仿真试验在美国海军舰艇自防御系统论证中的应用

石剑琛，赵海江

(海军装备部，北京100071)

0 引 言

传统的舰艇自防御系统试验与评估包括实验室试验、陆基试验、自防御试验舰试验、实船试验等多个阶段，要动用实船和大量的武器弹药和靶标等，并需要开展多种武器、不同组合方式、各种边界条件的自防御武器射击试验，试验周期长、资源耗费大、效费比低，并且不能开展复杂战场环境下的自防御试验与评估。为此，美国海军利用在研制舰艇自防御系统的过程中，搭建高仿真度的模拟环境，开展一系列自防御系统试验与验证。这种基于仿真的舰艇自防御测试，很好地解决了利用传统的陆上和海上实船试验复杂度高、难度大和成本高等问题。本文将对美国海军舰艇自防御系统论证阶段试验评估过程及评估内容进行详细介绍。

1 基于仿真试验的舰艇自防御系统效能评估方法

在舰艇自防御系统论证选型阶段，美国海军对舰艇自防御系统的作战性能进行分析评估，以提供作战使用需求。

舰艇自防御系统效能评估分析主要分为6 个步骤:定义待分析系统、预期威胁和作战环境;设计并开发综合决策模型;确定所使用的效能评估;设计并开发传感器和武器模型;开展仿真试验，获取试验数据;分析给出评估结果。

1.1 定义基本输入

需要定义的基本输入包括待分析系统、预期威胁和作战环境。

待分析系统由海军和工作组人员共同确定。系统可能是目前正在开发的系统、未来计划开发的系统或经过升级的老装备。基于这些系统，分析多种武器、传感器和控制系统配置。

预期威胁由美国海军情报局负责定义，包括近期和远期可能威胁。美国海军情报局基于项目需求、分析人员给出的威胁特点，确定合适的预期威胁。另外，要根据预期任务确定攻击密度、环境条件进行威胁射击。这些条件能够避免仅围绕单一座站台时进行系统设计。

作战环境包括与作战区域环境、美国海军情报局定义威胁适配的环境条件、导致威胁攻击的政治演变、场景事件等。

利用上述条件定义，即可进行对比分析。该分析过程使用高仿真模型模拟来袭武器和威胁，并且可根据需要对这些数据输入进行调整，进行对比分析。另外，也可只进行局部仿真。图1 给出了分析过程。

1.2 综合决策模型设计开发

图1 需求和分析工作组分析过程Fig.1 Analysis of the process

分析过程的第2 步是确保交战模型能够按期望的拟真度从各方面表示问题。目前，有2 种模型可用于为美国海军舰艇自防御分析，水面防空战多舰仿真(SAMS)模型和舰队防空战模型(FACTS)。其中，SAMS 模型是一个水面防空战防御系统的随机、离散事件模型，可以仿真单艘或多艘舰艇、雷达和武器系统，可以确定单个或多个攻击单元的效能。FACTS 模型用于战术系统比较。2 个模型已经过互相校准，具有互操作性，可保证工作组分析结果的一致性。

SAMS 模型偏重于武器控制和使用，特别是武器分配和时间安排以及在作战单位和军队层面上的协同作战。而且，传感器和武器性能模型的建模数据均来自实际工程模型的仿真，真实性高。SAMS模型采用面向对象的体系结构，仍在不断发展升级且使用方便，在许多情况下，用户无需改变当前模型体系结构就可以按照新概念调整模型或通过模型输入提高仿真度。

1.3 确定效能评估指标

效能评估是指对系统进行数值评价。自防御武器系统的传统效能评估指标是毁伤效能 (PRA)。此外，也可以使用其他效能评估。例如，当分析几种武器协同方法时，叠加交战(被首个武器系统打击后又遭到其他武器系统打击)数量通常用作效能评估指标。

1.4 传感器和武器模型设计开发

SAMS 模型恰当地表示待分析问题的各方面后，还要建立相应的支撑数据库，从而为防空系统单元提供作战系统性能数据。这些数据从系统需求、测试数据或者通过各组成部分(如雷达或导弹系统)高仿真模型得到。

SAMS 模型的输入包括来袭目标和敌方武器系统。其中，来袭目标用目标的发射时间、导引头开机时间、瞄准、速度、飞行和射程的关系以及飞行高度和射程的关系表示;敌方武器系统以探测、控制和交战信息进行表示。

在SAMS 模型中，传感器的探测信息由稳定跟踪分布概率表示。SAMS 模型使用该概率判断何时将跟踪信息传递给武器系统;武器控制系统是通过一系列时延和队列表示的，包括从稳定跟踪到指配武器的时间、从指配武器到导弹或诱饵发射时间、发射间隔时间、主动寻的时间，以及毁伤评估时间;在硬武器方面，拦截导弹的模型参数包括飞出时间、毁伤效能函数、最小和最大拦截距离、导引头寻的时间、照射雷达旋转和截获时间、照射持续时间、训练用火箭的旋转和重新加载时间。在软武器方面，可以通过使用诱饵或电子技术欺骗来袭导弹的导引头。美国海军研究实验室开发的模型确定了电子战武器效能。这些模型按照来袭目标、舰艇类型和进近角度为每个电子战系统提供效能与部署距离关系的分布概率。SAMS 模型使用该概率分布确定来袭目标攻击失败的概率。

1.5 开展仿真试验，获取试验数据

恰当表示各组成部分并收集到所有必要数据后，即可运行SAMS 模型以确定系统效能。此时，用户需要提供合适的输入，并作出与战术、条令和武器部署有关的决策。用户必须提前分析形势，并通过输入指定使用何种战术和合适的来袭目标以及武器性能数据。这种方法将模型作为一种研究工具，将探测距离、毁伤效能或条令作为参数进行研究。SAMS 模型可以生成交战的各方面的详细信息和概要信息，可用于验证可疑结果的有效性或者计算其他效能评估指标。

1.6 分析并提供结果

将效能评估指标进行分析并提供海军，有助于其作出正确判断。综合考虑系统配置和仿真输入，可对SAMS 模型仿真结果有深入理解。不仅可对系统的单一能力进行评估，还可对系统的敏感度、可用性等指标进行深入分析。如果条件允许，每种系统配置的效能评估都要针对一项“凯普斯通要求”进行衡量，或者绘制成对比图以确定系统击败来袭目标的能力。

敏感度分析:经常被用来表示舰艇或武器系统的能力。例如，通过增加的来袭目标密度，可以评估武器系统的鲁棒性。通过关闭一个武器系统，可以评估它对整体效能的贡献程度，这种方法有助于海军更好地理解某些武器系统的重要程度。

武器系统可用性分析:系统失效会显著降低舰艇的作战能力。了解对舰艇生存具有关键作用的武器系统及其可靠性，有助于判断舰艇是否能进入具有高度爆发战争可能的区域。

建立要素级参数和作战系统结果的数据库:如果保留研究数据，后期在面临提出的问题时就能得到快速答复。例如，如果所需数据就绪，那么添加一个武器系统或改变来袭目标密度的效果就可以通过重新运行SAMS 模型迅速确定。

2 案例分析

为了研究高能激光武器在配合当前的导弹系统保护舰艇免受反舰巡航导弹攻击方面的军事应用，按前述分析法进行研究。

2.1 定义基本输入

预期威胁:以某型反舰巡航导弹为主，并将威胁集合扩展到其他反舰巡航导弹以及没有制导系统的火炮。

待分析系统:该分析使用了LPD 17 两栖船坞运输舰自防御导弹系统参数等数据(由海军以往的试验获得)。由于高能激光武器系统属于新型系统，因此开发了一系列概念，用于描述高能激光武器如何与LPD 17 两栖船坞运输舰现有自防御系统协同以及其交战过程。

2.2 综合决策模型开发

在SAMS 模型中，所有的武器使用自防御武器协同条令打击目标。该条令指定了舰载武器选择打击方式的标准。该标准包括目标到达本舰的时间、打击该目标的其他武器数量和效能。本分析中SAMS 模型主要协同条令有两项，一个是“自由开火”，即所有武器都可以打击目标;另一个是“先到先打”，即只有第一个可用武器系统打击目标。

经过对武器组合的初步分析，发现“先到先打”条令是最好的。为了在本研究中进一步探索高能激光武器与近程导弹系统的协同工作方式，开发了两项附加自防御条令，即“先到先打+”和“先到先打+ +”。这些条令扩展了“先到先打”条令，允许叠加交战达到用户定义的累积毁伤效能，该概率基于武器单发毁伤效能估计(Pk)。

2.3 确定评估指标

选择“毁伤效能”作为这项研究的效能评估指标。进行项研究时，美国海军官方对高能激光武器尚无正式的要求。本研究旨在从在所选的武器组合中寻找毁伤效能的最大值。

2.4 传感器和武器模型设计开发

高能激光武器系统是一种定向能武器系统，通过在目标上积累足够的能量对目标造成毁伤。海军提供了高能激光武器系统性能参数。在该项研究中，想定的激光毁伤机理是在目标的整流罩上烧出空洞，从而令导弹等目标飞行失稳。为了将高能激光武器系统模型纳入到SAMS 模型，工作组修正了SAMS模型，并利用相关数据验证修正的合理性。

2.5 开展仿真试验，获取试验数据

图2 一个高能激光武器系统毁伤效能仿真结果Fig.2 Simulation results of damage effectiveness of high energy laser system

针对4 项武器协同条令，分别对6 种武器组合对亚音速和超音速目标的毁伤效能进行评估。武器组合包括2 类近程舰空导弹系统，它们可以是单独作战，也可配合高能激光武器系统作战。经过研究，通过SAMS 模型确定了各种情况下的毁伤效能。图2 给出了一个结果样本。该分析是为了评估高能激光武器对舰艇自防御系统的相对贡献度。

图中显示的假设结果表示两类舰空导弹配合或不配合高能激光武器系统对抗1 枚典型反舰巡航导弹的效能:1)使用类型1 导弹时;2)使用类型2导弹时;3)使用类型1 和类型2 导弹时。有关传感器和武器模型协同条令的叙述如图中文字所示。图中的毁伤密度指一次打击中打击所有未到达警戒距离的来袭目标的概率。

2.6 分析并提供结果

评估结果显示，高能激光武器系统能够显著补充防御能力。高能激光武器系统和任意一种自防御导弹能一起有效防御近程和中程反舰巡航导弹。当导弹系统因威胁目标密度更高而变得饱和时，高能激光武器系统的效用更大。因此，基于毁伤密度情况，采用高能激光武器进行协同作战是最有效方法。

3 结 语

美国海军在评估舰艇自防御毁伤效能时面临严峻的挑战，主要包括评估环境、耗费成本、技术条件限制等诸多问题，造成了传统现场实船实弹试验资源无法完成大型复杂系统集成软硬毁伤武器的实战试验与评估。为此，搭建用于毁伤效能评估高拟真度仿真试验环境，评估系统整体毁伤效能，完成传统方法无法实现的评估，缩短周期，降低费用，充分验证，在海军舰艇自防御系统在论证中发挥着越来越重要的支撑作用。

［1］Self Defense Test Ship for Operational Testing to Support Acquisition Programs［R］．DOT＆E memorandum to ASN(RDA)，8 December 1999．

［2］FARRIS R S，STUCKEY C B．A ship defense analysis process［J］．Johns Hopkins Apl Technical Digest，2000，21(3)．