。

3）军用直升机也多为引进强国的各类武装运输直升机，目标大，飞行速度慢，但直升机飞行时可悬停、倒侧飞、垂直升降等，所以对其运动轨迹难以测算，应在我武器射程内对其进行持续射击。且其作战中主要在取得制空权后进行垂直登陆和近距离火力支援使用，极少单独作为空袭兵器使用。

4）周边国家受国力和技术限制，在大型无人机使用上还不多，配备的主要是中小型无人机，作战高度均在3000m左右，但目标较小，速射炮对其打击能力有限，使用便携防空导弹打击时，效费比小。由于其作战半径及续航时间短，必须依托附近母船或其他平台进行操控，可采取打击其操作平台的方式进行抗击，不作为末端防空武器的主要作战对象。

3 远海岛礁群防空作战体系构成、任务及面临矛盾困难

3.1 防空作战体系构成和任务

目前，远海岛礁群已形成中远近相结合的对空防卫能力，构建了较为完备的防空作战体系。其中，中远程、中近程防空力量主要由装备某型地空导弹和中低空近程地面防空武器系统的部（分）队组成，按照作战需要进行部署。主要任务是在武器射程覆盖范围内，保卫岛礁重要目标及附近空域安全，为周边舰机提供全天候空中安全保障，并与航空兵、水面舰艇协同作战，夺取并保持局部制空权等。末端防空力量主要由守岛分队组成，配备固定炮塔、便携式防空导弹等武器系统，主要担负末端防空任务，与中远程防空兵力协同保卫重要目标安全，打击临空各类中低空飞行器，保障地面防卫分队空中安全。

3.2 防空作战面临的矛盾困难

远海岛礁作战环境特殊，其防空作战与陆地要地防空作战、海上舰艇编队防空作战具有一定差异。一是受岛礁自然环境影响，防空体系构建和部署难度大，规模数量受限，需要优化配置。对小型目标防卫间隙较大，部队间相互通信链路建设还不够完备，兵种力量多元化，协同复杂［2］。二是面临威胁多样，目标既有第2、3代战机，又有巡航导弹和其他精确制导武器，各种类型目标航路（弹道）特性不尽相同，飞行速度、高度、RCS特性也差别明显，因此，抗击来袭目标手段需要具体分析。三是各种火器配置密度高，相互影响较大，敌空袭兵器类型多样且批次多［3］，对于作战协同中的火力分配要求较高。四是岛礁防空作战不是队属防空武器的单打独斗，是处在整体防空体系中的一个环节，它要与航空兵、中远程防空（舰空、地空）导弹、电抗等兵力密切配合，发挥多种兵力、平台的合力［4］。

4 队属防空武器系统作战使用关键问题

阵地配置、火力分配优化问题是远海岛礁守备分队防空武器作战使用的关键问题，必须做到各种武器毁伤概率、射击区边界、优化模型等技术问题与阵地配置、任务分配等实践问题相互结合。当前，国际国内对于远海岛礁防空作战的专项研究还不够多。由于岛礁防空作战中队属武器作战使用方面与要地弹炮混编、舰艇编队协同防空作战具有很多的相似性，因此主要查阅了这方面文献资料。一是通过分析弹炮杀伤区和毁伤概率，构建弹炮混编配置和火力分配模型［5］。二是以作战方案明确的部署方式作战效能作为评价参考，与现有武器系统优化配置后作战效能作对比，从而为指挥员提供决策支持［6］。三是通过导弹在多通道内的射击次数和高炮射击方式及次数，对弹炮协同抗击多目标问题进行建模分析［7］。四是对弹炮协同作战中弹丸互相干扰问题，进行弹炮协同临界时间模拟仿真计算，提出避免火力冲突的相关约束条件［8～9］。国内外文献资料基于这些模型，利用协同拍卖算法、遗传算法、模糊分析、层次分析等方法对多指标进行综合评判，为弹炮协同防空作战提供了多种思路。本文在计算模型和评判方法上引用了他们的成熟方法，并结合队属防空武器系统中炮塔阵地固定，便携式防空导弹配置位置选择受限等因素，进行了改进和结合。

4.1 目标空袭特性建模分析

为了直观地研究目标空袭特性，建立空间坐标系，如图2所示，以空袭点即我防御重要目标点O为原点作三维坐标系，过O点在水平面内沿防御扇面中心线为X轴，指向目标来袭方向为正，在水平面内作与X轴垂直线为Y轴，向右为正，经过原点作垂直于水平面的直线为Z轴，向上为正。M为目标，MO连线在水平面内投影与X轴夹角为方向角θ。

图2 目标空袭特性三维坐标示意图

通过研究周边国家空袭特点，得出以下结论：

1）目标种类主要是中低空亚音速固定翼战机和空地巡航导弹。

2）由于队属防空武器主要为末端防空武器，其有效射程通常在6km以内，当目标M进入其杀伤区时，已进入攻击阶段，为了保证空袭效果，其飞行方向应朝向空袭目标点O。

3）为了研究简便，假定目标为匀速等高直线飞行。

基于以上结论，用目标类型，目标速度、航路高度、方向角四项特征来表示目标特性，除目标类型特征外，其他特征值域均为闭合连续区间，对于这样的区间我们采用积分方法对其进行表示，可以较为精确地反映目标特性，但是在运算上将极为复杂。因此，为了提高运算效率，考虑采取数学抽样方法，抽取一定数量样本用来表示目标总体特性。在抽取样本时发现，样本特征中，有的特征如航路高度，在某一高度范围内出现概率较大，在有的高度几乎不可能出现，那么必须考虑该特征出现概率权重，从而使样本更贴近实际。通过与部队作战部门研究交流，确定了系统抽样和综合赋权的目标特性建模思想。如图3所示。

图3 样本特征结构图

样本特征向量Mijkl=(ci,vj,hk,θl) ，设目标类型为2种，速度为2种，高度为3种，方向角为12种，则i=1,2;j=1,2;k=1,2,3;l=1,2,...,12。

则各特征出现概率为

4.2 可机动防空武器阵地配置优化建模分析

当前，固定炮塔式速射炮是岛礁防空作战主力装备，其阵地固定的优劣势比较明显。在作战中，需要便携式防空武器机动部署增强主要方向和重要目标的抗击能力，弥补各阵地防御弱（死）区，达到提高作战效能的目的。根据长期作战训练，其配置按照不同的作战背景、任务需求等研练出了典型的配置位置。但是通过进一步量化的方式分析研究其配置位置优劣势，对于发挥其作战效能，提高岛礁防空作战能力具有至关重要的作用。

阵地配置最优化问题是寻求阵地配置最佳位置或方案的问题，这种最佳方案必须在一定限制条件约束下才可能存在［10］。从数学角度分析，最优化问题可以看作对于一个已知多元函数，在某些限定集合中求取极大或极小值问题［11］。构建优化模型必须认真分析决策变量、目标函数、约束函数这三个核心要素。

1）确定决策变量

阵地配置位置优化目的是当目标在防区内出现时，求解出便携式防空武器配置位置坐标使防区内目标被各武器系统协同作战毁伤的概率分布均匀且毁伤概率较大，从而达到无明显盲区和毁伤效果好的目的［12］。同时，便携式防空武器配置位置变化使毁伤目标概率值发生变化。阵地配置位置必须在一定区域内，但具体位置不固定。因此选取便携式防空武器配置位置坐标作为决策变量满足条件。通过对我方固定炮台、防空任务区、防卫目标和空袭兵器可能出现区域及运动特性分析，建立以我方防卫目标为原点的直角坐标系，在此基础上继续讨论建模问题。

2）选取目标函数

在便携式防空武器配置位置优化模型中，目标函数应能反映防区内对目标毁伤概率分布均匀、均值大的指标函数。影响防区内对目标毁伤概率分布的因素主要有武器装备性能、数量、阵地配置等，对于防区内目标毁伤概率分布的描述，主要有概率分布方差与标准差、极差、离散系数等，为了便于观测毁伤概率分布的离散程度，模型采用方差σ2和均值u作为目标函数，目标函数值表示便携式防空武器处于不同位置时，各武器系统在防区内协同作战的毁伤概率分布均匀且毁伤概率较高。

3）设置约束条件

根据可供选择阵地区域，用1个矩形区间或几个矩形区间集合来表示区域D取值范围。

4）模型目标函数分析

为了研究方便，将目标飞行特性和防空武器射击毁伤概率进行简化调整，具体步骤：

（1）通过对队属武器系统射击性能的研究，对于不同高度、速度、航路进入射击区的敌目标，虽然毁伤概率不同，但对于在某一方向上进入射击区的目标全航路毁伤概率变化趋势相同，因此将目标飞行特性设定为等高等速向我防御点作直线运动。

（2）以便携式防空武器配置在某一位置时所对应的各目标样本毁伤概率数值作为一组衡量数据，对比便携式防空武器配置在不同位置时各组数据的优劣程度。在满足目标函数和约束条件下数据最优者所对应配置位置即为最终优化结果。

（3）便携式防空武器配置位置为连续闭合区间，仿真计算量极大，但其配置在某一位置周边较小范围内时，对总体毁伤效果影响极小，因此可将便携式防空武器配置位置简化成均匀分布的多个离散点，已知便携式防空武器必须配置在一个矩形区间内，将这一矩形区间等分割成n个小方格，并将各个小方格中心点作为可选配置位置点，从而使计算简化。如图4所示，A、B、C、D炮为固定阵地武器系统，E炮为便携式武器系统，其可配置阵地位置在矩形网格区内任意位置。

图4 便携式防空武器阵地配置区间示意图

5）模型解析步骤

如图5所示。

图5 便携式防空武器配置位置优化流程图

4.3 火力分配优化建模分析

在队属防空武器作战中，面对目标类型多样，队属防空兵力通常处于被动防御态势，受弹药数量、作战能力限制，不可能无限制使用火力，如何优化各武器协同火力分配问题事关成败［13］。对于此问题，主要是确定在何种情况下分配哪个武器系统射击问题，即在遂行任务时间T内，对m个目标分配n个方案中的某一个，目标是使射击效能达到最大，使用资源最少［14］。

1）影响火力分配的因素

在阵地配置已定情况下，最主要的有目标威胁度、武器系统杀伤概率、武器系统可靠度、武器系统射弹限制、火力通道占用时间等。

（1）目标威胁度。不同目标对我防御要点威胁程度是不一样的［15］。例如当巡航导弹和飞机同时到达杀伤区时，巡航导弹比飞机可射击时间短，命中我防御要点概率大于飞机投弹，因此巡航导弹对我防御要点威胁大，从保卫防御要点出发，应当优先对巡航导弹进行射击。如果从效费比方面出发，打击飞机效费比比巡航导弹要大，这也是要对目标威胁度进行定义的原因，即确定在本次战斗中目标威胁度的指标。通常为了计算方便，将火力分配模型的各类数据进行归一化，将目标威胁度作如下定义：

（2）武器系统杀伤概率。防空导弹具有杀伤区内毁伤概率稳定的优势，毁伤概率基本不随距离增大而减小，且具有尾追射击的能力，可以对离远目标进行毁伤。速射炮在远距离毁伤概率较小，随着目标临近毁伤概率逐渐增大，在射程的2∕3以内时，毁伤概率达到最佳，且射击近界限制极小，但当目标过航后，基本不具备尾追射击能力。因此在火力分配时必须取长补短，以更好地完成抗击任务。

（3）武器系统可靠度。主要是各武器系统通常情况下的火控、发射、瞄准跟踪等系统的综合可靠程度度量，可通过查阅资料获得。

（4）武器射击限制。武器系统在射击中受弹药储备量、武器发射规定弹丸数后强制停顿时间、射弹相互影响规避等因素影响，对武器射击进行了限制。通常情况下速射炮弹药储存量较大，可以最大量保证任务需求，而防空导弹系统弹药储存较少，不能不加限制的使用，在协同作战射击效能够用情况下，优先使用速射炮对目标射击。当速射炮射击时，为了避免防空导弹错误的跟踪射弹飞行，或防止速射炮弹击中飞行的防空导弹，通常速射炮与防空导弹不同时射击一个目标。

（5）火力通道占用时间。理论上讲，队属防空火器每门炮（导弹）仅有1个火力通道。火力通道占用时间即该武器系统被分配至射击某目标开始一直持续到目标被毁伤或停止射击、转火为止的时间，可能包含几个发射周期。

2）模型的建立

队属防空武器火力分配优化目的是当目标在防区内出现时，求解出火力分配方案对目标毁伤价值最大、使用资源最少，这两点之间是对立矛盾又是辩证统一的。同时，火力分配方案使防区毁伤目标效能值发生变化，火力分配方案总数量有限，但具体选择哪一个方案不固定，因此选取火力分配方案作为决策变量满足条件。在火力分配优化模型中，目标函数应能反映防区内对特定目标毁伤效能达到最大、使用资源最少的指标函数。耗费资源量可由武器射击限制、火力通道占用时间等因素来量化。队属防空武器系统射击效能评价体系。如图6所示。

图6 队属防空武器系统射击效能评价体系图

根据火力分配实际情况，对约束条件设置作如下规定。（1）防空导弹和速射炮不同时抗击一个目标。（2）当某武器火力通道被占用或虽未被占用但来不及转火时，则不能选择该武器进行抗击。

3）模型目标函数分析

在射击效能评价指标体系中，目标威胁度、武器杀伤概率、武器系统可靠度是目标毁伤价值的3个影响因素，武器射击限制依据战时情况作为约束条件出现。为了毁伤目标价值最大化，耗费资源量最小化，选择目标毁伤价值、火力通道占用时间作为优化目标，其权向量为ω=（ω1，ω2）。

将队属防空武器分配给m个来袭目标，视作多目标多阶段优选模型。假设有m个来袭目标，每个目标有n种分配火力方案，对于第i（i=1，2，…，m）个目标，分配第j（j=1，2，…，n）种方案，其优选目标指标特征值与最大特征值的比值为效益型指标，最小特征值与优选目标指标特征值的比值为成本型指标，通过分析成本型和效益型两类指标的相对优属度（成本尽可能小、效益尽可能大）来综合衡量方案的优劣［16］。