張 宇

(中國人民解放軍91404部隊,河北秦皇島 066000)

反艦導(dǎo)彈是以水面艦艇為主要攻擊目標的作戰(zhàn)武器,隨著科技水平日新月異,反艦導(dǎo)彈的攻擊性能也有了很大提高。反艦導(dǎo)彈航路規(guī)劃、機動能力的不斷提高,極大地增強了對水面艦艇的突防能力和威脅[1]。隨著武器裝備的不斷發(fā)展,現(xiàn)代戰(zhàn)爭的信息化、智能化程度越來越高,軍用仿真技術(shù)作為戰(zhàn)法研究的重要手段之一,在作戰(zhàn)模擬方面應(yīng)用越來越廣泛,為戰(zhàn)法運用和作戰(zhàn)理論研究提供了有力支撐[2-4]。

1 反艦導(dǎo)彈模型需求設(shè)計

當對反艦導(dǎo)彈建模方法進行研究時,根據(jù)應(yīng)用需求不同,建模粒度也有所不同。當研究反艦導(dǎo)彈突防和艦艇防空作戰(zhàn)決策能力時,主要關(guān)注反艦導(dǎo)彈不同時刻在飛行航路上的位置、高度、航向和航速等信息,此時只需要對反艦導(dǎo)彈的位置信息和運動參數(shù)進行建模即可。但當對反艦導(dǎo)彈技戰(zhàn)術(shù)性能或作戰(zhàn)效能評估進行研究時,就需要了解每一時刻反艦導(dǎo)彈的空間位置及其姿態(tài)變化,通過應(yīng)用牛頓運動定律和飛行動力學(xué)原理,在反艦導(dǎo)彈重力、發(fā)動機推力、空氣升/阻力和飛行控制力的協(xié)同作用下,建立反艦導(dǎo)彈六自由度空氣動力學(xué)模型。大多數(shù)情況下,要想獲得氣動參數(shù),必須求解多個高階微分方程,在戰(zhàn)場環(huán)境仿真中,由于模型運算量和數(shù)據(jù)存儲量太大,實現(xiàn)起來相當困難[5-6]。

反艦導(dǎo)彈通過制導(dǎo)系統(tǒng)捕獲、篩選、識別、跟蹤目標并進行打擊,制導(dǎo)系統(tǒng)是反艦導(dǎo)彈實現(xiàn)作戰(zhàn)任務(wù)的核心[7]。按照現(xiàn)有主流反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)方式不同,設(shè)計3種制導(dǎo)模式的導(dǎo)引頭,包括雷達主動導(dǎo)引頭、紅外導(dǎo)引頭和反輻射導(dǎo)引頭。同時考慮復(fù)合尋的制導(dǎo)模式,以雷達/紅外復(fù)合導(dǎo)引頭為例進行設(shè)計。

2 反艦導(dǎo)彈模型設(shè)計

2.1 模型功能設(shè)計

模塊化是“系統(tǒng)還原論”自頂向下分解的建模方法,是指解決一個復(fù)雜問題時,自頂向下逐層把系統(tǒng)劃分成若干模塊的過程[8]。本文基于模塊化建模方法,兼顧反艦導(dǎo)彈功能特點,將其劃分為反艦導(dǎo)彈平臺模塊、導(dǎo)引頭模塊、信息融合模塊、毀傷判定模塊4個部分,反艦導(dǎo)彈模型功能模塊組成如圖1所示。其中,反艦導(dǎo)彈平臺模塊是反艦導(dǎo)彈模型的核心模塊,主要用于模擬導(dǎo)彈姿態(tài)和運動狀態(tài);導(dǎo)引頭模塊包括雷達主動導(dǎo)引頭模塊、紅外導(dǎo)引頭模塊和反輻射導(dǎo)引頭模塊。針對戰(zhàn)法研究需求不同,可以靈活切換導(dǎo)引頭工作模式,也可以通過制導(dǎo)方式設(shè)置,采用復(fù)合尋的制導(dǎo)模式;信息融合模塊主要用于復(fù)合尋的制導(dǎo)模式下的目標信息融合;毀傷判定模塊主要用于對攻擊效果的計算和反饋。鑒于推演系統(tǒng)主要針對戰(zhàn)術(shù)級合同戰(zhàn)法進行檢驗,導(dǎo)彈模型進行功能級建模。

圖1 反艦導(dǎo)彈模型功能模塊組成圖

2.1.1 反艦導(dǎo)彈平臺模塊

模塊主要功能如下:

1)導(dǎo)彈運動模擬功能。能夠模擬導(dǎo)彈從發(fā)射到命中目標或自毀的全彈道;能夠模擬導(dǎo)彈的垂直發(fā)射運動和傾斜發(fā)射運動;能夠模擬導(dǎo)彈的爬升、降高、平飛、轉(zhuǎn)彎、末端躍升等運動,具有平滑的轉(zhuǎn)彎路徑;能夠模擬導(dǎo)彈的末端飛行加速過程;能夠模擬導(dǎo)彈的偏航、滾轉(zhuǎn)、縱搖等姿態(tài)變化;

2)航路規(guī)劃功能。能夠模擬反艦導(dǎo)彈航路規(guī)劃功能,針對不同制導(dǎo)模式、不同發(fā)射平臺,選擇不同的飛行彈道;

3)毀傷判定功能。能夠調(diào)用“毀傷判定模塊”,完成對攻擊目標的毀傷判定結(jié)果計算和輸出;

4)反艦導(dǎo)彈自毀模擬功能。反艦導(dǎo)彈在末制導(dǎo)雷達開機后,未發(fā)現(xiàn)目標或發(fā)現(xiàn)后又丟失目標,即“迷航飛行”狀態(tài)。則始終處在末端飛行高度平飛,若一直未獲取目標,指定時間后自動俯沖落水自毀;

5)導(dǎo)彈特性模擬功能。能夠按照想定設(shè)計,裝訂不同導(dǎo)彈的初始特性參數(shù),主要包括雷達散射截面積、輻射強度、制導(dǎo)方式、過載角速度、導(dǎo)引頭工作方式、導(dǎo)引頭開機距離等基本特性。

2.1.2 雷達主動導(dǎo)引頭模塊

模塊主要功能如下:

1)雷達目標探測捕獲功能。能夠模擬在有干擾或無干擾情況下,雷達導(dǎo)引頭對目標的探測捕獲情況;

2)目標信息引導(dǎo)功能。導(dǎo)引頭能夠?qū)⒛繕说奈恢眯畔崟r發(fā)給導(dǎo)彈平臺,引導(dǎo)導(dǎo)彈向目標飛行。

2.1.3 紅外導(dǎo)引頭模塊

紅外導(dǎo)引頭模塊主要模擬紅外點源導(dǎo)引頭的工作流程。模塊主要功能如下:

1)目標探測捕獲功能。模擬導(dǎo)引頭在無干擾和有干擾時對目標的探測、捕獲情況;

2)目標選擇跟蹤功能。能夠根據(jù)設(shè)定的目標選擇原則模擬導(dǎo)引頭對目標的選擇功能;能夠模擬對特定目標的跟蹤功能;

3)紅外誘餌和煙幕干擾處理功能。能夠響應(yīng)紅外誘餌干擾,將紅外誘餌作為目標處理,滿足能量合成條件時,需要進行能量合成;能夠處理煙幕干擾對紅外輻射透過率的影響;

4)目標信息引導(dǎo)功能。導(dǎo)引頭能夠?qū)⒛繕说奈恢眯畔崟r發(fā)給導(dǎo)彈平臺,引導(dǎo)導(dǎo)彈向目標飛行。

2.1.4 反輻射導(dǎo)引頭模塊

反輻射導(dǎo)引頭用于導(dǎo)彈飛行過程中對雷達輻射源的捕獲和跟蹤,從而實現(xiàn)導(dǎo)彈飛行方向的控制。當反輻射導(dǎo)彈距離輻射源目標較遠時,多個輻射源目標都將處于導(dǎo)引頭的分辨角內(nèi),此時導(dǎo)彈將跟蹤合成輻射源;當反輻射導(dǎo)彈距離目標較近時,距離合成輻射源較遠的輻射源與導(dǎo)引頭接受方向法線的夾角將越來越大,當達到某個閾值時,反輻射導(dǎo)引頭會分辨出多個目標輻射源,此時導(dǎo)引頭將穩(wěn)定跟蹤在其接收機分辨角內(nèi)的雷達或誘餌,最終導(dǎo)彈將以最大過載修正飛行誤差,從而修正導(dǎo)彈飛行方向,引導(dǎo)導(dǎo)彈飛向目標完成打擊任務(wù)。

模塊主要功能如下:

1)信號截獲功能。能夠截獲雷達輻射源信號,并能夠體現(xiàn)導(dǎo)引頭截獲概率等裝備性能;

2)目標選擇和跟蹤模擬功能。能夠根據(jù)設(shè)定的輻射源目標選擇原則模擬導(dǎo)引頭對目標的選擇功能;并能夠模擬對目標的跟蹤功能;

3)目標信息引導(dǎo)功能。能夠模擬導(dǎo)引頭將目標輻射源的位置信息實時發(fā)給導(dǎo)彈平臺,引導(dǎo)導(dǎo)彈向目標飛行。

2.1.5 信息融合模塊

多模復(fù)合導(dǎo)引頭工作時并不是簡單的單模導(dǎo)引頭功能相加,而是充分發(fā)揮各自模式的優(yōu)勢來彌補對方的劣勢,將有效信息進行合理融合,從而提高目標探測、跟蹤精度,提高武器的作戰(zhàn)效能。雷達作為一種主動傳感器探測手段,由于可以提供較為完整的目標位置信息或多普勒參數(shù),在目標探測和跟蹤方面發(fā)揮著重要作用。較高精度的測角能力和較強的目標識別能力是紅外傳感器的突出優(yōu)點。從而為了提高跟蹤探測系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性,將雷達和紅外傳感器組合成復(fù)合導(dǎo)引頭是個不錯的選擇;利用雷達和紅外傳感器高精度的距離測量和角度測量能力,通過數(shù)據(jù)融合進行信息互補,可以得到較高精度的目標位置信息[9]。信息融合模塊主要用于反艦導(dǎo)彈復(fù)合尋的制導(dǎo)情況下的目標信息融合,這里以雷達/紅外雙模制導(dǎo)信息融合進行設(shè)計。

模塊主要功能如下:

1)目標信息融合功能。能夠?qū)⒗走_、紅外設(shè)備對同一目標的運動狀態(tài)估計參數(shù)進行融合處理,得到精度更高的目標位置及運動信息;

2)目標信息引導(dǎo)功能。融合模塊能夠?qū)⒛繕说淖罱K位置及運動信息實時發(fā)給導(dǎo)彈平臺,引導(dǎo)導(dǎo)彈向目標飛行。

2.1.6 毀傷判定模塊

反艦導(dǎo)彈毀傷判定模塊主要用于計算艦艦導(dǎo)彈和空艦導(dǎo)彈對艦艇的毀傷情況。

模塊主要功能為:反艦導(dǎo)彈對目標的毀傷判定功能。當目標進入反艦導(dǎo)彈爆炸半徑后,調(diào)用毀傷判定模塊,根據(jù)導(dǎo)彈爆炸的毀傷當量,通過概率計算方式得出對艦艇的毀傷當量,并發(fā)送反艦導(dǎo)彈攻擊結(jié)果消息給被攻擊目標。

2.2 模型接口設(shè)計

根據(jù)上文模塊劃分和模型功能設(shè)計內(nèi)容,設(shè)計模型接口交互如圖2所示。反艦導(dǎo)彈模型邏輯結(jié)構(gòu)圖能夠清楚地描述模型內(nèi)部各部分之間的交互關(guān)系,并能得到模型與外部的交互接口,主要包括反艦導(dǎo)彈平臺、雷達主動導(dǎo)引頭、紅外導(dǎo)引頭、反輻射導(dǎo)引頭、信息融合和毀傷判定6個模型部件。各個部件內(nèi)部具有獨立的算法處理功能,并通過交互接口完成信息收發(fā)。

圖2 反艦導(dǎo)彈模型邏輯結(jié)構(gòu)圖

3 典型飛行彈道設(shè)計

水面艦艇是反艦導(dǎo)彈進攻的主要作戰(zhàn)目標,從導(dǎo)彈飛行技術(shù)發(fā)展來看,反艦導(dǎo)彈在攻擊目標過程中大都采用自控飛行和自導(dǎo)飛行控制方式。由于紅外制導(dǎo)和反輻射制導(dǎo)反艦導(dǎo)彈工作方式、飛行彈道相近,雷達主動制導(dǎo)有自己特有的工作方式和彈道,下面就兩類制導(dǎo)模式設(shè)計兩種典型彈道,用于戰(zhàn)術(shù)推演系統(tǒng)反艦導(dǎo)彈戰(zhàn)術(shù)運用研究。

3.1 典型被動制導(dǎo)彈道設(shè)計

反輻射和紅外制導(dǎo)反艦導(dǎo)彈彈道一般分為方案彈道和導(dǎo)引彈道兩個階段,即自控飛行和自導(dǎo)飛行階段。當機載或艦載反艦導(dǎo)彈發(fā)射后,導(dǎo)彈進入方案彈道飛行階段,方案彈道主要有發(fā)射段、助推段、變高段、轉(zhuǎn)彎段[10],而后進入導(dǎo)引段。

發(fā)射段:當導(dǎo)彈收到發(fā)射命令后,導(dǎo)彈離開平臺,控制系統(tǒng)開始工作,穩(wěn)定導(dǎo)彈飛行姿態(tài),消除發(fā)射干擾;

助推段:當導(dǎo)彈穩(wěn)定飛行后,助推器開始點火;

變高段:當助推器脫落后,導(dǎo)彈在縱向平面內(nèi),按照給定的過載開始爬升或下降,到達某一高度后開始平飛,側(cè)向平面按照導(dǎo)彈的導(dǎo)引頭輸出信號進行控制。導(dǎo)彈飛行至某一時刻,彈上引信解除保險狀態(tài),此后引信一直處于待爆狀態(tài),當導(dǎo)彈接觸到目標時,引信傳感器組接通,開始動作并且引爆戰(zhàn)斗部;

轉(zhuǎn)彎段:當導(dǎo)彈飛行方向與目標視線的夾角達到預(yù)定門限值時,向?qū)楋w行控制組件發(fā)送轉(zhuǎn)彎指令信息,使導(dǎo)彈進入轉(zhuǎn)彎飛行階段。

導(dǎo)引段:導(dǎo)彈為實現(xiàn)導(dǎo)引動作,首先要通過判斷導(dǎo)彈與目標的視線夾角是否達到設(shè)定閾值,當達到閾值門限時,通過控制器發(fā)出控制信號,使導(dǎo)彈進入導(dǎo)引彈道。此時應(yīng)該注意導(dǎo)彈在高空突防和低空突防兩種飛行彈道情況下,所設(shè)的夾角閾值是不同的。導(dǎo)彈進入導(dǎo)引彈道后按照一定的導(dǎo)引規(guī)律,如平行接近法、比例導(dǎo)引法接近目標。當導(dǎo)彈與目標的相對位置滿足一定條件時,引信傳感器發(fā)出信號,引爆戰(zhàn)斗部,完成殺傷。典型被動制導(dǎo)反艦導(dǎo)彈飛行垂直剖面示意如圖3所示。

圖3 典型被動制導(dǎo)反艦導(dǎo)彈飛行垂直剖面圖

3.2 典型主動制導(dǎo)彈道設(shè)計

雷達主動和雷達/紅外復(fù)合制導(dǎo)反艦導(dǎo)彈飛行過程可以分為自控飛行和自導(dǎo)飛行兩個階段。為了提高反艦導(dǎo)彈突防能力,在自導(dǎo)段導(dǎo)彈通常會采取低空突防、“蛇行機動”、“躍升-俯沖機動”、“螺旋機動”等突防方式[11]。鑒于本文反艦導(dǎo)彈模型僅用于戰(zhàn)術(shù)運用研究,不考慮后三種機動方式,僅對典型主動制導(dǎo)反艦導(dǎo)彈低空突防彈道進行設(shè)計[3],垂直剖面示意如圖4所示。

圖4 典型主動制導(dǎo)反艦導(dǎo)彈飛行垂直剖面圖

自控飛行階段:反艦導(dǎo)彈從發(fā)射到末制導(dǎo)雷達開機為自控飛行階段,導(dǎo)彈按照發(fā)射時的彈目距離分別計算出的一次降高、一次平飛、二次降高、二次平飛至末制導(dǎo)雷達開機的時間。此階段中,如果是艦載垂直發(fā)射,導(dǎo)彈發(fā)射時的加速度為垂直發(fā)射最大加速度,到達垂直升高段最大高度后進行一次降高;如果是艦載傾斜發(fā)射,導(dǎo)彈傾斜角度不能小于最小傾斜發(fā)射角度,到達傾斜發(fā)射彈道最高點后進行一次降高,此時導(dǎo)彈的飛行速度為巡航速度;如果是載機發(fā)射,導(dǎo)彈發(fā)射狀態(tài)穩(wěn)定后,進行平飛和降高飛行。

自導(dǎo)飛行階段:對雷達主動制導(dǎo)模式而言,當末制導(dǎo)雷達開機后,導(dǎo)彈進入自導(dǎo)飛行階段。雷達實時獲取目標位置信息,并根據(jù)目標位置進行三次降高,而后進入末端飛行階段,并以最大加速度加速到最大飛行速度,到達最大俯沖距離后開始俯沖攻擊。當反艦導(dǎo)彈對目標的毀傷判定模型判定目標進入導(dǎo)彈殺傷半徑之后,導(dǎo)彈爆炸,輸出導(dǎo)彈攻擊結(jié)果信息。

對雷達/紅外復(fù)合制導(dǎo)模式而言,由于雷達設(shè)備的作用距離遠于紅外設(shè)備,在遠距離時,雷達設(shè)備首先進行搜索跟蹤,當達到紅外設(shè)備探測距離時,并且滿足雷達、紅外交接班條件時,雷達實現(xiàn)雷達到紅外設(shè)備的交班。交班后,為避免紅外設(shè)備收到干擾出現(xiàn)目標丟失的情況,雷達要持續(xù)保持對目標的跟蹤狀態(tài),當目標丟失后自動轉(zhuǎn)到雷達設(shè)備探測目標信息,并重新引導(dǎo)紅外傳感通道截獲目標。當兩個類型傳感器同時工作時,調(diào)用信息融合模塊對各單模導(dǎo)引頭輸出的決策信息進行數(shù)據(jù)配準和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián),形成融合目標特征信息。

4 仿真模型開發(fā)與測試

基于數(shù)字武器開發(fā)平臺(DWK, Digital Weapon Kit),通過生成模型代碼框架,并利用C++語言,對模型進行開發(fā)實現(xiàn)。

仿真模型測試過程分為兩個階段,第一階段為單機測試階段,通過測試代碼工程編寫測試代碼,對模型各個輸入輸出接口及算法功能進行單機測試。第二階段為系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試階段,通過制定作戰(zhàn)想定,進行方案部署,對模型間的信息流進行全面測試。通過兩個階段的測試,本文設(shè)計開發(fā)的反艦導(dǎo)彈模型,可以成功應(yīng)用于戰(zhàn)法推演過程中,具有很好的可重用性和可擴展性,對戰(zhàn)法研究具有重要意義。

5 結(jié)束語

在數(shù)字武器開發(fā)平臺DWK研究的基礎(chǔ)上,為滿足戰(zhàn)法研究的實際需求,本文基于模塊化分析方法,并結(jié)合組件化設(shè)計思想,完成了反艦導(dǎo)彈模型的需求分析、功能設(shè)計、接口設(shè)計、算法設(shè)計和開發(fā)測試工作。通過應(yīng)用驗證,該模型可以根據(jù)實際需求,通過改變性能參數(shù)、導(dǎo)引頭類型實現(xiàn)不同型號、不同制導(dǎo)模式反艦導(dǎo)彈的模擬,具有很好的可重用性和可擴展性。目前,該模型已經(jīng)在某戰(zhàn)法推演系統(tǒng)中得到很好的應(yīng)用,模型功能完善、運行穩(wěn)定,對檢驗作戰(zhàn)預(yù)案的合理性,提高戰(zhàn)法的運用能力具有重要意義。下一步,將對反艦導(dǎo)彈突防和反導(dǎo)戰(zhàn)法作戰(zhàn)效能進行研究,這就要求建模的粒度更高,彈道模擬更加精細、更加多樣,還需要考慮動力學(xué)因素,最終實現(xiàn)對實裝模擬更加逼真,真實反映反艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)過程的目的。